CN113218876A - 一种悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量方法和装置 - Google Patents

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李嘉晋
马辉
郭志明
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Abstract

本发明公开了悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量方法和装置，包括：以不低于1KHz的频率改变偏振光源的偏振态，以产生周期性变化的入射偏振光；将入射偏振光聚焦到单个悬浮颗粒物样品上；在样品的一后向散射角度处收集样品的散射光信号，使散射光信号聚焦到一点，形成像点；并在像点处进行空间滤波，以对像点进行空间限制；将经过空间滤波后形成的发散光束调制为平行光束，并采用检偏器收集，检偏器配置有至少四个检偏分光通道，以实现出射光的检偏；将检偏后的信号放大后传输到接收处理装置，进行信号处理获得出射光的斯托克斯向量，利用入射光的斯托克斯向量和出射光的斯托克斯向量，计算出样品的穆勒矩阵。

Description

一种悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量方法和装置
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量方法和装置。
背景技术
快速、准确、大量地获得水体或大气悬浮颗粒的信息，是环境监测、生态研究的重要手段。光学方法因为高分辨、非接触、非破坏、信息丰富等优势被广泛用于颗粒的检测中。悬浮颗粒内部结构及形态是颗粒的重要特征。然而，传统光学方法并不能较好地表征悬浮颗粒及其内部结构。光学成像方法需要复杂的光学系统对颗粒进行成像，受分辨率和视野的制约，不能有效地原位观察颗粒内部结构；荧光方法可以获得颗粒整体的色素信息，但无法对颗粒进行有效分类；散射方法通过光强角分布来获得颗粒整体的粒径分布和浓度信息，但对颗粒的识别与分类能力有限。
偏振光有着对细微结构敏感的特性，颗粒因细微结构、形态、吸收等所产生的退偏、各向异性以及其他偏振参量差异，为利用偏振光提高颗粒识别率提供了可能。穆勒矩阵能全面地反映偏振光与介质之间的相互作用，包含了大量的颗粒光学信息，因此，快速地测量悬浮颗粒的穆勒矩阵将会大大地提高颗粒区分和识别的可靠性。
当光束被样品散射时，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 BDA0003049091880000011
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，测量次数越多理论上求解值越准确。由于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。由于时序多次切换照明光偏振态需要一定的时长，而对于单个悬浮颗粒物而言，它是运动、瞬态样品，因此目前如何准确地测量单个悬浮颗粒物的穆勒矩阵，是一个技术难题。
发明内容
为解决上述技术难题，本发明提出一种悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量方法和装置，通过利用快速偏振调制器来快速地改变入射偏振光，在短时间内以多个不同的入射偏振光照射到同一个悬浮颗粒上，同时测量对应的出射偏振光，即可推导计算出悬浮颗粒物的穆勒矩阵，从而达到快速、准确地原位识别悬浮颗粒物的目的。
为达上述目的，本发明其中一实施例提出如下技术方案：
一种悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量方法，包括如下步骤：S1、以预设频率改变偏振光源的偏振态，以产生周期性变化的入射偏振光；所述预设频率不小于1KHz；S2、将所述入射偏振光聚焦到单个悬浮颗粒物样品上；S3、在样品的一后向散射角度处收集样品的散射光信号，使所述散射光信号聚焦到一点，形成像点；并在所述像点处进行空间滤波，以对像点进行空间限制；S4、将经过空间滤波后形成的发散光束调制为平行光束，并采用检偏器收集，所述检偏器配置有至少四个检偏分光通道，以实现出射光的检偏；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；S5、将检偏后的信号放大后传输到接收处理装置，进行信号处理获得出射光的斯托克斯向量，利用入射光的斯托克斯向量和出射光的斯托克斯向量，计算出样品的穆勒矩阵。
本发明另一实施例提出如下技术方案：
一种悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量装置，其特征在于，包括：入射光路上依次设置的光源、偏振快速调制器、第一透镜以及出射光路上依次设置的第二透镜、空间滤波器、第三透镜、检偏器；所述偏振快速调制器接收偏振光源并以预设频率改变偏振光源的偏振态，以产生周期性变化的入射偏振光；其中，所述预设频率不小于1KHz；所述第一透镜将所述入射偏振光聚焦到单个悬浮颗粒物样品上；所述第二透镜设置于样品的一后向散射角度处，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；所述第三透镜将经过空间滤波后形成的发散光束调制为平行光束；所述检偏器收集所述平行光束，以实现出射光的检偏；其中，所述检偏器配置有至少四个检偏分光通道，且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；其中，各检偏分光通道输出检偏信号经放大后传输至一接收处理装置，以进行信号处理而获得出射光的斯托克斯向量，使用户根据所述出射光的斯托克斯向量与入射光的斯托克斯向量来推导出样品的穆勒矩阵。
本发明的有益效果在于：通过对像点进行空间限制，对探测体积的限制，能够通过利用快速偏振调制器来快速地改变入射偏振光，可在短时间内以多个不同的入射偏振光照射到同一个悬浮颗粒上，同时测量对应的出射偏振光，即可推导计算出单个悬浮颗粒的穆勒矩阵，实现穆勒矩阵的快速测量，从而能够准确地原位识别运动的、瞬态的悬浮颗粒物。
附图说明
图1是本发明具体实施例的悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量装置示意图。
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。
图1为本发明具体实施例的悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量装置示意图。参考图1，本发明实施例提出的悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量装置包括：入射光路上依次设置的光源10、偏振快速调制器20、第一透镜30以及出射光路上依次设置的第二透镜40、空间滤波器50、第三透镜60、检偏器70。使用该装置可以快速测量单个悬浮颗粒物的穆勒矩阵，从而达到快速、准确地识别悬浮颗粒物的目的。具体而言，光源10产生照明光，若光源10为偏振光源，则偏振光源直接进入偏振快速调制器20；若光源10不是偏振光，则可增加偏振片，形成偏振光源之后进入偏振快速调制器20。偏振快速调制器20接收偏振光源并以预设频率改变偏振光源的偏振态，以产生周期性变化的入射偏振光。其中，所述预设频率不小于1KHz，优选地可以选择1KHz-1000KHz之间的数值，比如25KHz、80KHz、100KHz等，在一种更优选的实施例中设为50KHz。基于上述频率设置，偏振快速调制器20可以在短时间内快速地、周期性改变偏振光源的相位延迟，产生偏振态周期性变化的入射偏振光，从而，可以在短时间内用不同的偏振光照射同一颗粒物。从偏振快速调制器20出来的入射偏正光，经第一透镜30聚焦之后照射到单个悬浮颗粒物样品100上。在样品的某一后向散射角度处，设置接收光路，具体而言，可以在样品的后向散射角120°处设置第二透镜40来收集样品100的散射光信号，散射光信号经过第二透镜40后聚焦到空间某点，该点即为像点。将空间滤波器50设置于像点处，进行空间滤波，以对像点进行空间限制；空间滤波器50可以采用针孔来实现，针孔的孔径优选地不超过100微米。成像光束经过空间滤波器50之后，成为发散光束，再通过第三透镜60来将发散光束调制为平行光束，进入检偏器70。检偏器70收集所述平行光束，以实现出射光的检偏。其中，检偏器70配置有至少四个检偏分光通道，且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。检偏器70可以采用分振幅法、分波前法、波长法、光调制法等方法实现对出射光的检偏。各检偏分光通道输出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斯托克斯向量，在此基础上，基于前述公式(1)，可以根据出射光的斯托克斯向量与入射光的斯托克斯向量来推导出样品的穆勒矩阵。具体而言，我们可以基于公式(3)，通过标准的偏振仪预先计算出检偏器70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。在检偏器70的仪器矩阵A已知的情况下，通过检偏器70进行检偏获得样品散射的出射光的光强Iout，再次根据公式(3)，可以计算得到样品散射的出射光的斯托克斯向量Sout。而入射光的斯托克斯向量Sin是已知的，最后，根据入射光的斯托克斯向量Sin和出射光的斯托克斯向量Sout，利用公式(1)即可计算出样品的穆勒矩阵。
应当理解的是，接收光路设置的位置不限于图1中所示的120°处的后向散射角度，也可以是0°到180°的其它散射角度，比如30°、60°、90°、150°等。
偏振快速调制器20可以采用现成的电光调制器来实现。比如，在图1所示的实施例中，采用两个串联的电光调制器21和22来实现。为了能够在一个变化周期内产生更多个不同偏振态的偏振光，两个电光调制器分别与快轴方向成预设夹角，比如其中一个电光调制器21与快轴方向成16°夹角、而另一电光调制器22与快轴方向成45°夹角，此时电光调制器21输入信号频率比电光调制器22快2倍，此时能实现照明光所有偏振态组合的矩阵的条件数小于3，以进一步确保穆勒矩阵的计算更加准确。根据前述公式(1)和(2)，为了能够计算穆勒矩阵，每个变化周期内应产生至少4种不同的偏振光。
在一些实施例中，检偏器70采用分振幅法对出射光进行检偏。当然，也可以采用分波前方法来实现。在另一些实施例中，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。比如，检偏器70配置有四个检偏分光通道，分别同时测量，如图1所示，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，从而实现对出射光的分通道同步检偏。四个检偏通道的出射光分别经光电倍增管PMT进行放大后传输到一接收处理装置(图中未示)，在接收处理装置，用户利用接收到的光强矩阵和检偏器的仪器矩阵相乘，计算得到出射光的斯托克斯矩阵，再利用出射光的斯托克斯矩阵和入射光的斯托克斯矩阵，计算出样品的穆勒矩阵。
为达到测量单个颗粒物散射信号的目的，接收光路和照明光路要交汇于一个极小区域，只有该区域内的颗粒才能被探测到其散射信号，该区域被称为探测体积。在本发明实施例中，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，可以采取让照明光路变细，同时对物像关系的像点进行空间限制的方法。比如，可以在入射偏振光进入第一透镜30之前先用光阑80使光束变细。另外，在接收光路中像点处设置空间滤波器比如针孔来进行空间滤波，来对像点进行空间限制，从而限制探测体积。同时为了保证偏振光的信噪比，照明光源的光功率、波长、脉冲或连续照明等，可选择根据需要具体设计。在优选的实施例中，针孔的孔径优选地不超过100微米。
在具体的实施例中，第一透镜30、第二透镜40和第三透镜60均可采用平凸透镜。
本发明的另一实施例提出了采用前述的装置实现悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量的方法，该方法包括如下步骤：
S1、以预设频率改变偏振光源的偏振态，以产生周期性变化的入射偏振光；所述预设频率不小于1KHz；
S2、将所述入射偏振光聚焦到单个悬浮颗粒物样品上；
S3、在样品的一后向散射角度处收集样品的散射光信号，使所述散射光信号聚焦到一点，形成像点；并在所述像点处进行空间滤波，以对像点进行空间限制；
S4、将经过空间滤波后形成的发散光束调制为平行光束，并采用检偏器收集，所述检偏器配置有至少四个检偏分光通道，以实现出射光的检偏；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；
S5、将检偏后的信号放大后传输到接收处理装置，进行信号处理获得出射光的斯托克斯向量，利用入射光的斯托克斯向量和出射光的斯托克斯向量，计算出样品的穆勒矩阵。
上述实施例的方法，采用偏振快速调制器周期性、快速地调制照明光的偏振态，在短时间内以多个不同偏振光照射同一个悬浮颗粒上；并同时测量出射光偏振态。最终可以利用照明光偏振态和出射光偏振态，计算出单个悬浮颗粒的穆勒矩阵，实现悬浮颗粒物的穆勒矩阵快速测量，达到快速、准确原位识别颗粒物的效果。
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)

1.一种悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、以预设频率改变偏振光源的偏振态，以产生周期性变化的入射偏振光；所述预设频率不小于1KHz；
S2、将所述入射偏振光聚焦到单个悬浮颗粒物样品上；
S3、在样品的一后向散射角度处收集样品的散射光信号，使所述散射光信号聚焦到一点，形成像点；并在所述像点处进行空间滤波，以对像点进行空间限制；
S4、将经过空间滤波后形成的发散光束调制为平行光束，并采用检偏器收集，所述检偏器配置有至少四个检偏分光通道，以实现出射光的检偏；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；
S5、将检偏后的信号放大后传输到接收处理装置，进行信号处理获得出射光的斯托克斯向量，利用入射光的斯托克斯向量和出射光的斯托克斯向量，计算出样品的穆勒矩阵。
2.如权利要求1所述的悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量方法，其特征在于，步骤S1中，利用偏振快速调制器来改变偏振光源的偏振态，所述偏振快速调制器包括两个电光调制器，且两个电光调制器分别与快轴方向成预设夹角。
3.如权利要求1所述的悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量方法，其特征在于，步骤S2中，使所述入射偏振光先经过光阑变细后，再经由第一透镜聚焦到所述样品上。
4.如权利要求1所述的悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量方法，其特征在于，步骤S3中采用第二透镜收集所述散射光信号，并在所述像点处设置针孔进行空间滤波。
5.如权利要求1所述的悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量方法，其特征在于，所述检偏器采用分振幅法进行偏振检测，并配置有四个检偏分光通道，分别采用水平偏振片、135°偏振片、45°偏振片、左旋调制器。
6.一种悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量装置，其特征在于，包括：入射光路上依次设置的光源、偏振快速调制器、第一透镜以及出射光路上依次设置的第二透镜、空间滤波器、第三透镜、检偏器；
所述偏振快速调制器接收偏振光源并以预设频率改变偏振光源的偏振态，以产生周期性变化的入射偏振光；其中，所述预设频率不小于1KHz；
所述第一透镜将所述入射偏振光聚焦到单个悬浮颗粒物样品上；
所述第二透镜设置于样品的一后向散射角度处，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；
所述第三透镜将经过空间滤波后形成的发散光束调制为平行光束；
所述检偏器收集所述平行光束，以实现出射光的检偏；其中，所述检偏器配置有至少四个检偏分光通道，且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；
其中，各检偏分光通道输出检偏信号经放大后传输至一接收处理装置，以进行信号处理而获得出射光的斯托克斯向量，使用户根据所述出射光的斯托克斯向量与入射光的斯托克斯向量来推导出样品的穆勒矩阵。
7.如权利要求6所述的悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量装置，其特征在于，所述偏振快速调制器包括两个电光调制器，且两个电光调制器分别与快轴方向成预设夹角。
8.如权利要求6所述的悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量装置，其特征在于，还包括设置于所述偏振快速调制器与所述第一透镜之间的光阑，用于使光束变细。
9.如权利要求6所述的悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量装置，其特征在于，所述检偏器采用分振幅法进行偏振检测。
10.如权利要求6或9所述的悬浮颗粒物穆勒矩阵快速测量装置，其特征在于，所述检偏器配置有四个检偏分光通道，分别采用水平偏振片、135°偏振片、45°偏振片、左旋调制器。
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