(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221024126 6.X (22)申请日 2022.03.11 (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区清华园1号 (72)发明人 杨原牧　沈子程　 (74)专利代理 机构 北京清亦华知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11201 专利代理师 王萌 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06F 30/10(2020.01) G06K 9/62(2022.01) G06V 10/44(2022.01) G06V 10/75(2022.01) G06V 10/774(2022.01)G06V 10/82(2022.01) G06N 3/04(2006.01) G06N 3/08(2006.01) G02B 27/28(2006.01) G01J 4/00(2006.01) (54)发明名称 一种单目快照式深度偏振四维成像方法和 系统 (57)摘要 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。 权利要求书3页 说明书10页 附图7页 CN 114595636 A 2022.06.07 CN 114595636 A 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 ψxf， 设对Y偏振光的标准透镜聚焦项与 偏振分光项为 ψyf， 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轴的权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114595636 A 2二维坐标； 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： 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， 其特征在于， 步骤S104包 括： 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。 6.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S4包 括： 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； 步骤S412、 在两个所述编码图块中标记目标物体 轮廓； 步骤S413、 对每个标记的目标物体轮廓在两个编码图块中进行模板匹配， 找到最佳匹 配位置； 步骤S414、 由各目标物体的最佳匹配位置得到相应目标物体的平移矢量， 平移矢量的 方位角即点扩展函数的方位角； 步骤S415、 根据步骤S2中所标定的点扩展函数与深度的对应关系及点扩展函数的方位 角得到各目标物体的深度， 再根据步骤S412得到的各目标物体轮廓， 从而得到目标物体的 深度图； 步骤S416、 根据步骤S414得到的平移矢量， 将两个编码图块中的各物体平移回几何像 点的位置， 得到解码的两幅对应正交偏振分量的强度图； 步骤S417、 将步骤S416所 得两幅强度图相除， 得到偏振 对比图。 7.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S4包 括：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114595636 A 3