CN112285914A - 一种透射式穆勒矩阵显微成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透射式穆勒矩阵显微成像系统及方法，系统包括照明单元，产生入射光；起偏调制单元，接受采集控制单元的控制，对入射光进行偏振调制从而使入射光具有相对应的偏振态，进而对样品进行照明；检偏调制单元，包括第一DoFP相机和第二DoFP相机用于接受采集控制单元的控制，同步接收穿过样品的出射光并对出射光的偏振态进行检偏形成图像数据；照明单元、起偏调制单元、检偏调制单元沿着入射光的传输方向依次设置且光轴相重合；采集控制单元分别与起偏调制单元、第一和第二DoFP相机相连；数据处理单元，与第一、第二DoFP相机相连，接收图像数据，并处理得到样品的穆勒矩阵阵元图像。保证较高测量准确性，大幅提升成像速度。

Description

一种透射式穆勒矩阵显微成像系统及方法

技术领域

本发明涉及偏振光学成像技术领域，尤其涉及一种透射式穆勒矩阵显微成像系统及方法。

背景技术

偏振成像技术具有非侵入、低损伤、数据维度大等优点，已在生物医学等诸多领域具有广泛的应用。穆勒矩阵可以表征样本自身的全部偏振性质，近年来越来越多的研究人员通过测量样本的穆勒矩阵来获取与偏振相关的微观结构信息。偏振方法易于与传统非偏振光学成像方法相结合，通过在透射式显微镜装置上安装偏振调制器件，可以将其升级为穆勒矩阵显微成像系统，测量包括病理组织切片等样品的穆勒矩阵，在生物医学研究、海洋微生物观测、医院病理诊断等领域具有非常广泛的应用前景。

偏振调制是偏振测量的基础。偏振测量需要经过若干次不同偏振调制的光强测量，并在此基础上进行计算，得到样品的斯托克斯向量和穆勒矩阵。现有的偏振调制方法包括非同时性调制方法(时间调制方法)和同时性调制方法。非同时性调制方法通过在探测器前放置可旋转偏振器件、液晶调制器件或光弹调制器件进行偏振调制，是一种时间串行测量方法，这类方法简单易行，但是偏振调制的速度受到限制。同时性调制方法通过设置多个测量通道实现偏振测量，属于一种并行测量方法，根据测量通道进行分类，同时性偏振调制器件可以分为分振幅器件、分波前器件和分焦平面器件等空间偏振调制器件，分空间频率偏振调制器件以及分光谱偏振调制器件。DoFP(Division of Focal Plane,分焦平面)线偏振相机属于分焦平面偏振调制器件。其基本结构为在普通的光强探测器前加装了微偏振片阵列，相机的每一个像素都覆盖不同通光方向的偏振片，相当于具有四个偏振测量通道，可以针对样品斯托克斯向量的线偏振部分进行实时测量。而当使用两个DoFP相机，并在其中一个相机前加装偏振光学元件时，即可测量斯托克斯向量的全部分量，实现全偏振成像。

根据最终获得偏振信息形式的不同，偏振成像可以分为斯托克斯向量成像和穆勒矩阵成像。一些偏振成像方法属于斯托克斯向量成像，然而样品的斯托克斯测量结果极易受到照明光偏振态影响，难以进行处理和分析；而穆勒矩阵成像方法基于多次斯托克斯向量测量结果，可以对样品的全部偏振性质进行全面的表征，因而在目前生物医学领域的研究中，大多采用穆勒矩阵作为样品偏振性质的描述方法。在目前已有的穆勒矩阵显微成像设备中，起偏端和检偏端大多均使用非同时性偏振调制方法，进行穆勒矩阵成像的时间较长，如常见的基于双波片旋转采集30张光强图的穆勒矩阵成像系统，单张样品的穆勒矩阵采集时间为3分钟左右，难以应用在活体组织或动态过程的偏振性质监测中。总之，现有的偏振成像方法均具有不同程度的缺陷。因此需要开发一种结构简单、测量速度快、测量准确性好、可以测量穆勒矩阵全部阵元的透射式穆勒矩阵显微成像系统。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明为了解决现有的问题，提供一种透射式穆勒矩阵显微成像系统及方法。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：

一种透射式穆勒矩阵显微成像系统,包括照明单元、起偏调制单元、检偏调制单元、采集控制单元和数据处理单元；所述照明单元，用于产生入射光；所述起偏调制单元，用于接受所述采集控制单元的控制，对所述入射光进行偏振调制从而使所述入射光具有相对应的偏振态，进而对样品进行照明；所述检偏调制单元，包括第一DoFP相机和第二DoFP相机，所述第一DoFP相机和所述第二DoFP相机用于接受所述采集控制单元的控制，同步接收穿过所述样品的出射光并对所述出射光的偏振态进行检偏形成图像数据；所述照明单元、所述起偏调制单元、所述检偏调制单元沿着所述入射光的传输方向依次设置且光轴相重合；所述采集控制单元分别与所述起偏调制单元、所述检偏调制单元的所述第一DoFP相机和所述第二DoFP相机相连；所述数据处理单元，与所述第一DoFP相机、所述第二DoFP相机相连，接收所述第一DoFP相机、所述第二DoFP相机的所述图像数据，并处理得到所述样品的穆勒矩阵阵元图像。

优选地，所述检偏调制单元还包括物镜、中继透镜、非偏振分束镜、第二四分之一波片；所述物镜和所述中继透镜依次用于接收经过所述样品的出射光并向上传递给所述非偏振分束镜，所述非偏振分束镜将所述出射光按照1:1的振幅比进行分束，第一光束经过所述非偏振分束镜的透射端，第二光束经过所述非偏振分束镜的反射端；所述第一光束和所述第二光束相互垂直；所述第二四分之一波片设置在所述非偏振分束镜与所述第二DoFP相机之间；所述第一DoFP相机和所述第二DoFP相机型号、成像范围、分辨率、曝光时间完全相同，并经过了像素级别的图像配准；所述第一DoFP相机置于所述第一光束的像面位置，所述第二DoFP相机置于所述第二光束的像面位置。

优选地，所述第一DoFP相机和所述第二DoFP相机中相邻的四个像素前分别固定有不同通光方向的微偏振片阵列并一同构成一个超像素。

优选地，所述起偏调制单元包括偏振片、第一四分之一波片和电动精密旋转位移台；所述偏振片和所述第一四分之一波片平行放置，且所述偏振片安装于所述第一四分之一波片的下方，所述偏振片的通光轴与X1轴相平行；所述第一四分之一波片安装在所述电动精密旋转位移台中，所述第一四分之一波片的快轴初始角度与所述偏振片的通光轴相平行，在测量过程中由所述电动旋转位移台带动所述第一四分之一波片相对于X1轴旋转至少4个不同的角度，所述照明单元产生的入射光经过所述偏振片和所述第一四分之一波片的偏振调制形成具有偏振态的入射光，然后对所述样品进行照明；所述第一DoFP相机的成像平面为X1-Y1平面，所述X1轴平行于所述第一DoFP相机的水平方向，Y1轴平行于所述第一DoFP相机的垂直方向，Z1轴平行于所述第一光束的光轴方向，构成所述第一DoFP相机坐标系X1-Y1-Z1坐标系。

本发明还提供一种透射式穆勒矩阵显微成像方法，采用如权利要求1-4任一所述的透射式穆勒矩阵显微成像系统，包括如下步骤：S1：校准检偏调制单元的非偏振分束镜；S2：计算样品的穆勒矩阵。

优选地，校准检偏调制单元的非偏振分束镜包括：S11：第一DoFP相机的成像平面为X1-Y1平面，所述X1轴平行于所述第一DoFP相机的水平方向，Y1轴平行于所述第一DoFP相机的垂直方向，Z1轴平行于第一光束的光轴方向，构成所述第一DoFP相机坐标系X1-Y1-Z1坐标系；不加样品时，以所述第一DoFP相机坐标系X1-Y1-Z1坐标系为基准，控制起偏调制单元中的第一四分之一波片相对于X1轴旋转4个不同的角度θ_i，i＝1,2,3,4，每旋转至一个角度，第一DoFP相机和第二DoFP相机同步接收经过空气的出射光，通过提取不同位置相同通光方向偏振片对应的像素光强数据，并经过双线性插值和对图，分别获得4张分辨率与原始的第一DoFP相机和第二DoFP相机分辨率相同的对应偏振角度图像I：

其中，CCD1是第一DoFP相机，CCD2是第二DoFP相机；

分别是第一DoFP相机采集的0度、45度、90度和135度通光方向的光强图；

分别是第二DoFP相机采集的0度、45度、90度和135度通光方向的光强图；

S12：计算使用斯托克斯向量描述的所述出射光的偏振态；

所述非偏振分束镜将所述出射光按照1:1的振幅比进行分束，第一光束经过所述非偏振分束镜的透射端，第二光束经过所述非偏振分束镜的反射端；两个光束相互垂直；所述第一DoFP相机置于所述第一光束的像面位置，所述第二DoFP相机置于所述第二光束的像面位置；所述第一DoFP相机接收到的所述出射光斯托克斯向量

的线偏振分量与所述第一DoFP相机的仪器矩阵A之间存在如下关系：

其中，第一DoFP相机的仪器矩阵A为：

其中，

是第一DoFP相机接收到的出射光斯托克斯向量

的第一个分量，

是第一DoFP相机接收到的出射光斯托克斯向量

的第二个分量，

是第一DoFP相机接收到的出射光斯托克斯向量

的第三个分量；

通过矩阵求逆的方法来求解第i次所述第一四分之一波片的旋转角度θ_i下对应的出射光的斯托克斯向量：

其中，pinv(A)代表A的伪逆矩阵。

优选地，四次非偏振分束镜的透射端的出射光的偏振态表示为：

S13：计算非偏振分束镜透射端的3×4穆勒矩阵以及非偏振分束镜的反射端和第二四分之一波片的等效3×4穆勒矩阵；

使用斯托克斯向量描述入射光的偏振态，4次入射光的偏振态表示为：

其中，

分别是入射光斯托克斯向量S_in的四个分量；

最后，已知出射光斯托克斯向量S_in、入射光斯托克斯向量S_out与穆勒矩阵M之间存在如下关系：

[S_out]＝M_sample·[S_in]

通过矩阵求逆或伪逆来求解所述非偏振分束镜的透射端的3×4穆勒矩阵：

其中，m₁₁-m₃₄分别是非偏振分束镜的透射端3×4穆勒矩阵的前三行阵元；pinv([S_in])代表[S_in]的伪逆矩阵；

同理，针对非偏振分束镜的反射端，使用所述第二DoFP相机求解非偏振分束镜的反射端和第二四分之一波片的等效3×4穆勒矩阵：

其中，pinv(A)代表A的伪逆矩阵,pinv([S_in])代表[S_in]的伪逆矩阵。

优选地，计算样品的穆勒矩阵包括：

S21：对焦样品，并以所述第一DoFP相机坐标系X1-Y1-Z1坐标系为基准，控制起偏调制单元中的第一四分之一波片相对于X1轴旋转4个不同的角度θ_i，i＝1,2,3,4，每旋转至一个角度，第一DoFP相机和第二DoFP相机同步接收穿过所述样品的出射光，通过提取不同位置相同通光方向微偏振片对应的像素光强数据，并经过双线性插值和对图，获得8张分辨率与原始的第一DoFP相机和第二DoFP相机分辨率相同的相应的偏振角度图像：

为使得所述第一DoFP相机和所述第二DoFP相机接收到的光强信号振幅相同，即采集到的所述图像的数据修正为：

其中，γ是第二四分之波片的通光率；

S22：计算使用斯托克斯向量描述经过样品的出射光的偏振态；具体包括：

其中，检偏照明单元的仪器矩阵A_PSA通过下式计算:

其中，M_{transimission&R}代表非偏振分束镜和第二四分之一波片的等效穆勒矩阵，R是第二四分之一波片的简写；

则4次穿过所述样品的出射光的偏振态可表示为：

S23：计算样品的4×4穆勒矩阵；

使用斯托克斯向量描述入射光的偏振态，可知4次入射光的偏振态表示为：

最后，可通过矩阵求逆或伪逆来求解所述样品的4×4穆勒矩阵：

优选地，控制所述起偏调制单元中的第一四分之一波片相对于X1轴旋转4个不同的角度分别为-45°，-19.6°，19.6°和45°。

优选地，控制所述起偏调制单元中的第一四分之一波片相对于X1轴旋转至少5个不同的角度。

本发明的有益效果为：提供一种透射式穆勒矩阵显微成像系统及方法，通过双DoFP的设计则可以实现实时的检偏，进而有利于实现未来的实时穆勒矩阵成像；创新性的考虑了分光元件的偏振性质，并将其应用于穆勒矩阵成像之中，从而保证较高测量准确性的前提下，大幅提升穆勒矩阵的成像速度。

进一步地，本发明只需要令起偏调制系统的第一四分之一波片转动4个角度，且这4个角度在90度范围内，即可实现穆勒矩阵测量，成像速度更快。

更进一步地，本发明使用双DoFP相机的设计，起偏调制单元和检偏调制单元相互独立，基于双DoFP相机的检偏调制单元自身可独立对样本的出射光进行检偏，相当于本身即具有斯托克斯成像功能，在配合起偏调制单元后，更具有了全穆勒矩阵阵元的成像功能，功能更加全面，可以满足多种测量需求和任务。

附图说明

图1是本发明实施例中一种透射式穆勒矩阵显微成像系统的示意图。

图2是本发明实施例中DoFP相机中微偏振阵列的示意图。

图3是本发明实施例中透射式穆勒矩阵显微成像方法的示意图。

图4是本发明实施例中非偏振分束镜偏振误差校准的方法示意图。

图5是本发明实施例中非偏振分束镜偏振误差校准的算法流程图。

图6是本发明实施例中基于双DoFP相机的透射式穆勒矩阵显微成像方法示意图。

图7是本发明实施例中基于双DoFP相机的透射式穆勒矩阵显微成像方法的算法流程图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如前所述，现有技术的偏振成像方法或系统采集时间长难以应用在活体组织或动态过程的偏振性质监测，基于此，本发明提供一种透射式穆勒矩阵显微成像系统和方法。

如图1所示，是本发明一种透射式穆勒矩阵显微成像系统,其特征在于，包括照明单元100、起偏调制单元200、检偏调制单元300、采集控制单元400和数据处理单元500；其中，样品001置于样品台上；

照明单元100，用于产生入射光；

起偏调制单元200，用于接受采集控制单元400的控制，对入射光进行偏振调制从而使入射光具有相对应的偏振态，进而对样品进行照明；

检偏调制单元300，包括第一DoFP相机305和第二DoFP相机306，第一DoFP相机305和第二DoFP相机306用于接受采集控制单元400的控制，同步接收穿过样品001的出射光并对出射光的偏振态进行检偏形成图像数据；

照明单元100、起偏调制单元200、检偏调制单元300沿着入射光的传输方向依次设置且光轴相重合；

采集控制单元400分别与起偏调制单元200、检偏调制单元300的第一DoFP相机305和第二DoFP相机306相连；

数据处理单元500，与第一DoFP相机305、第二DoFP相机306相连，接收第一DoFP相机305、第二DoFP相机306的图像数据，并处理得到所述样品的穆勒矩阵阵元图像，实现穆勒矩阵显微成像。

在本发明的一种实施例中，采集控制单元400和数据处理单元500的放置位置没有要求，采集控制单元400通过电源线和数据线与起偏调制单元200的电动旋转位移台、检偏调制单元300的第一DoFP相机305、第二DoFP相机306相连；数据处理单元500通过数据线与检偏调制单元300的第一DoFP相机305、第二DoFP相机306相连。

在本发明的另一种实施例中，处理得到样品的16个穆勒矩阵阵元图像。穆勒矩阵阵元求解可以看作一个线性方程组求解问题。根据线性代数相关知识，要测量全部的16个穆勒矩阵阵元，起偏器和检偏器必须是完备的，即起偏器可以检测至少4个独立偏振态，起偏器至少可以产4个相互独立偏振态，从而形成一个由16个独立方程构成的线性方程组。在本发明中，基于双DoFP相机设计的检偏器可以实现任意偏振态的实时检偏，因此起偏照明单元需要令四分之一波片转动4个不同角度，以产生4个相互独立的偏振态，进行穆勒矩阵求解。少于4次起偏将不足以求解穆勒矩阵阵元，而等于或多于4次起偏则可以求解穆勒矩阵阵元，且多次测量往往具有降低噪声的功能。

目前常见的穆勒矩阵成像装置主要是基于普通相机，以及基于单个DoFP相机结合可调节的相位延迟片。这些方案都存在成像时间较长的缺点，难以实现实时的穆勒矩阵成像。而基于双DoFP的设计则可以实现实时的检偏，进而有利于实现未来的实时穆勒矩阵成像。基于双DoFP相机的设计需要在光路中添加分光元件，本发明则创新性的考虑了分光元件的偏振性质，并将其应用于穆勒矩阵成像之中，从而提升了测量的准确性。

在本发明的再一种实施例中，本发明系统的坐标系设定如下：

第一DoFP相机的成像平面为X1-Y1平面，X1轴平行于第一DoFP相机的水平方向，Y1轴平行于第一DoFP相机的垂直方向，Z1轴平行于第一光束的光轴方向，第一光束是第一DoFP相机接收的光束，构成第一DoFP相机坐标系X1-Y1-Z1坐标系。

第二DoFP相机的成像平面为X2-Y2平面，X2轴平行于第二DoFP相机的水平方向，Y2轴平行于第二DoFP相机的垂直方向，Z2轴平行于第二光束的光轴方向，第二光束是第二DoFP相机接收的光束，构成第二DoFP相机坐标系X2-Y2-Z2坐标系。

照明单元100包含LED光源模块、准直透镜模块，照明单元用于产生准直的入射光。

继续如图1所示，起偏照明单元200包括偏振片201、第一四分之一波片202和电动精密旋转位移台203。偏振片201和第一四分之一波片202平行放置，偏振片201安装于第一四分之一波片202的下方，偏振片201的通光轴与X1轴相平行。第一四分之一波片202的初始快轴角度与偏振片201的通光轴相平行，安装在电动精密旋转位移台203中，由电动旋转位移台203带动从而具备水平旋转功能。第一四分之一波片202相对于X1轴旋转4个不同的角度，照明单元100产生的照明光经过起偏照明单元200中偏振片201和四分之一波片202的偏振调制形成相对应的偏振态的入射光，对样品001进行照明。

检偏照明单元300包含物镜301和中继透镜302、非偏振分束镜303、第二四分之一波片304和两个DoFP相机305与306。物镜301和中继透镜302用于依次接收经过样品001的出射光并向上传递给非偏振分束镜303，在第一DoFP相机305、第二DoFP相机306的像平面成清晰的像；非偏振分束镜303将出射光按照1:1的振幅比进行分束，第一光束经过非偏振分束镜303的透射端，第二光束经过非偏振分束镜303的反射端。两个光束相互垂直，第一DoFP相机305、第二DoFP相机306的型号、成像范围、分辨率、曝光时间完全相同，并经过了像素级别的图像配准，其中，第一DoFP相机305置于第一光束的像面位置，第二DoFP相机306置于第二光束的像面位置。第一DoFP相机305、第二DoFP相机306中相邻的四个像素前分别固定有不同通光方向的微偏振片阵列，并一同构成一个超像素。

如图2所示，是本发明实施例的DoFP相机中微偏振阵列的示意图。在DoFP相机的相邻四个像素前，四个微偏振片的通光轴与各自DoFP相机的X轴夹角分别为0°、45°、90°、135°，顺着Z轴正向观察，0°微偏振片位于右下角，45°微偏振片位于右上角，90°微偏振片位于左上角，135°微偏振片位于左下角。第二四分之一波片304安装在非偏振分束镜303的反射端与第二DoFP相机306之间，第二四分之一波片303的快轴角度与X2轴夹角无需限定于特定角度。

采集控制单元400包括电动位移台控制模块和DoFP相机控制模块，电动位移台控制模块控制电动位移台转动4个角度，从而带动第一四分之一波片发生转动；DoFP相机控制模块控制两个DoFP相机改变成像参数并实现图像帧的同步采集，在整个测量过程中，两个DoFP相机各采集4张图像。

在本发明的一种实施例中，电动位移台控制模块控制电动位移台转动4个不同且经过优化设计的角度以实现起偏，4个角度分别为-45°，-19.6°，19.6°和45°

数据处理单元500对两个DoFP相机采集到的数据进行分析处理，计算出样品的16个穆勒矩阵阵元图像，实现快速的穆勒矩阵显微成像。

基于上述系统，本发明还提供一种透射式穆勒矩阵显微成像方法。

如图3所示，透射式穆勒矩阵显微成像方法包括如下步骤：

S1：校准检偏调制单元的非偏振分束镜；

S2：计算样品的穆勒矩阵。

非偏振分束镜存在微弱的偏振性质，如不校准会对测量得到的样品偏振信息产生干扰，因此在测量样品的穆勒矩阵之前，应当首先测量得到非偏振分束镜透射端和反射端的偏振性质并代入穆勒矩阵测量模型内进行校准，此外，考虑到加工的精密度和复杂程度，第二四分之一波片的快轴角度与X2轴夹角不限定于特定角度，因而同样需要通过测量得到第二四分之一波片的偏振信息并代入测量模型中。

对非偏振分束镜偏振误差的校准的方法为：使起偏调制系统产生4种不同偏振态的入射光，并使用两个DoFP相机来分别测量此时不加样品时非偏振分束镜透射端和反射端的出射光偏振态，由于单个DoFP相机只能测量斯托克斯向量的前3个线偏振分量，从而可以计算得到非偏振分束镜透射端的3×4穆勒矩阵以及非偏振分束镜反射端和第二四分之一波片的等效3×4穆勒矩阵，并将结果用于计算检偏调制系统的仪器矩阵，代入下一步骤的穆勒矩阵测量模型中，实现对非偏振分束镜引入的偏振误差的校准。此外，在检偏调制系统中，第二四分之一波片的作用是降低检偏调制系统仪器矩阵的条件数，实现检偏方法的优化，降低相机测量中光强随机误差对样品穆勒矩阵测量结果的影响。

如图4和图5所示，是本发明实施例的非偏振分束镜偏振误差校准的方法示意图和算法流程图，方法包括：

S11：不加样品时，以所述第一DoFP相机坐标系X1-Y1-Z1坐标系为基准，控制起偏调制单元中的第一四分之一波片相对于X1轴旋转4个不同的角度θi，i＝1,2,3,4，理论上任意4个不同的角度θi，均可以实现入射光的起偏和样本穆勒矩阵的测量，但是考虑到系统的优化设计，在本实施例中，选择其中两个角度θ₁＝-45°，θ₄＝45°以使得入射光的其中两个偏振态为常见的左旋圆偏振态和右旋圆偏振态，在此基础上，以起偏调制矩阵的条件数最小作为优化指标，本实施例令θ₂＝-19.6°，θ₃＝19.6°，从而使得起偏调制矩阵的条件数接近此情况下的理论最小值。同时由于4个转动角度的范围在90°内，这4个角度的选取可以实现一个较快的起偏调制速度，进而提升穆勒矩阵显微成像速度。每旋转至一个角度，第一DoFP相机和第二DoFP相机同步接收经过空气的出射光的偏振图像，通过提取不同位置相同通光方向偏振片对应的像素光强数据，并经过双线性插值和对图，可以分别获得4张分辨率与原始的第一DoFP相机和第二DoFP相机分辨率相同的对应偏振角度图像I：

其中，CCD1是第一DoFP相机，CCD2是第二DoFP相机；

分别是第一DoFP相机采集的0度、45度、90度和135度通光方向的光强图；

分别是第二DoFP相机采集的0度、45度、90度和135度通光方向的光强图；

S12：计算使用斯托克斯向量描述的所述出射光的偏振态；

非偏振分束镜将所述出射光按照1:1的振幅比进行分束，第一光束经过非偏振分束镜的透射端，第二光束经过非偏振分束镜的反射端；两个光束相互垂直；

第一DoFP相机置于所述第一光束的像面位置，第二DoFP相机置于所述第二光束的像面位置；针对非偏振分束镜的透射端，第一DoFP相机可以获取不加样品时四次出射光的偏振态，由于DoFP相机属于线偏振相机，只能测量样品的斯托克斯向量的前3个线偏振分量。其计算方法为：

第一DoFP相机接收到的所述出射光斯托克斯向量

的线偏振分量与所述第一DoFP相机的仪器矩阵A之间存在如下关系：

其中，第一DoFP相机的仪器矩阵A为：

其中，

是第一DoFP相机接收到的出射光斯托克斯向量

的第一个分量，

是第一DoFP相机接收到的出射光斯托克斯向量

的第二个分量，

是第一DoFP相机接收到的出射光斯托克斯向量

的第三个分量；

通过矩阵求逆的方法来求解第i次所述第一四分之一波片的旋转角度θ_i下对应的出射光的斯托克斯向量：

其中，pinv(A)代表A的伪逆矩阵。

根据偏振光学的基本理论，斯托克斯向量的线偏振部分可以用不同通光方向光强的和差表示：

且由于DoFP相机的输入为斯托克斯向量的线偏振部分，DoFP相机的输出为4个通光方向的光强。则可用相机的仪器矩阵A来表示输入和输出的对应关系：

易知DoFP相机的仪器矩阵：

因此在本发明中，DoFP相机仪器矩阵A特指此类相机自身的仪器矩阵，第一DoFP相机和第二DoFP相机的仪器矩阵相同。

则在此检偏调制方法下，四次非偏振分束镜的透射端的出射光的偏振态表示为：

S13：计算非偏振分束镜透射端的3×4穆勒矩阵以及非偏振分束镜的反射端和第二四分之一波片的等效3×4穆勒矩阵；

使用斯托克斯向量描述入射光的偏振态，4次入射光的偏振态表示为：

其中，

分别是入射光斯托克斯向量S_in的四个分量；

最后，已知出射光斯托克斯向量S_in、入射光斯托克斯向量S_out与穆勒矩阵M之间存在如下关系：

[S_out]＝M_sample·[S_in]

通过矩阵求逆或伪逆来求解所述非偏振分束镜的透射端的3×4穆勒矩阵：

其中，m₁₁-m₃₄分别是非偏振分束镜的透射端3×4穆勒矩阵的前三行阵元；pinv([S_in])代表[S_in]的伪逆矩阵；

同理，针对非偏振分束镜的反射端，使用第二DoFP相机求解非偏振分束镜的反射端和第二四分之一波片的等效3×4穆勒矩阵：

其中，pinv(A)代表A的伪逆矩阵,pinv([S_in])代表[S_in]的伪逆矩阵。

样品穆勒矩阵的计算方法为：首先在显微镜的样品台添加样品并对焦，使起偏调制系统产生4种不同偏振态的入射光，并使用两个DoFP相机来采集此时经过样品后非偏振分束镜透射端和反射端的不同角度下的光强图像，结合检偏调制系统的仪器矩阵可以计算经过样品的出射光偏振态，进而计算得到样品的16个穆勒矩阵阵元图像。

如图6和图7所示，是本发明基于双DoFP相机的透射式穆勒矩阵显微成像方法示意图和算法流程图。在显微镜的样品台添加样品后，方法包括如下步骤：

S21：对焦样品，并以所述第一DoFP相机坐标系X1-Y1-Z1坐标系为基准，控制起偏调制单元中的第一四分之一波片相对于X1轴旋转4个不同的角度θi，i＝1,2,3,4，每旋转至一个角度，第一DoFP相机和第二DoFP相机同步接收穿过所述样品的出射光，通过提取不同位置相同通光方向微偏振片对应的像素光强数据，并经过双线性插值和对图，获得8张分辨率与原始的第一DoFP相机和第二DoFP相机分辨率相同的相应的偏振角度图像：

由于非偏振分束镜将出射光按照1:1的光强比进行分束，经过非偏振分束镜的反射端的第二光束在经过第二四分之一波片时会发生微弱的光强衰减，因此需要除以四分之一波片的通光率，使得被第一DoFP相机和第二DoFP相机接收到的光强信号振幅相同，即采集到的图像数据修正为：

其中，γ是第二四分之波片的通光率；

S22：计算使用斯托克斯向量描述经过样品的出射光的偏振态；

具体包括：

其中，检偏照明单元的仪器矩阵A_PSA通过下式计算:

其中，M_{transimission&R}代表非偏振分束镜和第二四分之一波片的等效穆勒矩阵，R是第二四分之一波片的简写；在本实施例中为90％；

检偏调制系统包括第一DoFP相机和第二DoFP相机，第二DoFP相机前的第二四分之一波片，以及非偏振分束镜。因此检偏调制系统的仪器矩阵A_PSA可以看作是这些元件共同作用的结果。在本发明中，检偏调制系统的仪器矩阵A_PSA可以通过下式计算得到：

其中，A为第一和第二DoFP相机自身的仪器矩阵(两者相同)，M_{transimission}为非偏振分束镜透射端的穆勒矩阵，M_{transimission&R}为非偏振分束镜和第二四分之一波片的等效穆勒矩阵。

则在此检偏调制方法下，则4次穿过所述样品的出射光的偏振态可表示为：

S23：计算样品的4×4穆勒矩阵；

使用斯托克斯向量描述入射光的偏振态，可知4次入射光的偏振态表示为：

最后，可通过矩阵求逆或伪逆来求解所述样品的4×4穆勒矩阵：

本发明提出了一种崭新的基于双DoFP相机穆勒矩阵成像系统和此系统下的穆勒矩阵计算方法，通过采用本发明的系统和方法可以在保证较高测量准确性的前提下，大幅提升穆勒矩阵的成像速度。

进一步地，本发明只需要令起偏调制系统的第一四分之一波片转动4个角度，且这4个角度在90度范围内，即可实现穆勒矩阵测量，成像速度更快。

更进一步地，本发明使用双DoFP相机的设计，起偏调制单元和检偏调制单元相互独立，基于双DoFP相机的检偏调制单元自身可独立对样本的出射光进行检偏，相当于本身即具有斯托克斯成像功能，在配合起偏调制单元后，更具有了全穆勒矩阵阵元的成像功能，功能更加全面，可以满足多种测量需求和任务。

为了证明本发明在测量速度和测量准确性上的优势，使用本发明与目前常见的基于双波片旋转的穆勒矩阵成像系统分别对空气样本的穆勒矩阵进行测量，并将实验结果进行对比。

本申请实施例还提供一种控制装置，包括处理器和用于存储计算机程序的存储介质；其中，处理器用于执行所述计算机程序时至少执行如上所述的方法。

本申请实施例还提供一种存储介质，用于存储计算机程序，该计算机程序被执行时至少执行如上所述的方法。

本申请实施例还提供一种处理器，所述处理器执行计算机程序，至少执行如上所述的方法。

所述存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备、或者它们的组合来实现。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，ErasableProgrammable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，FerromagneticRandom Access Memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，SynchronousStatic Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，DynamicRandom AccessMemory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM，Synchronous Dynamic RandomAccessMemory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double DataRateSynchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，SyncLink Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本发明实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。

本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。

本申请所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种透射式穆勒矩阵显微成像系统,其特征在于，包括照明单元、起偏调制单元、检偏调制单元、采集控制单元和数据处理单元；

所述照明单元，用于产生入射光；

所述起偏调制单元，用于接受所述采集控制单元的控制，对所述入射光进行偏振调制从而使所述入射光具有相对应的偏振态，进而对样品进行照明；

所述检偏调制单元，包括第一DoFP相机和第二DoFP相机，所述第一DoFP相机和所述第二DoFP相机用于接受所述采集控制单元的控制，同步接收穿过所述样品的出射光并对所述出射光的偏振态进行检偏形成图像数据；

所述照明单元、所述起偏调制单元、所述检偏调制单元沿着所述入射光的传输方向依次设置且光轴相重合；

所述采集控制单元分别与所述起偏调制单元、所述检偏调制单元的所述第一DoFP相机和所述第二DoFP相机相连；

所述数据处理单元，与所述第一DoFP相机、所述第二DoFP相机相连，接收所述第一DoFP相机、所述第二DoFP相机的所述图像数据，并处理得到所述样品的穆勒矩阵阵元图像。

2.如权利要求1所述的透射式穆勒矩阵显微成像系统,其特征在于，所述检偏调制单元还包括物镜、中继透镜、非偏振分束镜、第二四分之一波片；

所述物镜和所述中继透镜依次用于接收经过所述样品的出射光并向上传递给所述非偏振分束镜，

所述非偏振分束镜将所述出射光按照1:1的振幅比进行分束，第一光束经过所述非偏振分束镜的透射端，第二光束经过所述非偏振分束镜的反射端；所述第一光束和所述第二光束相互垂直；

所述第二四分之一波片设置在所述非偏振分束镜与所述第二DoFP相机之间；

所述第一DoFP相机和所述第二DoFP相机型号、成像范围、分辨率、曝光时间完全相同，并经过了像素级别的图像配准；

所述第一DoFP相机置于所述第一光束的像面位置，所述第二DoFP相机置于所述第二光束的像面位置。

3.如权利要求2所述的透射式穆勒矩阵显微成像系统,其特征在于，所述第一DoFP相机和所述第二DoFP相机中相邻的四个像素前分别固定有不同通光方向的微偏振片阵列并一同构成一个超像素。

4.如权利要求3所述的透射式穆勒矩阵显微成像系统,其特征在于，所述起偏调制单元包括偏振片、第一四分之一波片和电动精密旋转位移台；

所述偏振片和所述第一四分之一波片平行放置，且所述偏振片安装于所述第一四分之一波片的下方，所述偏振片的通光轴与X1轴相平行；所述第一四分之一波片安装在所述电动精密旋转位移台中，所述第一四分之一波片的快轴初始角度与所述偏振片的通光轴相平行，在测量过程中由所述电动旋转位移台带动所述第一四分之一波片相对于X1轴旋转至少4个不同的角度，所述照明单元产生的入射光经过所述偏振片和所述第一四分之一波片的偏振调制形成具有偏振态的入射光，然后对所述样品进行照明；

所述第一DoFP相机的成像平面为X1-Y1平面，所述X1轴平行于所述第一DoFP相机的水平方向，Y1轴平行于所述第一DoFP相机的垂直方向，Z1轴平行于所述第一光束的光轴方向，构成所述第一DoFP相机坐标系X1-Y1-Z1坐标系。

5.一种透射式穆勒矩阵显微成像方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一所述的透射式穆勒矩阵显微成像系统，包括如下步骤：

S1：校准检偏调制单元的非偏振分束镜；

S2：计算样品的穆勒矩阵。

6.如权利要求5所述的透射式穆勒矩阵显微成像方法，其特征在于，校准检偏调制单元的非偏振分束镜包括：

S11：第一DoFP相机的成像平面为X1-Y1平面，所述X1轴平行于所述第一DoFP相机的水平方向，Y1轴平行于所述第一DoFP相机的垂直方向，Z1轴平行于第一光束的光轴方向，构成所述第一DoFP相机坐标系X1-Y1-Z1坐标系；

不加样品时，以所述第一DoFP相机坐标系X1-Y1-Z1坐标系为基准，控制起偏调制单元中的第一四分之一波片相对于X1轴旋转4个不同的角度θ_i，i＝1,2,3,4，每旋转至一个角度，第一DoFP相机和第二DoFP相机同步接收经过空气的出射光，通过提取不同位置相同通光方向偏振片对应的像素光强数据，并经过双线性插值和对图，分别获得4张分辨率与原始的第一DoFP相机和第二DoFP相机分辨率相同的对应偏振角度图像I：

其中，CCD1是第一DoFP相机，CCD2是第二DoFP相机；

分别是第一DoFP相机采集的0度、45度、90度和135度通光方向的光强图；

分别是第二DoFP相机采集的0度、45度、90度和135度通光方向的光强图；

S12：计算使用斯托克斯向量描述的所述出射光的偏振态；

所述非偏振分束镜将所述出射光按照1:1的振幅比进行分束，第一光束经过所述非偏振分束镜的透射端，第二光束经过所述非偏振分束镜的反射端；两个光束相互垂直；

所述第一DoFP相机置于所述第一光束的像面位置，所述第二DoFP相机置于所述第二光束的像面位置；

所述第一DoFP相机接收到的所述出射光斯托克斯向量

的线偏振分量与所述第一DoFP相机的仪器矩阵A之间存在如下关系：

其中，第一DoFP相机的仪器矩阵A为：

其中，

是第一DoFP相机接收到的出射光斯托克斯向量

的第一个分量，

是第一DoFP相机接收到的出射光斯托克斯向量

的第二个分量，

是第一DoFP相机接收到的出射光斯托克斯向量

的第三个分量；

通过矩阵求逆的方法来求解第i次所述第一四分之一波片的旋转角度θ_i下对应的出射光的斯托克斯向量：

其中，pinv(A)代表A的伪逆矩阵。

7.如权利要求6所述的透射式穆勒矩阵显微成像方法，其特征在于，四次非偏振分束镜的透射端的出射光的偏振态表示为：

S13：计算非偏振分束镜透射端的3×4穆勒矩阵以及非偏振分束镜的反射端和第二四分之一波片的等效3×4穆勒矩阵；

使用斯托克斯向量描述入射光的偏振态，4次入射光的偏振态表示为：

其中，

分别是入射光斯托克斯向量S_in的四个分量；

最后，已知出射光斯托克斯向量S_in、入射光斯托克斯向量S_out与穆勒矩阵M之间存在如下关系：

[S_out]＝M_sample·[S_in]

通过矩阵求逆或伪逆来求解所述非偏振分束镜的透射端的3×4穆勒矩阵：

其中，m₁₁-m₃₄分别是非偏振分束镜的透射端3×4穆勒矩阵的前三行阵元；pinv([S_in])代表[S_in]的伪逆矩阵；

同理，针对非偏振分束镜的反射端，使用所述第二DoFP相机求解非偏振分束镜的反射端和第二四分之一波片的等效3×4穆勒矩阵：

其中，pinv(A)代表A的伪逆矩阵,pinv([S_in])代表[S_in]的伪逆矩阵。

8.如权利要求7所述的透射式穆勒矩阵显微成像方法，其特征在于，计算样品的穆勒矩阵包括：

S21：对焦样品，并以所述第一DoFP相机坐标系X1-Y1-Z1坐标系为基准，控制起偏调制单元中的第一四分之一波片相对于X1轴旋转4个不同的角度θ_i，i＝1,2,3,4，每旋转至一个角度，第一DoFP相机和第二DoFP相机同步接收穿过所述样品的出射光，通过提取不同位置相同通光方向微偏振片对应的像素光强数据，并经过双线性插值和对图，获得8张分辨率与原始的第一DoFP相机和第二DoFP相机分辨率相同的相应的偏振角度图像：

为使得所述第一DoFP相机和所述第二DoFP相机接收到的光强信号振幅相同，即采集到的所述图像的数据修正为：

其中，γ是第二四分之波片的通光率；

S22：计算使用斯托克斯向量描述经过样品的出射光的偏振态；

具体包括：

其中，检偏照明单元的仪器矩阵A_PSA通过下式计算:

其中，M_{transimission &R}代表非偏振分束镜和第二四分之一波片的等效穆勒矩阵，R是第二四分之一波片的简写；

则4次穿过所述样品的出射光的偏振态可表示为：

S23：计算样品的4×4穆勒矩阵；

使用斯托克斯向量描述入射光的偏振态，可知4次入射光的偏振态表示为：

最后，可通过矩阵求逆或伪逆来求解所述样品的4×4穆勒矩阵：

9.如权利要求8所述的透射式穆勒矩阵显微成像方法，其特征在于，控制所述起偏调制单元中的第一四分之一波片相对于X1轴旋转4个不同的角度分别为-45°，-19.6°，19.6°和45°。

10.如权利要求6-9任一所述的透射式穆勒矩阵显微成像方法，其特征在于，控制所述起偏调制单元中的第一四分之一波片相对于X1轴旋转至少5个不同的角度。

Images