автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Активная визуализационная поляриметрия в видимом диапазоне длин волн

На правах рукописи

УДК 007.52 ^

/ /I Л/

Матвеев Николай Вадимович

АКТИВНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИОННАЯ ПОЛЯРИМЕТРКЯ В ВИДИМОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

Специальность: 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

006059151 1 6 ИАЯИ13

Санкт-Петербург-2013

005059151

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: Кандидат технических наук

Алексеев Сергей Андреевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук

Стафеев Сергей Константинович СПБ НИУ ИТМО Кандидат технических наук

Горляк Андрей Николаевич СПБГЭТИ

Ведущая организация: ООО «Научно-Производственное

предприятие волоконно-оптического и лазерного оборудования»

Защита диссертации состоится « II » 2013 г. в / Ч : часов

на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова д. 14.

А^О? I и й,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбНИУ ИТМО.

Отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по адресу: 197101, Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д.49, СПбНИУ ИТМО, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Автореферат разослан « » 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Визуализационная поляриметрия является одной из техник для решения задач дистанционного зондирования. Одним из направлений исследований в области визуализационной поляриметрии является моделирование изменения состояния поляризации излучения при взаимодействии с объектами. Данные модели применяются в системах генерации синтетических изображений (Synthetic image generation (SIG)), использующихся в программных продуктах, позволяющих исследовать процессы, происходящие при дистанционном зондировании, разрабатывать и оптимизировать алгоритмы распознавания объектов, проектировать оптико-электронные приборы. Моделирование поляризационных и скалярных эффектов в SIG-системах осуществляется на основе двулучевой функции отражательной способности (Bidirectional reflectance distribution function - BRDF — скалярный случай, Polarimetrie BRDF — pBRDF - поляризационный). Существует широкий ряд работ, посвященных моделированию процессов взаимодействия неполяризованного излучения с поверхностью исследуемого объекта на основе pBRDF (далее pBRDF-модель), модели для активных поляриметрических систем с заданным состоянием поляризации рассмотрены лишь обзорно. Данные модели учитывают влияние комплексного показателя преломления материала и шероховатости поверхности и при решении обратной задачи позволяют давать количественные оценки данных параметров.

Учитывая возможности SIG-систем, представляется актуальным разработка подобных моделей для активных визуализационных поляриметров и оценка границ их применимости.

Одним из элементов телевизионных поляриметрических систем на полном векторе Стокса являются ахроматические фазовые пластинки. Проведение оценки качества этих оптических элементов является актуальной задачей ввиду сложности конструкции и производства ахроматических фазовых пластинок.

Цель работы и задачи исследований

Цель работы - разработка и исследование модели изменения состояния поляризации при взаимодействии излучения с известным состоянием поляризации с поверхностями реальных объектов для SIG-систем.

Объектами исследований в диссертации являются поляриметрические параметры излучения видимого диапазона, отраженного шероховатой поверхностью объекта.

Задачи исследования:

1. Разработка рВИОИ-модели для активных поляриметров, учитывающей оптические и физические параметры поверхности;

2. Разработка спектрального активного телевизионного гониополяриметра;

3. Определение достоверности результатов рВГШР-модели и определение границ применимости модели;

4. Определение значений параметров функции плотности микрофасеток рВШЗР-модели для алюминия;

5. Исследование качества ахроматических фазовых пластинок для использования в телевизионных поляриметрических системах.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовались методы математического, физического моделирования и математической статистики, в частности метод оптимизации Левенберга-Маркварда для решения задачи отклонения модельной кривой от экспериментальной.

Научная новизна исследований

1. Впервые получены аналитические зависимости параметров вектора Стокса отраженной волны от параметров вектора Стокса падающей волны на основе р1ЖОР-модсли;

2. Впервые показано, что рВЮР-модель для активных поляриметров дает результаты, совпадающие с экспериментальными данными, при углах падения и отражения в диапазоне от 0° до 30° для Яа порядка 0.5 мкм, и от 0° до 10° для Яа порядка 2.5 мкм;

3. Впервые на основе рВШЗР-модели для активных поляриметров получены значения параметров функции плотности микрофасеток для алюминия для БЮ-систем;

4. Разработан спектральный телевизионный поляриметр, позволяющий получать топограммы распределения фазового сдвига, вносимого исследуемым объектом, с его помощью получены количественные оценки качества образцов ахроматических фазовых пластинок.

Практическая ценность работы заключается в создании и исследовании модели, описывающей изменение состояния вектора Стокса при взаимодействии излучения активного поляриметра с шероховатой поверхностью, определены границы ее применимости при использовании в SIG-системах и решении задач дистанционного зондирования. Разработанный спектральный телевизионный гониополяриметр позволяет давать количественную оценку оптических параметров фазосдвигающих элементов поляриметрических систем и может использоваться для контроля их качества.

Реализация и внедрение результатов

Действующий прототип спектрального активного телевизионного гониополяриметра применяется в лаборатории кафедры ТТОЭ НИУ ИТМО.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на XLII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО 29 Января - 01 Февраля 2013 Алексеев С.А., Матвеев Н.В., Попов И.В. «Исследование границ применимости BRDF модели для активных поляриметров»; I Всероссийском конгрессе молодых ученых 10-13 апреля 2012 года Матвеев Н.В., Попов И.В. «Контроль качества ахроматических фазовых пластинок»; XL научной и учебно-методической конференции 1-4 февраля 2011 года Алексеев С.А., Прокопенко В.Т., Матвеев Н.В., Данильцев Р.В. «Моделирование поляризационной двулучевой функции отражательной способности (pBDRF) объекта»; VIII Всероссийской межвузовской конференция молодых ученых 12—15 апреля 2011 года Матвеев И.В. «Моделирование процесса изменения поляриметрических параметров зондирующего излучения в активных поляриметрических системах»; XXXIX научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО 2-5 февраля 2010 года Алексеев С.А., Матвеев Н.В. «Метод измерения поляризационной чувствительности приемников оптического излучения»; XXXVII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО 29 января - 1 февраля 2008 года Алексеев С.А., Кононов С.А., Матвеев Н.В. «Телевизионный полярископ».

Публикации

Результаты работы опубликованы в четырех научных статьях, в том числе в одном издании, входящем в Перечень ВАК, получен один патент.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 97 библиографических описаний цитируемых источников. Она изложена на 106 страницах, включает 50 рисунков.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. рВГШР-модель для активных поляриметров, позволяющая решать задачи классификации материалов; модель является работоспособной при углах падения и отражения в диапазоне от 0° до 30° для Яа порядка 0.5 мкм, и от 0° до 10° для 11а порядка 2.5 мкм.

2. Действующий прототип спектрального активного телевизионного гониополяриметра.

3. Результаты исследования неравномерности распределения величины фазового сдвига по полю ахроматических фазовых пластинок

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы его цель и основные задачи, дано краткое описание содержания разделов диссертации.

В первом разделе дан обзор развития визуализационной поляриметрии, определены основные поляриметрические параметры и способы описания состояния поляризации излучения.

Рассмотрены архитектуры существующих поляриметров, математический базис обработки поляриметрических данных, особенности проведения измерений в различных спектральных диапазонах.

Описаны методы получения количественной информации о физических параметрах объектах, таких как комплексный показатель преломления, шероховатость и форма поверхности из информации о состоянии поляризации зондирующего излучения.

Показано преимущество активных поляриметров перед пассивными благодаря возможности отказа от проведения многократных измерений при различных углах падения/отражения, путем проведения измерений при разном состоянии вектора Стокса падающего излучения.

Отмечено, что основным источником ошибок измерений в системах на полном векторе Стокса в видимом диапазоне являются ахроматические фазовые пластинки.

Сделан вывод о необходимости разработки моделей изменения поляризационных параметров при взаимодействии излучения с известным состоянием поляризации с поверхностями реальных объектов, оценки границ их применимости, целесообразности разработки средств контроля качества ахроматических фазовых пластинок.

Во втором разделе диссертации производится моделирование изменения состояния поляризации при взаимодействии излучения с поверхностями реальных объектов для активных поляриметров на основе поляриметрической двулучевой функции отражательной способности.

Дано определение двулучевой функции отражательной способности:

(1)

<Ш(0„Ф,)

где X - длина волны, Ьг - яркость поверхности в Вт/(м2ср), Е -освещенность поверхности в Вт/м2.

Если рассматривать падающее и отраженное излучение как векторы Стокса, то двулучевую функцию отражательной способности называют поляриметрической (рВЫ)Р), и выражение 1 принимает вид:

(2)

м (Г 700 /о. /ог Г Л У оз (¿Ео)

¿А Ло /и /п /»

/т /2. /гг /23

/з. /32 /зз, А

Если рассматривать поверхность как набор микроячеек (рис. 1), каждая из которых отражает по закону Френеля, то рВ1ШР определяется следующим образом:

(3)

где Р8 - зеркальная составляющая, Р^ - диффузная.

В свою очередь зеркальная составляющая включает в себя следующие компоненты:

МАгОР(в„) 4 соэ в, сое в.

(4)

где А/ — площадь ячейки, в - параметр затенения, Р(9м) — функция плотности ячеек, М — матрица Мюллера, описывающая Френелевское отражение.

Рис. 1 Поверхность как набор микрофасеток

Функция плотности ячеек P(9n) связывает распределение отраженного

излучения со статистическими параметрами шероховатости поверхности.

(5)

27ГСГ cos (вы) у 2а J Эта функция содержит два параметра: а - характеризует шероховатость поверхности, В - параметр смещения. Значение а, стремящееся к нулю, характеризует поверхность, близкую к зеркальной, стремящееся к единице -более шероховатую. вы - угол между нормалью к поверхности ячейки и нормалью к поверхности объекта. Вклад функции плотности ячеек в pBRDF характеризует направление максимума отраженного излучения (рис. 2, 3).

Sr

Рис. 2 Угловое распределение параметров вектора Стокса отраженной волны для медной поверхности при угле падения 60 градусов и а=0,1.

-■so —si ---sa

Рис. 3 Угловое распределение параметров вектора Стокса отраженной волны для медной поверхности при угле падения 60 градусов и сг=0,5

Функция затенения О имеет важный физический смысл в рВЮЭР-модели. В случае, если углы падения и наблюдения не совпадают, появляются эффекты, связанные с затенением. При этом некоторые микрофасеточные элементы могут быть не освещены из-за того, что соседние ячейки закрывают источник света. Также возможно, что некоторые освещенные ячейки не видны наблюдателю из-за соседних ячеек. Эти эффекты называются соответственно «затенением» и «маскированием» в классификации Торранса-Спарроу. Кроме того, возможно одновременное присутствие эффектов маскирования и затенения. Общим результатом этих эффектов является аттенюация зеркального отражения.

G = SU„ =

С2

1 + -

Q

(6)

где Q и т - параметры функции затенения.

В процессе численного моделирования установлено присутствие отличия в зависимости степени поляризации (DOP - degree of polarization) от угла отражения при разных составах вектора Стокса падающего излучения (рис. 4,5), которые позволяют при идентификации материала объекта отказаться от измерения DOP при разных углах отражения, проводя измерения при разных составах вектора Стокса падающего излучения, что сократит трудоемкость при

проведении поляриметрических исследованиях удаленных объектов и повысит быстродействие системы.

Значения физических параметров объекта могут быть получены путем решения системы уравнений:

йОР(\) = ИОР( 2)

ООР(]) =

. + А (1)/оо )2 + (1)/22 + (1)Лз )2 + и (0/32 + (1)/зз )2

РоШо + (2)/„„ Г + (4 (2)/22 + ^ (2)/23 )2 + (4 (2)/,2 + з[ (2)/33 )2

«¿(2ХЛ. +

+о-)/« )2 + к о')/22 + ^ о')/в У+(4 ел/»+(у)/зз )2

(7)

Для практической реализации метода классификации материалов по изменению состояния вектора Стокса при однократном угловом измерении необходимо определить угловой диапазон, в котором предложенная модель дает достоверный результат.

ПОР

0,85

0.80

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0Г>°

-Си —А1

Рис. 4 Кривые угловых зависимостей степени поляризации для алюминия и меди при угле падения 60 градусов. Вектор Стокса 8=[1 0.5 0 0]т

ПО}'

0,90 J ^

0,88

0,80

40 50

-Си —А!

90 0Г о

Рис. 5 Кривые угловых зависимостей степени поляризации для алюминия и меди при угле падения 60 градусов. Вектор Стокса 8=[1 0.1 0.8 01]т

В третьем разделе представлены результаты экспериментальных исследований изменения состояния вектора Стокса при взаимодействии излучения с шероховатой поверхностью.

Для определения границ применимости рВГШР-модели для активных поляриметрических систем проведено сравнение угловых распределений степени линейной поляризации (УООР) при разных углах падения излучения с вектором Стокса [1010] на алюминиевые образцы с разной степенью шероховатости.

Структура поверхности каждого образца исследована с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) №поес!иса1ог. Среднеквадратичное отклонение (СКО) результатов измерений линейных размеров по оси Ъ не более 5%, СКО результатов измерений линейных размеров в плоскости ХУ не более 5%, нелинейность сканирования в плоскости ХУ не более 30 нм, неортогонапьность сканера в плоскости ХУ не более 5°, неплоскостность сканирования в плоскости ХУ не более 500 нм.

Образец Ятах, мкм Яа, мкм

№1 16.286 2.617

№2 10.966 1.597

№3 3.153 0.539

Поляриметрические измерения проводились с помощью разработанного спектрального телевизионного гониополяриметра. В принципиальной схеме прибора (рис. 6) свет от монохроматора по волоконному жгуту подается в коллиматор и далее через поляризатор направляется на объект.

Рис. 6 а Функциональная схема комплекса 1 - источник излучения; 2 - коллиматор; 3 - поляризатор; 4 - объект; 5 -поворотный столик; 6 - анализатор с шаговым двигателем; 7 - фотоприемник; 8 - зрительная труба; 9 - ПК.

Световоды на входе волоконного жгута имеют линейное расположение, образуя выходную щель монохроматора, на выходе - гексагональную для сопряжения с апертурой коллиматора. Расходимость пучка после выхода из коллиматора составляет 1 мрад. После прохождения излучения через прозрачный объект или отражения от непрозрачного, пучок проходит анализатор, установленный в модуль позиционирования, и попадает на ПЗС-матрицу телевизионной камеры.

Рис. 6 б Спектральный телевизионный поляриметр в схеме гониометра ГС-5. 1 - галогенная лампа, 2 — монохроматор, 3 - блок питания монохроматора, 4 - волоконный жгут, 5 - коллиматор, 6 - поляризатор, 7 — исследуемый объект, 8 - шаговый привод со встроенным анализатором, 9 — ПЗС-камера, 10 - контроллер управления шаговым двигателем.

При измерении параметров поляризации по полю исходные данные представляют собой набор двумерных массивов распределения интенсивности.

Регистрация данных осуществляется методом вращающегося анализатора с цифровым Фурье детектированием. Для оптимизации метода и сокращения машинного времени, требующегося для обработки данных, был применен метод шаблонов, заключающийся в выборе шага поворота анализатора таким образом, чтобы коэффициенты при значениях интенсивностей принимали значения «1» или «0», в результате вычисления сводятся к простым алгебраическим операциям с матрицами:

{«о} = 7 &} = 7( {/о} + (Л} + и 2} + {Із)). (9)

о ;=(і 4

{«2} = § ' I? Ul} cos A = i ■ 2 • ( {/0} cos 0° + {/j} cos 90° + 8 / = 0 5 4

+ {12} cos 180° + {/^} cos 270°) = (10)

= 1-(1-{/0} + 0-{/1}-1-{/2}-0-{/3}) = |({70}-{/2}),

2 ' = 7 лк 1 {b2} = - S {/•} sin(—0 = - ■ 2 • ( {/0} sin 0° + {/j} sin 90° +

+ {I2} sin 180° + {/3 }sin 270°) =

Исследуемые образцы облучались линейно поляризованным излучением с длиной волны 632 нм. Вектор Стокса падающего излучения [1010]т. Регистрация проходила при положениях анализатора 0°, 45°, 90°, 135°, из которых высчитывались величины компонент So, Si, S2 вектора Стокса отраженного излучения. Угол падения изменялся в диапазоне 0°-60° с шагом 10°. Сканирование отраженного излучения проводилось в диапазоне 0°-60° с шагом 10°.

Решая задачу минимизации отклонения модельной кривой степени линейной поляризации от экспериментальных значений методом Левенберга-Маркварда, были получены зависимости, представленные на рис. 7-9. В качестве переменных были приняты параметр смещения В и а, значения комплексного показателя преломления n=1.24 к=6.6, параметры функции затенения т=0.245 П=4.349 и диффузной составляющей pv=3.466E-03 pd=5.167E-03 взяты из справочника NEFDS (The Nonconventional Exploitation Factors Data System - база данных параметров материалов для компьютерного моделирования на основе BRDF моделей).

Для всех образцов наблюдается увеличение расходимости между экспериментальными и модельными зависимостями при увеличении угла падения, а также при удалении угла отражения от угла падения (рис. 7-9).

Рис 7 Сравнение экспериментальных и модельных угловых зависимостей LDOP для образца №1 о=0,159

LDOP

LOOP

6i= 0°

öi- 10"

ШОР

0,8

0,6 0,4

0,2

01= 20°

0 10 20 30 40 50 0г,° 0 10 20 30 40 50 0г,° 0 10 20 30 40 50 0г,°

—Модель - Эксперимент

Рис. 8 Сравнение экспериментальных и модельных угловых зависимостей ЬЭОР для образца №2 о=0,133

ШОР ш=0о 6'= 10° 0N 20°

—Модель ■> Эксперимент Рис. 9 Сравнение экспериментальных и модельных угловых зависимостей ЫЮР для образца №3 а=0,Ю6

Соответствие теоретических и экспериментальных данных наблюдается вблизи углов отражения равных углу падения, с увеличением шероховатости поверхности и при увеличении угла падения расхождение между модельными и экспериментальными кривыми увеличивается.

Модель дает результаты, совпадающие с экспериментальными данными, при углах падения и отражения в диапазоне от 0° до 30° для Яа порядка 0.5 мкм, при увеличении шероховатости в пять раз угловой диапазон, в котором модель работает, сужается в три раза и составляет от 0° до 10°.

Таким образом, получение информации о шероховатости поверхности или материале объекта путем решения системы уравнений, полученных из уравнения 2 при различных наборах вектора Стокса падающего излучения, возможно для поверхностей с Яа<2.5 мкм в угловом диапазоне от 0° до 10°.

В четвертом разделе проводится исследование качества ахроматических фазовых пластинок. Первоначально выполнена проверка работоспособность предложенного метода путем сравнения результатов с измерениями по методу вращающегося анализатора с точечным приемником для тестовой четвертьволновой слюдяной пластинки (рис.10). Фазовый сдвиг, приобретаемый ортогональными компонентами при прохождении объекта, вычисляется по формулам:

Контрольное значение разности фаз составило 8не-№=83.52°. В проверяемой установке кадр размером 250 на 250 пикселей (рис. 12) был «вписан» в круг слюдяной пластинки, таким образом, диаметр пластинки составил 354 пикселя, а размер центральной области, соответствующей пятну лазера равен 15 на 15 пикселей. Усредненное значение для центральной области, состоящей из 225 значений, составило 5бззнм=83.45°.

(12)

(13)

(14)

Тесгсвзя спедявая пластинка ОЗЗ мм

Рис. 10 Топограмма величины фазового сдвига для слюдяной пластинки при длине волны 633 нм.

Проведенный эксперимент наглядно демонстрирует преимущество используемой установки при контроле распределения поляризационных параметров по полю объекта, т.к. единственное измерение в центральной области пластинки дает неверное представление о ее качестве, а сканирование объекта трудоемко.

Показано, что с помощью описанного в третьем разделе прибора возможно давать количественную оценку основного параметра ахроматических фазовых пластинок (АФП) - сдвига фаз, по таким критериям как спектральный диапазон (рис. 11), угловая зависимость (рис. 12) и распределение параметра по полю пластинки.

На примере исследования качества ахроматических фазовых пластинок показана возможность использования разработанной установки для контроля качества фазосдвигающих оптических элементов визуализационных поляриметров.

Рис. 11 Спектральная зависимость фазового сдвига для АФП-3

8,°

95 +..........

87 |...................................-------------------------------.....................................................-.....—-........................................~................................

86

85 4—.....—................т------------------------------------------.------------------г....................—г—...........-+►

0 12 3 4 5 01,"

Рис. 12 Зависимость фазового сдвига от угла падения света для АФП-3 при длине волны 620 нм

АФП-1

В

и

Рис. 13 Топограммы распределения величины фазового сдвига для исследуемых ахроматических фазовых пластинок

На основании результатов измерений, представленных на рис. 13, делается вывод о качестве пластинок. Даются рекомендации по их применению: АФП-3 может использоваться как четвертьволновая пластика в пределах апертуры, определяемой величиной центральной области. Отклонения величины фазового сдвига на некоторых участках АФП-1,2 могут быть компенсированы путем добавления в оптическую схему АФП с необходимыми характеристикам и.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения работы получены следующие результаты:

1. Разработана рВШЭР-модель для активных поляриметров, описывающая изменение поляризационных параметров при взаимодействии излучения с известным состоянием поляризации с поверхностями реальных объектов.

2. Установлено, что аналитические зависимости степени линейной поляризации излучения, полученные на основании предложенной модели, могут использоваться для решения задач классификации материалов.

3. Модель является работоспособной при углах падения и отражения в диапазоне от 0° до 30° для Яа порядка 0.5 мкм, при увеличении

шероховатости в пять раз угловой диапазон, в котором модель работает, сужается в три раза и составляет от 0° до 10°

4. Определение физических параметров объекта возможно путем решения системы уравнений, полученных из рВ1ЮР-модели при различных наборах вектора Стокса падающего излучения.

5. Для оценки качества ахроматических фазовых пластинок, использующихся в телевизионных поляриметрических системах, необходимо помимо измерения спектрального и углового диапазонов контролировать распределение величины фазового сдвига по полю пластинки.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Алексеев С. А., Матвеев Н. В. «Способ измерения поляризационной чувствительности приемника оптического излучения», Изв. ВУЗов. Приборостроение 2013. т. 56, №5 с. 14-18

2. Алексеев С. А., Матвеев Н. В. Патент №2010113682 приоритет от 07.04.2010 «Способ измерения поляризационной чувствительности приемника оптического излучения (варианты)»

3. Алексеев С. А., Матвеев Н. В., Попов И. В. «Определение параметров функции плотности микрофасеток в пДФОС» Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 3 - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - с. 426427

4. Матвеев Н. В., Попов И. В. «Контроль качества ахроматических фазовых пластинок» Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2, - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - с. 13

5. Матвеев Н. В. «Моделирование процесса изменения поляриметрических параметров зондирующего излучения в активных поляриметрических системах» Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. - с. 49

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «ФалконПринт» 197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская д. 54 тел.(812) 313-26-39

Объем 1.0 п.л. Тираж 100 экз.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

На правах^ рукописи

04201357280 Матвеев Николай Вадимович

Активная визуализационная поляриметрия в видимом диапазоне длин

волн

05.11.07 Оптические и оптоэлектронные приборы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н. доц. Алексеев С. А.

Санкт-Петербург-2013

Содержание

Содержание..........................................................................................................2

Основные труды...................................................................................................4

Список сокращений.............................................................................................5

Введение...............................................................................................................7

Глава I Обзор современного состояния визуализационной поляриметрии.... 10

1.1 Основные физические понятия................................................................11

1.2 Типы поляриметров..................................................................................18

1.2.1 Одномерные поляриметры.................................................................18

1.2.2 Двумерные поляриметры...................................................................18

1.2.3 Трехмерные поляриметры..................................................................19

1.2.4 Поляриметр на полном векторе Стокса.............................................19

1.2.5 Активные визуализационные поляриметры......................................20

1.2.5.1 Матрицы Мюллера и другие активные системы визуализации.... 20

1.2.5.2 Лидары..............................................................................................22

1.2.5.3 Спектрополяриметрические визуализаторы..................................22

1.3 Математический базис методов измерения.............................................24

1.3.1 Метод обработки матриц....................................................................24

1.3.2 Метод Фурье преобразований............................................................27

1.3.3 Канальная спектрополяриметрия.......................................................30

1.4 Архитектура интегрированных поляриметров........................................32

1.4.1 Группа временных поляриметров......................................................33

1.4.2 Группа амплитудных поляриметров..................................................34

1.4.3 Группа апертурных поляриметров....................................................35

1.5 Спектральный диапазон, феноменология................................................36

1.6 Определение физических параметров объекта на основе

поляриметрических данных...........................................................................37

Выводы по главе.............................................................................................39

Глава II Моделирование поляриметрической двулучевой функции отражательной способности..............................................................................41

2.1 Двулучевая функция отражательной способности.................................41

2.2 Поляриметрическая двулучевая функция отражательной способности 42

2.3 пДФОС для микрофасеточной модели....................................................43

2.4 Степень поляризации для рассеяния в плоскости...................................48

2.5 пДФОС для активного поляриметра........................................................51

Выводы по главе.............................................................................................58

Глава III Исследование границ применимости модели...................................59

3.1. Свойства образцов...................................................................................59

3.2 Описание экспериментальной установки................................................61

3.3. Исследование изменения состояния поляризации при взаимодействии с

образцами........................................................................................................66

3.4 Сравнение экспериментальных данных с моделью................................68

Выводы по главе.............................................................................................74

Глава IV Контроль качества ахроматических фазовых пластинок.................75

4.1 Ахроматические фазовые пластинки.......................................................75

4.2 Проверка работоспособности метода......................................................79

4.3 Исследование ахроматических фазовых пластинок...............................82

Выводы по главе.................................................................................................95

Заключение.........................................................................................................96

Список литературы............................................................................................97

Приложения......................................................................................................106

Основные труды

1. Алексеев С. А., Матвеев Н. В. «Способ измерения поляризационной чувствительности приемника оптического излучения», Изв. ВУЗов. Приборостроение 2013. т. 56, №5 с. 14-18

2. Алексеев С. А., Матвеев Н. В. Патент №2010113682 приоритет от 07.04.2010 «Способ измерения поляризационной чувствительности приемника оптического излучения (варианты)»

3. Алексеев С. А., Матвеев Н. В., Попов И. В. «Определение параметров функции плотности микрофасеток в пДФОС» Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 3 - СПб: НИУ ИТМО, 2013.-с. 426-427

4. Матвеев Н. В., Попов И. В. «Контроль качества ахроматических фазовых пластинок» Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2, - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - с. 13

5. Матвеев Н. В. «Моделирование процесса изменения поляриметрических параметров зондирующего излучения в активных поляриметрических системах» Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. - с. 49

Список сокращений

Обозначение Название Единицы измерения

А/ площадь ячейки м2

СБОР степень круговой поляризации -

с скорость света м/с

ЭОР степень поляризации -

Е освещенность Вт/м2

Р поляризационная функция отражательной способности (матрица) ср"1

/ двулучевая функция отражательной способности ср-1

в функция затенения -

1ЛЭОР степень линейной поляризации -

Іл- яркость поверхности Вт/м2

ІМ матрица Мюллера -

Шу компоненты матрицы Мюллера -

п показатель преломления -

Пе аномальный показатель преломления -

П0 нормальный показатель преломления -

р(0н) функция плотности микрофасеток -

Яв отражательная способность 8-компоненты -

Яр отражательная способность р-компоненты -

г* в-поляризованный френелевский коэффициент отражения -

гр р-поляризованный френелевский коэффициент отражения -

Вектор Стокса -

р локальный угол падения на ячейку 0 или рад

У эллиптичность ° или рад

8 разность фаз -

01 зенитный угол падения ° или рад

угол между нормалью к микрофасетке и нормалью к поверхности ° или рад

ег зенитный угол отражения ° или рад

X длина волны -

Ф; азимутальный угол падения ° или рад

фг азимутальный угол отражения ° или рад

¥ азимут поляризации ° или рад

Введение

За последние тридцать лет визуализационная поляриметрия стала мощным инструментом для решения задач дистанционного зондирования. Техники дистанционного зондирования позволяют получать информацию об объекте без физического контакта с ним, благодаря этому они нашли свое применение в различных областях, таких как прогнозирование погоды, безопасность шахт, медицина, безопасность и военное дело, исследование поверхности океана и атмосферы. Поляриметрические методы позволяют дать не только качественную, но и количественную оценку состояния объекта. Спектральные данные несут информацию о материалах, составляющих объект, форме поверхности, поляризационные данные - о ее шероховатости и форме поверхности, материале, из которого изготовлен объект. Применение поляриметрических техник предпочтительней для случаев низкоконтрастных объектов, что позволяет улучшить методики решения задач поиска и классификации объектов, распознавания и сегментирования изображений. На рис. 1.1 показан пример возможностей поляризационного контрастирования.

Визуализационная поляриметрия является специальным направлением поляриметрии, заключающимся в создании карты состояния поляризации исследуемой сцены.

Рис. 1.1

Изображения двух машин на природном фоне в тени. Верхнее - снимок в видимом диапазоне, нижнее левое - длинноволновое ИК, нижнее правое -поляриметрическое длинноволновое ИК. Интересующие исследователя объекты видны только на третьем изображении [19].

Одним из направлений исследований в области визуализационной поляриметрии является моделирование изменения состояния поляризации излучения при взаимодействии его с поверхностью объекта. Такие модели используются в генерации синтетических изображений (Synthetic image generation (SIG)), программные продукты, использующие данный метод, позволяют исследовать процессы, происходящие при дистанционном зондировании, разрабатывать и оптимизировать алгоритмы распознавания объектов, проектировать оптико-электронные приборы.

Существует широкий ряд работ, посвященных моделированию процессов взаимодействия неполяризованного излучения с поверхностью исследуемого объекта, модели для активных поляриметрических систем с заданным состоянием поляризации рассмотрены лишь обзорно. Как будет показано в Главе I, активные поляриметрические системы играют важную роль в поляриметрических исследования. В связи с этим представляется целесообразным разработка моделей для взаимодействия излучения, поляризованного известным образом, с поверхностями реальных объектов, рассмотрение границ их применимости.

Структура работы построена следующим образом: - в первой главе дается обзор существующих поляриметрических систем и методов извлечения информации о физических параметрах объектов из поляриметрических данных, обосновывается необходимость исследования моделей для взаимодействия излучения, поляризованного известным образом, с поверхностями реальных объектов, выбираются схемы и методы обработки данных для экспериментальной проверки теоретических положений данной работы;

во второй главе рассматривается структура общей поляриметрической модели, производится построение модели для активных поляриметров, рассматриваются возможности применения моделей для целей классификации материалов;

в третьей главе производится экспериментальная проверка предложенной модели, определяются границы ее применимости;

в четвертой главе производится исследование качества ахроматических фазовых пластинок, которые являются важной частью поляриметрических систем на полном векторе Стокса.

Глава I Обзор современного состояния визуализационной поляриметрии

Есть два важных эксперимента Aparo и Френеля, Aparo и Милликена, которые считаются ранними попытками количественной поляриметрии. Aparo осуществил ряд качественных экспериментов с поляризованным светом, и он был первым, кто заметил явления оптической активности и то, что испускаемое излучение не всегда неполяризовано.

Милликен измерил величину линейной поляризации света от ламп накаливания, и существует целый ряд последующих работ изучающих поляризацию испускаемого излучения.

Сандус [1] дает тщательный обзор по физике этих явлений и математически описывает первые работы.

Для обсуждения визуализационной поляриметрии в современном количественном отношении, мы должны сделать шаг вперед, во время твердотельной электроники. Наиболее ранние работы содержатся в двух правительственных отчетах сделанных, сначала Джонсоном [2] в 1974, затем Чинг-Бингом [3] в 1976. Инструмент, описанный в этих докладах, это тепловая инфракрасная сканирующая камера, дополненная вторым детектором и поляризующей призмой. В 1976 году патент Гарлика и др.,[4] описывает систему, которая отображает по-разному поляризованные картины. Самые ранние публикации, описывающие визуализационную поляриметрию в видимом диапазоне, принадлежат Валравену[5,6]. В его экспериментах линейный поляризатор вращался перед кинокамерой. Полученную пленку оцифровывали и рассчитывали линейные элементы вектора Стокса.

Соломон[7] сделал обзор визуализационной поляриметрии в 1981.

Поляриметрические сенсоры также используются в пилотируемых и беспилотных летательных аппаратах. Пионер 11 имел фотополяриметр на борту. [8] Космические челноки оснащаются двойной пленочной камерой, [9]

а затем трехцветной цифровой камерой с поляризующей оптикой, которая управляется человеком. Такие системы измеряют два или три компонента линейно поляризованного света.

Три камеры использовал Прош и др.[10], чтобы получить первые три элемента вектора Стокса, и двойные пьезомодуляторы были использованы Стенфло и Повелом [11] для измерения всего вектора Стокса.

Пеццанити и Чипман [12,13] разработали визуализационный поляриметр на основе матриц Мюллера, для изучения оптических элементов при пропускании и отражении.

1.1 Основные физические понятия

Поляризация - общее свойство всех типов векторных волн. Этим свойством обладают электромагнитные волны, а также, например, упругие и спиновые волны в твердых телах. Для всех типов векторных волн поляризация характеризует поведение во времени одного из векторов поля, связанного с данной волной (электрическое поля, поле напряжений или спиновое поле), наблюдаемое в некоторой фиксированной точке пространства.

Световые волны имеют электромагнитную природу, так что для их

полного описания требуется четыре основных полевых вектора:

напряженность электрического поля Е, электрическая индукция Б,

напряженность магнитного поля Н и магнитная индукция В. Из этих четырех

векторов для определения состояния поляризации световых волн выбран

вектор напряженности электрического поля Е. Такой выбор объясняется тем,

что при взаимодействии света с веществом сила, действующая на электроны,

с точностью до пренебрежимо малой поправки определяется именно

электрическим полем световой волны. Общая сила, действующая в

электромагнитном поле на частицу с зарядом q, движущуюся со скоростью V,

складывается из двух составляющих электрической силы дЕ и силы Лоренца

цухВ. Отношение последней величины к первой не может превышать уВ/Е

11

или у/с, где с - скорость света. Поскольку у/с«1 (для всех интересующих нас случаев), силой Лоренца можно пренебречь. Если поведение Е определено, то поведение трех оставшихся векторов поля Б, Н и В может быть найдено, так как Е, Б, Н и В связаны между собой полевыми уравнениями Максвелла и материальными уравнениями. В дальнейшем будем считать, что поляризация света полностью определяется изменением во времени I вектора напряженности электрического поля Е(гД), наблюдаемого в фиксированной точке г. [14]

Кроме того, будем рассматривать монохроматические волны, т.е. волны, описываемые уравнением вида Е = Е0со${м + 5), где Е0,со,3 постоянны во времени.

Если в колебаниях вектора электрической напряженности нет выделенного направления, то такой свет называется естественным или неполяризованным (Рис. 1.1).

Рис. 1.1 Естественный свет.

Естественные источники света излучают именно такой, неполяризованный свет. Это следует из того, что свет от обычных источников излучается отдельными атомами. Каждый атом излучает плоскополяризованные волны, но плоскости их колебаний никак не согласованы между собой. Суммарный свет получается сложным, неполяризованным.

Свет, направления колебаний в котором упорядочены каким-либо образом, называют поляризованным. В каждый момент времени вектор Е можно разложить на две ортогональные составляющие (Рис. 1.2).

Рис. 1.2

Разложение вектора Е по осям.

Ех = Е0х соз(йЖ + 8х)

Еу=Ейусоь(аХ + ду)

Из (1.1) и (1.2) следует: Е Е

~-8ІП£„--— ЗІП^. = -С08£#8Іп(£ї -8 )

"Ох

Е,

Оу

Е Е

х -СОв8„--^~СО$>8х - -8ІПй7Ґ8Іп(^ —8)

У

'Ох

'О у

Если ввести разность фаз & , равную

8=8-8,

X у'

(1.1) (1.2)

(1.3)

(1.4)

(1.5)

возвести выражения (1.3,1.4) в квадрат и сложить их, то получим:

Ґ г. Л2

р

С т^ \

+

V Е°у )

Е Е

-2—і--— сов^ = зіп2 8.

Еох Е0у

(1.6)

Это уравнение эллипса, поскольку детерминант кривой, описываемой (1.6), неотрицателен:

"Ох

со $8

Е0x^0 у

сове) 1

Еох^оу Еоу

эт2 8

К 2Е 2

П0х Оу

Таким образом, конец вектора электрической напряженности описывает эллипс, главные оси которого не совпадают с осями (х, у) (Рис. 1.3). Этот эллипс называется эллипсом поляризации; соответственно электромагнитная волна называется в общем случае эллиптически поляризованной.

У

Рис 1.3 Эллипс поляризации Необходимо учитывать направление вращения вектора электрической

напряженности. Если для наблюдателя, смотрящего на встречу лучу, вектор

Е вращается против часовой стрелки, то свет называется

левополяризованным; в противном случае - правополяризованным.

Существуют разные способы описания состояния поляризации:

матрица Джонса, матрица Мюллера, вектор Стокса.

Вектор Стокса содержит четыре компоненты, полностью

описывающие состояние поляризации света. Первый элемент вектора Бо -

усредненная по времени полная мощность светового сигнала, мощность

поляризованной и неполяр изованной компонент. Второй элемент вектора -

разность между мощностью линейной горизонтальной и линейной

14

вертикальной поляризационными компонентами светового сигнала. Третий элемент вектора Э2 - разность между мощностью линейной +45° и линейной -45° поляризационными компонентами светового сигнала. Четвертый элемент вектора 83 - разность между мощностью круговой правосторонней и круговой левосторонней поляризационными компонентами светового сигнала.

/ / * *

ЕхЕх + ЕуЕ у * *

ЕхЕх ~ ЕуЕу * *

ЕхЕу + ЕуЕх

/| (ЕхЕу ЕуЕх

Е0х + Е> 2

Оу 2

Е0х ~Е0у

2Е0хЕ0у С08(5Л_5^)

(1.7)

Парам