1 合肥工业大学计算机与信息学院，安徽 合肥 230601
2 安徽建筑大学电子与信息工程学院，安徽 合肥 230601
针对现有大气偏振模式理论模型单独考虑太阳或月亮的影响，无法充分描述晴朗天气下黎明和黄昏过渡期间天空偏振模式的问题，提出了一种曙暮光影响的大气偏振模式建模方法。该方法引入太阳和月亮的影响，以太阳和月亮位置求解的Stokes矢量为基础，同时考虑了实际天空中大气粒子多次散射的因素，对Stokes矢量优化；分析太阳和月亮对大气偏振模式的影响，确定了太阳和月亮的影响权重；利用偏振角表征大气偏振模式。结果表明，所提模型的仿真结果与实测偏振角具有相同的分布和变化特性，且保持着较高的相似度，能够有效地表征曙暮光影响的大气偏振模式。
大气偏振模式 曙暮光 Stokes矢量 偏振角 偏振光导航 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0501002
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
4 航天系统部 装备部 装备项目管理中心，北京 100094
5 长光禹辰信息技术与装备（青岛）有限公司，山东 青岛 266000
为了满足高精度偏振探测要求，通道型偏振光谱仪在设计时需要考虑望远镜组偏振效应的影响，并对其进行相应的分析和优化。首先，分析望远镜组偏振效应的影响因素，采用坐标变换和穆勒矩阵连乘法建立了考虑膜系偏振效应的望远镜组穆勒矩阵模型，并带入通道型偏振光谱仪偏振解调模型。接着，通过同时控制S光和P光的透过率和相位延迟，设计相应的低偏振效应膜系。最后，运用偏振光线追迹的方法对镀有不同膜系的望远镜组进行偏振效应仿真。仿真结果表明，在580 nm和750 nm波长处，低偏振效应膜系与高偏振效应膜系的偏振探测精度变化不明显。而在420 nm波长处，低偏振效应膜系相较于常用膜系的边缘视场偏振探测精度提高了3.22%。低偏振效应膜系可以有效降低通道型偏振光谱仪望远镜组偏振效应，提高仪器的偏振探测精度。
偏振光谱相机 偏振效应 斯托克斯矢量 穆勒矩阵 polarization spectrum camera polarization effect stokes vector muller matrix
1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
空间调制型偏振检测技术是利用微偏振片阵列、角向或径向偏振片、涡旋波片等器件对光强分布进行空间调制以实现偏振信息测量的一种技术，具有光路结构简单、稳定性好、测量速度快、精度高等优势，在目标探测识别、工业及生化检测等领域具有重要应用。首先，对各种空间调制型Stokes矢量和Mueller矩阵偏振检测技术的工作原理、技术特点进行综述分析；然后，对近年来发展迅速的基于涡旋波片的空间调制型偏振检测技术进行详细阐述，重点对基于涡旋半波片和1/4波片的Stokes偏振仪、基于双涡旋波片的Mueller矩阵偏振仪的工作原理、检测效果和误差校准等内容进行介绍；最后，对空间调制型偏振检测技术的主要发展趋势进行展望。
偏振检测 空间调制 Stokes矢量 Mueller矩阵 涡旋波片 光学学报
2023, 43(17): 1712004
1 中北大学 仪器与电子学院, 山西 太原 030051
2 中北大学 前沿交叉科学研究院, 山西 太原 030051
3 中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原 030051
针对高精度、快速实时的偏振测量需求, 提出了一种双弹光差频调制的偏振参量测量方法。对偏振测量原理进行了详细分析, 针对双弹光调制器工作控制及信号解调需求, 设计了基于数字可编程逻辑门阵列(FPGA)的多通道数字锁相数据处理方案。FPGA提供一定频率占空比的脉冲宽度调制波(PWM), 经高压谐振电路输出正弦高压驱动弹光调制器工作, 与此同时, 探测器探测到的调制光信号经模数转换器(ADC)采集后进入FPGA中。FPGA提供本地参考信号完成多个频率信号的同时解调, 进而单次测量便可得到4个斯托克斯分量。搭建了实验系统进行了实验验证, 利用旋转1/4波片法建立了偏振产生装置, 实现了对线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的测量。实验结果表明, 系统测量的相对误差小于0.8%, 重复性标准差小于0.2%, 单次测量时间小于200ms,实现了高精度、重复性好、实时的偏振测量。
弹光调制 偏振测量 斯托克斯矢量 数字锁相 photoelastic modulation polarization measurement stokes vector digital lock-in amplifier
地球上海洋面积约占70%, 海面之下蕴含着大量的资源待人类探索、开发和利用。但由于水下环境复杂多变, 想要对水下世界进行探索和发现并不简单。偏振成像技术因其与传统光学成像技术相比具有多维偏振矢量信息, 一经提出便广受学术界关注, 这也促成了水下偏振探测及处理技术的蓬勃发展。在对水下目标物进行成像时, 因为水体中大量微粒和一些可溶性物质会对光产生吸收和散射作用, 导致进入接收器的光能量发生严重衰减, 致使水下图像模糊不清、质量不佳很难达到实际应用需求。文章通过研究不同类型光照条件下水下目标的偏振成像特性, 使用CMOS相机在不同类型光源的照射下对目标物分别进行水下偏振成像; 再对采集到的不同角度的偏振图像运用Stokes矢量法计算得到其偏振度、偏振角和反射光总光强等偏振分量图像; 通过图像融合的方式对获取到的偏振信息图像进行融合以结合不同偏振矢量图像的优势信息; 最后使用拉普拉斯边缘增强技术对融合图像进行增强进而实现退化图像的复原。
水下成像 偏振 斯托克斯矢量 图像融合 underwater imaging polarisation stokes vector image fusion
在打破传统蒙特卡罗方法在光线跟踪计算时各个子过程连贯性的基础上, 发展了灵活的逆正向蒙特卡罗法, 进而利用该方法研究了介质的矢量辐射传输问题。通过建立一维梯度折射率半透明介质模型, 模拟了大气层折射率分布, 得到了考虑偏振时介质自身的 Stokes 矢量。研究结果表明, 梯度折射率介质不同表面的发射率存在一定的区别, 散射性介质在考虑偏振时表面发射率的结果与标量方法存在一定的差异。逆正向蒙特卡罗方法可用以解决矢量辐射传输这类复杂问题。
蒙特卡罗法 梯度折射率 斯托克斯矢量 Monte Carlo method gradient index Stokes vector 大气与环境光学学报
2022, 17(5): 521
1 天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津 300222
2 天津大学 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
3 天津理工大学 电气电子工程学院，天津 300384
在基于视觉图像的位姿测量中，非线性位姿测量算法的全局收敛存在不确定性，测量结果取决于初值的选取，不能保证位姿测量的鲁棒性。线性位姿测量算法对图像处理的要求比较高，如果定位特征点图像坐标提取不够精确，会导致位姿测量精度降低。在自然光条件下，相机采集定位特征点图像，图像中高亮度区域的存在对定位特征点提取精度产生影响，进而使有效定位特征点数量减少，影响位姿测量精度。针对上述问题，文中提出了一种基于最佳偏振角的线性位姿测量方法：在相机镜头前加装线偏振片，根据Stokes矢量建立偏振片最佳偏振角度求解模型，在使用最佳偏振角度的前提下采集定位特征点图像，提取图像坐标；建立线性位姿求解模型，计算被测物体位姿。实验结果表明，该方法能够有效减少图像中的高亮度区域，改善成像质量，提高线性位姿测量精度，在−60°~+60°的测量范围内，角度测量误差小于±0.16°，在0~20 mm的测量范围内，位移测量误差小于±0.05 mm。
位姿测量 最佳偏振角 线性算法 Stokes矢量 pose measurement optimal polarization angle linear algorithm Stokes vector 红外与激光工程
2022, 51(3): 20210241
光子学报
2021, 50(12): 1217002
辽宁师范大学物理与电子技术学院，辽宁 大连 116029
穆勒矩阵是一种用斯托克斯矢量描述光波在传播过程中偏振态变化的关系矩阵，是获取物体偏振特性的重要手段。但穆勒矩阵的测量与材料、粗糙度、入射角、环境等因素有密切关系。采用多次旋转波片和偏振片的方法测量了不同入射角下，铜、铝、钢、硅和蓝宝石五种材料的穆勒矩阵，分析了入射角对穆勒矩阵各分量值的影响。根据Lu-Chipman 极化分解方法对穆勒矩阵进行了分解，并分析了样品双向衰减特性、起偏特性、相位延迟特性、退偏振特性与入射角之间的关系。同时发现金属和电介质材料、两个分量随入射角变化的规律不同，可作为区分金属与电介质的一个依据。该分析结果对研究物体的偏振特性和材料识别有一定参考价值。
物理光学 偏振 斯托克斯矢量 穆勒矩阵 入射角 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1726001
