本公开实施例提供的单目快照式深度偏振四维成像方法和系统，包括：构建成像系统的数值仿真模型，通过入瞳平面的相位分布，设计与深度和偏振高度相关的点扩展函数并设计实现所述相位分布的镜头；根据设计的结果搭建成像系统，对该成像系统的点扩展函数进行标定，获取像场的畸变参数；利用搭建的成像系统对目标场景进行单次拍摄，得到含有目标场景四维光场信息的单幅编码图像，根据像场畸变参数对该单幅编码图像进行矫正；根据标定后的点扩展函数将目标场景的四维光场信息从单幅编码图像中解码，得到目标场景的强度图、偏振对比图和深度图。本公开实施例在有效控制成本、体积、重量和能耗的前提下，能够获取高精度的四维光场信息。息。息。
【技术实现步骤摘要】
一种单目快照式深度偏振四维成像方法和系统
[0001]本公开可被应用于光学成像和机器视觉等领域，具体涉及一种可对二维强度、深度、偏振等四维光场实现单目快照式成像的方法和系统。
技术介绍
[0002]获取场景的多维光场信息，包括探测场景的二维光强、深度、偏振、光谱信息。传统相机成像时仅获取目标场景的二维光强信息。深度信息即场景内各点到相机的距离，其在机器人、自动驾驶、智能制造、人脸识别与检测、增强现实等领域有着广泛的应用。光场的偏振和光谱信息可以揭示场景更加丰富的特征，对于目标识别与追踪、特征分析、图像增强等任务有着重要的作用。
[0003]传统多维视觉感知系统通常体积、重量与功耗庞大，并且一般会牺牲时间和空间分辨率，难以满足众多实际应用需求。例如深度信息的获取往往需要主动激光照明或采用多个镜头；偏振成像往往需要通过分振幅、分焦面或时域复用的方式；光谱探测需要大体积色散分光元件、空域复用的滤波阵列或时域复用的扫描。同时获取二维光强、深度、偏振、光谱在内的多维光场信息则更具挑战，需要进一步增加系统体积与复杂度。
[0004]近年来，超构表面(Metasurface)的提出引起了广泛关注。通过亚波长尺度的结构设计，超构表面可以对电磁波的振幅、相位和偏振等特性进行灵活地调控。将超构表面集成于成像系统中，为通过集成化、微型化的系统获取场景的深度、偏振、光谱信息提供了新的可能性。但是已实验演示的利用超构表面探测光场信息的工作仅能获取二维光强外的一维信息，且仍需要主动激光照明，时、空域复用等。
技术实现思路
[0005]本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0006]为此，本公开第一方面实施例提出一种可实现集成化、微型化对四维光场信息实时、高精度获取的单目快照式深度偏振四维成像方法，包括：
[0007]步骤S1、构建成像系统的数值仿真模型，通过优化成像系统的入瞳平面的相位分布，设计与深度和偏振高度相关的点扩展函数并设计实现所述相位分布的镜头参数；
[0008]步骤S2、根据步骤S1的设计结果搭建成像系统，对该成像系统的点扩展函数进行标定；获取像场的畸变参数；
[0009]步骤S3、利用步骤S2搭建的成像系统对目标场景进行单次拍摄，得到含有目标场景四维光场信息的单幅编码图像，根据步骤S2中获取的像场畸变参数对该单幅编码图像进行矫正；
[0010]步骤S4、根据步骤S2标定后的点扩展函数将目标场景的四维光场信息从单幅编码图像中解码，得到目标场景的强度图、偏振对比图和深度图。
[0011]本公开第一方面实施例提供的单目快照式深度偏振四维成像方法，具有以下特点及有益效果：
[0012]成像系统的在二维光电传感器上的输出图像g(x,y)是包含二维光强投影、场景深度、偏振等多维信息的系统输入光场f(x,y,z,p)与成像系统点扩展函数PSF(x,y,z,p)的卷积。传统成像方法仅考虑成像系统对二维光强的脉冲响应，即PSF(x,y)，从而丢失其它维度的信息。本公开实施例体提供的成像方法通过对成像系统对多维光场的脉冲响应PSF(x,y,z,p)以及图像解码方法进行联合设计，以实现无需激光照明的单目快照式多维光场信息获取。本公开实施例提供的成像方法具有极低的复杂度，便于成像系统的集成化与微型化，以远小于传统方法所需的成本、体积、重量、能耗等，能够获取高精度的四维光场信息。
[0013]在一些实施例中，步骤S1中，所述镜头选用超构表面镜头，所述超构表面镜头包括以阵列形式布设的若干光学天线，所述步骤S1包括以下步骤：
[0014]步骤S101、根据在目标波段的损耗和折射率选取所述超构表面镜头的材料和所述光学天线的几何结构；
[0015]步骤S102、通过仿真计算确定实现独立调控一对正交线偏振光或分别独立调控多对正交偏振光的透射相位的光学天线的可选几何参数；
[0016]步骤S103、选取物理模型，初步设计与深度和偏振高度相关的点扩展函数所需的透射相位；
[0017]步骤S104、以最大化单螺旋点扩展函数的焦点光能量为目标对初步设计的透射相位进行迭代优化；
[0018]步骤S105、根据步骤S104得到的透射相位设计，并结合步骤S102确定的光学天线的几何参数中选取超构表面镜头在(x,y)坐标处的光学天线的几何参数。
[0019]在一些实施例中，步骤S103中，所述点扩展函数采用单螺旋点扩展函数；一对所述正交线偏振光为X偏振光和Y偏振光；多对所述正交偏振光包括X偏振光和Y偏振光、X偏振光和Y偏振光偏振方向旋转45
°
的一对正交线偏振光，X偏振光和Y偏振光、X偏振光和Y偏振光偏振方向旋转45
°
的一对左旋圆偏振光，以及X偏振光和Y偏振光、X偏振光和Y偏振光偏振方向旋转45
°
的一对右旋圆偏振光中的任意两对或三对偏振光。
[0020]在一些实施例中，步骤S103中，将超构表面镜头的透射相位初步设计为产生单螺旋点扩展函数的附加相位项加上标准透镜聚焦项与偏振分光项，其中选取一对正交线偏振光时：
[0021]设对X偏振光的标准透镜聚焦项与偏振分光项为ψ
xf
，设对Y偏振光的标准透镜聚焦项与偏振分光项为ψ
yf
，表达式分别为：
[0022][0023][0024]式中，f为超构表面镜头的焦距，θ为偏振分光的离轴角，x,y为入瞳平面沿x轴和y轴的二维坐标；
[0025]设对X偏振光的产生单螺旋点扩展函数的附加相位项为设对Y偏振光的产生单螺旋点扩展函数的附加相位项为均通过菲涅耳区方法设计得到，和的表达式分别为：
[0026][0027][0028]式中，u为入瞳平面的归一化径向坐标，为入瞳平面的方位角，[L,ε]是可调的设计参数，L用于调节单螺旋点扩展函数随深度的旋转速率，ε用于调节单螺旋点扩展函数紧凑程度与形状不变性之间的取舍。
[0029]在一些实施例中，步骤S104包括：
[0030]从相位分布的初步设计置于入瞳平面开始，以角谱法计算若干位于不同深度的轴上点光源在成像平面上对应的但螺旋点扩展函数的复振幅，将该复振幅与优化函数相乘，所述优化函数为满足二维高斯分布的复振幅，以该复振幅的振幅峰值为中心，用于迭代地增加限制在单螺旋的点扩展函数焦点主瓣内的光能的比例，将优化后的点扩展函数的复振幅反向传播到入瞳平面，并将对应不同深度点光源的复振幅加权平均，权重之和为1，加权平均后的入瞳平面复振幅中的振幅随后被设置为1，相位保留作为下一次迭代的输入；不断重复迭代过程，直至点扩展函数焦点主瓣内的光能的比例趋于稳定，迭代优化结束，得到透射相位设计。
[0031]在一些实施例中，步骤S4包括：
[0032]步骤S411、从步骤S3拍摄的单幅编码图像中截取两个几何像点位置相对应的区域，得到两个尺寸相同的编码图块；
[0033]步骤S412、在两个所述编码图块中标记目标物体轮廓；
本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种单目快照式深度偏振四维成像方法，其特征在于，包括：步骤S1、构建成像系统的数值仿真模型，通过优化成像系统的入瞳平面的相位分布，设计与深度和偏振高度相关的点扩展函数并设计实现所述相位分布的镜头参数；步骤S2、根据步骤S1的设计结果搭建成像系统，对该成像系统的点扩展函数进行标定；获取像场的畸变参数；步骤S3、利用步骤S2搭建的成像系统对目标场景进行单次拍摄，得到含有目标场景四维光场信息的单幅编码图像，根据步骤S2中获取的像场畸变参数对该单幅编码图像进行矫正；步骤S4、根据步骤S2标定后的点扩展函数将目标场景的四维光场信息从单幅编码图像中解码，得到目标场景的强度图、偏振对比图和深度图。2.根据权利要求1所述的单目快照式深度偏振四维成像方法，其特征在于，步骤S1中，所述镜头选用超构表面镜头，所述超构表面镜头包括以阵列形式布设的若干光学天线，所述步骤S1包括以下步骤：步骤S101、根据在目标波段的损耗和折射率选取所述超构表面镜头的材料和所述光学天线的几何结构；步骤S102、通过仿真计算确定实现独立调控一对正交线偏振光或分别独立调控多对正交偏振光的透射相位的光学天线的可选几何参数；步骤S103、选取物理模型，初步设计与深度和偏振高度相关的点扩展函数所需的透射相位；步骤S104、以最大化单螺旋点扩展函数的焦点光能量为目标对初步设计的透射相位进行迭代优化；步骤S105、根据步骤S104得到的透射相位设计，并结合步骤S102确定的光学天线的几何参数中选取超构表面镜头在(x,y)坐标处的光学天线的几何参数。3.根据权利要求2所述的单目快照式深度偏振四维成像方法，其特征在于，步骤S103中，所述点扩展函数采用单螺旋点扩展函数；一对所述正交线偏振光为X偏振光和Y偏振光；多对所述正交偏振光包括X偏振光和Y偏振光、X偏振光和Y偏振光偏振方向旋转45
°
的一对正交线偏振光，X偏振光和Y偏振光、X偏振光和Y偏振光偏振方向旋转45
°
的一对左旋圆偏振光，以及X偏振光和Y偏振光、X偏振光和Y偏振光偏振方向旋转45
°
的一对右旋圆偏振光中的任意两对或三对偏振光。4.根据权利要求3所述的单目快照式深度偏振四维成像方法，其特征在于，步骤S103中，将超构表面镜头的透射相位初步设计为产生单螺旋点扩展函数的附加相位项加上标准透镜聚焦项与偏振分光项，其中选取一对正交线偏振光时：设对X偏振光的标准透镜聚焦项与偏振分光项为ψ
xf
，设对Y偏振光的标准透镜聚焦项与偏振分光项为ψ
yf
，表达式分别为：，表达式分别为：式中，f为超构表面镜头的焦距，θ为偏振分光的离轴角，x,y为入瞳平面沿x轴和y轴的
二维坐标；设对X偏振光的产生单螺旋点扩展函数的附加相位项为设对Y偏振光的产生单螺旋点扩展函数的附加相位项为均通过菲涅耳区方法设计得到，和的表达式分别为：的表达式分别为：式中，u为入瞳平面的归一化径向坐标，为入瞳平面的方位角，[L,ε]是可调的设计参数，L用于调节单螺旋点扩展函数随深度的旋转速率，ε用于调节单螺旋点扩展函数紧凑程度与形状不变性之间的取舍。5.根据权利要求3所述的单目快照式深度偏振四维成像方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨原牧，沈子程，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。