CN113538381A - 一种弱光场样品Mueller矩阵快速检测方法及检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种弱光场样品Mueller矩阵快速检测检测方法及检测系统，属于偏振测量技术领域，该检测方法的具体过程为：选取四个不同快轴方向的四分之一波片进行拼接，选取一透光轴为水平方向的偏振片和拼接的多快轴四分之一波片共同组成偏振态产生器；基于所述偏振态产生器，实现在弱光场环境下样品Mueller矩阵的快速检测。该方法测量样品穆勒矩阵不需要任何器件旋转，仅获取探测面单幅强度分布即可解算出待测样品的穆勒矩阵信息，实验装置结构简单稳定、解算方法鲁棒性强可以实现实时偏振信息的获取。

Description

一种弱光场样品Mueller矩阵快速检测方法及检测系统
技术领域
本发明属于偏振测量技术领域，具体涉及一种弱光场样品Mueller矩阵快速检测方法及检测系统。
背景技术
偏振是光的重要属性，偏振光对光学元件、材料、生物组织等样品中微结构特性十分敏感。光与样品相互作用会改变入射光的偏振态，样品对光的偏振态的改变可用Mueller矩阵表示，Mueller矩阵包含了样品的全部偏振信息，可进一步分解为退偏、相位延迟、二向色性、快轴方向角、旋光等与样品微结构密切相关的、具有实际物理意义的、可量化的偏振参数，可用于获取样品的偏振特性和结构参数。偏振测量作为光和样品偏振特性分析的重要工具，已经被广泛的应用于生物医学、量子通信、激光雷达等领域。
目前传统的偏振测量方法主要有：分时偏振测量、分振幅偏振测量、分孔径偏振测量、分焦面偏振测量。Azzam首次提出双旋转波片穆勒偏振计(DRRMMP)，该方法通过旋转波片16次产生16组线性无关的偏振组合，探测器获取16幅强度分布，根据Mueller矩阵与斯托克斯矢量及探测光强的关系，可以解算出样品Mueller矩阵元素。双旋转波片穆勒偏振计已经被证明是最精确、最可靠的强光场偏振测量手段。然而这种方法需要多次旋转偏振器件，同时采集多幅强度分布才能解算出待测光的偏振信息，在弱光场下该方法易受背景噪声的影响，难以实现弱光场偏振信息快速获取。论文“Single-shot measurement ofpolarization state at low light field using Mueller-mapping star testpolarimetry”公开了一种弱光场测量归一化斯托克斯矢量的方法，但是该方法在原有光路添加普通的偏振态产生器，仍需要四次旋转偏振态产生器的波片同时相机四次拍摄，才能够测量出样品的Mueller矩阵，不能够实现弱光场单次拍摄测量样品Mueller矩阵。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种弱光场样品Mueller矩阵快速检测方法及检测系统，可解决传统偏振测量手段需多次器件旋转或多路分光从而导致无法精确测量弱光场Mueller矩阵的问题。
实现本发明的技术方案如下：
一方面，本实施例一种弱光场样品Mueller矩阵快速检测检测方法，具体过程为：
选取四个不同快轴方向的四分之一波片进行拼接，选取一透光轴为水平方向的偏振片和拼接的多快轴四分之一波片共同组成偏振态产生器；基于所述偏振态产生器，实现在弱光场环境下样品Mueller矩阵的快速检测。
进一步地，本发明基于所述偏振态产生器，实现在弱光场环境下样品Mueller矩阵的快速检测的具体过程为：
步骤一，在弱光源的出射光路上依次设置准直透镜、偏振态产生器、空间变化调制器、偏振态分析器及探测器，构成弱光场Mueller矩阵快速检测系统；
步骤二，测量所述空间变化调制器的Mueller矩阵，并利用测量结果替换理论模型中空间变化调制器的Mueller矩阵MS，实现系统的标定；
所述理论模型为：
Figure BDA0003167419610000021
Figure BDA0003167419610000022
步骤三，利用标定后的理论模型构建数据库，该数据库包括一一对应的偏振态和强度分布；
步骤四，将待测样品放置于偏振态产生器与空间变化调制器之间，获取探测器所探测的弱光场下的强度分布图像；
步骤五，对所述强度分布图像按照偏振态产生器四分之一波片拼接痕迹，将图像分割成四个区域，对每一区域分别进行低通滤波；
步骤六，将低通滤波片后的强度分布带入到拟合模型中计算出待测光的偏振态；
步骤七，根据偏振态产生器所产生的入射至样品光的偏振态和所解算出的样品出射光的偏振态，计算出样品的Mueller矩阵。
进一步地，本发明所述步骤三利用标定后的理论模型构建数据库的具体过程为：
首先，在设定的采样区间范围内，对Stokes矢量s1、s2、s3分别按照设定的步长进行采样；
其次，对将Stokes矢量s1、s2、s3的采样结果进行排列组合，将排列组合中不满足s1 2+s2 2+s3 2≤1约束条件的组合剔除；
再次，将剩余组合带入理论模型中，求解每一组Stokes矢量所对应的强度分布，每一Stokes矢量与所求解的强度分布一一对应，由此获得样本数据库。
进一步地，本发明所述拟合模型为：
Figure BDA0003167419610000031
其中，n表示强度分布有效像素数，Ii表示样品数据库强度分布中第i个像素点的强度值，
Figure BDA0003167419610000032
表示强度分布的均值，Mi表示探测的弱光强度分布经过去噪后第i个像素点的强度值，
Figure BDA0003167419610000033
表示探测获取的强度分布的均值，argmax表示取最大值函数，
Figure BDA0003167419610000034
表示样品数据库强度分布Ii所对应的光束偏振态。
进一步地，本发明在对检测系统进行标定时，将光源更换为强光源，使用双旋转波片法测量出空间变化调制器的Mueller矩阵。
进一步地，本发明还包括在偏振态分析器和探测器之间设置聚焦透镜的步骤。
另一方面，一种弱光场样品Mueller快速检测系统，包括光源、准直透镜、偏振态产生器、空间变化调制器、偏振态分析器及探测器，其中所述偏振态产生器由一透光轴为水平方向的偏振片和多快轴四分之一波片组成，所述多快轴四分之一波片由四个不同快轴方向的四分之一波片拼接而成。
进一步地，本系统还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜位于偏振态分析器和探测器之间。
有益效果
第一，本发明选取四个不同快轴方向的四分之一波片进行拼接，选取一透光轴为水平方向的偏振片和拼接的多快轴四分之一波片共同组成偏振态产生器，每次测量时，存在4个不同偏振方向的偏振光同时入设至样品，因此可以避免对偏正态产生器进行旋转，提高检测的效率。
第二，传统的Mueller矩阵检测方法需要多次器件旋转进而采集多幅强度分布，每幅强度分布会受到不同的背景噪声分布的影响，因此实时变化的背景噪声会对传统方法Mueller矩阵的解算造成多重不利影响，并且在弱光场下最弱的强度分布会掩模在背景噪声之中，无法使用其准确的解算出样品的Mueller矩阵。本方法使用空间变化的相位调制器件将入射光偏振态映射一幅强度分布，同时使用多快轴四分之一波片无需器件旋转只采集一幅图像即可计算出样品Mueller矩阵，并结合去噪算法能够一定程度上提剔除背景噪声的影响，有效解决了传统偏振仪在弱光场下检测精度不足的技术难题。
第三，本发明系统集成度高，初始系统校准方便快捷，性能稳定，相机单次拍摄就能够获取待测样品的Mueller矩阵信息；且成本较低，可广泛用于弱光场下样品Mueller矩阵测量装置中，可极大提高检测信噪比和测量速度。
第四，本发明数据库只需要进行一次构建，后续每次使用的过程中，只需利用数据库进行快速查到，因此利用本发明进行样品Mueller矩阵的检测，具有很高的检测效率。
附图说明
图1为本申请实施例检测系统的示意图。
图2为本申请弱光场样品Mueller矩阵检测的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
本申请实施例提供一种弱光场Mueller矩阵快速检测方法，如图1-2所示，具体过程为：
步骤一，选取四个不同快轴方向的四分之一波片进行拼接，选取一透光轴为水平方向的偏振片和拼接的多快轴四分之一波片共同组成偏振态产生器103；在弱光源101的出射光路上依次设置准直透镜102、偏振态产生器103、空间变化调制器105、偏振态分析器106及探测器108，构成弱光场Mueller矩阵快速检测系统；
步骤二，测量所述空间变化调制器105的Mueller矩阵，并利用测量结果替换理论模型中空间变化调制器105的Mueller矩阵MS，实现系统的标定；
所述理论模型为：
Figure BDA0003167419610000061
Figure BDA0003167419610000062
步骤三，利用标定后的理论模型构建数据库，该数据库包括一一对应的偏振态和强度分布；
步骤四，将待测样品104放置于偏振态产生器103与空间变化调制器105之间，获取探测器108所探测的弱光场下的强度分布图像；
步骤五，对所述强度分布图像按照偏振态产生器四分之一波片拼接痕迹，将图像分割成四个区域，对每一区域分别进行低通滤波；
步骤六，将低通滤波片后的强度分布带入到拟合模型中计算出待测光的偏振态；
步骤七，根据偏振态产生器所产生的入射至样品光的偏振态(由偏振态产生器产生)和所解算出的样品出射光的偏振态，计算出样品的Mueller矩阵。
本申请弱光场Mueller矩阵快速检测方法的检测原理为：
利用偏振态产生器产生的四组线性无关的、已知偏振态的偏振光入射至样品，经样品后出射，在此过程中偏振光的偏振态会发生变化，因此测出样品出射光的偏振态即可计算出样品的Mueller矩阵M。样品出射的不同偏振态的光束经过空间变化调制器和偏振态分析器后，在探测器上形成不同空间变化的强度分布。在待测样品的出射光与探测面强度分布之间存在如下关系，将该关系定义为理论模型：
Figure BDA0003167419610000063
Figure BDA0003167419610000071
其中，MS表示在待测样品和探测器之间任意有空间变化调制器的Mueller矩阵，在该系统中是空间变化调制器的Mueller矩阵，为已知量；
综上，基于探测面强度分布同入射光偏振态之间的映射关系，可以解算出样品出射光的偏振态，基于样品入射光和出射光的偏振态，可以计算出样品的Mueller矩阵。
本实施例检测方法的效果：第一，选取四个不同快轴方向的四分之一波片拼接成偏振态产生器，因此偏振态产生器可产生四组线性无关的入射光偏振态入射到待测样品，因此无需像传统方法通过多次旋转波片来实现不同偏振态光，本实施例只需一次测量，即可以解算出样品的Mueller矩阵，提高了偏振检测效率。第二，由于不同偏振光入射到探测面形成强度分布，在各方向的强度分布不同，通过步骤五的方式能够准确的提取出不同强度分布的方向特征，提高拟合的收敛性。第三，探测器接收的弱光场强度分布信噪比极低，几乎淹没于背景噪声强度分布中，本实施例使用傅里叶低通滤波技术对探测到的弱光强度分布进行滤波去噪处理。因此，本实施例可解决传统偏振测量手段需多次器件旋转或多路分光从而导致无法精确测量弱光场Mueller矩阵的技术问题。
本申请又一实施例中，拟合模型为：
Figure BDA0003167419610000072
其中，n表示强度分布有效像素数，Ii表示样品数据库强度分布中第i个像素点的强度值，
Figure BDA0003167419610000073
表示强度分布的均值，Mi表示探测的弱光强度分布经过去噪后第i个像素点的强度值，
Figure BDA0003167419610000074
表示探测获取的强度分布的均值，argmax表示取最大值函数，
Figure BDA0003167419610000075
表示样品数据库强度分布Ii所对应的光束偏振态。
本申请的又一实施例，所述数据库采用如下过程构建：
本发明理论模型如公式(3)所示，该模型建立了探测面强度分布同入射光偏振态之间独立的映射关系。其中理论模型中穆勒元素可以通过在实验中测量空间变化调制器的Mueller矩阵并将测量值带入到公式(3)，可实现器件加工和对准误差的标定。
进一步，标定完成后开始建立数据库，首先需要对Stokes矢量进行等间隔采样(如对Stokes矢量s1进行采样，采样间隔是设置0.01，采样范围在[-1,1]之间)，类似对于s2、s3进行相同的操作，每一个Stokes矢量有201种采样结果，三个Stokes参量排列组合共有201*201*201个组合结果，由于归一化的Stokes参量应满足：s1 2+s2 2+s3 2≤1，因此实Stokes采样空间中共有4187857个样本，将每一个Stokes采样样本点带入到公式(3)可以获得每一Stokes样本点对应的强度分布。数据库中Stokes采样点和对应强度分布一一对应，由此构建好样本数据库。
本申请的又一实施例，在对检测系统进行标定时，将光源101更换为强光源，使用双旋转波片法测量出空间变化调制器的Mueller矩阵，由于系统加工和对准误差会包含在所测得的空间变化调制器的Mueller矩阵之中，因此将实验测得的Mueller矩阵代入到理论模型替换理论的空间变化调制器的Mueller矩阵可以实现系统标定。测量空间变化调制器的Mueller矩阵完成后，可将数据保存在计算机中，使用系统测量偏振态时直接调用，无需重复测量。
本申请的又一实施例，还包括在偏振态分析器106和探测器108之间设置聚焦透镜107。使用聚焦透镜可以将光束聚焦进而探测器接收的强度分布具有更少的像素，此操作可以加快数据处理的过程，实现快速的偏振信息解算。
本申请又一实施例，光源101选取波长为635nm的LED光源，事实上其他特定波长的分析类似，仅需要保证所选实验器件的有效波长与所选光源波长相近。
本申请一种弱光场Mueller矩阵快速检测系统，包括光源101、准直透镜102、偏振态产生器103、空间变化调制器105、偏振态分析器106及探测器108，其中所述偏振态产生器103由一透光轴为水平方向的偏振片和多快轴四分之一波片组成，所述多快轴四分之一波片由四个不同快轴方向的四分之一波片拼接而成。
本申请又一实施例，本系统还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜位于偏振态分析器和探测器之间。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种弱光场样品Mueller矩阵快速检测检测方法，其特征在于，具体过程为：
选取四个不同快轴方向的四分之一波片进行拼接，选取一透光轴为水平方向的偏振片和拼接的多快轴四分之一波片共同组成偏振态产生器；基于所述偏振态产生器，实现在弱光场环境下样品Mueller矩阵的快速检测。
2.根据权利要求1所述弱光场样品Mueller矩阵快速检测检测方法，其特征在于，基于所述偏振态产生器，实现在弱光场环境下样品Mueller矩阵的快速检测的具体过程为：
步骤一，在弱光源的出射光路上依次设置准直透镜、偏振态产生器、空间变化调制器、偏振态分析器及探测器，构成弱光场Mueller矩阵快速检测系统；
步骤二，测量所述空间变化调制器的Mueller矩阵，并利用测量结果替换理论模型中空间变化调制器的Mueller矩阵MS，实现系统的标定；
所述理论模型为：
Figure FDA0003167419600000011
Figure FDA0003167419600000012
步骤三，利用标定后的理论模型构建数据库，该数据库包括一一对应的偏振态和强度分布；
步骤四，将待测样品放置于偏振态产生器与空间变化调制器之间，获取探测器所探测的弱光场下的强度分布图像；
步骤五，对所述强度分布图像按照偏振态产生器四分之一波片拼接痕迹，将图像分割成四个区域，对每一区域分别进行低通滤波；
步骤六，将低通滤波片后的强度分布带入到拟合模型中计算出待测光的偏振态；
步骤七，根据偏振态产生器所产生的入射至样品光的偏振态和所解算出的样品出射光的偏振态，计算出样品的Mueller矩阵。
3.根据权利要求2所述弱光场样品Mueller矩阵快速检测检测方法，其特征在于，所述步骤三利用标定后的理论模型构建数据库的具体过程为：
首先，在设定的采样区间范围内，对Stokes矢量s1、s2、s3分别按照设定的步长进行采样；
其次，对将Stokes矢量s1、s2、s3的采样结果进行排列组合，将排列组合中不满足s1 2+s2 2+s3 2≤1约束条件的组合剔除；
再次，将剩余组合带入理论模型中，求解每一组Stokes矢量所对应的强度分布，每一Stokes矢量与所求解的强度分布一一对应，由此获得样本数据库。
4.根据权利要求2所述弱光场样品Mueller矩阵快速检测检测方法，其特征在于，所述拟合模型为：
Figure FDA0003167419600000021
其中，n表示强度分布有效像素数，Ii表示样品数据库强度分布中第i个像素点的强度值，
Figure FDA0003167419600000022
表示强度分布的均值，Mi表示探测的弱光强度分布经过去噪后第i个像素点的强度值，
Figure FDA0003167419600000023
表示探测获取的强度分布的均值，argmax表示取最大值函数，
Figure FDA0003167419600000024
表示样品数据库强度分布Ii所对应的光束偏振态。
5.根据权利要求2所述弱光场样品Mueller矩阵快速检测检测方法，其特征在于，在对检测系统进行标定时，将光源更换为强光源，使用双旋转波片法测量出空间变化调制器的Mueller矩阵。
6.根据权利要求2所述弱光场样品Mueller矩阵快速检测检测方法，其特征在于，还包括在偏振态分析器和探测器之间设置聚焦透镜的步骤。
7.一种弱光场样品Mueller快速检测系统，其特征在于，包括光源、准直透镜、偏振态产生器、空间变化调制器、偏振态分析器及探测器，其中所述偏振态产生器由一透光轴为水平方向的偏振片和多快轴四分之一波片组成，所述多快轴四分之一波片由四个不同快轴方向的四分之一波片拼接而成。
8.根据权利要求7所述弱光场样品Mueller矩阵快速检测系统，其特征在于，还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜位于偏振态分析器和探测器之间。
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