CN102539119A - 基于可旋转波片的Mueller矩阵测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可旋转波片实现光学器件Mueller矩阵的测试装置和方法。测试系统由激光器、偏振发生器、被测器件、偏振分析仪、电压控制器和计算机构成。由激光器产生的光进入偏振发生装置，偏振发生装置由起偏器加可旋转波片构成,波片旋转角度大于180度,波片旋转由电压控制,不同控制电压下,偏振发生器产生不同偏振态输出。由偏振发生器输出的光进入被测器件，被测器件输出的光直接进入偏振分析仪，由偏振分析仪测出在不同控制电压时，相应的偏振发生器的输出偏振态和被测器件的输出偏振态的Stokes参数。之后建立起由测得的输入输出偏振态参数与被测器件的Mueller矩阵参数之间的线性系统方程，再由计算机求解该系统方程，即可解出Mueller矩阵的16个参数。

Description

基于可旋转波片的Mueller矩阵测试装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于可旋转波片的Mueller矩阵测试装置和方法,它是一种在光纤系统中,采用由可旋转波片构成的偏振发生器与偏振分析仪相结合，实现光学器件的Mueller矩阵的测试装置和方法。

背景技术

光通信、传感、测量系统中，各种光子器件、子系统的偏振转换特性、都直接影响系统的工作性能，因此检测各种光学系统中任意部分系统或器件的偏振转换特性是实现高性能光通信、光传感及测量系统的关键之一。

此外在材料科学领域的研究和制造过程中，大多数的通光材料的偏振特性会伴随材料的生长周期、浓度以及外界环境条件，如温度、应力、湿度等因素的变化而变化，因此实时准确地检测材料的偏振转化特性在材料研制、生产以及传感测量等领域，具有重要的意义。 

光子材料或器件的偏振转换特性的一般表达可以用Mueller矩阵来描述其偏振转换特性。

一般的偏振仪分为两种，一种是Stokes偏振分析仪，主要用于测量光偏振态的Stokes 参数,描述的是光本身的偏振性质；另一种是针对Mueller矩阵的测量，也称为偏光仪。Mueller矩阵为4x4矩阵, 描述的是光学器件或材料的光学偏振效应和特性。器件的偏振特性分为三方面的偏振光学效应：一是基于器件散射效应的退偏效应；二是与偏振相关的损耗或增益效应；三是包括圆双折射和线双折射效应的双折射效应。所有这些效应可通过Mueller矩阵来描述。 因此研究和测量器件或通光材料的Mueller矩阵是光学偏振研究的一个重要部分。最近关于Mueller矩阵参数的测试已广泛地应用于生物组织的分析、气雾测量以及各种光学材料的性能分析等，参见下述文献：

1.Geminino Martinez-Ponce, Cristina Solano，Carlos Perez_Barrios，“Hybrid complete Mueller polarimeter based on phase modulators,” Optics and Lasers in Engineering, 49, 723-728, 2011。

2.Jacques SL，Raman JC，Lee K，“Image skin pathology with polarized light, Journal of Biomedical Optics,7(3),329-340,2002。

3. Rieppo J, Hallikainen J, et al, “Practical considerations in the use of polarized light microscopy in the analysis of the collagen network in articular cartilage,” Microscope Research nd Technique 71(4), 279-287, 2008。

4.Wallenburg M.A., et al, “Polarimetry based method to extract geometry-independent metics of tissue anisotropy,” Optics Letters, 35(15), 2570-2572, 2010。

关于器件的Mueller矩阵的测量的方法基本结构是偏振发生-被测物质-偏振分析结构。而偏振发生和偏振分析的构成则分别可以是起偏器和可旋转波片的组合、起偏器和光弹性调制器组合以及近几年才进入使用的液晶可调相位延迟器，参见下述文献：

5.D.H. Goldstein, “Mueller matrix dual-rotating retarder polarimeter,” Applied Optics, 31(31),1992。

6.Chi Chen, et al, “Multichannel Mueller matrix ellipsometer based on the dual rotating compensator principle,” Thin Solid Film,455-456, 14-23, 2004。

7.Chi Chen, et al, “The ultimate in real-time ellipsometry Multichannel Mueller matrix Spectroscope,” Applied Surface Science 253,38-46,2009。

8.N.Ghosh, etal, “Mueller matrix polerimetry for the characteristization of complex random medium like biological tissues,” Journal of Physics 75(6), 1071-1086, 2010。

9.Cuo X., et al , “Stokes polarimetry in multiply scattering chiral media:effects of experimental geometry,” Applied Optics, 46(20),2006。

10.Yang K. et al, “Method for measuring retardation of a quarter-waveplate based on normalized secondary harmonic component,” Optik 120911):558-562,2009。

11.A.D.Martino, et al, “Optimized Mueller polarimeter with liquid crystals,” Optics Lett., 28(8),616-618,2003。

12.Lo Y. Yu T., “ A polarrimetric glucose sensor using a liquid crystal polarization modulartor driven by a sinusoidal signal,” Optics Communications,259:40-8,2006。

13.D. Martinez-Ponce, et al, “Hybrid complete Mueller polarimeter based on phase modulators,” Optics and Lasers Engineering 49,723-728, 2011。

    后面两种方法主要优点是其具有较高的测量速度。但这些不同结构的系统所基于的基本方法相同。都是在被测器件的输入端调制产生四种不同特殊偏振态，线偏0o，45 o，90 o，以及一个圆偏态。再由检测端分别检测出对应每种输入偏振态在检偏器的检偏方向分别为0 o、45 o、和90 o 时的光强，进而导出输入光经过偏振特性为Mueller矩阵的光学器件后，对应4个输入偏振态的三个检偏方向的光强测量值的理论推导结果与测量结果的对等关系，求解出Mueller矩阵的16个参数。因此这些测试方法的最大特点是对光学系统的偏振主轴的准直要求，测量中需要严格实现输入光的4个特殊偏振态，以及检偏端的检偏器的主轴方位角的准直，因为准直带来的误差将直接影响测试结果。

本发明基于系统估计的思想，提出利用现代数学的数值分析方法，求解由被测系统参数的解析结果与实验测试结果比较建立的线性系统估计方程组，从而求得系统Mueller矩阵参数的方法。 本发明提出的方法，首先通过改变偏振发生器的驱动电压，实现一组输入偏振态，该组输入偏振态可直接由偏振分析仪测量得出；然后插入被测器件或材料，再由偏振分析仪测量相同转动控制电压下，器件输出端的偏振态；之后根据输入偏振态、器件的Mueller矩阵和输出偏振态三者之间的数学关系，建立起基于偏振转换原理的线性系统方程组。 再由计算机数值求解该方程，得出所求的Mueller矩阵的16个参数。本发明方法的最大特点在于：原理上采用系统参数估计的方法进行被测器件的参数估计；系统装置上测试装置简单； 测试过程中由于不需要对测试系统进行光学系统的偏振准直校准，使得测试简单易行，通过增加测试点数，可以提高测试精度。 

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于可旋转波片的Mueller矩阵测试装置和方法。测量系统通过偏振发生器产生至少4个偏振态， 并由偏振分析仪测量出该组偏振态的Stokes参数和其经过被测器件之后的对应输出偏振态的Stokes参数，建立起输出偏振态与输入偏振态和器件的Mueller矩阵的系统方程，通过计算机，数值求解该线性方程组，即可得出归一化Mueller矩阵的16个参量。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于可旋转波片的Mueller矩阵的测量装置，包括激光器、偏振发生器、被测器件和偏振分析仪，电压控制器和计算机。所述激光器的输出光经过所述的偏振发生器后，输出到被测器件,被测器件的输出连接到所述偏振分析仪，所述电压控制器同时与偏振发生器相连，所述偏振分析仪和电压控制器与所述计算机相连；由激光器产生的光进入偏振发生器，偏振发生器的输出偏振态随偏振发生器的控制电压的变化而变。偏振发生器的输出光进入被测器件，之后光直接进入偏振分析仪，进行偏振态Stokes参数测量，偏振发生器的电压控制器为偏振发生器的旋转装置提供转动控制电压，并将控制电压参数送至计算机。计算机用于接收偏振分析仪的测量结果和电压控制器的电压参数，根据相应的系统方程和优化算法，求解被测器件的Mueller矩阵参数。

在上述的基于可旋转波片的Mueller矩阵的测量装置中，所述偏振发生器由法兰1、球面透镜1、薄膜起偏器、可旋转波片、球面透镜2和法兰2、传动皮带和步进马达构成；连接方式：法兰1和球面透镜1装配在基座1上，法兰2和球面透镜2装配在基座2上，薄膜起偏器固定在基座3上，可旋转波片通过轴承装配在基座3上，并由传动皮带带动旋转；基座1、基座2、基座3和步进马达固定装配在同一基板上。外部光由偏振发生器的输入端口的法兰1进入,经过球面透镜1，将光变为空间光,空间光经过薄膜起偏器后,再经过可旋转波片,然后由球面透镜2，由输出端口法兰2输出。

在上述的基于可旋转波片的Mueller矩阵的测量装置中，所述可旋转波片为相位延迟不等于π的倍数的任意波片；波片相位延迟对系统的测量精度有影响；波片延迟在π/2到4π/5之间时，系统的测量误差较小。

在上述的基于可旋转波片的Mueller矩阵的测量装置中，所述电压控制器（5）为带动波片旋转的步进马达（16）提供控制电压， 旋转控制电压在[0，Vπ]（Vπ是使波片旋转180度的驱动电压）区间内等间隔取值；薄膜起偏器（9）主轴和可旋转波片（8）主轴的初始方位角无准直要求，可为任意方向。

一种基于可旋转波片的Mueller矩阵的测量方法，采用上述的基于可旋转波片的Mueller矩阵的测量装置进行测量，实现Mueller矩阵的测试步骤如下：

1） 测量被测器件的输入偏振态的Stokes 参数；

2） 测量被测器件对应输出光的Stokes 参数；

3） 建立被测器件输入输出偏振态参数和器件的Mueller矩阵参数之间的系统方程，利用计算机数值求解，得到Mueller矩阵的16个参数。

在上述的基于可旋转波片的Mueller矩阵的测量方法中，所述步骤1）完成被测器件输入偏振态的测量： 激光器（1）产生的光进入偏振发生器（2），将偏振发生器的输出光直接送入偏振分析仪（4）；测量中设置电压控制器（5）的输出电压为                                                

，其中

，i=1,2,…n, 测出偏振发生器（2）的输出偏振态Stokes参量；偏振发生器（2）的输出偏振态即为被测器件的输入偏振态。 

在上述的基于可旋转波片的Mueller矩阵的测量方法中，所述步骤2）完成被测器件输出偏振态的测量：激光器（1）产生的光经过偏振发生器（2）之后，进入被测器件（3），输出光再进入偏振分析仪（4）；测量中电压控制器（5）的输出电压设置同步骤1）；对应n个电压测试点，测出被测器件（3）的输出偏振态的Stokes参数

。 

上述步骤3）完成被测器件的Mueller矩阵的优化估值；其中优化估值的系统方程为：

  

系统方程为线性方程，可以简化为：，方程中，

为所求的Mueller矩阵参数，A 为4nx16 的矩阵，由测得的

构成，S为4nx1矩阵，由测得的

构成；M的解为

， 可由计算机数值求解得出。

在上述的基于可旋转波片的Mueller矩阵的测量方法中，所述步骤1）和2）中，被测器件（4）的输入输出偏振态的测量点数取决于电压控制器（6）的输出控制电压数n，为保证系统方程的解唯一，要求n≥4；n越大测试精度越高。

本发明与现有技术相比，具有如下的突出实质性特点和显著优点：

（1）    从系统整体角度建立起输出偏振态与系统产生的输入偏振态的联系，通过数值计算方法，将既往的直接得Mueller矩阵的各个测量与可得测量值之间的个体数学解析关系，求得被测量的方法， 拓展为建立起Mueller矩阵整体参数与可得被测量的系统线性方程组，利用数值方法求解出器件的归一化Mueller矩阵的16个参量。

（2）    测量过程中不要求系统在特定输入偏振态下进行，不要求系统的偏振准直校准，对系统器件的参数取值态范围宽松。使得系统的实现与测试过程变得简单易行。

（3）    在任意光学系统中，通过分别在任意两点间插入偏振发生器，分别测试系统输出端的偏振态，可以估计得出两任意点之间的Mueller矩阵参数。

（4）    可以实现被测偏振转换参数的光谱特性的一次测量完成。在此之前的测试方案中，通过特殊偏振态设置导出各个被测参数的解析表达的方法，要求系统中偏振器件的参数值严格准确。而一般偏振器件是波长直接相关的器件，因此同一偏振发生装置，一般不能用于不同波长的测试。本发明的测试系统不要求产生特殊的输入偏振态，无系统偏振准直要求，因此只需将固定波长的光源改为波长可调光源，即可实现被测器件的Mueller矩阵的光谱特性的测量。

附图说明

图1 是本发明的测试系统基本结构原理图。

图2 为偏振发生器的正面视图。

图3为偏振发生器的俯视图。

图4 偏振发生器输出的偏振态在庞加球上的变化轨迹。 

图5 不同延迟的波片，在不同测量误差条件下，偏振发生器输出的偏振态轨迹、被测器件输出偏振态轨迹、以及由估值结果重构的偏振态轨迹的仿真图。

图6测量光纤系统中任意两点间无源光纤子系统的偏振转换特性的系统示意图。

图7仿真得出的Mueller矩阵参数的标准差与测试点数n之间的关系。

图8仿真得出的Mueller矩阵参数的标准差与波片相位延迟之间的关系。

本发明的原理如下

（一）理论模型：对任意的光学器件或通光材料，其偏振特性包括由散射引起的退偏效应、偏振相关损耗或增益效应，以及圆偏振和线偏振效应。所有效应可以采用Mueller来表示为： 

  

                     (1)

M _DUT 表示被测器件的Mueller 矩阵。测试系统如图1所示。 由激光器产生的光进入偏振发生器， 改变马达电压控制器的输出电压，可以测试产生一组输入偏振态：

, 之后加入被测器件，由偏振分析仪测出输出光的偏振态：

，i=1，…, n，则可以建立以下方程： 

        (2)

对（2）进行变换可得：

     

上式可以简化为：

                            (4) 

    (4) 式是线性方程组，其中j=1,…,n，A 是一个4nx16 的矩阵。  。方程（4）式有唯一解的条件是A为非奇异的，即矩阵A的秩必须为16。当测试点满足n≥4时，A为非奇异。 可得被测参数如下；   

                          (5)

仿真可得测量中, 针对相同的测量误差, 测量的点数n越多, 求解得出的Mueller 矩阵参量的误差越小。参见图7。图7 给出了采用Monte Carlo 仿真得出的各Mueller矩阵参量的标准差与测量点数n的关系。仿真中测量误差

 和 

设为在[-0.05, 0.05]范围内均匀分布的随机变量。

（二） 误差分析 ：本发明方法的误差主要来源于两组Stokes参数的测量误差，以及偏振态发生器在两组测量过程中的一致性。前者取决于采用的偏振分析仪的测试精度，而后者取决于偏振发生器的电压控制模块的控制精度。由（5）式可得：

                  (6) 

因此可以导出所测的Mueller矩阵的误差为：

   

                     (7)

其中, 

 是求解得出的Mueller矩阵与真值的偏差。△S和△A分别为S _PSG 的 S _DUT 的测量误差矩阵。

（三）波片参数讨论：方程（4）有解的关键是矩阵A为非奇异矩阵，即其秩等于16。 保证此需要的条件一是测试的点数n≥4，二是波片的相位延迟不等于π的倍数。从而，A矩阵便为非奇异，（4）具有唯一解。

推导可以得出，相位延迟为δ的可旋转波片结构的偏振发生器的输出偏振态SOP为： 

（8）

其中

为起偏器的方位角，δ为波片的相位延迟， 

为波片对应驱动电压

的旋转角度，

为使波片旋转180o时的半波驱动电压。图4给出了   λ/8波片，λ/4波片以及半波片偏振发生器的输出偏振态S _PSG的变化轨迹。 起偏器消光良好条件下， S _PSG轨迹是一个对称的8字结构。波片的延迟相位直接决定了S _PSG轨迹的大小和形状。本方法虽对波片的延迟无严格要求，只要波片的相位延迟不是π的整数倍即可。但波片的相位延迟对估值误差有影响。图6给出了测试误差在[-0.05,0.05] 内均匀分布时，估值得出的Mueller矩阵参量的标准差与波片的延迟之间仿真关系。 可见在相同测量误差下，波片延迟在π/2 到4π/5之间时的估值结果误差较小。

图4中，半波片的轨迹与赤道重合，半波片旋转时，保持为零， 导致矩阵A的秩下降为12， 因此（4）式的解不唯一。由图4的仿真结果可见，延迟相位为π时，Mueller矩阵的最后一列参量的标准差畸高。

（四）波长相关性的测试：本发明提出的方法的优点之一是：由于不需要产生特殊位置的输入SOP，因此无需特殊偏振态的准直校准。当波长改变时，产生的输入偏振态虽然发生变化，但输入偏振态和输出偏振态的关系表达并不改变，因此依然可通过方程（4），求解出被测器件的Mueller矩阵。并且由于偏振发生器的波长相关性预先可知，因此可以通过改变光源波长，测量不同波长下的被测器件的输出偏振态，即可得到被测器件Mueller矩阵的光谱特性。 波片的主轴相位延迟可表示为：

 ,                                           （9）

其中

是快慢轴的折射率差。L是波片厚度。因此可得不同波长的延迟差为： 

   

                 (10) 

其中  是波长为

时波片的延迟。

由此可以导出波片PSG的波长相关性为： 

          (11)

其中, 

  

，

。

由方程 (11)可见，进行被测器件Mueller矩阵的光谱特性测试时，首先测知某波长点的

，再解出该波片在此波长下的延迟，并由（10）式算出其光谱特性；然后加入被测器件，改变光源波长，测试在不同波长下的         ∑△YT (λφ, ωι)， 数值求解由方程：

（12）

构建的方程组，即可解出Mueller矩阵的光谱特性。

上述求解过程中的关键之一是对应波长时波片延迟

的获得。

可以由预先器件标识得知。但一般而言，标识值是在特定温度下的值，而与实际测试时的温度、湿度等环境参数不一致。本发明提出一种利用已有测量值，通过数值分析直接求取的方法。

方法为：在

波长上， 对应一组控制电压 <v1,v2,…,vn>， 由测出的对应的偏振发生器的偏振态 < S _PSG (v1), S _PSG (v2),…S _PSG (vn)>，可得对任意两测试点

，

存在：

                 （13）

可得： 

      （14）

由n 个测试点，可以构建包含n-1个相互独立的（13）式方程的方程组，采用优化数值求解该方程组，即可求出

。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：参见图1，本基于可旋转波片实现的Mueller矩阵测量装置由激光器1、偏振发生器2、被测器件3和偏振分析仪4，电压控制器5和计算机6构成。其中，由激光器1产生的光进入偏振发生器2，偏振发生器输出光的偏振态随偏振发生器控制电压的变化而变。偏振发生器的输出光进入被测器件3，之后光直接进入偏振分析仪4。 偏振发生器的电压控器5为偏振发生器的旋转装置提供转动控制电压，计算机6用于接收偏振分析仪4的测量结果，并根据相应的系统方程和优化算法，求得被测器件的Mueller矩阵参数。 

本基于可旋转波片实现的Mueller矩阵测量方法，采用上述装置进行测量，测试分三步进行：第一步，取走被测器件3，由偏振分析仪直接测出，在电压控制器输出一组驱动电压 <v1,v2,…,vn>时， 对应偏振发生器的输出偏振态的Stokes参数

。 第二步，在偏振发生器之后接入被测器件3，再由偏振分析仪测出，对应相同控制电压<v1,v2,…,vn>，被测器件输出光的偏振态Stokes参数

。 第三步：建立被测器件输出偏振态与输入偏振态和器件的Mueller矩阵参数之间的系统方程组，系统方程组包含4n个线性方程，包含全部16个未知的Mueller矩阵参数。由计算机6数值求解该系统方程，得到Mueller矩阵的16个参数。

参见图5。 图5中给出一种葡萄糖物质，其Mueller矩阵为

的估值仿真。分别采用λ/8波片，λ/4波片和4λ/5波片， 由计算机进行的40次Monte Carlo数值估计的仿真结果。在λ/8波片时，未加测量误差；在λ/4波片和4λ/5波片时，加入的测量误差分别在±0.015，和±0.03范围内均匀分布，仿真中n=30。在理想的误差为零时，估值得出的M _{DUT_eval}与M _DUT相同，重构出的S _{DUT_eval}轨迹与S _DUT1轨迹完全重合；而存在测试误差的情况下，估值得出的M _{DUT_eval}存在误差，重构出的S _{DUT_eval}轨迹与S _DUT1轨迹存在误差。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：参见图2和图3，偏振发生器2由法兰1 (11)、球面透镜1（7）、薄膜起偏器（8）、可旋转波片（9）、球面透镜2（10）和法兰2（12)、传动皮带（13）和步进马达（14）构成； 外部光由偏振发生器（2）的输入端口的法兰1(11)进入,经过球面透镜1（7），将光变为空间光,空间光经过薄膜起偏器(8)后,再经过可旋转波片（9),然后由球面透镜2（10），由输出端口法兰2（12）输出。其中法兰1(11)和球面透镜1（7）装配在基座1（15)上，法兰2(12)和球面透镜2（10）装配在基座2（16)上，薄膜起偏器（8）固定在基座3（17）上，可旋转波片（9）通过轴承（19）装配在基座3（17）上，并由传动皮带（13）带动旋转； 基座1（15）、基座2（16）、基座3（17）和步进马达（14）固定装配在同一基板（18）上。

参见图8，偏振发生器中的可旋转波片可以是相位延迟不为π的整数倍的任意波片。而选取延迟在π/2到4π/5之间波片，波片相位延迟对系统的测量精度有影响；波片延迟在π/2到4π/5之间时，系统的测量误差较小。

参见图7，测试中选取的驱动电压测试点必须不同，且至少为4点；点数越多，估值得出的Mueller矩阵参数的误差越小。测试中，偏振发生器（2）中的薄膜起偏器（8）主轴和可旋转波片（9）主轴的初始方位角间无准直要求，可为任意方向；波片旋转范围要求大于180度，旋转角度由为马达提供驱动的电压控制器（5）控制，不同控制电压对应于不同的旋转角度。旋转控制电压在[0，vπ]区间内可任意间隔取值，也可等间隔取值；每次测量偏振态时，对应的控制电压取值必须相同，以保证偏振发生器的输出光偏振态的一致。

实施例三：本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：参见图6。本测试方法中任意两点间光学系统的Mueller矩阵的系统示意图。测试分为四步进行。第一步：针对驱动电压 <v1,v2,…,vn>， 测出偏振发生器的输出偏振态的Stokes参数 

； 第二：将偏振发生器置于被测子系统的输入端A点，测出对应于控制电压<v1,v2,…,vn>，系统输出端的偏振态

；第三步：将偏振发生器置于被测系统的输出端 B点，测出对应控制电压 <v1,v2,…,vn> 时，系统输出端的偏振态

。第四步： 建立如下系统方程：

，其中

。由计算机（6）完成该系统方程的求解，得到所求的Mueller矩阵M ₁。

实施例四：本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：参见图1。将图1中的光源替换为波长可调光源即可用于测试器件的Mueller矩阵的光谱特性。首先设置光源波长为，光源发出的光进入偏振发生器（2），针对控制电压V=<v1,v2,…,vn>，由偏振分析仪测出对应的偏振发生器的偏振态；根据偏振发生器输出S _PSG与起偏器输出光偏振态Sin之间的关系：

，由计算机数值求解出在波长时，波片的相位延迟在不同控制电压下，由上述关系构成的线性方程组，可解出波片在

波长下的相位延迟

。 其次，分别测试在不同光源波长下，对应相同控制电压V=<v1,v2,…,vn>，测量得到被测器件输出端的偏振态 

， 即可由计算机（6）求解系统方程：

求解得出不同波长时的Mueller矩阵参数。

Claims (9)

1.一种基于可旋转波片的Mueller矩阵测量装置， 包括激光器（1）、偏振发生器（2）、被测器件（3）、偏振分析仪（4）、电压控制器（5）和计算机（6），其特征在于：所述激光器（1）的输出光经过所述的偏振发生器（2）后，输出到被测器件（3）,被测器件（3）的输出连接到所述的偏振分析仪（4），所述的偏振发生器（2）和电压控制器（5）相连，所属偏振分析仪（4）和电压控制器（5）与所述计算机（6）相连；由激光器(1)产生的光进入偏振发生器（2），偏振发生器的输出偏振态随偏振发生器（2）的控制电压的变化而变；偏振发生器（2）的输出光进入被测器件（3），之后光直接进入偏振分析仪（4），进行偏振态Stokes参数测量， 偏振发生器（2）的电压控制器（5）为偏振发生器（2）的旋转装置提供转动控制电压，并将控制电压参数送至计算机（6）；计算机（6）用于接收偏振分析仪（4）的测量结果和电压控制器（5）的电压参数，根据相应的系统方程和优化算法，求解被测器件的Mueller矩阵参数。

2.根据权利要求1所述的基于可旋转波片的Mueller矩阵测量装置，其特征在于：所述偏振发生器（2）由法兰1(11)、球面透镜1（7）、薄膜起偏器（8）、可旋转波片（9）、球面透镜2（10）和法兰2(12)、传动皮带（13）和步进马达（14）构成；连接方式：法兰1(11)和球面透镜1（7）装配在基座1(15)上，法兰2(12)和球面透镜2（10）装配在基座2(16)上，薄膜起偏器（8）固定在基座3（17）上，可旋转波片（9）通过轴承（19）装配在基座3（17）上，并由传动皮带（13）带动旋转； 基座1（15）、基座2（16）、基座3(17)和步进马达（14）固定装配在同一基板（18）上；外部光由偏振发生器（2）的输入端口的法兰1(11)进入,经过球面透镜1（7），将光变为空间光,空间光经过薄膜起偏器(8)后,再经过可旋转波片(9),然后由球面透镜2（10），由输出端口法兰2（12）输出。

3.根据权利要求1所述的基于可旋转波片的Mueller矩阵的测量装置，其特征在于：所述可旋转波片（9）为相位延迟不等于π的倍数的任意波片。

4.根据权利要求1所述的一种基于可旋转波片的Mueller矩阵测量装置，其特征在于：所述电压控制器（5）为带动波片旋转的步进马达（16）提供控制电压，旋转控制电压在[0，Vπ]区间内等间隔取值，Vπ是使波片旋转180度的驱动电压；起偏器（9）主轴和薄膜波片（8）主轴的初始方位角无准直要求，为任意方向。

5.一种基于可旋转波片的Mueller矩阵测量方法，采用根据权利要求1所述的基于可旋转波片的Mueller矩阵的测量装置进行测量，其特征在于：实现Mueller矩阵的测试步骤如下：

a.测量被测器件的输入偏振态的Stokes 参数；

b.测量被测器件对应输出光的偏振态Stokes 参数；

c.建立被测器件输入输出偏振态参数和器件的Mueller矩阵参数之间的系统方程，利用计算机数值求解，得到Mueller矩阵的16个参数。

6.根据权利要求5所述的基于可旋转波片的Mueller矩阵测量方法，其特征在于：所述步骤a完成被测器件输入偏振态的测量：激光器(1)产生的光进入偏振发生器（2），将偏振发生器的输出光直接送入偏振分析仪（4）；测量中设置电压控制器（5）的输出电压为                                                

时，其中

，i=1,2,…n, 测出偏振发生器（2）的输出偏振态Stokes参量

；偏振发生器（2）的输出偏振态即为被测器件的输入偏振态。

7.根据权利要求5所述的基于可旋转波片的Mueller矩阵测量方法，其特征在于：所述步骤b完成被测器件输出偏振态的测量：激光器(1)产生的光经过偏振发生器（2）之后，进入被测器件（3），输出光再进入偏振分析仪（4）； 测量中电压控制器（5）的输出电压设置同步骤1）；对应n个电压测试点，测出被测器件（3）的输出偏振态的Stokes参数

。

8.根据权利要求5所述的基于可旋转波片的Mueller矩阵的测量方法，其特征在于：所述步骤c完成被测器件的Mueller矩阵的优化估值；其中优化估值的系统方程为：

系统方程为线性方程，可以简化为：

，                            

方程中

为所求的Mueller矩阵参数，A 为4nx16 的矩阵，由测得的

构成，S为4nx1矩阵，由测得的构成；M的解为

， 由计算机数值求解得出。

9.根据权利要求5所述的基于可旋转波片的Mueller矩阵测量方法，其特征在于：所述步骤a和b中，被测器件（4）的输入输出偏振态的测量点数取决于电压控制器（6）的输出控制电压数n，为保证系统方程的解唯一，要求n≥4；n越大测试精度越高。

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