Design and construction of a snapshot full-Stokes polarimetric camera : seeing through fog

Abstract

(English) Polarization is one of the properties of light and it is often put aside. Human beings receive light beams and process only the intensity and wavelength information. Our optical system lacks the capability of ’seeing’ polarization in comparison to other animals. The vectorial nature of polarization is uncorrelated to the intensity and colour information and this can unveil additional information for improving the current technology.

This Thesis aims to develop a camera capable of measuring the full polarization in a 2D scene. In particular, it focuses on the design and construction of a prototype that measures in the visible waveband the full-Stokes vector in a snapshot such that the acquisition time and noise equalization are balanced while reducing movement and registration artefacts.

The Thesis starts with the revision of the current state of the art in the polarimetric imaging field. Based on this, the optomechanical design of the polarimetric camera is developed ensuring a faster acquisition of polarization since it integrates optimum states to immunize the system from Gaussian and Poisson noise.

Accordingly, this Thesis proposes a general calibration methodology addressed to the radiometry of the sensor, the geometrical aberrations from optics and the polarization elements in the system to transform the intensity measurements into polarization information. Besides, this Thesis studies two imaging modes of polarization, Stokes imaging and Mueller matrix imaging, for different applications. The novelty of this system consists of the use of optimal polarization states in a division of aperture architecture for noise immunization.

Finally, this Thesis studies the application of the system to improve detection in the real-world problem of seeing through the fog. Polarization information can improve the range of detection due to the polarization memory effect. This system could be employed inside a multimodal system to ensure detection when others are hampered due to external conditions.

(Català) La polarització és una de les propietats de la llum i que sovint es prescindeix d’ella. Els éssers humans reben els raigs de llum i únicament processen la informació provinent de la intensitat i la longitud d’ona de la llum. El nostre sistema òptic no té la capacitat de "veure" la polarització en comparació a altres animals. La natura vectorial de la polarització està no correlada amb la informació donada per la intensitat i el color, i això pot revelar informació addicional per millorar la tecnologia actual.

Aquesta Tesi té com a objectiu desenvolupar una càmera per mesurar la polarització d’una escena 2D. En particular, es centra en el disseny i construcció d’un prototip que mesuri a l’espectre visible el vector de Stokes complert en un sol tret de manera que el temps d’adquisició i la equalització del soroll siguin compensats a la vegada que es redueixen els artefactes causats pel moviment i pel registre.

La Tesi comença revisant l’actual estat de l’art en el camp de la imatge polarimètrica. Arran d’això, es realitza el disseny optomecànic de la càmera polarimètrica garantint una adquisició ràpida, ja que el disseny implementa uns estats òptims de polarització per immunitzar el sistema de soroll gaussià i de Poisson.

Per tant, aquesta Tesi proposa una metodologia general de calibratge dirigida a la radiometria del sensor, a les aberracions geomètriques de l’òptica i als elements de polarització en el sistema per transformar les mesures d’intensitat en informació polarimétrica. A més, aquesta Tesi estudia dos maneres d’imatge de la polarització, imatge de Stokes i imatge de la matriu de Mueller, per diferents aplicacions. La novetat d’aquest sistema radica en la utilització d’estats de polarització òptims basant-se en una arquitectura de divisió d’apertura per la immunització al soroll.

Finalment, aquesta tesi estudia les aplicacions del sistema per millorar la detecció en un problema del món real com és veure a través de la boira. La informació de la polarització pot millorar el rang de detecció degut a l’efecte de memòria de la polarització. Aquest sistema, doncs, podria utilitzar-se dins d’un altre sistema multimodal per assegurar la detecció quan la resta de sistemes estiguin perjudicats per les condicions externes.

(Español) La polarización es una de las propiedades de la luz y de la que a menudo se prescinde. Los seres humanos percibimos los rayos de luz y solo procesamos la información proveniente de la intensidad y de las longitudes de onda de la luz. Nuestro sistema óptico carece de la capacidad de "ver" la polarización en comparación con otros animales. La naturaleza vectorial de la polarización está no correlacionada con la información aportada por la intensidad y el color, y esto puede desvelar información adicional para mejorar la tecnología actual.

Esta Tesis tiene como objetivo desarrollar una cámara para medir la polarización en una escena 2D. En particular, se centra en el diseño y construcción de un prototipo que mida en el espectro visible el vector de Stokes completo en un solo disparo de manera que el tiempo de adquisición y la ecualización del ruido estén compensados a la vez que se reduzcan los artefactos debidos al movimiento y al registro.

La Tesis comienza revisando el actual estado del arte en el campo de imagen polarimétrica. A partir de esto, se realiza el diseño optomecánico de la cámara polarimétrica garantizando una adquisición rápida ya que el diseño implementa unos estados óptimos de polarización para inmunizar el sistema del ruido de gaussiano y de Poisson.

Por consiguiente, esta Tesis propone una metodología general de calibración dirigida a la radiometría del sensor, a las aberraciones geométricas de la óptica y a los elementos de polarización en el sistema para transformar las medidas de intensidad en información polarimétrica. Además, esta Tesis estudia dos modos de imagen de la polarización, imagen de Stokes e imagen de la matriz de Mueller, para diferentes aplicaciones. La novedad de este sistema radica en la utilización de estados de polarización óptimos basándose en una arquitectura de división de apertura para la inmunización al ruido.

Finalmente, esta Tesis estudia las aplicaciones del sistema para mejorar la detección en un problema del mundo real como es ver a través de la niebla. La información de la polarización puede mejorar el rango de detección debido al efecto de memoria de la polarización. Este sistema podría utilizarse dentro de un sistema multimodal para asegurar la detección cuando el resto de sistemas están perjudicados por las condiciones externas.