基于三象限偏振片的天空偏振模式探測方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的應(yīng)用屬于天文導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用三象限偏振片和手持式光場 相機(jī)探測天空偏振模式的方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用天空光的偏振分布信息可以進(jìn)行導(dǎo)航，它具有抗干擾能力強(qiáng)、成本較低等特 點。為實現(xiàn)精確的天空偏振光導(dǎo)航，需要準(zhǔn)確探測天空在較大視場范圍內(nèi)的偏振度和偏振 化方向角信息。通常把偏振度和偏振化方向角信息一起稱為偏振模式。目前用于大視場天 空偏振模式探測的方法主要有兩種，分別是基于光電二極管的方法和相機(jī)成像的方法。基 于光電二極管的方法需要很多個光電二極管指向不同的天區(qū)測量，因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實 現(xiàn)也較為困難。相機(jī)成像的方法借助于廣角鏡頭可對大視場的天空區(qū)域直接成像，但是為 了測量偏振模式需要獲得多幅不同偏振方向下的天空圖像，這往往需要通過一個相機(jī)多次 拍攝或者多個相機(jī)同時拍攝兩種途徑來實現(xiàn)，前一實現(xiàn)途徑實時性不強(qiáng)，后一實現(xiàn)途徑會 導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0003] 總之，在實現(xiàn)大視場天空偏振模式探測時，現(xiàn)有的方法要么實時性差，要么系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)復(fù)雜。手持式光場相機(jī)的出現(xiàn)為實現(xiàn)經(jīng)過一次成像即可測量大視場天空偏振模式提供了 可能。手持式光場相機(jī)是一種在普通相機(jī)的光敏感元件前安裝有微透鏡陣列的新型成像器 件，它由華裔科學(xué)家Ren Ng于2005年發(fā)明。由于微透鏡陣列的存在，手持式光場相機(jī)在對 天空拍攝時每個微透鏡都將某個特定視點下的天區(qū)成像為彌散光斑。將該彌散光斑按照不 同區(qū)域分割利用，實現(xiàn)天空同一視點不同偏振方向下圖像的獲取，則可達(dá)到一次成像即完 成大視場天空偏振模式探測的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：本發(fā)明基于一種天空偏振模式探測系統(tǒng)，提供一種天 空偏振模式探測方法。本發(fā)明通過單個手持式光場相機(jī)對大視場天空的一次成像，即實現(xiàn) 了天空偏振模式的探測，用于解決現(xiàn)有方法在天空偏振模式探測時要么因需要多次測量而 使得系統(tǒng)實時性差，要么因需要多套測量單元而導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案一是：
[0006] -種天空偏振模式探測系統(tǒng)，包括鏡頭，三象限偏振片，手持式光場相機(jī)，其特征 在于，三象限偏振片位于鏡頭光圈所在平面，由三個材料相同的偏振片組成。其中，相鄰兩 個偏振片的偏振方向之間的夾角為60°。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案二是：
[0008] -種天空偏振模式探測方法，利用技術(shù)方案一提供的天空偏振模式探測系統(tǒng)，具 體包括下述步驟：
[0009] 第一步，利用天空偏振模式探測系統(tǒng)拍攝一幅天空圖像，并將天空圖像的灰度值 轉(zhuǎn)化為目標(biāo)福射的光強(qiáng)值。
[0010] 第二步，獲得天空偏振度和偏振化方向角。
[0011] 設(shè)天空偏振模式探測系統(tǒng)中手持式光場相機(jī)的微透鏡陣列包括M行、N列微透鏡； 任意微透鏡Ler vn對應(yīng)的成像圓斑中心的像素在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（X"in，Yniin),其中第 一個坐標(biāo)元素表示像素在圖像中的行序號，第二個坐標(biāo)元素表示像素在圖像中的列序號。 圖像坐標(biāo)系約定如下：圖像左上角為坐標(biāo)系的原點，圖像中豎直向下的方向為第一個坐標(biāo) 元素的正向，圖像中水平向右的方向為第二個坐標(biāo)元素的正向。成像圓斑半徑為d個像素， 其中d彡5，I < m < M，1 < η < N。本發(fā)明中所有微透鏡的焦距相同，尺寸相同，成像圓斑 半徑也相同。
[0012] 利用下式計算微透鏡Eniin對應(yīng)的天區(qū)偏振度Pniin和偏振化方向角θ η η:
[0014] 公式一中，I。。表示天空圖像中所有與像素點（Xniin-D, Yniin)的距離小于等于
個像素的像素點的光強(qiáng)平均值；其中，
□表示四舍五入取整。
[0015] 公式一中，I6。。表示天空圖像中所有與像素點
的距 離小于等于
個像素的像素點的光強(qiáng)平均值。其中，□表示四舍五入取整。
[0016] 公式一中，I12。。表示天空圖像中所有與像素點
的距 離小于等于
個像素的像素點的光強(qiáng)平均值。
[0017] 對所有的微透鏡Lenlil, . . . Lenm,n. . .，LenMit^$照上述方法進(jìn)行計算，從而得到 所有微透鏡對應(yīng)視角的天區(qū)偏振度矩陣P(PM，... Pniin,... ΡΜιΝ)和偏振化方向角矩陣 θ (θ^... θηη，... ΘΜΝ)。偏振度矩陣P和偏振化方向角矩陣Θ即為需要的天空偏振模 式測量結(jié)果。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：利用手持式光場相機(jī)和在光圈位置加入三象限偏振片的鏡 頭，通過對大視場天空的一次拍攝即得到一幅在任意視角下均包含三個偏振方向的天空圖 像，進(jìn)而通過對獲取圖像的處理計算出天空任意視角的偏振度和偏振化方向角信息。因此， 本發(fā)明通過單個相機(jī)對大視場天空的一次成像即實現(xiàn)了天空偏振模式的探測，解決了現(xiàn) 有方法應(yīng)用于天空偏振模式探測時實時性差和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明提供的天空偏振模式探測系統(tǒng)原理示意圖；
[0020] 圖2為具體實施流程圖；
[0021] 圖3為三象限偏振片實物圖；
[0022] 圖4為在鏡頭光圈處插入三象限偏振片的魚眼鏡頭實物圖；
[0023] 圖5為天空偏振模式探測系統(tǒng)實物圖；
[0024] 圖6為室內(nèi)實驗場景圖；
[0025] 圖7為天空偏振模式探測系統(tǒng)在對液晶顯示器一次拍攝時獲取的圖像；
[0026] 圖8為圖7局部放大的結(jié)果；
[0027] 圖9為液晶顯示器的偏振化方向角分布的測量結(jié)果；
[0028] 圖10為液晶顯示器的偏振度分布的測量結(jié)果；
[0029] 圖11為天空偏振模式探測系統(tǒng)獲得的天空圖像；
[0030] 圖12為晴朗天空的偏振度分布的測量結(jié)果；
[0031] 圖13為晴朗天空的偏振化方向角分布的測量結(jié)果。
【具體實施方式】
[0032] 以下將結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0033] 圖1為本發(fā)明提供的天空偏振模式探測系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）原理示意圖。如圖 所示，系統(tǒng)包括鏡頭1，三象限偏振片3,手持式光場相機(jī)6。為了盡可能的獲得較大的對天 空成像范圍，鏡頭1在本實施實例中建議選用視場角達(dá)到180°的魚眼鏡頭。三象限偏振片 3位于鏡頭1的光圈2所在位置。三象限偏振片3包括第一偏振片7,第二偏振片8和第三 偏振片9。三象限偏振片3為圓形，第一偏振片7、第二偏振片8和第三偏振片9是三個位 于同一平面的形狀為扇形且尺寸相同的偏振片，每個扇形的張角均為120°，其中雙向箭頭 指不了它們各自的偏振方向，第一偏振片7和第二偏振片8的偏振方向之間的夾角為60°， 第二偏振片8和第三偏振片9的偏振方向之間的夾角為60°，第三偏振片9和第一偏振片 7的偏振方向之間的夾角也為60°。需要說明的是，各偏振方向并不需要像圖1所示的均 指向圓心，只需要滿足相互夾角為60°這一個條件即可。微透鏡陣列4位于鏡頭1和相機(jī) 的感光面5之間，微透鏡陣列4由許多焦距相同，尺寸相同的微透鏡排列而成，見微透鏡陣 列細(xì)節(jié)放大圖13。微透鏡陣列細(xì)節(jié)放大圖13是微透鏡按照正方形排布的結(jié)果，實際應(yīng)用時 也可以設(shè)計為按照六邊形蜂窩狀排布以更高效的利用相機(jī)的感光面5的空間。微透鏡陣列 4和相機(jī)的感光面5組合在一起構(gòu)成了手持式光場相機(jī)6。關(guān)于手持式光場相機(jī)結(jié)構(gòu)的詳 細(xì)介紹參見Ren Ng的博士學(xué)位論文《Digital light field photography》。為了方便地使 用系統(tǒng)，將系統(tǒng)獲得的天空圖像進(jìn)行后續(xù)處理，可以給系統(tǒng)再連接計算機(jī)10。