CN110567883B - 实时测量Mueller矩阵光谱的方法 - Google Patents

实时测量Mueller矩阵光谱的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了实时测量Mueller矩阵光谱的系统，包括沿入射光线的入射方向依次设有光源、光纤、准直系统、起偏器、第一延迟器、第二延迟器、样品台、第三延迟器、Wollaston棱镜、光谱仪组。本发明还公开了实时测量Mueller矩阵光谱的方法，对光谱仪获取的光谱强度进行傅里叶变换、通道滤波与傅里叶逆变换可复原被测样品表面出射的Stokes矢量S，对S中的四个Stokes参数进行傅里叶变换、通道滤波与傅里叶逆变换可复原出16个Mueller矩阵元素的光谱。本发明避免了通道串扰，测量准确性高，可操作性强。

Description

实时测量Mueller矩阵光谱的方法
技术领域
本发明属于偏振光谱测量技术领域，涉及实时测量Mueller矩阵光谱的系统，还涉及实时测量Mueller矩阵光谱的方法。
背景技术
Mueller矩阵可完全描述物体对光的偏振响应属性，通过获取被测样品的Mueller矩阵光谱可得被测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新型的光学探测方法在集成电路制造、平板显示、生物医学诊断等领域具有广泛的应用前景。目前国际上只有少数科研机构开展相关研究工作。尤其是实时获取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。
目前国际上常规的Mueller矩阵光谱测量方法主要有两类：一类是是按时间顺序进行的，起偏臂与检偏臂的补偿器按一定速率比5ω:mω(ω为同轴电机的基频，m为非零整数且不等于5或10)旋转产生不同的时间调制频率，通过傅里叶变换解调获取样品全部16个穆勒矩阵元素需要探测器读数 N＝4m+21次以保证在一个光学周期T＝π/ω内完成完整的波形分析，耗费的时间为t＝N×t0(t0为探测器的读出时间)，测量时间较长不适用于被测穆勒矩阵随时间快速变化的情况，并且系统中两个运动部件增加了系统误差产生的概率。另一类是则通过频率调制将被测穆勒矩阵全部16个元素被调制到37 个不同的频率通道，采用通道滤波与傅里叶变换解调可获取全部16个穆勒矩阵元素的光谱，由于系统中不含运动部件，可实现静态实时测量(测量时间由探测器读出时间决定)，但是当被测穆勒矩阵具有锐利特征峰时会出现严重的通道串扰从而影响测量准确度与精度，并且复原穆勒矩阵的光谱分辨率远小于光谱仪的光谱分辨率，因此其仅适用于被测穆勒矩阵随波长缓慢变化的情况。
发明内容
本发明的目的是提供实时测量Mueller矩阵光谱的系统，可实时获取被测Mueller矩阵光谱，同时可抑制通道串扰的产生。
本发明的另一目的是提供实时测量Mueller矩阵光谱的方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，实时测量Mueller矩阵光谱的系统，包括沿入射光线的入射方向依次设有光源、光纤、准直系统、起偏器、第一延迟器、第二延迟器、样品台、第三延迟器、Wollaston棱镜、光谱仪组。
本发明第一种技术方案的特点还在于，
准直系统包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜分别靠近光纤和起偏器，光谱仪组包括第一光谱仪和第二光谱仪，第一光谱仪和第二光谱仪均位于Wollaston棱镜的出射侧以测量不同出射光的光谱强度。
其构建满足右手定则的xyz坐标系，以光线的主光轴方向为z轴正向，以起偏器的透光轴方向为x轴正向，第一延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角为45°，第二延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角为0°，第三延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角为22.5°，Wollaston棱镜的两光轴分别位于yz与xz 平面且均与z轴垂直。
第一延迟器与第二延迟器相同。
本发明第二种技术方案是，实时测量Mueller矩阵光谱的方法，应用如本发明第一种方案的实时测量Mueller矩阵光谱的系统进行测量，具体按照以下步骤实施：
步骤1、测量从Wollaston棱镜(9)出射两束光的光谱强度为IWP1和IWP2，并根据四个Stokes参数建立IWP1和IWP2的表达式；
步骤2、对IWP1和IWP2的表达式分别做傅里叶变换、通道滤波，对滤波结果做傅里叶逆变换，得到Stokes参数；
步骤3、对四个Stokes参数分别做傅里叶变换、通道滤波，对滤波结果做傅里叶逆变换，得到十六个Mueller矩阵元素的光谱，Mueller矩阵光谱的测量完成。
本发明第二种技术方案的特点还在于，
步骤1具体为，打开光源，从光纤出射的非偏振光经准直系统准直后变为平行光，平行光依次通过起偏器、第一延迟器、第二延迟器、样品台、第三延迟器，由Wollaston棱镜射出两束光，采用第一光谱仪、第二光谱仪分别同时测量从Wollaston棱镜出射两束光的光谱强度为IWP1和IWP2，其表达式分别如下，
Figure GDA0003552915390000031
式(12)中，
Figure GDA0003552915390000032
Figure GDA0003552915390000033
Figure GDA0003552915390000034
Figure GDA0003552915390000041
式(13)中，
Figure GDA0003552915390000042
Figure GDA0003552915390000043
Figure GDA0003552915390000044
上式中，X0、X1、X2和X3为Stokes参数Xa，a＝0,1,2,3,
Figure GDA0003552915390000045
式(14)中，第一延迟器与第二延迟器随波数变化的延迟量相等且均为
Figure GDA0003552915390000046
mb0、mb1、mb2、mb3为被测的穆勒矩阵元素mbc，b＝0,1,2,3，c＝0,1,2,3，且C0＝mb0+mb2/2，
Figure GDA0003552915390000047
Figure GDA0003552915390000048
步骤2具体为，
对(12)式和(13)式做傅里叶变换并进行通道滤波截取
Figure GDA0003552915390000049
并对
Figure GDA00035529153900000410
做傅里叶逆变换可得：
Figure GDA00035529153900000411
Figure GDA00035529153900000412
Figure GDA00035529153900000413
式(15)、(16)、(17)中
Figure GDA00035529153900000414
分别为
Figure GDA00035529153900000415
的傅里叶逆变换结果，
由式(15)～(17)可得Stokes参数：
Figure GDA0003552915390000051
Figure GDA0003552915390000052
Figure GDA0003552915390000053
Figure GDA0003552915390000054
式(18)～(21)中，real和imag分别表示实部和虚部。
步骤3具体为，
对式(18)～(21)式做傅里叶变换并进行通道滤波截取C0、C1、C2，并对C0、C1、C2做傅里叶逆变换可得被测的十六个穆勒矩阵元素：
Figure GDA0003552915390000055
Figure GDA0003552915390000056
Figure GDA0003552915390000057
Figure GDA0003552915390000058
式(22)～(25)中，
Figure GDA0003552915390000059
为C0的傅里叶逆变换结果，
Figure GDA00035529153900000510
为C1的傅里叶逆变换结果，
Figure GDA00035529153900000511
为C2的傅里叶逆变换结果，
此时，Mueller矩阵光谱的测量完成。
本发明的有益效果是：
本发明实时测量Mueller矩阵光谱的系统与现有时间调制型Mueller矩阵光谱探测系统相比可实时获取被测Mueller矩阵光谱，且系统中不含运动部件；与现有频率调制型Mueller矩阵光谱探测系统与方法相比，光谱通道由37个降低为15个，提高了复原光谱分辨率的同时可抑制通道串扰产生的概率。本发明实时测量Mueller矩阵光谱的方法通过起偏器、第一延迟器和第二延迟器将从被测样品表面出射的Stokes矢量S变为被测样品的全部16 个Mueller矩阵元素光谱的函数，四个Stokes参数均含有五个不同的光谱通道；再通过第三延迟器和Wollaston棱镜将这四个Stokes参数加载至三个不同的光谱通道；对光谱仪获取的光谱强度进行傅里叶变换、通道滤波与傅里叶逆变换可复原S，对S中的四个Stokes参数进行傅里叶变换、通道滤波与傅里叶逆变换可复原出16个Mueller矩阵元素的光谱；测量准确性高，且操作简单清楚。
附图说明
图1为本发明实时测量Mueller矩阵光谱的系统的结构示意图；
其中，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.第一延迟器，6.第二延迟器，7.样品台，8.第三延迟器，9.Wollaston 棱镜，10.第一光谱仪，11.第二光谱仪。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明实时测量Mueller矩阵光谱的系统，其构建满足右手定则的xyz 坐标系，如图1所示，包括沿入射光线的入射方向依次设有光源1、光纤2、准直系统3、起偏器4、第一延迟器5、第二延迟器6、样品台7、第三延迟器8、Wollaston棱镜9、光谱仪组。以光线的主光轴方向为z轴正向，以起偏器4的透光轴方向为x轴正向，第一延迟器5的快轴方向与x轴正向的夹角为45°，第二延迟器6的快轴方向与x轴正向的夹角为0°，第三延迟器8 的快轴方向与x轴正向的夹角为22.5°，Wollaston棱镜9的两光轴分别位于 yz与xz平面且均与z轴垂直。
准直系统包括第一透镜301和第二透镜302，第一透镜301和第二透镜 302分别靠近光纤2和起偏器4，光谱仪组包括第一光谱仪10和第二光谱仪11，第一光谱仪10和第二光谱仪11均位于Wollaston棱镜9的出射侧以测量不同出射光的光谱强度。第一延迟器5与第二延迟器6相同。
本发明实时测量Mueller矩阵光谱的方法，应用本发明的实时测量 Mueller矩阵光谱的系统进行测量，具体按照以下步骤实施：
步骤1、测量从Wollaston棱镜(9)出射两束光的光谱强度为IWP1和IWP2，并根据四个Stokes参数建立IWP1和IWP2的表达式：
打开光源1，从光纤2出射的非偏振光经准直系统3准直后变为平行光，平行光依次通过起偏器4、第一延迟器5、第二延迟器6、样品台7、第三延迟器8，由Wollaston棱镜9射出两束光，采用第一光谱仪10、第二光谱仪 11分别同时测量从Wollaston棱镜9出射两束光的光谱强度为IWP1和IWP2，其表达式分别如下，
Figure GDA0003552915390000071
式(12)中，
Figure GDA0003552915390000072
Figure GDA0003552915390000073
Figure GDA0003552915390000074
Figure GDA0003552915390000075
式(13)中，
Figure GDA0003552915390000076
Figure GDA0003552915390000077
Figure GDA0003552915390000081
上式中，X0、X1、X2和X3为Stokes参数Xa，a＝0,1,2,3,
Figure GDA0003552915390000082
式(14)中，第一延迟器5与第二延迟器6随波数变化的延迟量相等且均为
Figure GDA0003552915390000083
mb0、mb1、mb2、mb3为被测的穆勒矩阵元素mbc，b＝0,1,2,3，c＝0,1,2,3，且C0＝mb0+mb2/2，
Figure GDA0003552915390000084
Figure GDA0003552915390000085
步骤2、对IWP1和IWP2的表达式分别做傅里叶变换、通道滤波，对滤波结果做傅里叶逆变换，得到Stokes参数：
对(12)式和(13)式做傅里叶变换并进行通道滤波截取
Figure GDA0003552915390000086
并对
Figure GDA0003552915390000087
做傅里叶逆变换可得：
Figure GDA0003552915390000088
Figure GDA0003552915390000089
Figure GDA00035529153900000810
式(15)、(16)、(17)中
Figure GDA00035529153900000811
分别为
Figure GDA00035529153900000812
的傅里叶逆变换结果，
由式(15)～(17)可得Stokes参数：
Figure GDA00035529153900000813
Figure GDA00035529153900000814
Figure GDA00035529153900000815
Figure GDA0003552915390000091
式(18)～(21)中，real和imag分别表示实部和虚部。
步骤3、对四个Stokes参数分别做傅里叶变换、通道滤波，对滤波结果做傅里叶逆变换，得到十六个Mueller矩阵元素的光谱，Mueller矩阵光谱的测量完成：
对式(18)～(21)式做傅里叶变换并进行通道滤波截取C0、C1、C2，并对C0、C1、C2做傅里叶逆变换可得被测的十六个穆勒矩阵元素：
Figure GDA0003552915390000092
Figure GDA0003552915390000093
Figure GDA0003552915390000094
Figure GDA0003552915390000095
式(22)～(25)中，
Figure GDA0003552915390000096
为C0的傅里叶逆变换结果，
Figure GDA0003552915390000097
为C1的傅里叶逆变换结果，
Figure GDA0003552915390000098
为C2的傅里叶逆变换结果，
此时，Mueller矩阵光谱的测量完成。
通过上述方式，本发明实时测量Mueller矩阵光谱的方法，对光谱仪获取的光谱强度进行傅里叶变换、通道滤波与傅里叶逆变换可复原被测样品表面出射的Stokes矢量S，对S中的四个Stokes参数进行傅里叶变换、通道滤波与傅里叶逆变换可复原出16个Mueller矩阵元素的光谱。测量准确性高，可操作性强。

Claims (4)

1.实时测量Mueller矩阵光谱的方法，应用实时测量Mueller矩阵光谱的系统进行测量，其特征在于，实时测量Mueller矩阵光谱的系统，包括沿入射光线的入射方向依次设有光源(1)、光纤(2)、准直系统(3)、起偏器(4)、第一延迟器(5)、第二延迟器(6)、样品台(7)、第三延迟器(8)、Wollaston棱镜(9)、光谱仪组；
所述准直系统包括第一透镜(301)和第二透镜(302)，所述第一透镜(301)和第二透镜(302)分别靠近光纤(2)和起偏器(4)，所述光谱仪组包括第一光谱仪(10)和第二光谱仪(11)，所述第一光谱仪(10)和第二光谱仪(11)均位于Wollaston棱镜(9)的出射侧以测量不同出射光的光谱强度；
实时测量Mueller矩阵光谱的系统构建满足右手定则的xyz坐标系，以光线的主光轴方向为z轴正向，以所述起偏器(4)的透光轴方向为x轴正向，第一延迟器(5)的快轴方向与x轴正向的夹角为45°，第二延迟器(6)的快轴方向与x轴正向的夹角为0°，所述第一延迟器(5)与第二延迟器(6)相同，第三延迟器(8)的快轴方向与x轴正向的夹角为22.5°，Wollaston棱镜(9)的两光轴分别位于yz与xz平面且均与z轴垂直；
具体按照以下步骤实施：
步骤1、测量从Wollaston棱镜(9)出射两束光的光谱强度为IWP1和IWP2，并根据四个Stokes参数建立IWP1和IWP2的表达式；
步骤2、对IWP1和IWP2的表达式分别做傅里叶变换、通道滤波，对滤波结果做傅里叶逆变换，得到Stokes参数；
步骤3、对四个Stokes参数分别做傅里叶变换、通道滤波，对滤波结果做傅里叶逆变换，得到十六个Mueller矩阵元素的光谱，Mueller矩阵光谱的测量完成。
2.根据权利要求1所述的实时测量Mueller矩阵光谱的方法，其特征在于，所述步骤1具体为，打开光源(1)，从光纤(2)出射的非偏振光经准直系统(3)准直后变为平行光，平行光依次通过起偏器(4)、第一延迟器(5)、第二延迟器(6)、样品台(7)、第三延迟器(8)，由Wollaston棱镜(9)射出两束光，采用第一光谱仪(10)、第二光谱仪(11)分别同时测量从Wollaston棱镜(9)出射两束光的光谱强度为IWP1和IWP2，其表达式分别如下，
Figure FDA0003552915380000021
式(12)中，
Figure FDA0003552915380000022
Figure FDA0003552915380000023
Figure FDA0003552915380000024
Figure FDA0003552915380000025
式(13)中，
Figure FDA0003552915380000026
Figure FDA0003552915380000027
Figure FDA0003552915380000028
上式中，X0、X1、X2和X3为Stokes参数Xa，a＝0,1,2,3，
Figure FDA0003552915380000031
式(14)中，第一延迟器(5)与第二延迟器(6)随波数变化的延迟量相等且均为
Figure FDA0003552915380000032
mb0、mb1、mb2、mb3为被测的穆勒矩阵元素mbc，b＝0,1,2,3，c＝0,1,2,3，且C0＝mb0+mb2/2，
Figure FDA0003552915380000033
Figure FDA0003552915380000034
3.根据权利要求2所述的实时测量Mueller矩阵光谱的方法，其特征在于，所述步骤2具体为，
对(12)式和(13)式做傅里叶变换并进行通道滤波截取
Figure FDA0003552915380000035
并对
Figure FDA0003552915380000036
做傅里叶逆变换可得：
Figure FDA0003552915380000037
Figure FDA0003552915380000038
Figure FDA0003552915380000039
式(15)、(16)、(17)中
Figure FDA00035529153800000310
分别为
Figure FDA00035529153800000311
的傅里叶逆变换结果，
由式(15)～(17)可得Stokes参数：
Figure FDA00035529153800000312
Figure FDA00035529153800000313
Figure FDA00035529153800000314
Figure FDA00035529153800000315
式(18)～(21)中，real和imag分别表示实部和虚部。
4.根据权利要求3所述的实时测量Mueller矩阵光谱的方法，其特征在于，所述步骤3具体为，
对式(18)～(21)式做傅里叶变换并进行通道滤波截取C0、C1、C2，并对C0、C1、C2做傅里叶逆变换可得被测的十六个穆勒矩阵元素：
Figure FDA0003552915380000041
Figure FDA0003552915380000042
Figure FDA0003552915380000043
Figure FDA0003552915380000044
式(22)～(25)中，
Figure FDA0003552915380000045
为C0的傅里叶逆变换结果，
Figure FDA0003552915380000046
为C1的傅里叶逆变换结果，
Figure FDA0003552915380000047
为C2的傅里叶逆变换结果，
此时，Mueller矩阵光谱的测量完成。
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