CN113092386A - 一种自容式穆勒矩阵测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了自容式穆勒矩阵测量方法和装置，包括依次设置于入射光路上的光源、起偏器、分光器、聚焦透镜，设置于分光器的第一出光口一侧的第一检偏器以及设置于出射光路上的出射光收集单元和第二检偏器；其中聚焦透镜设于分光器的第二出光口一侧；分光器将入射偏振光分为两路，其中一路按入射光路经由聚焦透镜后照射到样品，另一路进入第一检偏器进行实时检偏以获取入射偏振光的偏振态；出射光收集单元收集样品被照射后所散射的出射光；第二检偏器对出射光收集单元收集的出射光进行偏振检测，以获取出射光的偏振态，以供用户根据入射偏振光的偏振态和出射光的偏振态，计算样品的穆勒矩阵。

Description

一种自容式穆勒矩阵测量方法和装置
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种自容式穆勒矩阵测量方法和装置。
背景技术
偏振光有着对样品细微结构敏感的特性，被广泛地应用在各个领域的检测，包括大气颗粒、水体悬浮颗粒、生物组织等。偏振检测技术一般通过起偏器将照明入射光调制成特定状态的偏振光，从而进行更全面的偏振测量。穆勒矩阵能全面地反映偏振光与介质之间的相互作用，包含了大量的样品光学信息。因此，快速、准确地测量样品的穆勒矩阵，将能获取更多有用的光学信息，大大地提高对样品的区分和识别能力。
当光束被样品散射时，光束的偏振态发生了变化，即光束的Stokes(斯托克斯)向量Sin经过线性变换得到一个新的Stokes向量Sout，这个变换可以用一个4×4的矩阵来表示，即穆勒矩阵M。从数学上讲，我们可以用公式(1)来描述这个变换过程：
Sout＝M·Sin (1)
公式(1)中三个变量对应的详细参量可用公式(2)表示：
Figure BDA0003060620940000011
其中，I表示光强，Q、U和V是偏振分量。Q表示入射光水平与竖直分量的强度差，U表示入射光45°与135°线分量的强度差；V表示入射光右旋与左旋分量的强度差。
从公式(1)和(2)可知，若要求解穆勒矩阵的所有阵元，需Sin和Sout都为4*n的矩阵，其中n≥4。即，至少要切换照明光偏振态Sin4次，所以穆勒矩阵测量是多次测量的，理论上测量次数越多，求解的穆勒矩阵会越准确。
由于温度、湿度、振动等客观环境因素的存在，不可避免地会使激光器的波动性、起偏器的不稳定性大大增加，从而使得调制的照明偏振光无法达到预设的状态，导致实际偏振测量结果有所偏差。
穆勒矩阵与样品的取向角、波长可能有关系，目前可行的穆勒矩阵测量办法是时序多次测量，其核心是时序多次切换照明光的偏振态。传统的方法包括旋转波片法、压控液晶法、电光晶体法、压电晶体法等，实现给定多次偏振态的设定。这些方法中，有的无法实现快速连续地改变照明光的偏振态，从而对快速变化的样品进行穆勒矩阵测量；有的可以实现快速变化照明光的偏振态，但是假设变化的照明光偏振态满足特定的时间函数，通过函数计算出照明光对应时间的偏振态，从而计算出样品的穆勒矩阵，但又难以考虑温度、湿度等变化导致偏振态无法按设定函数改变的偏差。因此，目前准确、快速地对变化样品进行穆勒矩阵测量仍然是一个挑战。
发明内容
鉴于此，本发明提出一种自容式穆勒矩阵测量方法和装置，通过利用快速检偏器实现照明入射偏振光状态的实时监控，以快速准确地计算样品(静止或快速变化)的穆勒矩阵。
一种自容式穆勒矩阵测量方法，包括如下步骤：S1、在入射光路中于起偏器与样品之间设置分光器，以将入射偏振光分为两路，其中一路按入射光路照射样品，另一路利用第一检偏器进行实时检偏以获取入射偏振光的偏振态；S2、收集样品被照射后所散射的出射光，并利用第二检偏器进行检偏，以获取出射光的偏振态；S3、根据入射偏振光的偏振态和出射光的偏振态，计算样品的穆勒矩阵。
一种自容式穆勒矩阵测量装置，包括：依次设置于入射光路上的光源、起偏器、分光器、聚焦透镜，设置于所述分光器的第一出光口一侧的第一检偏器，以及设置于出射光路上的出射光收集单元和第二检偏器；其中，所述聚焦透镜设于所述分光器的第二出光口一侧；所述分光器将入射偏振光分为两路，其中一路按入射光路经由所述聚焦透镜后照射到样品，另一路进入所述第一检偏器进行实时检偏以获取入射偏振光的偏振态；所述出射光收集单元收集样品被照射后所散射的出射光；所述第二检偏器对所述出射光收集单元收集的出射光进行偏振检测，以获取出射光的偏振态，以供用户根据入射偏振光的偏振态和出射光的偏振态，计算样品的穆勒矩阵。
本发明的有益效果在于：利用分光器将经过起偏器调制后的入射偏振光分出一小部分进行检偏，实现对照明光偏振态的实时连续监控，实时跟踪照明光源偏振态的变化，包括照明强度和偏振分量变化，这样一来，即使由于温度、湿度等变化导致偏振态无法按设定函数改变，也能利用实时监控的偏振态进行穆勒矩阵计算，有效地减少了环境原因导致的测量误差，从而达到准确地对变化样品进行穆勒矩阵测量；同时，由于光线传播速度很快，第一检偏器和第二检偏器几乎是同步检偏，这种入射光和出射光的同步检偏可称为“自容式”偏振测量，这种同步测量，能够快速地响应入射偏振光的偏振变化，并实时同步地响应样品带来的出射光偏振态，从而实现快速、准确的穆勒矩阵测量。
附图说明
图1是本发明具体实施例的自容式穆勒矩阵测量装置的原理框图。
图2是本发明具体实施例的自容式穆勒矩阵测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明具体实施例的自容式穆勒矩阵测量装置的原理框图，图2为本发明具体实施例的自容式穆勒矩阵测量装置的结构示意图。参考图1和图2，本发明实施例提出的自容式穆勒矩阵测量装置包括：依次设置于入射光路上的光源10、起偏器20、分光器40、聚焦透镜50，设置于所述分光器40的第一出光口一侧的第一检偏器81，以及设置于出射光路上的出射光收集单元和第二检偏器82；其中，所述聚焦透镜50设于所述分光器40的第二出光口一侧。光源10采用激光器来实现，在一些实施例中，光源10为偏振光源。偏振光源经过起偏器之后，被调制成具备所需偏振态的入射偏振光。入射偏振光在投射到样品之前，先经过分光器40，分光器40将入射偏振光分为两路，其中一路从分光器40的所述第二出光口射出并按入射光路经由聚焦透镜50后照射到样品100，另一路从分光器40的所述第一出光口进入第一检偏器81进行实时检偏，以获取入射偏振光的偏振态。设置于样品的某一后向散射角度处的出射光收集单元收集样品被照射后所散射的出射光信号，所述后向散射角度可以是样品的后向散射角120°，或者0°到180°的其它散射角度，比如30°、60°、90°、150°等。具体而言，出射光收集单元包括依次设置的第一透镜60、空间滤波器70和第二透镜80，其中第一透镜60收集样品的散射光信号，并使散射光信号聚焦到一点，形成像点；空间滤波器70设置于所述像点处，用于对成像光束进行空间滤波，以对像点进行空间限制；第二透镜80将经过空间滤波后形成的发散光束调制为平行光束进入第二检偏器82进行出射光检偏，以获取出射光的偏振态，最后用户可根据入射偏振光的偏振态和出射光的偏振态，利用前述公式(1)计算样品的穆勒矩阵。
分光器40采用可分光棱镜来实现，并且应当为非偏振分光器。在一些实施例中，分光器40分出1～10％的入射偏振光进入第一检偏器81进行入射偏振态的实时检测，但这只是举例，不限于上述的1～10％，应当理解的是，分出的进入第一检偏器81的入射偏振光应是较少部分。
第一检偏器81和第二检偏器82结构类似甚至是相同，二者均配置有至少四个检偏分光通道，所述至少四个检偏分光通道满足：其中两个通道为两个正交的线偏振通道，其余通道中包含一个圆偏振光通道和一个线偏振光通道。为简化起见，两个检偏器的内部相同的元件采用相同的符号来标记，如图2所示，以第二一检偏器82为例，检偏器配置有四个检偏分光通道，分别同时测量，四个通道分别采用水平偏振片P4、135°偏振片P1、45°偏振片P2、左旋调制器，其中左旋调制器采用90°偏振片P3和1/4波片QW构成，从而实现分通道同步检偏。检偏的方法可以采用分振幅法、分波前法、波长法、光调制法等方法。可以在假设波前是均匀的情况下，在空间上同时测4个(或多个)偏振分量，此为分振幅法。各检偏分光通道输出的检偏信号经放大后传输至一接收处理装置，在该接收处理装置中进行信号处理而获得出射光的偏振态即斯托克斯向量。由于第一检偏器81是对入射偏振光进行偏振检测，因此可获得入射偏振光的偏振态(斯托克斯向量)；第二检偏器82是对出射光进行偏振检测，因此可获得出射光的偏振态，在此基础上，基于前述公式(1)，可以计算出样品的穆勒矩阵。
其中，利用第一检偏器进行检偏来获取入射偏振光的偏振态，以及利用第二检偏器进行检偏来获取出射光的偏振态的方法是一样的，具体描述如下：
首先，基于公式(3)，利用标准的偏振仪预先计算出检偏器的仪器矩阵A：
Sout'＝A·Iout' (3)
其中，Iout'、Sout'分别为标准的偏振仪的出射光光强和斯托克斯向量。
然后，在计算出检偏器的仪器矩阵A的情况下，结合检偏器进行检偏获得被检测的信号的光强Iout，再次根据公式(3)，可以计算得到被检测的信号的斯托克斯向量Sout。
基于上述的方法，即可利用第一检偏器的检偏来获得入射偏振光的斯托克斯向量，利用第二检偏器的检偏来获得出射光的斯托克斯向量。
在本发明一实施例中，为了保证探测体积足够小，使颗粒物概率上单个穿过探测体积，即，为了实现单个样品的检测，可以采取让照明光路变细，同时利用空间滤波器对物像关系的像点进行空间限制的方法。比如，可以在起偏器20与所述分光器40之间设置一光阑30，用于使入射的光束变细；利用针孔作为空间滤波器来对像点进行空间限制；优选地，针孔的孔径不超过100微米。在具体的实施例中，聚焦透镜50、第一透镜60和第二透镜80均可采用平凸透镜来实现。
本发明另一实施例还提出了利用前述实施例的自容式穆勒矩阵测量装置进行穆勒矩阵测量的方法，包括：
S1、在入射光路中于起偏器与样品之间设置分光器，以将入射偏振光分为两路，其中一路按入射光路照射样品，另一路利用第一检偏器进行实时检偏以获取入射偏振光的偏振态；
S2、收集样品被照射后所散射的出射光，并利用第二检偏器进行检偏，以获取出射光的偏振态；
S3、根据入射偏振光的偏振态和出射光的偏振态，计算样品的穆勒矩阵。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，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)

1.一种自容式穆勒矩阵测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在入射光路中于起偏器与样品之间设置分光器，以将入射偏振光分为两路，其中一路按入射光路照射样品，另一路利用第一检偏器进行实时检偏以获取入射偏振光的偏振态；
S2、收集样品被照射后所散射的出射光，并利用第二检偏器进行检偏，以获取出射光的偏振态；
S3、根据入射偏振光的偏振态和出射光的偏振态，计算样品的穆勒矩阵。
2.如权利要求1所述的自容式穆勒矩阵测量方法，其特征在于，步骤S1中所述分光器分出1～10％的入射偏振光进入所述第一检偏器。
3.如权利要求1所述的自容式穆勒矩阵测量方法，其特征在于，所述分光器是对经过起偏器之后、进入聚焦透镜之前的入射偏振光进行分光。
4.如权利要求1所述的自容式穆勒矩阵测量方法，其特征在于，所述第一检偏器和所述第二检偏器均配置有至少四个检偏分光通道，所述至少四个检偏分光通道满足：其中两个通道为两个正交的线偏振通道，其余通道中包含一个圆偏振光通道和一个线偏振光通道。
5.一种自容式穆勒矩阵测量装置，其特征在于，包括：依次设置于入射光路上的光源、起偏器、分光器、聚焦透镜，设置于所述分光器的第一出光口一侧的第一检偏器，以及设置于出射光路上的出射光收集单元和第二检偏器；其中，所述聚焦透镜设于所述分光器的第二出光口一侧；
所述分光器将入射偏振光分为两路，其中一路按入射光路经由所述聚焦透镜后照射到样品，另一路进入所述第一检偏器进行实时检偏以获取入射偏振光的偏振态；
所述出射光收集单元收集样品被照射后所散射的出射光；
所述第二检偏器对所述出射光收集单元收集的出射光进行偏振检测，以获取出射光的偏振态，以供用户根据入射偏振光的偏振态和出射光的偏振态，计算样品的穆勒矩阵。
6.如权利要求5所述的自容式穆勒矩阵测量装置，其特征在于，所述分光器为非偏振式的分光棱镜。
7.如权利要求5所述的自容式穆勒矩阵测量装置，其特征在于，所述分光器分出1～10％的入射偏振光进入所述第一检偏器。
8.如权利要求5所述的自容式穆勒矩阵测量装置，其特征在于，所述出射光收集单元设置于样品的一后向散射角度处，包括依次设置的第一透镜、空间滤波器和第二透镜；
所述第一透镜用于收集样品的散射光信号，并使所述散射光信号聚焦到一点，形成像点；
所述空间滤波器设置于所述像点处，用于对成像光束进行空间滤波，以对像点进行空间限制；
所述第二透镜将经过空间滤波后形成的发散光束调制为平行光束进入所述第二检偏器。
9.如权利要求5所述的自容式穆勒矩阵测量装置，其特征在于，所述第一检偏器和所述第二检偏器均配置有至少四个检偏分光通道，所述至少四个检偏分光通道满足：其中两个通道为两个正交的线偏振通道，其余通道中包含一个圆偏振光通道和一个线偏振光通道。
10.如权利要求5所述的自容式穆勒矩阵测量装置，其特征在于，还包括设置于所述起偏器与所述分光器之间的光阑，用于使光束变细。
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