CN108828757A - 显微镜光路系统、显微镜及校准方法、装置、设备及介质 - Google Patents

显微镜光路系统、显微镜及校准方法、装置、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了显微镜光路系统、显微镜及校准方法、装置、设备及介质，所述系统包括：光源、起偏模块、分束镜、物镜、检偏模块、物镜电荷藕合器件CCD图像传感器；其中，起偏模块、光源与分束镜在同一水平线上；起偏模块位于光源与分束镜之间，用于将光源发出的光束调制成特定的偏振态；检偏模块、分束镜、物镜以及CCD图像传感器在同一竖直线上；检偏模块位于分束镜与CCD图像传感器之间，用于对分束镜透射的光进行检偏。本发明实施例的技术方案实现提供一种固化的测量装置，避免对穆勒矩阵测量系统中的旋转对称性造成破坏，便于提取测量样品中的角度无关参量。

Description

显微镜光路系统、显微镜及校准方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明实施例涉及显微镜技术领域，尤其涉及一种显微镜光路系统、显微镜及校准方法、装置、设备及介质。
背景技术
光学显微镜广泛应用于医疗卫生机构和科研单位做生物学、病理学、细菌学观察研究、临床实验和医疗检验；工厂和实验室对材料的分析和鉴定。背向散射类型光学显微镜则可以用于厚生物组织和材料的观测分析和鉴定。目前的常规光学成像方法中大都需要对生物样品进行染色处理，这必然会对细胞的生理过程造成一定的影响。穆勒矩阵成像技术通过测量样品的穆勒矩阵来提取样品的信息，它是一种非标记、非侵入、低损伤、亚细胞分辨率检测技术，与现有的光学成像系统有非常好的兼容性，通过调制照明光路的起偏态和探测光路的检偏态多次测量从而计算得到样品的穆勒图像。然后通过穆勒矩阵分解或者穆勒矩阵变换等操作便可以获取样品的本征物理参量从而获取样品的微观结构信息。穆勒矩阵成像技术不需要对样品做染色处理也不依赖于高分辨就可以获取非常丰富的样品亚微米显微结构信息，而这些信息在常规光学成像系统中却难以被观察到。
目前，常用的背向散射穆勒成像技术手段多是非共轴的，即起偏光路和检偏光路呈一定的夹角。在现有非共轴的背向穆勒矩阵显微镜中，光源提供光束，光束经过分束镜后首先被反射经过物镜后照射在样品上，样品的背向散射光经过物镜原路返回至分束镜，并透过分束镜照射在CCD中。非共轴背向散射装置结构简单校准容易，但是起偏光路和检偏光路的夹角会给样品的穆勒矩阵测量带来直接影响，而且会破坏穆勒矩阵测量系统中的旋转对称性，且不利于提取测量样品中的角度无关参量。此外非共轴背向散射穆勒矩阵测量方案也不利于与显微镜系统相结合形成固化的测量装置。
发明内容
本发明实施例提供一种显微镜光路系统、显微镜及校准方法、装置、设备及介质，通过提供一种固化的测量装置实现共轴背向穆勒矩阵显微成像功能，具备提取穆勒矩阵旋转不变量的先天优势，便于提取测量样品中的角度无关参量，同时提高共轴背向穆勒矩阵显微成像功能的精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种显微镜光路系统，包括：
光源、起偏模块、分束镜、物镜、检偏模块、物镜电荷藕合器件CCD图像传感器；其中，
所述起偏模块、所述光源与所述分束镜在同一水平线上；所述起偏模块位于所述光源与所述分束镜之间，用于将所述光源发出的光束调制成特定的偏振态；
所述检偏模块、所述分束镜、所述物镜以及所述CCD图像传感器在同一竖直线上；所述检偏模块位于所述分束镜与所述CCD图像传感器之间，用于对所述分束镜透射的光进行检偏。
第二方面，本发明实施例还提供了一种显微镜，所述显微镜集成了如第一方面所述的显微镜光路系统。
第三方面，本发明实施例还提供了一种显微镜校准方法，应用于第二方面所述的显微镜，包括：
获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据，将所述光强数据作为第一光强数据；
对所述第一光强数据进行预处理，得到第二光强数据；
根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵；其中，所述目标起偏矩阵为多次测量得到的各起偏矩阵组合形成的矩阵，所述目标检偏矩阵为多次测量得到的各检偏矩阵组合形成的矩阵；
根据所述第二光强数据和所述第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差；
根据所述第一仪器矩阵和系统误差确定第二仪器矩阵；
其中，所述第二仪器矩阵用于获取待测样品的目标穆勒矩阵。
第四方面，本发明实施例还提供了一种显微镜校准装置，其特征在于，包括：
第一数据获取模块，用于获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据，将所述光强数据作为第一光强数据；
第二数据获取模块，用于对所述第一光强数据进行预处理，得到第二光强数据；
矩阵构建模块，用于根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵；其中，所述目标起偏矩阵为多次测量得到的各起偏矩阵组合形成的矩阵，所述目标检偏矩阵为多次测量得到的各检偏矩阵组合形成的矩阵；
误差求解模块，用于根据所述第二光强数据和所述第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差；
矩阵确定模块，用于根据所述第一仪器矩阵和系统误差确定第二仪器矩阵；
其中，所述第二仪器矩阵用于获取待测样品的目标穆勒矩阵。
第五方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明任意实施例所提供的显微镜校准方法。
第六方面，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明任意实施例所提供的显微镜校准方法。
本发明实施例通过在显微镜光路系统中添加相应的起偏模块和检偏模块，从而实现共轴背向穆勒矩阵显微成像功能，同时针对共轴背向穆勒矩阵显微技术提供了一种显微镜校准方法，该方法通过获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据作为第一光强数据后进行预处理得到第二光强数据；根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵；并根据第二光强数据和第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差；最后根据第一仪器矩阵和系统误差确定第二仪器矩阵，实现对显微镜的校准功能，解决了现有非共轴穆勒矩阵测量中时旋转对称性破缺问题，通过提供一种固化的测量装置实现共轴背向穆勒矩阵显微成像功能，避免对穆勒矩阵测量系统中的旋转对称性造成破坏，具备提取穆勒矩阵旋转不变量的先天优势，便于提取测量样品中的角度无关参量，同时提高共轴背向穆勒矩阵显微成像功能的精度。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种显微镜光路系统的示意图；
图2是本发明实施例三提供的一种显微镜校准方法的流程图；
图3是本发明实施例三提供的一种显微镜的校准和测量方法的流程图；
图4是本发明实施例四提供的一种显微镜校准装置的示意图；
图5为本发明实施例五提供的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种显微镜光路系统的示意图，如图1所示，该显微镜光路系统的结构包括：
光源10、起偏模块20(Polarization State Generator,PSG)、分束镜30、物镜40、检偏模块50(Polarization State Analyzer,PSA)、物镜电荷藕合器件CCD图像传感器60；其中，
起偏模块20、光源10与分束镜30在同一水平线上；起偏模块20位于光源10与分束镜30之间，用于将光源10发出的光束调制成特定的偏振态；
检偏模块50、分束镜30、物镜40以及CCD图像传感器60在同一竖直线上；检偏模块50位于分束镜30与CCD图像传感器60之间，用于对分束镜30透射的光进行检偏。
如图1所示，在本发明实施例中，光源10可以采用发光二极管(Light-EmittingDiode，LED)，主要用于为待测样品80提供光源。起偏模块20主要用于将光源10发出的光束调制成特定的偏振态。分束镜30可以将入射光分离成反射光和透射光两部分。具体的，分束镜30与光束有两次相互作用：由起偏模块20调制的光束被分束镜30经45度反射然后垂直照射到样品80上，被样品80散射的光束透射经过分束镜30然后被检偏模块50和CCD图像传感器60探测。物镜40是由若干个透镜组合而成的一个透镜组，主要用于提供放大作用。检偏模块50用于对分束镜30透射的光进行检偏。CCD图像传感器60用于把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需求来修改图像。在光源10与起偏模块20之间，还可以设置一块准直透镜70，主要用于将光源10发出的光束变为平行光束。
本发明实施例中显微镜光路系统的工作原理是：光源发出的光束经过准直后首先经过起偏模块被调制成特定的偏振态，然后被半透半反的分束镜反射经过物镜后照射在样品上，样品的背向散射光经过物镜原路返回透过半透半反分束镜，被检偏模块检偏后由CCD图像传感器采集光强信息。通过添加起偏模块和检偏模块，使得显微镜中照明光路与检测光路在同一共轴线上。
需要说明的是，样品穆勒矩阵测量过程中，若照明光路与检测光路不是共轴线的，那么样品绕照明光路(或者检测光路)旋转都无法简单描述为样品穆勒矩阵和旋转矩阵的相互作用，从样品穆勒矩阵中提取的参数都是与样品的取向相关的，样品取向不同测出来的结果也不相同，这将给样品分析带来诸多不便。若照明光路与检测光路是共轴线的，那么样品绕照明光路(或者检测光路)任意角度旋转都可以描述为样品穆勒矩阵与旋转矩阵的相互作用，处理样品的旋转问题就变得非常简单，样品任意角度旋转测出来的穆勒矩阵其中的一些参数(例如二向色性大小相位延迟大小等)是固定不变的。
在本发明的一个可选实施例中，起偏模块20可以包括：第一波片201和第一偏振片202；检偏模块50可以包括：第二波片501和第二偏振片502；其中，第一波片201和第一偏振片202之间的位置关系，与第二波片501和第二偏振片502之间的位置关系不同。
其中，第一波片201和第二波片501均可以采用一个可旋转的四分之一波片，第一偏振片202和第二偏振片502均可以采用一个固定的偏振片。
在本发明实施例中，起偏模块和检偏模块均可以采用相同构造的波片和偏振片形成。但需要说明的是，两个模块中波片和偏振片的前后顺序并不相同。
在本发明的一个可选实施例中，所述系统还可以包括：驱动装置，用于驱动第一波片201和第二波片501转动。
其中，驱动装置可以是步进电机，该步进电机可以实现驱动第一波片201和第二波片501按照设定的角度进行转动。
在本发明实施例中，在显微镜的测量过程中第一波片和第二波片需要分别以固定的角速度ω1和ω2(例如1：5，第一波片每次旋转6度，第二波片每次旋转30度)旋转，一共需要进行Q次测量。假设第一波片和第二波片分别采用6度和30度的步进，则总共至少需要25次测量。实际测量时，通常可以选择Q＝30，即一共进行30次测量。
本发明实施例通过在显微镜光路系统中添加相应的起偏模块和检偏模块，从而实现提供一种固化的测量装置，该装置结构紧凑、系统稳定、体积较小且成本低廉，可适用于材料检测，厚生物组织观测，活体测量等。由于该装置基于穆勒矩阵测量，穆勒矩阵包含有样品全部的偏振属性，可以从中提取样品非常丰富的微观结构信息，且观察生物样品时无需对样品做染色处理，可以观测活体细胞或者组织的生理活动，也不需依赖成像的分辨率来获取信息，单个像素点就可以识别分辨样品的结构和属性。该装置解决了非共轴穆勒矩阵测量中时旋转对称性破缺问题，实现共轴背向穆勒矩阵显微成像功能，具备提取穆勒矩阵旋转不变量的先天优势，便于提取测量样品中的角度无关参量。
实施例二
在本发明实施例一公开的一种显微镜光路系统的基础上，本发明实施例二还提供了一种显微镜，所述显微镜集成了实施例一所提供的显微镜光路系统。
实施例三
图2是本发明实施例三提供的一种显微镜校准方法的流程图，本实施例可适用于对共轴背向穆勒矩阵显微镜进行校准情况，该方法可以由显微镜校准装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件的方式来实现。相应的，如图1所示，该方法包括如下操作：
S210、获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据，将所述光强数据作为第一光强数据。
其中，第一光强数据可以是显微镜初次测量获取的，尚未被处理的原始光强数据，其中，光强数据是从显微镜中CCD图像传感器中获取的光强数据。
在本发明实施例中，在对显微镜进行校准时，可以使用平面反射镜作为标准样品，测量未知样品时则使用待测样品代替标准样品(即平面反射镜)，调制起偏模块和检偏模块，可以是每次驱动第一波片和第二波片进行转动，从而进行Q次光强测量。其中，Q可以根据实际需求进行设定，如30或40等，具体可以依据第一波片和第二波片的每次旋转角度进行适应性设定，本发明实施例对此并不进行限制。
在本发明的一个可选实施例中，所述获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据，将所述光强数据作为第一光强数据，可以包括：
根据如下公式计算所述第一光强数据：
其中，I(q)为第q次测量得到的光强数据；q为测量次数；a0、an以及bn为傅里叶系数，γ为所述第一波片和所述第二波片的每次旋转角度的最大公约数，N为最大傅里叶级数，N的大小与γ成反比。可选的，N的具体数值可以依据两个波片的每次旋转角度进行确定，如，其中，ω1为第一波片的每次旋转角度，ω2为第二波片的每次旋转角度。
S220、对所述第一光强数据进行预处理，得到第二光强数据。
其中，预处理可以是对光强数据进行的初步处理操作，例如预处理可以包括但不限于平滑处理或去噪处理等。当然，本领域技术人员还可以根据实际需求，在本技术方案的技术背景下，建立其他对第一光强数据进行预处理的操作，本发明实施例对此并不进行限制。
在本发明实施例中，每次测量得到的光强数据根据离散傅里叶分析可以计算出各傅里叶系数。然后依据公式使用傅里叶系数重建第一光强数据，得到第二光强数据做下一步的计算。通过对获取的第一光强数据进行预处理，可以降低第一光强数据的噪声误差。预处理后得到的第二光强数据可以形成Q×1的矩阵。
S230、根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵；其中，所述目标起偏矩阵为多次测量得到的各起偏矩阵组合形成的矩阵，所述目标检偏矩阵为多次测量得到的各检偏矩阵组合形成的矩阵。
其中，当每次测量时，起偏模块和检偏模块均分别对应起偏矩阵和检偏矩阵。第一仪器矩阵为含有系统误差未知量的仪器矩阵。
在本发明实施例中，在构建显微镜的第一仪器矩阵时，可以依据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵进行构建。其中，目标起偏矩阵和目标检偏矩阵可以通过将每次测量得到的起偏矩阵和检偏矩阵进行组合得到。可选的，每次测量得到的起偏矩阵与检偏矩阵分别为4×1的矩阵和1×4的矩阵，共进行Q次测量，则按照测量顺序将每次得到的起偏矩阵和检偏矩阵都放置在前一次测量的起偏矩阵和检偏矩阵后，得到的目标起偏矩阵为一个4×Q的矩阵，得到的检偏矩阵为一个Q×4的矩阵。
在本发明的一个可选实施例中，所述根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵，可以包括：
根据如下公式计算所述第一仪器矩阵：
Fij＝AiuGvi
其中，Fij为第一仪器矩阵中第i行第j列元素，Aiu为所述目标检偏矩阵中的第i行第u列元素，Gvi为所述目标起偏矩阵中的第v行第i列元素；u为矩阵列号，v为矩阵行号，u＝mod(j-1,4)+1，函数mod代表除法计算后取余数，函数floor代表向下取整数。
其中，起偏矩阵和检偏矩阵通过如下公式确定：
G(q)＝Ms1MR1(δ1，θ1)Mp1Sin
A(q)＝CMp2(∈5)MR2(δ2,θ2)Msz
其中，θ1＝(q-1)ω1+∈3，θ2＝(q-1)ω2+∈4
G(q)为第q次测量的起偏矩阵，A(q)为第q次测量的检偏矩阵，Sin为入射光束的斯托克斯向量(已知常量)，Mp1为第一偏振片的穆勒矩阵，MR1(δ1,θ1)为考虑误差的第一波片的穆勒矩阵，MS1为分束镜的反射穆勒矩阵，MS2为分束镜的透射穆勒矩阵，Mr2(δ2,θ2)为考虑误差的第二波片的穆勒矩阵，Mp2(∈5)为考虑误差的第二偏振片的穆勒矩阵，δ1为所述第一波片的相位延迟误差，θ1为第q次测量时所述第一波片的快轴方向，δ2为所述第二波片的相位延迟误差，θ2为第q次测量时所述第二波片的快轴方向，c表示取矩阵首行元素，ω1为所述第一波片的每次旋转角度，ω2为所述第二波片的每次旋转角度，∈3为所述第一波片的初始角度误差，∈4为所述第二波片的初始角度误差，∈5为所述第二偏振片的角度误差。
需要说明的是，在本发明实施例中，分束镜的反射穆勒矩阵MS1和透射穆勒矩阵MS2已事先测量，在校准过程中均当作已知矩阵。各个偏振片和波片的穆勒矩阵模型是已知的。理想的偏振片穆勒矩阵MP仅与其透光轴的方向θ0有关，波片的穆勒矩阵MR与其快轴方向θ(包括θ1和θ2)和相位延迟δ(包括δ1和δ2)有关。两个偏振片和两个波片的穆勒矩阵表达式参考如下公式：
在计算Mp1时，将θ0＝0代入MP(θ0)即可，在计算Mp2(∈5)时，将θ0＝∈5代入MP(θ0)即可。在计算MR1(δ1,θ1)时，将θ1和δ1代入MR(δ,θ)即可，在计算MR2(δ2,θ2)时，将θ2以及δ2代入MR(δ,θ)即可。
在本发明实施例中，预处理后的第二光强数据I0，样品穆勒矩阵Ms，目标起偏矩阵G和目标检偏矩阵A应有如下关系，I0＝μ+diag(AMsG)，其中，I0为第二光强数据形成的矩阵，函数diag代表取矩阵的主对角线，μ为CCD图像传感器本底噪声形成的矩阵。起偏矩阵G和检偏矩阵A由公式G(q)＝MS1MR1(δ1,θ1)Mp1Sin和公式A(q)＝cMp2(∈5)MR2(δ2,θ2)MS2所确定。此时构建的第一仪器矩阵F包含有未知量的系统误差(δ1,δ2,∈3,∈4,∈5,μ)和分束片的寄生偏振穆勒矩阵(MS1和MS2)。
S240、根据所述第二光强数据和所述第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差。
其中，设定数量可以是6。在本发明实施例中，可以考虑6个系统误差的校准，6个系统误差可以是：第一波片的相位延迟误差，第一波片的初始角度误差，第二波片的相位延迟误差，第二波片的初始角度误差，第二偏振片的角度误差以及CCD图像传感器的本底噪声误差。
相应的，在本发明实施例中，在获取到第二光强数据和第一仪器矩阵后，即可根据第二光强数据和第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差。
在本发明的一个可选实施例中，所述根据所述第二光强数据和所述第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差，可以包括：
根据如下公式获取所述第一仪器矩阵与所述第二光强数据之间的非线性方程组：
I0-μ＝FM′s
其中，I0为所述第二光强数据形成的矩阵，即I0为Q×1的矩阵，μ为CCD图像传感器本底噪声形成的矩阵，F为所述第一仪器矩阵，M′s为经过拉伸处理后的标准样品穆勒矩阵；
通过设定函数对所述非线性方程组进行求解，得到所述设定数量的系统误差。
其中，设定函数可以是matlab中的fsolve函数。CCD图像传感器本底噪声可以包括器暗电流噪声光散粒噪声等随机噪声，且CCD图像传感器本底噪声与测量次数无关，为CCD图像传感器本身的固有误差。CCD图像传感器本底噪声形成的矩阵μ同样是Q×1的矩阵，且该矩阵中所有的元素均为同一数值(即本底噪声数据对应的数值)。
在本发明实施例中，把标准样品穆勒矩阵由4×4拉伸为16×1的矩阵M′s，第二光强数据I0，16×1的标准样品穆勒M′s以及第一仪器矩阵F有如下关系，I0-μ＝FM′s。校准过程转变为求解非线性方程组过程，可以利用matlab中的fsolve函数来求解该非线性方程组进而得到6系统误差，即δ1，δ2，∈3，∈4，∈5以及μ的具体数值。
S250、根据所述第一仪器矩阵和系统误差确定第二仪器矩阵。
其中，所述第二仪器矩阵用于获取待测样品的目标穆勒矩阵。
其中，所述第二仪器矩阵为纯数值结构的仪器矩阵。目标穆勒矩阵即为待测样品经显微镜测量得到的穆勒矩阵，用于提取待测样品的信息。
在本发明实施例中，求解系统误差后，可以将系统误差代入包含有系统误差未知量的第一仪器矩阵中，得到纯数值结构的仪器矩阵作为第二仪器矩阵。获取到第二仪器矩阵后，即完成对显微镜的校准。在正式测量待测样品时，可以通过校准后的第二仪器矩阵获取待测样品的目标穆勒矩阵。上述显微镜校准方案能够有效避免分束镜的寄生偏振问题，消除了分束镜对测量结构的影响，具备很高的测量精度。
在本发明的一个可选实施例中，所述根据所述第一仪器矩阵和所述系统误差获取第二仪器矩阵，可以包括：
将所述设定数量的系统误差代入公式Fij＝AiuGvi中，得到所述第二仪器矩阵。
在本发明实施例中，在得到6个系统误差后，将系统误差代入第一仪器矩阵中，计算得到纯数值结构的仪器矩阵作为第二仪器矩阵。
需要说明的是，由于本发明实施例采用的是重建仪器矩阵数值求解的原理，因此本发明实施例所提供的显微镜校准方法更具普适性。传统的显微镜校准方案智能实现对5个系统误差的校准，而本发明实施例所提供的显微镜校准方案可以一次性校准6个系统误差，而且对两个四分之一波片的步进角度没有严格限制，在测量过程中两个波片可以根据实际需求选择最优的旋转角度和测量次数Q，从而精确地校准系统误差并精确计算待测样品的穆勒矩阵。
在本发明的一个可选实施例中，在所述根据所述第一仪器矩阵和所述系统误差获取第二仪器矩阵之后，还可以包括
根据如下公式计算所述待测样品的待处理穆勒矩阵：
M′ss＝pinv(F0)(IO-D
其中，M′ss所述待测样品的待处理穆勒矩阵，F0为所述第二仪器矩阵；
对所述待测样品的待处理穆勒矩阵进行变换操作，得到所述目标穆勒矩阵。
相应的，在获取到第二仪器矩阵后，测量待测样品时，任意的待测样品的16×1穆勒矩阵M′ss均可以利用第二仪器矩阵的逆pinv(F0)计算得到。把16×1的穆勒矩阵M′ss进行变换操作，即对M′ss重新排布即可得到44形式的目标穆勒矩阵。
本发明实施例的技术方案通过获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据作为第一光强数据后进行预处理得到第二光强数据；根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵；并根据第二光强数据和第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差；最后根据第一仪器矩阵和系统误差确定第二仪器矩阵，实现对显微镜的校准功能，解决了现有非共轴显微镜系统误差校准不精确的问题，从而提高共轴背向穆勒矩阵显微镜的系统误差校准精度以及成像功能的精度。
图3是本发明实施例三提供的一种显微镜的校准和测量方法的流程图。如图3所示，在进行校准时，采用标准样品进行测量得到测量数据，即第一光强数据，然后对第一光强数据进行数据预处理得到第二光强数据，接下来构建仪器矩阵(即第一仪器矩阵)，根据获取的第二光强数据以及第一仪器矩阵构造方程组，求解方程组得到系统误差后，将系统误差代入第一仪器矩阵中，即可获取最终的仪器矩阵，即第二仪器矩阵。在测量未知样品时，同样需要对测量数据(即第一光强数据)进行数据预处理，得到第二光强数据，然后根据未知样品的第二光强数据和校准过程中得到的仪器矩阵就可以得到未知样品的穆勒矩阵。
本发明实施例所提供的显微镜校准方法是一种更加普适的穆勒矩阵校准方案，不依赖于解析求解的计算公式，不限定具体的测量方案，不仅适用于包含寄生偏振的共轴背向穆勒显微镜，也适用于前向测量系统等。
实施例四
图4是本发明实施例四提供的一种显微镜校准装置的示意图，如图4所示，所述装置包括：第一数据获取模块410、第二数据获取模块420、矩阵构建模块430、误差求解模块440以及矩阵确定模块450，其中：
第一数据获取模块410，用于获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据，将所述光强数据作为第一光强数据；
第二数据获取模块420，用于对所述第一光强数据进行预处理，得到第二光强数据；
矩阵构建模块430，用于根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵；其中，所述目标起偏矩阵为多次测量得到的各起偏矩阵组合形成的矩阵，所述目标检偏矩阵为多次测量得到的各检偏矩阵组合形成的矩阵；
误差求解模块440，用于根据所述第二光强数据和所述第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差；
矩阵确定模块450，用于根据所述第一仪器矩阵和系统误差确定第二仪器矩阵；
其中，所述第二仪器矩阵用于获取待测样品的目标穆勒矩阵。
本发明实施例的技术方案通过获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据作为第一光强数据后进行预处理得到第二光强数据；根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵；并根据第二光强数据和第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差；最后根据第一仪器矩阵和系统误差确定第二仪器矩阵，实现对显微镜的校准功能，解决了现有非共轴显微镜系统误差校准不精确的问题，从而提高共轴背向穆勒矩阵显微镜的系统误差校准精度以及成像功能的精度。
可选的，第一数据获取模块410，具体用于根据如下公式计算所述第一光强数据：
其中，I(q)为第q次测量得到的光强数据；q为测量次数；a0、an以及bn为傅里叶系数，γ为所述显微镜中的第一波片和第二波片的每次旋转角度的最大公约数，N为最大傅里叶级数。
可选的，矩阵构建模块430，具体用于根据如下公式计算所述第一仪器矩阵：
Fij＝AiuGvi
其中，Fij为第一仪器矩阵中第i行第j列元素，Aiu为所述目标检偏矩阵中的第i行第u列元素，Gvi为所述目标起偏矩阵中的第v行第i列元素；
u为矩阵列号，v为矩阵行号，u＝mod(j-1，4)+1，
其中，所述起偏矩阵和目标检偏矩阵通过如下公式确定：
G(q)＝MS1MR1(δ1，θ1)Mp1Sin
A(q)＝cMp2(∈5)MR2(δ2，θ2)MS2
其中，θ1＝(q-1)ω1+∈3，θ2＝(q-1)ω2+∈4
G(q)为第q次测量的起偏矩阵，A(q)为第q次测量的检偏矩阵，Sin为入射光束的斯托克斯向量，Mp1为第一偏振片的穆勒矩阵，MR1(δ1，θ1)为考虑误差的第一波片的穆勒矩阵，MS1为分束镜的反射穆勒矩阵，MS2为分束镜的透射穆勒矩阵，MR2(δ2，θ2)为考虑误差的第二波片的穆勒矩阵，Mp2(∈5)为考虑误差的第二偏振片的穆勒矩阵，δ1为所述第一波片的相位延迟误差，θ1为第q次测量时所述第一波片的快轴方向，δ2为所述第二波片的相位延迟误差，θ2为第q次测量时所述第二波片的快轴方向，c表示取矩阵首行元素，ω1为所述第一波片的每次旋转角度，ω2为所述第二波片的每次旋转角度，∈3为所述第一波片的初始角度误差，∈4为所述第二波片的初始角度误差，∈5为所述第二偏振片的角度误差。
可选的，误差求解模块440，具体用于根据如下公式获取所述第一仪器矩阵与所述第二光强数据之间的非线性方程组：
I0-μ＝FM′s
其中，I0为所述第二光强数据形成的矩阵，μ为CCD图像传感器本底噪声形成的矩阵，F为所述第一仪器矩阵，M′s为经过拉伸处理后的标准样品穆勒矩阵；
通过设定函数对所述非线性方程组进行求解，得到所述设定数量的系统误差。
可选的，矩阵确定模块450，具体用于将所述设定数量的系统误差代入公式Fij＝AiuGvi中，得到所述第二仪器矩阵。
可选的，所述装置还包括，目标矩阵获取模块，用于根据如下公式计算所述待测样品的待处理穆勒矩阵：
M′ss＝pinv(F0)(IO-μ)
其中，M′ss所述待测样品的待处理穆勒矩阵，F0为所述第二仪器矩阵；
对所述待测样品的待处理穆勒矩阵进行变换操作，得到所述目标穆勒矩阵。
上述显微镜校准装置可执行本发明任意实施例所提供的显微镜校准方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例提供的显微镜校准方法。
实施例五
图5为本发明实施例五提供的一种计算机设备的结构示意图。图5示出了适于用来实现本发明实施方式的计算机设备512的框图。图5显示的计算机设备512仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图5所示，计算机设备512以通用计算设备的形式表现。计算机设备512的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器516，存储装置528，连接不同系统组件(包括存储装置528和处理器516)的总线518。
总线518表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(Industry StandardArchitecture，ISA)总线，微通道体系结构(Micro Channel Architecture，MCA)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(Video Electronics Standards Association，VESA)局域总线以及外围组件互连(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线。
计算机设备512典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备512访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
存储装置528可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)530和/或高速缓存存储器532。计算机设备512可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统534可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图5未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图5中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如只读光盘(Compact Disc-Read Only Memory，CD-ROM)、数字视盘(Digital Video Disc-Read Only Memory，DVD-ROM)或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线518相连。存储装置528可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块526的程序536，可以存储在例如存储装置528中，这样的程序模块526包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块526通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备512也可以与一个或多个外部设备514(例如键盘、指向设备、摄像头、显示器524等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备512交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备512能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口522进行。并且，计算机设备512还可以通过网络适配器520与一个或者多个网络(例如局域网(Local AreaNetwork，LAN)，广域网Wide Area Network，WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器520通过总线518与计算机设备512的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合计算机设备512使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、磁盘阵列(Redundant Arrays of IndependentDisks，RAID)系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理器516通过运行存储在存储装置528中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明上述实施例所提供的显微镜校准方法。
也即，所述处理单元执行所述程序时实现：获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据，将所述光强数据作为第一光强数据；对所述第一光强数据进行预处理，得到第二光强数据；根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵；其中，所述目标起偏矩阵为多次测量得到的各起偏矩阵组合形成的矩阵，所述目标检偏矩阵为多次测量得到的各检偏矩阵组合形成的矩阵；根据所述第二光强数据和所述第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差；根据所述第一仪器矩阵和系统误差确定第二仪器矩阵；其中，所述第二仪器矩阵用于获取待测样品的目标穆勒矩阵。
通过所述计算机设备获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据作为第一光强数据后进行预处理得到第二光强数据；根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵；并根据第二光强数据和第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差；最后根据第一仪器矩阵和系统误差确定第二仪器矩阵，实现对显微镜的校准功能，解决了现有非共轴显微镜系统误差校准不精确的问题，从而提高共轴背向穆勒矩阵显微镜的系统误差校准精度以及成像功能的精度。
实施例六
本发明实施例六还提供一种存储计算机程序的计算机存储介质，所述计算机程序在由计算机处理器执行时用于执行本发明上述实施例任一所述的显微镜校准方法：获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据，将所述光强数据作为第一光强数据；对所述第一光强数据进行预处理，得到第二光强数据；根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵；其中，所述目标起偏矩阵为多次测量得到的各起偏矩阵组合形成的矩阵，所述目标检偏矩阵为多次测量得到的各检偏矩阵组合形成的矩阵；根据所述第二光强数据和所述第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差；根据所述第一仪器矩阵和系统误差确定第二仪器矩阵；其中，所述第二仪器矩阵用于获取待测样品的目标穆勒矩阵。
本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、可擦式可编程只读存储器((Erasable Programmable ReadOnly Memory，EPROM)或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于无线、电线、光缆、射频(Radio Frequency，RF)等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言——诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (13)

1.一种显微镜光路系统，其特征在于，包括：
光源、起偏模块、分束镜、物镜、检偏模块、物镜电荷藕合器件CCD图像传感器；其中，
所述起偏模块、所述光源与所述分束镜在同一水平线上；所述起偏模块位于所述光源与所述分束镜之间，用于将所述光源发出的光束调制成特定的偏振态；
所述检偏模块、所述分束镜、所述物镜以及所述CCD图像传感器在同一竖直线上；所述检偏模块位于所述分束镜与所述CCD图像传感器之间，用于对所述分束镜透射的光进行检偏。
2.根据权利要求1所述的显微镜光路系统，其特征在于，
所述起偏模块包括：第一波片和第一偏振片；
所述检偏模块包括：第二波片和第二偏振片；其中，
所述第一波片和所述第一偏振片之间的位置关系，与所述第二波片和所述第二偏振片之间的位置关系不同。
3.根据权利要求2所述的显微镜光路系统，其特征在于，还包括：
驱动装置，用于驱动所述第一波片和所述第二波片转动。
4.一种显微镜，其特征在于，所述显微镜集成了如权利要求3所述的显微镜光路系统。
5.一种显微镜校准方法，其特征在于，应用于权利要求4所述的显微镜，包括：
获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据，将所述光强数据作为第一光强数据；
对所述第一光强数据进行预处理，得到第二光强数据；
根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵；其中，所述目标起偏矩阵为多次测量得到的各起偏矩阵组合形成的矩阵，所述目标检偏矩阵为多次测量得到的各检偏矩阵组合形成的矩阵；
根据所述第二光强数据和所述第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差；
根据所述第一仪器矩阵和系统误差确定第二仪器矩阵；
其中，所述第二仪器矩阵用于获取待测样品的目标穆勒矩阵。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据，包括：
根据如下公式计算所述第一光强数据：
其中，I(q)为第q次测量得到的光强数据；q为测量次数；a0、an以及bn为傅里叶系数，γ为所述显微镜中的第一波片和第二波片的每次旋转角度的最大公约数，N为最大傅里叶级数。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵，包括：
根据如下公式计算所述第一仪器矩阵：
Fij＝AiuGvi
其中，Fij为第一仪器矩阵中第i行第j列元素，Aiu为所述目标检偏矩阵中的第i行第u列元素，Gvi为所述目标起偏矩阵中的第v行第i列元素；u为矩阵列号，v为矩阵行号，u＝mod(j-1，4)+1，
其中，所述起偏矩阵和所述检偏矩阵通过如下公式确定：
G(q)＝MS1MR1(δ1，θ1)Mp1Sin
A(q)＝cMp2(∈5)MR2(δ2，θ2)MS2
其中，θ1＝(q-1)ω1+∈3，θ2＝(q-1)ω2+∈4
G(q)为第q次测量的起偏矩阵，A(q)为第q次测量的检偏矩阵，Sin为入射光束的斯托克斯向量，Mp1为第一偏振片的穆勒矩阵，MR1(δ1，θ1)为考虑误差的第一波片的穆勒矩阵，MS1为分束镜的反射穆勒矩阵，MS2为分束镜的透射穆勒矩阵，MR2(δ2，θ2)为考虑误差的第二波片的穆勒矩阵，Mp2(∈5)为考虑误差的第二偏振片的穆勒矩阵，δ1为所述第一波片的相位延迟误差，θ1为第q次测量时所述第一波片的快轴方向，δ2为所述第二波片的相位延迟误差，θ2为第q次测量时所述第二波片的快轴方向，c表示取矩阵首行元素，ω1为所述第一波片的每次旋转角度，ω2为所述第二波片的每次旋转角度，∈3为所述第一波片的初始角度误差，∈4为所述第二波片的初始角度误差，∈5为所述第二偏振片的角度误差。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二光强数据和所述第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差，包括：
根据如下公式获取所述第一仪器矩阵与所述第二光强数据之间的非线性方程组：
I0-μ＝FM＇s
其中，I0为所述第二光强数据形成的矩阵，μ为CCD图像传感器本底噪声形成的矩阵，F为所述第一仪器矩阵，M′s为经过拉伸处理后的标准样品穆勒矩阵；
通过设定函数对所述非线性方程组进行求解，得到所述设定数量的系统误差。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一仪器矩阵和所述系统误差获取第二仪器矩阵，包括：
将所述设定数量的系统误差代入公式Fij＝AiuGvi中，得到所述第二仪器矩阵。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述根据所述第一仪器矩阵和所述系统误差获取第二仪器矩阵之后，还包括
根据如下公式计算所述待测样品的待处理穆勒矩阵：
M′ss＝pinv(F0)(I0-μ)
其中，M＇ss所述待测样品的待处理穆勒矩阵，F0为所述第二仪器矩阵；
对所述待测样品的待处理穆勒矩阵进行变换操作，得到所述目标穆勒矩阵。
11.一种显微镜校准装置，其特征在于，包括：
第一数据获取模块，用于获取对标准样品进行多次测量得到的光强数据，将所述光强数据作为第一光强数据；
第二数据获取模块，用于对所述第一光强数据进行预处理，得到第二光强数据；
矩阵构建模块，用于根据目标起偏矩阵和目标检偏矩阵构建第一仪器矩阵；其中，所述目标起偏矩阵为多次测量得到的各起偏矩阵组合形成的矩阵，所述目标检偏矩阵为多次测量得到的各检偏矩阵组合形成的矩阵；
误差求解模块，用于根据所述第二光强数据和所述第一仪器矩阵求解设定数量的系统误差；
矩阵确定模块，用于根据所述第一仪器矩阵和系统误差确定第二仪器矩阵；
其中，所述第二仪器矩阵用于获取待测样品的目标穆勒矩阵。
12.一种计算机设备，其特征在于，所述设备包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求5-10中任一所述的显微镜校准方法。
13.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求5-10中任一所述的显微镜校准方法。
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