CN110261319A - 基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置，包括光源，光源后按照光线入射顺序依次设置有光线、准直系统、起偏器、波片、样品台、高阶相位延迟器、Wollaston棱镜和接收单元；准直系统包括按照入射光线依次设置的第一透镜和第二透镜；接收单元包括光谱仪a和光谱仪b，光谱仪a和光谱仪b分别处于Wollaston棱镜的出射光方向。本发明的测量方法与时间调制型相比，测量时间降低至少4倍；与强度调制型相比，通道数量由37个降低为3个，通道间隔增大了37/3倍，复原Muellr矩阵光谱的分辨率提高了37/3倍的同时大幅降低通道串扰产生的概率，有很好的实用价值。

Description

基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置及测量方法

技术领域

本发明属于偏振光测量技术领域，具体涉及一种基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置，本发明还涉及一种基于四次测量Mueller矩阵光谱的测量方法。

背景技术

被测物体对偏振光的响应属性可以用Mueller矩阵描述，Mueller矩阵是一个包含了16个元素的4×4阶方阵。通过获取Mueller矩阵光谱可以得到样品的诸多光学特征，如退偏效应、表面刻蚀的各向异性以及断面的非对称性。Mueller矩阵光谱测量技术作为一种光学探测方法，目前国际上只有少数科研机构开展相关研究工作，尤其是快速获取Mueller矩阵光谱的仪器，目前仍处于原理探索与实验验证阶段，其技术手段尚未成熟。

目前国内外常规的Mueller矩阵光谱测量方法与装置主要有两种：

一种是基于时间调制的：起偏臂与检偏臂均由可旋转的延迟器与固定的偏振片组成，旋转起偏臂与检偏臂的延迟器最少各四次，测量起偏臂和检偏臂延迟器快轴方位角对应的至少16个光谱强度，再通过解线性方程组的方法得到被测物体的Mueller矩阵光谱，这种方法与装置需要至少16次测量，耗费时间长、不利于对生产过程实时在线监测，同时系统中存在的两个运动部件增加了系统误差产生的概率；

另外一种方法基于强度调制：起偏臂与检偏臂均由两块高阶相位延迟器与固定的偏振片组成，被测16个Mueller矩阵元素被加载致37个光谱通道，通过通道滤波和傅里叶变换可得被测样品的全Mueller矩阵光谱信息，系统中不含运动部件可进行实时测量，但是复原Mueller矩阵光谱的分辨率仅为光谱仪光谱分辨率的1/37，并且通道间存在着不可避免的通道串扰，因此其仅适合对具有宽谱段平滑线型的光谱进行探测，适用范围窄。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置，解决了现有测量装置测量时间长、有效通道带宽窄、通道串扰产生概率大的问题。

本发明的另一个目的是提供一种基于四次测量Mueller矩阵光谱的测量方法，解决了现有测量方法耗费时间长、误差率高的问题。

本发明所采用的第一个技术方案是，基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置，包括光源，光源后按照光线入射顺序依次设置有光纤、准直系统、起偏器、波片、样品台、高阶相位延迟器、Wollaston棱镜和接收单元；

准直系统包括按照入射光线依次设置的第一透镜和第二透镜；

接收单元包括光谱仪a和光谱仪b，光谱仪a和光谱仪b分别处于Wollaston棱镜两束出射光的方向。

本发明的特征还在于，波片为消色差四分之一波片。

装置满足右手定则的xyz坐标系，主光轴即光线入射方向为z轴，竖直方向且与z轴垂直的为y轴，与yz平面垂直的为x轴；

起偏器的透光轴与x轴夹角为0°，高阶相位延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角为22.5°，Wollaston棱镜的光轴分别位于yz与xz平面，且光轴均与z轴垂直。

波片的快轴位于xy平面内且可绕z轴旋转。

本发明所采用的第二个技术方案是，基于四次测量Mueller矩阵光谱的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将被测样品置于样品台上，打开光源，光源发出的入射光线通过光纤到达准直系统，准直系统将非偏振光矫正为平行光，平行光依次通过起偏器、波片、样品台、高阶相位延迟器和Wollaston棱镜，最终到达光谱仪a和光谱仪b，获取对应的光谱强度I_u和I_d；

步骤2，基于步骤1中波片的快轴方位角θ₁，再改变波片的快轴方位角三次，分别记作θ₂、θ₃、θ₄，重复步骤1，记录结果；

步骤3，根据步骤1中波片的快轴方位角θ₁、以及步骤2中快轴方位角θ₂、θ₃、θ₄，得到的上述四个快轴方位角对应的光谱强度，并做傅里叶逆变换可得样品被测点处对应的四个呈通道化分布的干涉强度；

步骤4，通过光程差维的滤波从中截取所需的步骤3中的干涉强度并做傅里叶变换，即可得被测点处全部16个穆勒矩阵元素光谱。

本发明的特征还在于，

步骤1中光谱强度I_u和I_d分别为，

公式(6)和(7)中，参数为高阶相位延迟器随入射光波数线性变化的延迟量，参数K_u为光谱仪a的强度调制系数，参数K_d为光谱仪b的强度调制系数，参数V₀、V₁、V₂及V₃满足如下通式：

通式中参数m₀₀-m₃₃为被测样品全部16个随波长变化的穆勒矩阵元，参数θ为波片的快轴方位角，S₀为光纤出射的光谱强度。

步骤4具体为：

通过光程差维的滤波从中截取所需的干涉强度并做傅里叶变换可得被测点处全部16个穆勒矩阵元素光谱，具体如公式(8)-(11)，

V_m0＝INV{W}·V₀(θ) (8)

V_m1＝INV{W}·V₁(θ) (9)

V_m2＝INV{W}·V₂(θ) (10)

V_m3＝INV{W}·V₃(θ) (11)

公式(8)-(11)，参数INV{·}代表对矩阵取逆，结合如下公式(12)-(15)，

V_m0＝[m₀₀ m₀₁ m₀₂ m₀₃]^T (12)

V_m1＝[m₁₀ m₁₁ m₁₂ m₁₃]^T (13)

V_m2＝[m₂₀ m₂₁ m₂₂ m₂₃]^T (14)

V_m3＝[m₃₀ m₃₁ m₃₂ m₃₃]^T (15)

矩阵W与向量V_i,i＝1,2,3,4如下所示：

公式(17)-(20)中，代表傅里叶变换，real[·]和imag[·]分别代表取复数的实部与虚部。

本发明的有益效果是：本发明基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置通过将被测样品的全部16个Mueller矩阵元素光谱加载到3个不同的光谱通道，每个通道的光谱强度均为穆勒矩阵元素光谱的线性叠加，叠加系数为消色差四分之一波片快轴方位角的函数，通过旋转改变消色差四分之一波片的快轴方位角四次，结合通道滤波与傅里叶变换可通过光谱仪获取的8个光谱强度复原出16个Mueller矩阵元素的光谱；本发明的测量方法与时间调制型相比，测量时间降低至少4倍；与强度调制型相比，通道数量由37个降低为3个，通道间隔增大了37/3倍，复原Muellr矩阵光谱的分辨率提高了37/3倍的同时大幅降低通道串扰产生的概率，有很好的实用价值。

附图说明

图1是本发明基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置的结构示意图。

图中，1.光源，2.光纤，

3.准直系统，301.第一透镜，302.第二透镜，

4.起偏器，5.波片，6.样品台，7.高阶相位延迟器，8.Wollaston棱镜，9.光谱仪a，10.光谱仪b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置，如图1所示，包括光源1，光源1后按照光线入射顺序依次设置有光线2、准直系统3、起偏器4、波片5、样品台6、高阶相位延迟器7、Wollaston棱镜8和接收单元；

准直系统3包括按照入射光线依次设置的第一透镜301和第二透镜302，准直系统3的目的是将光源1射出的非偏振光准直后变为平行光；

接收单元包括光谱仪a9和光谱仪b10，光谱仪a9和光谱仪b10分别处于Wollaston棱镜8的出射光方向。

波片5为消色差四分之一波片，在测量过程中改变波片5的快轴方位角四次。

本发明装置满足右手定则的xyz坐标系，主光轴即光线入射方向为z轴，竖直方向且与z轴垂直的为y轴，与yz平面垂直的为x轴；

起偏器4的透光轴与x轴夹角为0°，高阶相位延迟器7的快轴方向与x轴正向的夹角为22.5°，Wollaston棱镜8的光轴分别位于yz与xz平面，且光轴均与z轴垂直。

波片5的快轴位于xy平面内且可绕z轴旋转。

本发明基于四次测量Mueller矩阵光谱的测量过程如下：

由偏振光学原理可知，延迟器的穆勒Mueller矩阵为公式(1)：

公式(1)中，参数θ'为延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角，参数为延迟器的相位延迟量且其中参数d为延迟器厚度，参数B为延迟器的双折射率，参数σ'为波数；

消色差四分之一波片的Mueller矩阵为公式(2)：

公式(2)中参数θ”为消色差四分之一波片快轴与x轴的正向夹角；

起偏器的Mueller矩阵为：

公式(3)中参数θ”'为透振方向与x轴的正向夹角。

使用Stokes矢量描述光的偏振状态，根据Stokes矢量与光学元件穆勒矩阵的级联关系，可知从Wollaston棱镜8出射针对光谱仪a9和光谱仪b10的Stokes矢量分别为：

公式(4)和(5)中，参数M_R为高阶相位延迟器7的Mueller矩阵，参数M_S为样品台6上被测样品的Mueller矩阵，参数M_AQWP为本发明中波片5的Mueller矩阵，参数M_P为起偏器4的Mueller矩阵，参数M_WP1、M_WP2分别为Wollaston棱镜8等效为透光轴分别沿x轴与y轴的偏振片，参数S_in＝[S₀ 000]^T，具体指从光源1出射的非偏振光的Stokes矢量；

通过Stokes矢量描述入射光的光谱及偏振信息时，由于光谱仪a9、光谱仪b10只对总光强有响应，而对光线的偏振态不敏感，因此光谱仪a9、光谱仪b10获取的光强信号，即光谱强度I_u和I_d具体为公式(6)和(7)，

公式(6)和(7)中，参数为高阶相位延迟器7随入射光波数线性变化的延迟量，参数K_u为光谱仪a9的强度调制系数，参数K_d为光谱仪b10的强度调制系数，参数V₀、V₁、V₂及V₃满足如下通式：

通式中参数m₀₀-m₃₃为被测样品全部16个随波长变化的穆勒矩阵元，参数θ为波片5的快轴方位角，S₀为光纤2出射的光谱强度。

改变本发明消色差四分之一的波片5的快轴方位角4次(θ_i,i＝1,2,3,4)，并采用光谱仪a9和光谱仪b10对从Wollaston棱镜8出射的光谱强度I_u和I_d测量、并做傅里叶逆变换，可得样品被测点处对应的四个呈通道化分布的干涉强度。

通过光程差维的滤波从中截取所需的干涉强度并做傅里叶变换可得被测点处全部16个穆勒矩阵元素光谱，具体如公式(8)-(11)，

V_m0＝INV{W}·V₀(θ) (8)

V_m1＝INV{W}·V₁(θ) (9)

V_m2＝INV{W}·V₂(θ) (10)

V_m3＝INV{W}·V₃(θ) (11)

公式(8)-(11)，参数INV{·}代表对矩阵取逆，结合如下公式(12)-(15)，

V_m0＝[m₀₀ m₀₁ m₀₂ m₀₃]^T (12)

V_m1＝[m₁₀ m₁₁ m₁₂ m₁₃]^T (13)

V_m2＝[m₂₀ m₂₁ m₂₂ m₂₃]^T (14)

V_m3＝[m₃₀ m₃₁ m₃₂ m₃₃]^T (15)

矩阵W与向量V_i,i＝1,2,3,4如下所示：

公式(17)-(20)中，代表傅里叶变换，real[·]和imag[·]分别代表取复数的实部与虚部。

综上可知，本发明测量方法与时间调制型方法相比，测量时间降低至少4倍；与强度调制型方法相比，通道数量由37个降低为3个，通道间隔增大了37/3倍，复原Muellr矩阵光谱的分辨率提高了37/3倍的同时大幅降低通道串扰产生的概率。

Claims (7)

1.基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置，其特征在于，包括光源(1)，光源(1)后按照光线入射顺序依次设置有光线(2)、准直系统(3)、起偏器(4)、波片(5)、样品台(6)、高阶相位延迟器(7)、Wollaston棱镜(8)和接收单元；

所述准直系统(3)包括按照入射光线依次设置的第一透镜(301)和第二透镜(302)；

所述接收单元包括光谱仪a(9)和光谱仪b(10)，光谱仪a(9)和光谱仪b(10)分别处于Wollaston棱镜(8)的两束出射光的方向。

2.根据权利要求1所述的基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置，其特征在于，所述波片(5)为消色差四分之一波片。

3.根据权利要求1所述的基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置，其特征在于，所述装置满足右手定则的xyz坐标系，主光轴即光线入射方向为z轴，竖直方向且与z轴垂直的为y轴，与yz平面垂直的为x轴；

所述起偏器(4)的透光轴与x轴夹角为0°，所述高阶相位延迟器(7)的快轴方向与x轴正向的夹角为22.5°，所述Wollaston棱镜(8)的光轴分别位于yz与xz平面，且光轴均与z轴垂直。

4.根据权利要求3所述的基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置，其特征在于，所述波片(5)的快轴位于xy平面内且可绕z轴旋转。

5.如权利要求1-4任一所述的基于四次测量Mueller矩阵光谱的装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将被测样品置于样品台(6)上，打开光源(1)，光源(1)发出的入射光线通过光纤(2)到达准直系统(3)，准直系统(3)将非偏振光矫正为平行光，平行光依次通过起偏器(4)、波片(5)、样品台(6)、高阶相位延迟器(7)和Wollaston棱镜(8)，最终到达光谱仪a(9)和光谱仪b(10)，获取对应的光谱强度I_u和I_d；

步骤2，基于步骤1中波片(5)的快轴方位角θ₁，再改变波片(5)的快轴方位角三次，分别记作θ₂、θ₃、θ₄，重复步骤1，记录结果；

步骤3，根据步骤1中波片(5)的快轴方位角θ₁、以及步骤2中快轴方位角θ₂、θ₃、θ₄，得到的上述四个快轴方位角对应的光谱强度，并做傅里叶逆变换可得样品被测点处对应的四个呈通道化分布的干涉强度；

步骤4，通过光程差维的滤波从中截取所需的步骤3中的干涉强度并做傅里叶变换，即可得被测点处全部16个穆勒矩阵元素光谱。

6.根据权利要求5所述的基于四次测量Mueller矩阵光谱的测量方法，其特征在于，所述步骤1中光谱强度I_u和I_d分别为，

公式(6)和(7)中，参数为高阶相位延迟器(7)随入射光波数线性变化的延迟量，参数K_u为光谱仪a(9)的强度调制系数，参数K_d为光谱仪b(10)的强度调制系数，参数V₀、V₁、V₂及V₃满足如下通式：

通式中参数m₀₀-m₃₃为被测样品全部16个随波长变化的穆勒矩阵元，参数θ为波片(5)的快轴方位角，S₀为光纤(2)出射的光谱强度。

7.根据权利要求5所述的基于四次测量Mueller矩阵光谱的测量方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

通过光程差维的滤波从中截取所需的干涉强度并做傅里叶变换可得被测点处全部16个穆勒矩阵元素光谱，具体如公式(8)-(11)，

V_m0＝INV{W}·V₀(θ) (8)

V_m1＝INV{W}·V₁(θ) (9)

V_m2＝INV{W}·V₂(θ) (10)

V_m3＝INV{W}·V₃(θ) (11)

公式(8)-(11)，参数INV{·}代表对矩阵取逆，结合如下公式(12)-(15)，

V_m0＝[m₀₀ m₀₁ m₀₂ m₀₃]^T (12)

V_m1＝[m₁₀ m₁₁ m₁₂ m₁₃]^T (13)

V_m2＝[m₂₀ m₂₁ m₂₂ m₂₃]^T (14)

V_m3＝[m₃₀ m₃₁ m₃₂ m₃₃]^T (15)

矩阵W与向量V_i,i＝1,2,3,4如下所示：

公式(17)-(20)中，代表傅里叶变换，real[·]和imag[·]分别代表取复数的实部与虚部。