CN103134756B - 偏振态层析显微成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振态层析显微成像装置及方法，该装置包括：激光器、偏振发生器、半反半透镜、显微物镜、第一分束器、第二分束器、第三分束器、四分之一波片、第一斯托克斯系统、第二斯托克斯系统、第三斯托克斯系统、第四斯托克斯系统、数据采集模块、计算机、驱动模块以及用于安装被测样品的X-Y扫描平台。本发明可获得被测样品的全方位的偏振信息，可对物体不同层面的偏振态进行检测和显微成像，可获得物体内部不同层面的应力大小和方向、物质的结构、分子排列取向、折射率、内部应力分布、表面电导率分布和表面粗糙度等信息，更为真实、准确地反映被测样品的信息，可广泛应用于偏振态测量领域中。

Description

偏振态层析显微成像装置及方法

技术领域

本发明涉及偏振态测量及偏振态显微成像领域，特别是偏振态层析显微成像装置及方法。

背景技术

偏振光成像技术广泛用于矿物、化学、生物医学、材料等学科领域。近年来，偏振光成像技术用于遥感成像方面也取得重要进展，在目标的成像和识别过程中，对于那些颜色和反射强度相同但质料不同的目标，它们的偏振特性往往不同，这些目标在单纯的强度成像中基本无法识别。而偏振光成像技术通过提取与物质发生相互作用后的光束的偏振信息，来获得物体的偏振特性图像，比单纯的强度成像记录了更多的信息，能够提供关于目标的各种特性，如颜色、表面取向、折射率、表面电导率、表面粗糙度等等，具有独特的辨别能力。然而，传统的偏振光成像技术只是以光的偏振态的某个投影作为成像物理量进行成像，无法获得目标的全部偏振信息，特别是，即使在目标完全相同的情况下，由于选取不同的偏振镜或者偏振镜的取向不同，所获得的图像也不相同，获得的信息不全，因此，无法由图像的变化来判断目标的变化，甚至引起误判。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种可全面获得被测样品的全方位的偏振信息的偏振态层析显微成像装置，本发明的另一目的是提供一种可全面获得被测样品的全方位的偏振信息的偏振态层析显微成像方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

偏振态层析显微成像装置，包括：激光器、偏振发生器、半反半透镜、显微物镜、第一分束器、第二分束器、第三分束器、四分之一波片、第一斯托克斯系统、第二斯托克斯系统、第三斯托克斯系统、第四斯托克斯系统、数据采集模块、计算机、驱动模块以及用于安装被测样品的X-Y扫描平台；

所述激光器发出的激光经偏振发生器后得到偏振激光并入射到半反半透镜，从半反半透镜反射的偏振激光通过显微物镜聚焦到被测样品上并发生反射，从被测样品反射的偏振激光依次通过显微物镜及半反半透镜入射到第一分束器上，并分成光强相等的第一光束及第二光束，所述第一光束入射到第二分束器并分成光强相等的第三光束及第四光束，所述第二光束入射到第三分束器并分成光强相等的第五光束及第六光束；

所述第三光束通过四分之一波片入射到第一斯托克斯系统，所述第四光束入射到第二斯托克斯系统，所述第五光束入射到第三斯托克斯系统，所述第六光束入射到第四斯托克斯系统，所述第一斯托克斯系统、第二斯托克斯系统、第三斯托克斯系统及第四斯托克斯系统均与数据采集模块连接，所述数据采集模块与计算机连接，所述计算机通过驱动模块与X-Y扫描平台连接。

进一步，所述第一斯托克斯系统包括第一偏振分析器、第一聚光镜、第一针孔及第一光电探测器，所述第一偏振分析器、第一聚光镜、第一针孔及第一光电探测器沿光路前进方向依次设置且处于同一光轴上，所述第一针孔位于第一聚光镜的焦点处；

所述第二斯托克斯系统包括第二偏振分析器、第二聚光镜、第二针孔及第二光电探测器，所述第二偏振分析器、第二聚光镜、第二针孔及第二光电探测器沿光路前进方向依次设置且处于同一光轴上，所述第二针孔位于第二聚光镜的焦点处；

所述第三斯托克斯系统包括第三偏振分析器、第三聚光镜、第三针孔及第三光电探测器，所述第三偏振分析器、第三聚光镜、第三针孔及第三光电探测器沿光路前进方向依次设置且处于同一光轴上，所述第三针孔位于第三聚光镜的焦点处；

所述第四斯托克斯系统包括第四偏振分析器、第四聚光镜、第四针孔及第四光电探测器，所述第四偏振分析器、第四聚光镜、第四针孔及第四光电探测器沿光路前进方向依次设置且处于同一光轴上，所述第四针孔位于第四聚光镜的焦点处。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

偏振态层析显微成像方法，包括：

S1、对激光进行偏振得到偏振激光后，将偏振激光通过显微物镜聚焦到安装在X-Y扫描平台上的被测样品；

S2、偏振激光在被测样品上发生反射，进而通过显微物镜后以平行光出射；

S3、将该出射的平行光分成光强相等的第一光束及第二光束后，将第一光束分成光强相等的第三光束及第四光束，并将第二光束分成光强相等的第五光束及第六光束；

S4、将第三光束通过四分之一波片后对其进行偏振态检测，同时分别对第四光束、第五光束及第六光束进行偏振态检测，并将四个光束的偏振态检测结果发送到数据采集模块；

S5、对四个光束的偏振态检测结果进行处理，获得被测样品在显微物镜焦点处的被测点的三个斯托克斯参量，并对该三个斯托克斯参量进行处理后，获得被测点的偏振色度值；

S6、驱动X-Y扫描平台在X-Y平面逐点地移动被测样品，并重复步骤S1-S5，获得被测样品在该X-Y层面的所有被测点的偏振色度值；

S7、驱动X-Y扫描平台沿Z轴移动被测样品，并重复步骤S1-S6，获得被测样品的所有空间被测点的偏振色度值；

S8、将获得的被测样品的所有空间被测点的偏振色度值进行成像，从而获得被测样品的偏振态分布图像。

所述三个斯托克斯参量包括第一斯托克斯参量S₁、第二斯托克斯参量S₂及第三斯托克斯参量S₃。

进一步，所述步骤S4，其具体为：

将第三光束依次通过四分之一波片及第一偏振分析器进行偏振后，将其会聚到第一针孔处，并从第一针孔透射到第一光电探测器处进行偏振态检测，进而获得第一光强值i₀；

将第四光束通过第二偏振分析器进行偏振后，将其会聚到第二针孔处，并从第二针孔透射到第二光电探测器处进行偏振态检测，进而获得第二光强值i₁；

将第五光束通过第三偏振分析器进行偏振后，将其会聚到第三针孔处，并从第三针孔透射到第三光电探测器处进行偏振态检测，进而获得第三光强值i₂；

将第六光束通过第四偏振分析器进行偏振后，将其会聚到第四针孔处，并从第四针孔透射到第四光电探测器处进行偏振态检测，进而获得第四光强值i₃。

进一步，所述步骤S5，其具体为：

S51、根据下式对四个光束的偏振态检测结果进行处理，获得被测样品在显微物镜焦点处的被测点的三个斯托克斯参量：

其中，S₀为偏振激光的总光强，S₁为偏振激光的第一斯托克斯参量、S₂为偏振激光的第二斯托克斯参量，S₃为偏振激光的第三斯托克斯参量，A为偏振态层析显微成像装置的系统矩阵；

S52、对该三个斯托克斯参量进行处理，将三个斯托克斯参量的值分别作为三基色RGB的三个基色值后，计算该RGB颜色的色度值，将该色度值作为被测点的偏振色度值。

进一步，所述步骤S52中所述将三个斯托克斯参量的值分别作为三基色RGB的三个基色值，其具体为：

将第一斯托克斯参量S₁的值作为三基色RGB的R基色值，将第二斯托克斯参量S₂的值作为三基色RGB的G基色值，同时将第三斯托克斯参量S₃的值作为三基色RGB的B基色值。

本发明的有益效果是：本发明的偏振态层析显微成像装置，通过逐点移动被测样品，并采集被测样品的每个被测点反射的偏振激光的三个斯托克斯参量，进而获得每个被测点的偏振色度值，最后根据所有被测点的偏振色度值，建立被测样品的偏振态分布图像，本装置可获得被测样品的全方位的偏振信息，可对物体不同层面的偏振态进行检测和显微成像，可获得物体内部不同层面的应力大小和方向、物质的结构、分子排列取向、折射率、内部应力分布、表面电导率分布和表面粗糙度等信息，更为真实、准确地反映被测样品的信息。

本发明的另一有益效果是：本发明的偏振态层析显微成像方法，通过逐点移动被测样品，并采集被测样品的每个被测点反射的偏振激光的三个斯托克斯参量，进而获得每个被测点的偏振色度值，最后根据所有被测点的偏振色度值，建立被测样品的偏振态分布图像，本方法可获得被测样品的全方位的偏振信息，可对物体不同层面的偏振态进行检测和显微成像，可获得物体内部不同层面的应力大小和方向、物质的结构、分子排列取向、折射率、内部应力分布、表面电导率分布和表面粗糙度等信息，更为真实、准确地反映被测样品的信息。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的偏振态层析显微成像装置的结构框图；

图2是本发明的偏振态层析显微成像方法的流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明提供了一种偏振态层析显微成像装置，包括：激光器1、偏振发生器2、半反半透镜3、显微物镜4、第一分束器7、第二分束器8、第三分束器18、四分之一波片9、第一斯托克斯系统100、第二斯托克斯系统200、第三斯托克斯系统300、第四斯托克斯系统400、数据采集模块27、计算机28、驱动模块29以及用于安装被测样品5的X-Y扫描平台6；

所述激光器1发出的激光经偏振发生器2后得到偏振激光并入射到半反半透镜3，从半反半透镜3反射的偏振激光通过显微物镜4聚焦到被测样品5上并发生反射，从被测样品5反射的偏振激光依次通过显微物镜4及半反半透镜3入射到第一分束器7上，并分成光强相等的第一光束Ⅰ及第二光束Ⅱ，所述第一光束Ⅰ入射到第二分束器8并分成光强相等的第三光束Ⅲ及第四光束Ⅳ，所述第二光束Ⅱ入射到第三分束器18并分成光强相等的第五光束Ⅴ及第六光束Ⅵ；

所述第三光束Ⅲ通过四分之一波片9入射到第一斯托克斯系统100，所述第四光束Ⅳ入射到第二斯托克斯系统200，所述第五光束Ⅴ入射到第三斯托克斯系统300，所述第六光束Ⅵ入射到第四斯托克斯系统400，所述第一斯托克斯系统100、第二斯托克斯系统200、第三斯托克斯系统300及第四斯托克斯系统400均与数据采集模块27连接，所述数据采集模块27与计算机28连接，所述计算机28通过驱动模块29与X-Y扫描平台6连接。

进一步作为优选的实施方式，所述第一斯托克斯系统100包括第一偏振分析器10、第一聚光镜11、第一针孔12及第一光电探测器13，所述第一偏振分析器10、第一聚光镜11、第一针孔12及第一光电探测器13沿光路前进方向依次设置且处于同一光轴上，所述第一针孔12位于第一聚光镜11的焦点处；

所述第二斯托克斯系统200包括第二偏振分析器14、第二聚光镜15、第二针孔16及第二光电探测器17，所述第二偏振分析器14、第二聚光镜15、第二针孔16及第二光电探测器17沿光路前进方向依次设置且处于同一光轴上，所述第二针孔16位于第二聚光镜15的焦点处；

所述第三斯托克斯系统300包括第三偏振分析器19、第三聚光镜20、第三针孔21及第三光电探测器22，所述第三偏振分析器19、第三聚光镜20、第三针孔21及第三光电探测器22沿光路前进方向依次设置且处于同一光轴上，所述第三针孔21位于第三聚光镜20的焦点处；

所述第四斯托克斯系统400包括第四偏振分析器23、第四聚光镜24、第四针孔25及第四光电探测器26，所述第四偏振分析器23、第四聚光镜24、第四针孔25及第四光电探测器26沿光路前进方向依次设置且处于同一光轴上，所述第四针孔25位于第四聚光镜24的焦点处。

本装置中，数据采集模块27用于对4个光电探测器检测到的进行数据处理，最后获得被测样品5的所有空间测试点的偏振色度值，计算机28根据被测样品5的被测情况，向驱动模块29发送控制信息，控制驱动模块29驱动X-Y扫描平台6进行移动，从而实现逐点逐层地对被测样品5进行测试。第一针孔12、第二针孔16、第三针孔21及第四针孔25分别与显微物镜4处于物象共轭面上，因此，通过针孔的空间滤波作用，可以把显微物镜4的焦点以外的所有光全部滤掉，只允许被测样品5在显微物镜4的焦点处的被测点反射的光进入光电探测器。

参照图2，本发明还提供了一种偏振态层析显微成像方法，包括：

S1、对激光进行偏振得到偏振激光后，将偏振激光通过显微物镜4聚焦到安装在X-Y扫描平台6上的被测样品5；

S2、偏振激光在被测样品5上发生反射，进而通过显微物镜4后以平行光出射；

S3、将该出射的平行光分成光强相等的第一光束Ⅰ及第二光束Ⅱ后，将第一光束Ⅰ分成光强相等的第三光束Ⅲ及第四光束Ⅳ，并将第二光束Ⅱ分成光强相等的第五光束Ⅴ及第六光束Ⅵ；

S4、将第三光束Ⅲ通过四分之一波片9后对其进行偏振态检测，同时分别对第四光束Ⅳ、第五光束Ⅴ及第六光束Ⅵ进行偏振态检测，并将四个光束的偏振态检测结果发送到数据采集模块27；

S5、对四个光束的偏振态检测结果进行处理，获得被测样品5在显微物镜4焦点处的被测点的三个斯托克斯参量，并对该三个斯托克斯参量进行处理后，获得被测点的偏振色度值；

S6、驱动X-Y扫描平台6在X-Y平面逐点地移动被测样品5，并重复步骤S1-S5，获得被测样品5在该X-Y层面的所有被测点的偏振色度值；

S7、驱动X-Y扫描平台6沿Z轴移动被测样品5，并重复步骤S1-S6，获得被测样品5的所有空间被测点的偏振色度值；

S8、将获得的被测样品5的所有空间被测点的偏振色度值进行成像，从而获得被测样品5的偏振态分布图像。

所述三个斯托克斯参量包括第一斯托克斯参量S₁、第二斯托克斯参量S₂及第三斯托克斯参量S₃。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S4，其具体为：

将第三光束Ⅲ依次通过四分之一波片9及第一偏振分析器10进行偏振后，将其会聚到第一针孔12处，并从第一针孔12透射到第一光电探测器13处进行偏振态检测，进而获得第一光强值i₀；

将第四光束Ⅳ通过第二偏振分析器14进行偏振后，将其会聚到第二针孔16处，并从第二针孔16透射到第二光电探测器17处进行偏振态检测，进而获得第二光强值i₁；

将第五光束Ⅴ通过第三偏振分析器19进行偏振后，将其会聚到第三针孔21处，并从第三针孔21透射到第三光电探测器22处进行偏振态检测，进而获得第三光强值i₂；

将第六光束Ⅵ通过第四偏振分析器23进行偏振后，将其会聚到第四针孔25处，并从第四针孔25透射到第四光电探测器26处进行偏振态检测，进而获得第四光强值i₃。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S5，其具体为：

S51、根据下式对四个光束的偏振态检测结果进行处理，获得被测样品5在显微物镜4焦点处的被测点的三个斯托克斯参量：

其中，S₀为偏振激光的总光强，S₁为偏振激光的第一斯托克斯参量、S₂为偏振激光的第二斯托克斯参量，S₃为偏振激光的第三斯托克斯参量，A为偏振态层析显微成像装置的系统矩阵且其每个元素均是该装置的系统参数，系统矩阵A是通过定标方法获得的；

S52、对该三个斯托克斯参量进行处理，将三个斯托克斯参量的值分别作为三基色RGB的三个基色值后，计算该RGB颜色的色度值，将该色度值作为被测点的偏振色度值。这里，该RGB颜色指用三个斯托克斯参量进行赋值得到的颜色。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S52中所述将三个斯托克斯参量的值分别作为三基色RGB的三个基色值，其具体为：

将第一斯托克斯参量S₁的值作为三基色RGB的R基色值，将第二斯托克斯参量S₂的值作为三基色RGB的G基色值，同时将第三斯托克斯参量S₃的值作为三基色RGB的B基色值。

本发明中，X-Y平面指三维坐标系中的水平平面，其坐标轴分别为X轴及Y轴，Z轴是三维坐标系中的竖直方向的坐标轴。

三基色RGB指红绿蓝三基色颜色标准，R基色值指红色的基色值，G基色值指绿色的基色值，B基色值指蓝色的基色值，根据RGB颜色三个基色值可计算出该RGB颜色的色度值。

本发明通过逐层逐点地对被测样品进行测试，获得被测样品的所有被测点反射的偏振激光的三个斯托克斯参量后，进行处理得到被测样品的所有被测点的偏振色度值，进而建立被测样品的偏振态图像，可获得被测样品的全方位的偏振信息，更为真实、准确地反映被测样品的信息，可对物体不同层面的偏振态进行检测和显微成像，可获得物体内部不同层面的应力大小和方向、物质的结构、分子排列取向、折射率、内部应力分布、表面电导率分布和表面粗糙度等信息。例如，因为在应力大小相同的条件下，应力方向的不同，对应的偏振态也不相同，而偏振态相同的各个被测点，其应力的大小和方向均相同，因此，可通过获得被测样品的偏振态图像来得到其应力分布信息。又如，因为分子的偏振态与分子的排列取向有关，排列取向相同的分子具有相同的偏振态，因此获得物质的偏振态图像后，就可获得分子排列取向信息。而因为物质表面反射光的偏振态与表面电导率有关，电导率相同的点具有相同的偏振态，所以，获得物质的偏振态图像后，就可获得表面电导率分布信息。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (2)

1.偏振态层析显微成像方法，其特征在于，包括：

S1、对激光进行偏振得到偏振激光后，将偏振激光通过显微物镜（4）聚焦到安装在X-Y扫描平台（6）上的被测样品（5）；

S2、偏振激光在被测样品（5）上发生反射，进而通过显微物镜（4）后以平行光出射；

S3、将该出射的平行光分成光强相等的第一光束（Ⅰ）及第二光束（Ⅱ）后，将第一光束（Ⅰ）分成光强相等的第三光束（Ⅲ）及第四光束（Ⅳ），并将第二光束（Ⅱ）分成光强相等的第五光束（Ⅴ）及第六光束（Ⅵ）；

S4、将第三光束（Ⅲ）通过四分之一波片（9）后对其进行偏振态检测，同时分别对第四光束（Ⅳ）、第五光束（Ⅴ）及第六光束（Ⅵ）进行偏振态检测，并将四个光束的偏振态检测结果发送到数据采集模块（27）；

S5、对四个光束的偏振态检测结果进行处理，获得被测样品（5）在显微物镜（4）焦点处的被测点的三个斯托克斯参量，并对该三个斯托克斯参量进行处理后，获得被测点的偏振色度值；

S6、驱动X-Y扫描平台（6）在X-Y平面逐点地移动被测样品（5），并重复步骤S1-S5，获得被测样品（5）在该X-Y平面的所有被测点的偏振色度值；

S7、驱动X-Y扫描平台（6）沿Z轴移动被测样品（5），并重复步骤S1-S6，获得被测样品（5）的所有空间被测点的偏振色度值；

S8、将获得的被测样品（5）的所有空间被测点的偏振色度值进行成像，从而获得被测样品（5）的偏振态分布图像；

所述三个斯托克斯参量包括第一斯托克斯参量S₁、第二斯托克斯参量S₂及第三斯托克斯参量S₃；

所述步骤S4，其具体为：

将第三光束（Ⅲ）依次通过四分之一波片（9）及第一偏振分析器（10）进行偏振后，将其会聚到第一针孔（12）处，并从第一针孔（12）透射到第一光电探测器（13）处进行偏振态检测，进而获得第一光强值i₀；

将第四光束（Ⅳ）通过第二偏振分析器（14）进行偏振后，将其会聚到第二针孔（16）处，并从第二针孔（16）透射到第二光电探测器（17）处进行偏振态检测，进而获得第二光强值i₁；

将第五光束（Ⅴ）通过第三偏振分析器（19）进行偏振后，将其会聚到第三针孔（21）处，并从第三针孔（21）透射到第三光电探测器（22）处进行偏振态检测，进而获得第三光强值i₂；

将第六光束（Ⅵ）通过第四偏振分析器（23）进行偏振后，将其会聚到第四针孔（25）处，并从第四针孔（25）透射到第四光电探测器（26）处进行偏振态检测，进而获得第四光强值i₃；

所述步骤S5，其具体为：

S51、根据下式对四个光束的偏振态检测结果进行处理，获得被测样品（5）在显微物镜（4）焦点处的被测点的三个斯托克斯参量：

其中，S₀为偏振激光的总光强，S₁为偏振激光的第一斯托克斯参量、S₂为偏振激光的第二斯托克斯参量，S₃为偏振激光的第三斯托克斯参量，A为偏振态层析显微成像装置的系统矩阵且其每个元素均是该装置的系统参数，系统矩阵A是通过定标方法获得的；

S52、对该三个斯托克斯参量进行处理，将三个斯托克斯参量的值分别作为三基色RGB的三个基色值后，计算该RGB颜色的色度值，将该色度值作为被测点的偏振色度值。

2.根据权利要求1所述的偏振态层析显微成像方法，其特征在于，所述步骤S52中所述将三个斯托克斯参量的值分别作为三基色RGB的三个基色值，其具体为：

将第一斯托克斯参量S₁的值作为三基色RGB的R基色值，将第二斯托克斯参量S₂的值作为三基色RGB的G基色值，同时将第三斯托克斯参量S₃的值作为三基色RGB的B基色值。