JP2017523438A - 偏光の測定 - Google Patents

Abstract

電磁照射光の偏光を測定するための方法および装置が開示されている。この方法は、対象物体から受光した照射光の偏光状態を変調して変調強度照射光を生成するステップと、第１のゲーティング周波数で変調強度照射光への撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングすることによって変調強度照射光の強度を選択的に測定するステップと、測定された強度に応答して、受光した照射光の偏光パラメータを決定するステップと、複数の偏光パラメータを有する対象物体に対応する画像データを生成するステップとを含み、対象物体からの照射光は、第１の周波数に従って変調され、第１のゲーティング周波数は、少なくとも第１の周波数に関連付けられ、それと同期する。

Description

本発明は、電磁放射線の偏光を測定するための方法および装置に関する。詳細には、ただし、限定することなく、本発明は、協調的な仕方で、照射光の強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）を測定し、照射光（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）を変調することによって対象物体に対応する画像データを提供することに関係する。

偏光計は、電磁波（すなわち、電磁照射光）の偏光状態を測定するために使用されるデバイスであり、有機および生体顕微鏡法、結晶学、および天文学などの様々な分野において使用されている。

多くの偏光計は、未知の、または部分的に未知の偏光状態の電磁線を、偏光座標系が知られている光学アセンブリに通すことによって働く。すなわち、光学アセンブリは、中を通過する電磁線の偏光状態の知られている変化を与える。次いで、光学アセンブリを通過した後の電磁線の特性の変化を測定する検出器を用意することによって、電磁線の元の偏光状態に関する情報が計算され得る。

多くの偏光計において、光学アセンブリは、１つまたは複数の偏光変調器を備える。偏光変調器は、変調刺激を印加したことに応答して光学特性が変化するデバイスである。偏光変調器を通過する電磁線は、印加された変調刺激に従って変化する偏光状態の変化を受ける。偏光変調器は、変調を受けた出力電磁線が与えられた偏光変化に応じて強度が変化するように配置構成され得る。この強度変化は、光検出器によって容易に検出され得る。知られているように、変調された電磁線の強度の変化を分析することによって、光の偏光状態に関する情報が決定され得る。

高度な偏光計は、光の偏光を変調するため光位相変調器を採用することが多い。光弾性変調器（ＰＥＭ）などの、光位相変調器は、多くの場合、優秀な光学特性および変調特性を有しているので好ましい。しかしながら、そのような変調器は、典型的には、非常に高い変調周波数（数１０ｋＨｚのオーダー）で動作するが、これは、そのような変調器を備えるシステム内の検出器が、そのような周波数で動作できなければならないことを意味している。

これは、撮像偏光計の特定の問題である。撮像偏光計は、ある程度の空間分解能を有する物体（またはシーン）によって反射されるか、放射されるか、または伝送される電磁線の偏光パラメータを測定するように配置構成される。そのようなデバイスは、典型的には、２次元光検出器アレイを採用している。しかしながら、デジタルカメラなどの普通の撮像デバイスは、典型的な光位相変調器変調周波数と同程度の高さのフレームレートで動作し得ない。したがって、撮像偏光計に対しては、少なくとも、既存のシステムに組み込むのが困難であり得る、また「既製品」のデジタルカメラタイプのデバイスと比べて一般的にかなり高価である、複雑なカスタムセンサーが典型的には必要になる。

既存のデジタルカメラデバイスの修正は、可能であり得るが、典型的には結果として、偏光計の性能が低下する。たとえば、検出器ピクセルの交互の行をストレージデバイスで置き換えることによってデジタルカメラタイプデバイスのフレームレートを高めることが可能になり得る。しかしながら、これにより作動する検出ピクセルの数が減らされ、それに対応して、デバイスの分解能も低下する。

Ｇｕａｎら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、２０１０年 Ｃｏｏｋ、「Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｔｈｉｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ｓｏｆｔ ｘ−ｒａｙ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、ＰｈＤ ｔｈｅｓｉｓ、Ｓａｌｆｏｒｄ （２０１０年）

従来の光検出器アレイをセンサーとして使用することができる偏光計を実現することが望ましい。従来の２次元光検出器アレイをセンサーとして使用することができる撮像偏光計を実現することが特に望ましい。

本発明の第１の態様によれば、電磁照射光の偏光を測定するための方法が提供され、この方法は、
対象物体から受光した照射光の偏光状態を変調して変調強度照射光（ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）を生成するステップと、
第１のゲーティング（ｇａｔｉｎｇ）周波数で変調強度照射光への撮像デバイスの暴露（ｅｘｐｏｓｕｒｅ）を定期的にゲーティングすることによって変調強度照射光の強度を選択的に測定するステップと、
測定された強度に応答して、受光した照射光の偏光パラメータを決定するステップと、
複数の偏光パラメータを有する対象物体に対応する画像データを生成するステップと、
を含み、
対象物体からの照射光は、第１の周波数に従って変調され、第１のゲーティング周波数は、少なくとも第１の周波数に関連付けられ、少なくとも第１の周波数と同期する。

適切には、偏光計検出器の撮像デバイスの暴露がゲーティング周波数でゲーティングされる（ｇａｔｅｄ）技術が提供される。すなわち、従来の配置構成とは対照的に、撮像デバイスを偏光変調の変調周波数（または複数の変調周波数）に対応し、それと同期するゲーティング周波数（または複数のゲーティング周波数）に暴露する「シャッター」として動作するゲーティング機構が実現される。変調された電磁照射光の強度は、暴露期間において個別のゲーティング期間の数で暴露期間に測定された全強度を平均することによって容易に決定され得る。したがって、デジタルカメラによく見られるＣＣＤアレイなどの、従来の低コストデバイスは、低フレームレートに関係なく偏光計検出器において使用され得る。そのような低コストデバイスは、容易に利用可能であり、実験機器に組み込みやすく、カスタム２次元センサーに比べて安価である。この技術を採用することによって、高度な偏光計において、あまりコストがかからない、あまり複雑でない検出器が使用され得る。

適宜、変調ステップを実行する前に、照射光は、無限遠補正光学素子（ｉｎｆｉｎｉｔｙ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）を通過する。

撮像偏光計において、異なる光線は、異なる量の偏光変調を受ける。これは、変調器の光学的幾何学的形状は、典型的には、異なる光線が異なる距離を進み変調器を通る、したがって、異なるレベルの変調（たとえば、位相遅延）を受けることが不可避であるようなものだからである。より具体的には、各光線は、異なる「Ｋ行列」（以下でより詳しく説明される）に関連付けられている。

対象物体が、光学的に無限遠点にない限り、従来の広視野光学系において、撮像デバイスの特定の部分に（たとえば、光検出器の特定のピクセル上に）入射する光は、複数の光路を経由して進行してくる（光の発散的性質により）。したがって、従来の広視野技術が、偏光計において採用される場合、撮像デバイスの特定の部分に入射する光は、複数の光路を通過し、したがって、複数の異なる量の偏光変調を受ける。これは、撮像デバイス上の特定の点（すなわち、特定のピクセル）で受光した光の偏光状態を測定するステップ、およびしたがって、複数の異なる経路の光特性が考慮されなければならないので一般的に複雑である撮像偏光分析法を行う。これは、偏光計較正時に特に関連性がある。

このオプションのステップによれば、変調ステップの前に、受光した照射光が、無限遠補正光学素子（たとえば、無限遠補正レンズ）を通過する場合、撮像デバイスの特定の部分（たとえば、特定のピクセル）に入射する光線は、特定の光路にそって進行し、それらの光路に関連付けられている偏光変調のみを受ける。したがって、各個別のピクセルは、確立されている較正技術を使用して、そのピクセル上に入射する光が辿る特定の（平行な）光路の光学特性（たとえば、偏光効果）を考慮し、容易に較正することができる。さらに、検出器の撮像デバイスの各部分（たとえば、ピクセル）は、対象物体上の特定の点に対する個別の積分器として取り扱われ得る。

適宜、方法は、受光した照射光の偏光パラメータを決定する前に、受光した後および選択的に測定される前の受光した照射光が辿る異なる光路に関連付けられている偏光効果に適応するように較正するステップをさらに含む。いくつかの例では、較正データを決定するステップは、無限遠補正レンズを通過した後、および変調され得る前に、知られている光学特性のパターン化された対象物体からの照射光を知られている光学特性の較正光学素子に通すステップを含む。

適宜、変調強度照射光への撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングするステップは、ゲーティング周波数で動作する画像増強管を使用して撮像デバイス上に入射する画像を増強するステップを含む。このオプションの特徴によれば、画像増強管は、撮像デバイス上に入射する光のレベルを定期的に増幅するために使用され得る。これは、画像増強管がオンでない（すなわち、光を増幅していない）期間に、撮像デバイス上に入射する光のレベルが事実上ゼロであるように構成され得る。画像増強管は、撮像デバイスに容易に組み込むことができ、高い周波数で制御することができる。したがって、これらは、ゲーティング機構を実現する便利な手段を提供する。

適宜、変調強度照射光への撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングするステップは、ゲーティング周波数で対象物体に定期的に照射するステップを含む。対象物体が、暗または適切な照明の環境の下にある場合、対象物体が照射されない期間に、撮像デバイスに入射する光の量は、事実上ゼロである（すなわち、シャッターが閉められたかのように）。対象物体を定期的に照射することにより撮像デバイスの暴露をゲーティングするステップは、照射光が外部素子によってもたらされ得るので偏光計への実質的な内部修正を必要としないゲーティング機構が実現され得ることを意味する。

適宜、受光した照射光の偏光状態を変調した後、および変調強度照射光の強度を選択的に測定する前に、変調強度照射光は分割され、変調強度照射光の少なくとも１つのさらなるビームを生成する。したがって、複数の検出経路を提供するマルチチャネル実装が実現され得る。この方法で、画像データの複数のバージョンが同時に収集され得る。多くの実装は、すべての偏光パラメータが決定され得る前に、画像データのいくつかのフレームが処理されることを必要とする。複数の検出経路を用意することによって、単一の暴露期間において画像データの複数のフレームが取り込まれ得る。これは、偏光パラメータのより迅速な決定を可能にする。さらに。この技術は、従来の低コストの撮像デバイスの使用を可能にするので、マルチチャネル実装のコストおよび複雑度は、低減される。

適宜、変調強度照射光が分割される場合、この方法は、さらなるゲーティング周波数で変調強度照射光のさらなるビームへのさらなる撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングすることによって変調強度照射光のさらなるビームの強度を選択的に測定するステップと、変調強度照射光のさらなるビームの測定された強度に応答して、受光した照射光のさらなる偏光パラメータを決定するステップと、複数のさらなる偏光パラメータを有する対象物体に対応するさらなる画像データを生成するステップとをさらに含む。さらなるゲーティング周波数は、少なくとも第１の周波数に関連付けられ、それと同期する。さらに、適宜、第１のゲーティング周波数およびさらなるゲーティング周波数は、実質的に１８０°位相外れである。

適宜、変調強度照射光の強度を選択的に測定するステップは、変調強度照射光のサイクル時間の所定の割合について変調強度照射光を定期的に測定するステップを含む。さらに、適宜、所定の割合は、第１の周波数の５０％デューティサイクルに関連付けられている。

適宜、偏光状態を変調することは、少なくとも１つの第１の光弾性変調器を介する。さらに、適宜、第１の周波数は、第１の光弾性変調器の共振周波数である。

適宜、方法は、第１の光弾性変調器による受光した照射光の偏光状態を変調するステップと、次いで、第２の光弾性変調器による受光した照射光の偏光状態をさらに変調するステップとを含む。さらに、適宜、方法は、第２の周波数で第２の光弾性変調器により、受光した照射光の偏光状態を変調するステップを含む。第２の周波数は、第２の光弾性変調器の共振周波数である。

適宜、変調強度照射光は、第１のゲーティング周波数および第２のゲーティング周波数で選択的に測定される。第２のゲーティング周波数は、第２の光弾性変調器の共振周波数に対応する。

適宜、変調するステップは、照射光を直線偏光子に通すステップをさらに含む。

適宜、撮像デバイスは、光検出器アレイである。

適宜、偏光パラメータは、ストークスパラメータである。さらに、適宜、偏光パラメータは、Ｉ、Ｑ、Ｕ、およびＶストークスパラメータのすべてである。

適宜、受光した照射光の偏光パラメータを決定するステップは、変調強度照射光の選択的に測定された強度から、変調強度照射光に関連付けられている複合波形の１つまたは複数の係数を抽出するステップを含む。さらに、適宜、方法は、１つまたは複数の係数を使用してミュラー行列を解きストークスパラメータを決定するステップをさらに含む。

本発明の第２の態様によれば、電磁照射光の偏光を測定するための装置が実現される。装置は、対象物体から受光した照射光の偏光状態を変調し、変調強度照射光を生成するように動作可能である変調器と、検出器と、ゲーティングユニットであって、前記ゲーティングユニットは第１のゲーティング周波数で変調強度照射光への検出器の撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングするように動作可能であり、これによって、検出器が、変調強度照射光の強度を選択的に測定することを可能にする、ゲーティングユニットと、変調強度照射光の強度の選択的な測定から、受光した照射光の偏光パラメータを決定し、複数の偏光パラメータを有する対象物体に対応する画像データを生成するように動作可能であるプロセッサとを備える。変調器は、受光した照射光を第１の周波数に従って変調し、第１のゲーティング周波数は、少なくとも第１の周波数に関連付けられ、少なくとも第１の周波数と同期する。

適宜、装置は、照射光が変調器を通過する前に無限遠補正光学素子を通過するように配設されている無限遠補正光学素子をさらに備える。

適宜、プロセッサは、検出器によって選択的に測定される前に受光した照射光が辿る異なる光路の偏光効果に関連付けられている較正データを供給される。

適宜、ゲーティングユニットは、第１のゲーティング周波数で、撮像デバイスに入射した画像を増強するように動作可能である画像増強管である。代替的に、ゲーティングユニットは、第１のゲーティング周波数で対象物体を定期的に照射するように動作可能である照射ユニットである。

適宜、装置は、変調器の後に配設されているビームスプリッタをさらに備える。ビームスプリッタは、変調強度照射光を変調強度照射光のさらなるビームに分割するように動作可能である。

適宜、装置がビームスプリッタを備える場合、装置は、さらなる検出器と、さらなるゲーティングユニットとをさらに備える。さらなるゲーティングユニットは、さらなるゲーティング周波数で変調強度照射光のさらなるビームへのさらなる検出器の撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングするように動作可能である。これによって、さらなる検出器は、変調強度照射光の強度を選択的に測定することが可能である。プロセッサは、さらなる変調強度照射光の強度の選択的な測定から、受光した照射光のさらなる偏光パラメータを決定し、複数の偏光パラメータを有する対象物体に対応するさらなる画像データを生成するように動作可能である。さらなるゲーティング周波数は、第１の周波数に関連付けられ、第１の周波数と同期する。

適宜、第１のゲーティング周波数およびさらなるゲーティング周波数は、実質的に１８０°位相外れである。

適宜、ゲーティングユニットは、変調強度照射光のサイクル時間の所定の割合の期間に撮像デバイスを暴露するように配置構成される。

適宜、所定の割合は、第１の周波数の５０％デューティサイクルに関連付けられている。

適宜、変調器は、少なくとも１つの第１の光弾性変調器を含む。

適宜、第１の周波数は、第１の光弾性変調器の共振周波数である。

適宜、変調器は、第２の周波数で照射光を変調するように配置構成され、第２の周波数は第２の光弾性変調器の共振周波数である、第２の光弾性変調器をさらに含む。

適宜、変調器は、直線偏光子をさらに備える。

適宜、撮像デバイスは、光検出器アレイである。

適宜、プロセッサは、変調強度照射光の選択的に測定された強度から、変調強度照射光に関連付けられている複合波形の１つまたは複数の係数を抽出することによって受光した照射光の偏光パラメータを決定するように動作可能である。

本発明の第３の態様によれば、偏光測定デバイスにおいて使用するためのモジュールが実現される。モジュールは、対象物体から受光した照射光の偏光状態を変調し、変調強度照射光を生成するように動作可能である変調器と、検出器と、ゲーティングユニットであって、前記ゲーティングユニットは第１のゲーティング周波数で変調強度照射光への検出器の撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングするように動作可能であり、これによって、検出器が、変調強度照射光の強度を選択的に測定することを可能にする、ゲーティングユニットと、変調強度照射光の強度の選択的な測定から、受光した照射光の偏光パラメータを決定し、複数の偏光パラメータを有する対象物体に対応する画像データを生成するように動作可能であるプロセッサと、を備える。変調器は、受光した照射光を第１の周波数に従って変調し、第１のゲーティング周波数は、少なくとも第１の周波数に関連付けられ、少なくとも第１の周波数と同期する。

本発明の第４の態様によれば、電磁照射光の偏光を測定するための方法が提供される。方法は、対象物体から受光した照射光の偏光状態を変調して変調強度照射光を生成するステップと、変調強度照射光の強度を選択的に測定するステップと、測定された強度に応答して、受光した照射光の１つまたは複数の偏光パラメータを決定するステップとを含む。対象物体からの照射光は、第１の周波数に従って変調され、変調強度照射光の強度は、少なくとも第１の周波数に関連付けられている測定周波数で選択的に測定される。

本発明の第５の態様によれば、電磁照射光の偏光を測定するための装置が実現される。装置は、対象物体から受光した照射光の偏光状態を変調し、変調強度照射光を生成するように動作可能である変調器と、変調強度照射光の強度を選択的に測定するように動作可能である検出器と、変調強度照射光の強度の選択的測定から、受光した照射光の１つまたは複数の偏光パラメータを決定するように動作可能である処理ユニットとを備える。変調器は、受光した照射光を第１の周波数に従って変調し、検出器は、少なくとも第１の周波数に関連付けられている測定周波数で変調強度照射光を選択的に測定する。

本発明の様々なさらなる態様および特徴は、請求項において定義される。

本発明のいくつかの実施形態は、付属の図面を参照しつつ、例としてのみ、以下で説明される。

本発明の第１の例によって配置構成されている偏光計装置の簡略化された概略図である。 ゲーティングされた画像増強管を採用する本発明の一例のデュアル変調器偏光計実装を示す概略図である。 ゲーティングされた照射ユニットを採用する本発明の一例のデュアル変調器偏光計実装を示す概略図である。 本発明の一例による較正技術を例示する概略図である。 本発明の一例によるパラメータに対する検出器のマルチチャネル実装の概略図である。 変調強度照射光のサンプリングの概略図である。 装置に組み込むための、本発明の例によるモジュールの概略図である。 装置に組み込むための、本発明の例によるモジュールの概略図である。 本発明の一例による光の偏光を測定する方法に従ったフローチャートである。

図面において、類似の番号は、類似の部分を指す。

光の偏光状態は、典型的には、ストークスベクトル

の成分に関して分析される。ストークスベクトルは、４つのストークスパラメータ、すなわち、Ｉ、Ｑ、Ｕ、およびＶに関して光の偏光状態を表すベクトル、すなわち、

である。
Ｉは、光の全強度であり、Ｑ、Ｕ、およびＶは、直交偏光状態の強度の差を表す。より具体的には、Ｑは、偏光平面が指定された実験室ｘ軸に対して０°および９０°に配向されている直線偏光状態の間の差である。Ｕは、偏光平面が実験室ｘ軸に対して４５°および−４５°に配向されている直線偏光状態の間の差である。Ｖは、左旋円偏光状態と右旋円偏光状態との間の差である。

直接的に、

を測定することは困難であるが、光の強度は、光検出器などの撮像デバイスを含む検出器を使用して容易に測定され得る。したがって、多くの偏光計が、知られている偏光特性を有する光学アセンブリを通過した光の強度を検出することによって動作する。光学アセンブリを通過した後に検出された光の強度は、光の偏光状態に関する情報が以下に詳しく述べられている理論に従って計算されることを可能にする。

光のストークスベクトルに対する光学素子の効果またはいくつかの要素の配置構成の組合せ効果は、ミュラー行列と呼ばれる、４×４行列

によって記述され得る。

ストークスベクトル

を有する入力光が有効ミュラー行列Ｍを有する光学アセンブリを通過すると、ストークスベクトル

を有する出力光を生成し、これは

によって与えられる。

現在、ストークスベクトル

を有している、光学アセンブリを透過した後の光線は、以下の式で与えられる強度を有することが示され得る。
Ｉ_０＝ｍ_１１Ｉ＋ｍ_１２Ｑ＋ｍ_１３Ｕ＋ｍ_１４Ｖ ［４］

光学アセンブリの関連するミュラー行列要素が少なくとも異なる４つの光学設定について知られていれば、Ｉ_０を測定することで、入力ベクトル

を含む未知のストークスパラメータのすべてを供給することが可能である。

次の例では、簡単のため、「光」という用語が使用されている。しかしながら、この用語は、偏光計による測定に適しているすべての電磁照射光（すなわち、電磁放射線／線）を指し、単にある特定の範囲の波長の電磁放射線（たとえば、可視光）でないことは理解されるであろう。

［ゲーティングユニットを有する偏光計］
図１は、第１の例によって配置構成されている偏光計装置の簡略化された概略図である。

サンプル１０１などの対象物体から受光した光が、装置の入力光学素子１０２上に入射する。光は、入力光学素子１０２によって偏光変調器１０３内に導かれる。いくつかの例において、単一の変調器が変調器１０３で使用され、その場合単一変調周波数がどの時点においても使用される。他の例では、複数の変調器ユニットが、変調器１０３において使用されるものとしてよく、したがって、複数の変調器周波数が、同時に使用され得る。したがって、変調器１０３は、１つまたは複数の変調周波数に従って光の偏光状態を変調するように配置構成される。

変調器１０３は、変調器１０３を制御する変調器コントローラ１０４に接続され、変調周波数が受光した光に施される。

知られているように、偏光変調器により光の偏光状態を変調することによって、出力光の強度は、それに応じて変調され得る。典型的には、これは、変調器に、光が変調器１０３から出る前に通過する直線偏光子または円／楕円偏光子などの光学素子を備えることによって達成される。したがって、変調器１０３は、変調強度光を出力する。変調強度光は、変調器によって与えられる光学変化に従って、１つまたは複数の変調周波数で、定期的に変化する強度を有する光である。強度の変化は、複合波形に従って時間の経過とともに変化する。一般的に、知られているように、この波形は、偏光計内に受光された光の偏光パラメータに関する情報を決定するために分析され得る。

いくつかの例において、より詳しく説明されるように、この複合波形の成分の振幅（すなわち、その係数）は、受光した光の偏光パラメータを決定するために使用され得る。さらに、これらの成分の基本および高調波周波数は、変調器１０３の１つまたは複数の変調周波数に関係する。

検出器１０５は、１つまたは複数の変調周波数に関連付けられている１つまたは複数の周波数で変調強度光の強度を選択的に測定する（すなわち、サンプリングする）ように配置構成される。検出器１０５は、変調強度光の選択的に測定された強度に対応するデータをプロセッサ１０６に出力するように配置構成される。いくつかの例において、プロセッサ１０６は、このデータから、上で説明されている複合波形の成分の振幅を決定し、それにより、受光した光の偏光パラメータ（ストークスパラメータなど）を計算するように配置構成される。

適切には、検出器１０５は、光検出器配置構成によって構成される撮像デバイスを備える。光検出器配置構成は、変調強度光の強度を測定するために使用される。サンプルの２次元画像が求められる撮像偏光計において、光検出器配置構成は、典型的には、２次元光検出器アレイ１０７によって構成される。光検出器アレイ１０７の各ピクセルは、偏光パラメータが決定される個別の積分器として動作する。動作時に、光検出器アレイ１０７は、積分期間にわたって変調強度照射光に暴露され、次いで、ピクセルデータのフレームを出力する。ピクセルデータのフレームは、データ値を含み、その各々は、暴露期間における特定のピクセル上に入射する光の強度に対応する。

適切には、プロセッサ１０６は、ピクセルデータの１つまたは複数のフレームを処理して、対象物体（すなわち、サンプル）の異なる部分から受光した光の偏光パラメータを計算し、次いで、これを画像データとして出力するように配置構成される。画像データは、好都合なことに、サンプル１０１の表現に対応する画像ファイルの形式（たとえば、ＪＰＥＧ、Ｂｉｔｍａｐなど）をとるものとしてよく、異なる色、および／または陰影、および／またはパターンなどの組合せは、異なる偏光パラメータを指示する。しかしながら、プロセッサ１０６は、１つもしくは複数のヒストグラムまたは他のグラフ表現の形態などの他のより抽象的な形態で偏光パラメータを表す画像データを生成し得る。一般に、サンプルのどの部分（すなわち、空間分解能）がどの偏光パラメータに会合するかの指示とともにサンプルからの光の偏光パラメータを表す画像データの好適な任意の形式が使用できる。いくつかの場合において、これは、空間位置を指示する多数のデータ値および対応する１つまたは複数の偏光パラメータとともにテキストファイルの形式をとることが可能である。

大半の２次元光検出器アレイの積分周波数／フレームレート（すなわち、光検出器アレイが入射光をサンプリングする周波数）は、変調器１０３によって適用される変調周波数よりもかなり低い。

有利には、ゲーティングユニット１０８が実現される。ゲーティングユニット１０８は、変調周波数と対応して光検出器アレイ１０７を変調器１０３からの出力光に選択的に暴露する（すなわち、定期的にゲーティングする）ように配置構成される。すなわち、光検出器アレイ１０７からピクセルデータのフレームを取り込むときに、ゲーティングユニット１０８は、変調周波数のうちの１つに関連付けられているゲーティング周波数（他の場合には測定周波数と称される）に従って光検出器アレイを選択的に暴露するように配置構成される。これによって、検出器１０５は、変調強度光の強度を選択的に測定することができる。

ゲーティング周波数は、変調周波数と実質的に同じであるか、または変調周波数の整数倍と実質的に同じであるという意味で変調周波数のうちの１つに関連付けられる。ゲーティング周波数およびそれが関連付けられている変調周波数は、同期もされる、すなわち、２つの周波数の間に実質的に定位相差がある。したがって、ゲーティングユニット１０８は、変調周波数のうちの少なくとも１つに関連付けられ、同期しているゲーティング周波数で変調強度光への撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングすることによって動作する。

ゲーティングユニットは、変調器コントローラ１０４にも接続されているプロセッサ１０６によって制御される。この配置構成は、プロセッサ１０６が、動作時に、ゲーティング周波数および変調周波数が上で説明されているように互いに関連付けられ、また同期するようにゲーティング周波数および変調周波数を制御することを可能にする。

［ゲーティングされた画像増強管を使用するデュアル変調器偏光計］
図２は、図１に示されている装置のデュアル変調器偏光計実装の一例を示す概略図を提示している。上で述べたように、対応する部分は、対応する参照番号で指示される。

デュアル変調器偏光計において、偏光変調器は、２つの光位相変調器および直線偏光子によって構成される。２つの変調器の偏光座標系は、変調された軸が指定された実験室座標系のｘ軸と異なる角度をなすように互いに関して回転させられる。そのような偏光計を透過した光線は、その座標系（変調された軸）を実験室ｘ軸に関して角度αまで回転させた第１の位相変調器に遭遇する（ｚ軸は偏光計の光軸に沿っている）。光線は、第１の位相変調器を通過するときにδ_１の位相遅延を受ける。次いで、光線は、その座標系を実験室ｘ軸に関して角度βまで回転させた第２の位相変調器に遭遇する。光線は、第２の位相変調器を透過するときにδ_２の位相遅延を受ける。次いで、光線は、その透過軸を実験室ｘ軸に関して角度γまで回転させた直線偏光子に遭遇する。δ_１およびδ_２が変調されると、アナライザーに入射した光のストークスパラメータが変えられ、それを通過し得る光の量に影響を及ぼす。入力光のストークスベクトルに対する位相変調器の効果は知られているので、光検出器アレイを積分器として使用して透過光線の強度を測定することによって、第１の位相変調器に入射した光のストークスパラメータを計算することが可能である。

図２を参照すると、入力光学素子１０２は、無限遠補正レンズ２０１によって構成される無限遠補正光学素子を含む。無限遠補正レンズ２０１は、光検出器アレイ１０７の各ピクセル上に入射した光が、変調器１０３を通る一組の平行な光路から来るように配置構成される。

変調器１０３は、第１の光弾性変調器（ＰＥＭ）２０２と第２のＰＥＭ２０３とを備える。変調器１０３は、直線偏光子２０４をさらに備える。第１および第２のＰＥＭ２０２、２０３は各々、圧電トランスデューサおよび共振バー２０２ｂ、２０３ｂなどのトランスデューサ２０２ａ、２０３ａを備える。共振バー２０２ｂ、２０３ｂは、共振バーがトランスデューサ２０２ａ、２０３ａによって応力を受け、歪みを生じるときに偏光特性が変化する溶融シリカなどの材料から作られる。

変調器コントローラ１０４からの制御信号によって制御されるときに、トランスデューサ２０２ａ、２０３ａは、それぞれの共振バー２０２ｂ、２０３ｂの共振周波数で振動する。第１のＰＥＭ２０２は、第１の周波数ｆ_ＰＥＭ１で共振し、第２のＰＥＭ２０３は、第２の周波数ｆ_ＰＥＭ２で共振する。

光の偏光パラメータは、第１のＰＥＭ２０２によって最初に変調され、次いで、第２のＰＥＭ２０３によって再び変調される。上で説明されているように、ＰＥＭ２０２、２０３を通過する受光した光の異なる位相は、異なる量の位相遅延を受ける。第１および第２のＰＥＭ２０２、２０３を通過した光が直線偏光子２０４を通過した後、変調強度の光が生成される。

検出器１０５は、変調器１０３からの変調強度光をゲーティングユニット１０８上に集束する集束光学系２０６を備える。検出器１０５は、ゲーティングユニット１０８によって通された光を光検出器アレイ１０７上に集束する集束光学系２０８を備える撮像デバイス２０７をさらに具備する。

いくつかの例では、帯域通過フィルタ／単色光分光器が検出器１０５の入口に配置され、それにより、分析対象となる単一波長を選択することができる。

図示されている例では、ゲーティングユニット１０８は、アクティブであるときに、変調器１０３からの光を増強する（すなわち、その輝度を増幅する）ゲーティングされた画像増強管である。したがって、光検出器アレイ１０７上に入射するサンプル１０１の画像２１３が増幅される。ゲーティングされた画像増強管も、アクティブでないときに、光検出器アレイ１０７へ透過される光の量が、無視できるくらい小さいレベルであるように配置構成され、および／または光検出器アレイのピクセルは、アクティブでないときに画像増強管によって通される光レベルから電荷を収集しないように較正される。言い替えれば、光検出器アレイ１０７は、画像２１３を検出しない。

光検出器アレイ１０７は、プロセッサ１０６のデータインターフェース２０９に接続される。データインターフェース２０９のピクセルデータは、プロセッサ１０６の中央演算処理装置（ＣＰＵ）２１０に入力される。ＣＰＵ２１０は、ピクセルデータを以下でより詳しく説明されているように処理し、メモリ２１１内に記憶される偏光パラメータデータを生成する。メモリ２１１は、この偏光パラメータデータを入力／出力インターフェース２１２を介して上で説明されているような任意の好適な形式の画像データとして出力することができる。

上で説明されているように、変調器１０３から出た光は、時間的に変化する強度を有し、より具体的には複合波形に従って時間的に変化する。この複合波形の特性は、受光した光の偏光パラメータに関係する。

変調器を透過した光線は、以下の複合波形によって与えられる時間的に変化する強度を有することが示され得る。
Ｉ_０（ｔ）＝ｍ_１１Ｉ＋ｍ_１２（ｔ）Ｑ＋ｍ_１３（ｔ）Ｕ＋ｍ_１４（ｔ）Ｖ ［５］

Ｉ、Ｑ、Ｕ、およびＶは、光線のストークスパラメータであり、ｍ_１１、ｍ_１２、ｍ_１３、およびｍ_１４は、光が透過する光学系の４×４ミュラー行列の係数である。

さらに、波形Ｉ_０（ｔ）のｄｃ成分が、Ｉ、Ｑ、およびＵに比例すること、ならびに波形Ｉ_０（ｔ）のａｃ成分を構成する周波数の振幅は、ストークスパラメータに比例することが示され得る。

より具体的には、Ｉ_０（ｔ）のｄｃ成分、Ｓ_ｄｃ、およびＩ_０（ｔ）の次の複素成分Ｓ_ｆ１、Ｓ_ｆ２、およびＳ_ｆ３は、次のようにストークスパラメータに関係する。
Ｓ_ｄｃ＝ｇ_１Ｉ＋ｇ_２Ｑ＋ｇ_３Ｕ ［６］
Ｓ_ｆ１＝ｇ_４Ｑ＋ｇ_５Ｕ ［７］
Ｓ_ｆ２＝ｇ_６Ｑ＋ｇ_７Ｕ ［８］
Ｓ_ｆ３＝ｇ_８Ｖ ［９］

ｇ_１からｇ_８は、行列

の係数である。

この行列は、たとえば図２に例示されているようにデュアル変調器型配置構成に対する「Ｇ」行列に対応する。

この行列の逆行列を求めて、ストークスパラメータについて解くことができる。

行列Ｋの非ゼロ要素、すなわち、ｋ_１からｋ_８は、システムの特定の光学パラメータによって決定される。すでに説明されているように、Ｋ行列の要素は、装置を通る特定の光路に関連付けられている光学特性（たとえば、偏光効果）に依存する。その最も一般的な形態において、Ｋのすべての要素は、非ゼロ値であり、より多くの同等でないデータ点が使用されれば、較正手順はそれでも使用できる。光検出器アレイの各ピクセルが積分器として使用される図１および図２を参照しつつ説明される実装などの実装において、各ピクセルに対するＫ行列が、決定されなければならない。しかしながら、従来の光学系を使用した場合には、各ピクセルは、好適な較正を非常に難しくする複数の発散的光路から光を受光する。

図２および図３に示されている光路を参照すると理解できるように、無限遠補正レンズ２０１の実現は、検出器アレイの各ピクセルが、対応する遅延を受ける装置を通る単一の１組の平行な光路と関連付けられていることを意味する。したがって、無限遠補正レンズ２０１の実現で、Ｋ行列がピクセルごとに決定されることが可能になる。そのような較正手順の例は、以下でより詳しく説明される。

図２に示されている変調器１０３について、式［６］、［７］、［８］、および［９］を参照すると、ｆ１＝２ｆ_ｐｅｍ１、ｆ２＝２ｆ_ｐｅｍ２、およびｆ３＝ｆ_ｐｅｍ２であることがわかる。したがって、Ｓ_ｆ１＝Ｓ_{２ｆＰＥＭ１}、Ｓ_ｆ２＝Ｓ_{２ｆＰＥＭ２}、およびＳ_ｆ３＝Ｓ_{ｆＰＥＭ２}。

したがって、２ｆ_ＰＥＭ１（第１のゲーティング周波数）、２ｆ_ＰＥＭ２（第２のゲーティング周波数）、およびｆ_ＰＥＭ２（第３のゲーティング周波数）で変調光の強度（すなわち、Ｉ_０（ｔ））をサンプリングし、またＩ_０（ｔ）のｄｃ成分の測定を行うことによって、ｋ_１からｋ_８が知られているとして、ストークスパラメータＩ、Ｑ、Ｕ、およびＶが光検出器アレイ１０７のピクセルの各々でサンプル１０１からの光について決定され得ることは理解されるであろう。

したがって、ストークスパラメータを決定するために、Ｉ_０（ｔ）の各複素成分の振幅Ｓ_ｆ１、Ｓ_ｆ２、Ｓ_ｆ３が、決定されなければならない。一般に、これを達成するために好適な任意のロックイン信号復元技術が使用できる。

一例において、第１の暴露期間にＳ_ｆ１の振幅を決定するために、ゲーティングされた画像増強管１０８は、２ｆ_ｐｅｍ１の第１のゲーティング周波数で動作し、光検出器アレイ１０７は、ＣＰＵ２１０によって受信されたピクセルデータの第１のフレームを取り込む。すなわち、画像増強管は、第１のゲーティング周波数で光検出器アレイ１０７上に入射した画像２１３を定期的に増強する。ピクセルデータは、第１の暴露期間におけるそのピクセルでの全照射光に対応する各ピクセルに対する積分値を含む。ゲーティングされた画像増強管１０８の動作の位相は、Ｉ_０（ｔ）の強度がＩ_０（ｔ）の各変調期間の第１の半分においてサンプリングされるような位相である。

ＣＰＵ２１０は、各ピクセルから読み出された積分値を暴露期間における変調期間の数で除算して、暴露期間中の光の強度の平均値を与える。これは、積分値の第１の「フレーム」をもたらす。

第２の暴露期間中に、同じプロセスが実行され、ピクセルデータの第２のフレームが取り込まれる。これは、ゲーティングされた画像増強管１０８の動作が、Ｉ_０（ｔ）の強度がＩ_０（ｔ）の各変調期間の第２の半分においてサンプリングされるように変更されることを除き、第１のフレームと同じようにして取り込まれる。このプロセスは、積分値の第２のフレームをもたらす。

ＣＰＵ２１０は、積分値データの第１のフレームからの積分値を積分値の第２のフレームからの積分値から差し引いて、一組のデータ値Ｓｉｇ１を生成する。

このプロセスは、次いで再び繰り返され、ピクセルデータの第３および第４のフレームが取り込まれ、積分値の第３および第４のフレームが生成される。このプロセスは、ゲーティングされた画像増強管１０８が、同じゲーティング周波数で動作するように配置構成されるという点で説明したばかりのものに対応しているが、その位相は、π／２だけシフトされる。次いで、ＣＰＵ２１０は、積分値の第３のフレームからの積分値を積分値の第４のフレームからの積分値から差し引いて、第２の一組のデータ値Ｓｉｇ２を生成する。

Ｓ_ｆ１の振幅は

であることが示され得る。

これに基づき、ＣＰＵ２１０は、Ｓ_ｆ１の振幅を決定することができる。

ゲーティングされた画像増強管１０８が関連するゲーティング周波数で動作していることを除く、同じプロセスが、Ｓ_ｆ２およびＳ_ｆ３に対する振幅を決定するために使用される。

理解されるように、上で説明されているプロセスを使用して、ピクセルデータの４つのフレームが取り込まれ、Ｉ_０（ｔ）の成分の各複素数の振幅を決定する。したがって、Ｓ_ｆ１、Ｓ_ｆ２、およびＳ_ｆ３の振幅を決定するために、ピクセルデータの合計１２個のフレームが取り込まれる。

ｄｃ成分、Ｓ_ｄｃは、積分値の第１のフレームおよび第２のフレームを総和するか、または積分値の第２および第３のフレームを総和することによって決定され得る。

Ｓ_ｆ１、Ｓ_ｆ２、およびＳ_ｆ３の振幅、ならびに光検出器アレイ１０７の各ピクセルに対するｄｃ値Ｓ_ｄｃが計算された後、ＣＰＵ２１０は、行列［１０］を使用して光検出器アレイ１０７のピクセルのすべてについてＩ、Ｑ、Ｕ、およびＶの値を決定し、上で説明されているように画像データを生成して出力するように配置構成される。

理解されるように、一般的に、画像増強管の機能は、変調器と検出器との間に配設されているシャッターの効果をもたらすことであり、前記シャッターは関連するゲーティング周波数で動作する。この一般的な機能をもたらす好適なユニットが使用できることは理解されるであろう。

［物体のゲーティングされた照射光を使用するデュアル変調器偏光計］
図３は、偏光計装置の別の例の実装の概略図を提示している。図２に示されている偏光計装置の構成要素部品と対応する図３に示されている偏光計装置の構成要素部品は、対応する参照番号を付けられている。

図３に示されている偏光計装置は、ゲーティングユニットが画像増強管によって実現されないことを除き図２に示されているものと対応している。代わりにゲーティングユニットはゲーティングされた照射ユニット３０１である。画像増強管を備えない修正された検出器ユニット１０５ａが用意される。ゲーティングされた照射ユニット３０１は、典型的には、好適なＬＥＤまたはレーザーによって実現され、照射制御ユニット３０２によって制御される。レーザーまたはダイオードは単色とすることができ、それによって、ただ１つの帯域幅が分析される場合に検出器の前に帯域通過フィルタが必要であるという問題を解消することができる。

動作時に、変調器と検出器との間に配設されているゲーティングユニットを使用して光検出器アレイ１０７を選択的に暴露するのではなく、代わりに、光検出器アレイ１０７は、様々なゲーティング周波数でサンプル１０１を選択的に（すなわち、定期的に）照射するゲーティングされた照射ユニット３０１を使用して選択的に暴露される。典型的には、サンプル１０１は、ゲーティングされた照射ユニット３０１からの光の照射の下に置かれる。典型的には、周囲環境に照明を当てて、測定中に一定の照明レベルに保ち、また光検出器アレイ１０７を飽和させるのを回避する照明レベルに保つ。

光検出器アレイ１０７は、画像増強管が使用されるとき同等の方式で画像２１３に選択的に暴露される。すなわち、各暴露期間に、光検出器アレイ１０７の各ピクセルは、関連するゲーティング周波数でサンプリングされた変調された光Ｉ_０（ｔ）に暴露される。偏光パラメータを生成するためのプロセスは、他の場合にはたとえば図２に示されているのと同じである。

照射制御ユニット３０２は、照射処理ユニット３０３および関数発生器３０４を備える。関数発生器３０４は、ゲーティングされた照射ユニット３０１に送信され、照射のタイミングを制御する制御信号を供給する。

この例によれば、変調器と検出器との間にゲーティング機構を設ける必要はない。これは、一般的に、画像増強管を使用するのに比べてあまり複雑でない配置構成であるが、それは、変調器と光検出器アレイとの間の介在する構成要素が少なく、機械的により単純であり、潜在的に誤差源が少なくなるからである、しかしながら、画像増強管配置構成は、対象物体が脆弱な生体サンプルなどの、照射光により変化するか、または損傷する可能性の高い用途により適していると思われる。

［較正］
図２および図３を参照しつつ説明されている偏光計装置の例を較正するために、Ｋ行列（すなわち、行列［１１］）に対応する、較正データが、各ピクセルについて決定される。較正データは、偏光計装置内の光路に関連付けられている特定の光学的効果を考慮したものである。これは、入力光学素子によって持ち込まれる偏光効果、および変調器および他の光学的構成要素などの、光学系のミスアラインメントを含む。

上で説明されているように、無限遠補正レンズを用意することによって、光検出器の各ピクセル上に入射する光は、装置内の特定の一組の平行な光路からの光である。これは、たとえばＧｕａｎら、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、２０１０年、およびＣｏｏｋ、「Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｔｈｉｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ｓｏｆｔ ｘ−ｒａｙ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、ＰｈＤ ｔｈｅｓｉｓ、Ｓａｌｆｏｒｄ （２０１０年）において説明されている較正手順に対応する、較正手順が、ピクセルごとに較正データを生成することによって実行され得ることを意味している。

このような較正手順は、図４により詳しく例示されている。

図４は、サンプルがパターン化された対象物体、すなわち、知られている光学特性を有するパターン化されたテストサンプル４０１であることを除き図２に示されている装置に対応する偏光計装置の概略図を提示している。いくつかの例において、これは、知られている光磁気特性を有する連続的半透明磁気フィルムとすることも可能である。フィルムは、典型的には、システムによって撮像され得るように重ね合わせ不透明パターンを含む。さらに、較正光学素子６０２は、入力光学素子１０２と変調器１０３との間に取り外し可能に挿入される。

較正技術は、図２（ゲーティングユニットは変調器と光検出器アレイとの間に位置決めされる）の例を参照しつつ例示されているけれども、技術は、また、図３（ゲーティングユニットは、ゲーティングされた照射ユニットによって実現される）に例示されている技術とともに使用され得ることは理解されるであろう。

較正光学素子４０２は、典型的には、直線偏光子、およびたとえば、λ／４遅延を有する回転可能遅延板を備える。いくつかの例では、これらは、分離可能なユニットであり、直線偏光子は、最初に挿入され、較正測定が行われ、その後、波長板が続き、次いでさらに較正測定が行われる。

較正プロセスにおいて、光検出器アレイ上の各ピクセル位置に関連付けられている光路に対するＫ行列に対応する較正データが、偏光パラメータを計算するときにＣＰＵ２１０によって決定され、次いで使用される。これは、Ｃｏｏｋ、特にＣｏｏｋの第４章、４．３．３項において説明されている技術に従って一般的に実行され得る。較正プロセスが完了し、ＣＰＵ２１０が光検出器アレイ上の各ピクセル位置に関連付けられている光路に対するＫ行列に対応する較正データを生成した後、パターン化されたテストサンプル４０１および較正光学素子４０２が取り除かれる。

いくつかの例において、光検出器アレイは、数百万個のピクセルを備え得る。そのような場合に、ＣＰＵ２１０に対する処理の観点から、すべての単一ピクセルについてＫ行列を決定することは時間がかかりすぎる、および／または実用的でない可能性がある。Ｋ行列値は、典型的には、光検出器アレイのピクセルにわたって滑らかに変化する。したがって、いくつかの例では、ピクセルの部分集合に対するＫ行列は、ＣＰＵ２１０によって決定され、残りのピクセルに対する較正データ（すなわち、Ｋ行列）は補間アルゴリズムを実行するＣＰＵ２１０によって決定される。

［マルチチャネル検出器］
図５は、本発明の例によって円滑にされる検出器の代替的実装の概略図を提示している。

図２および図３に示されている例では、検出器は、典型的には、ピクセルデータのいくつかのフレームを取り込み、光検出器アレイ１０７の各ピクセルについてストークスパラメータを計算させることができる十分な情報を復元する。したがって、同じ数の暴露期間が、ストークスパラメータがプロセッサ１０６によって計算され得る前に経過していなければならない。

いくつかの例では、変調器の後にビームスプリッタが位置決めされ、それにより、変調強度光の多数のさらなるビームを生成することができる。変調強度光の各ビーム（すなわち、チャネル）は、分離している検出器ユニット内に導かれ、それにより、ピクセルデータの複数のフレームを同時に生成させることができる。これは、ピクセルデータのフレームが並列に処理されることを可能にする。たとえば、上で説明されているＳｉｇ１およびＳｉｇ２は、並列に決定され、Ｉ_０（ｔ）の複素成分の振幅、およびしたがって、ストークスパラメータを決定するのに要する時間を短縮できる。

他の例では、第１の変調器ＰＥＭ１に関連付けられている周波数を復調するように第１のチャネルが配置構成され、第２の変調器ＰＥＭ２に関連付けられている周波数を復調するように第２のチャネルが使用され得る。

図５は、ビームスプリッタ５０１が変調器の後に位置決めされるマルチチャネル検出器実装を示している（変調器は図示されていない）。

ビームスプリッタ５０１は、変調強度光の２つの分離した、ただし同一のビームを第１の検出アセンブリ５０２および第２の検出アセンブリ５０３に導く。

第１および第２の検出アセンブリ５０２、５０３は、各々、集束光学系２０６ａ、２０６ｂ、ゲーティングユニット１０８ａ、１０８ｂ、集束光学系２０８ａ、２０８ｂを含む撮像デバイス２０７ａ、２０７ｂ、および光検出器アレイ１０７ａ、１０７ｂを備える。これらの構成要素の機能および動作は、図２を参照しつつ上で説明されている検出器１０５のものに対応する。

第１の検出アセンブリ５０２のゲーティングユニット１０８ａは、動作時に、光検出器アレイ１０７ａをＩ_０（ｔ）のサイクル時間の所定の割合、たとえばゲーティング周波数の期間（すなわち、ゲーティング期間）の５０％デューティサイクルで変調強度光に暴露するように配置構成される。これは、変調期間の５０％デューティサイクルに対応する。

５０％デューティサイクルは、例にすぎないことは理解されるであろう。いくつかの例では、より短いデューティサイクルが使用されるものとしてよく、たとえば、各変調期間において複数のサンプルが採取される。これは、検出器の必要なダイナミックレンジを低減することができるが、すべての関連する情報を決定しストークスパラメータを決定するためにより多くのフレームが取り込まれる必要があり得る。

いくつかの例では、第２の検出アセンブリ５０３のゲーティングユニット１０８ｂは、動作時に、光検出器アレイ１０７ｂをゲーティング周波数の５０％デューティサイクルであり、第１の検出アセンブリから１８０度の位相外れの変調強度光に暴露するように配置構成される。上で説明されているように、これは、Ｓｉｇ１およびＳｉｇ２を並列に決定することを可能にする。理解されるように、ゲーティング周波数が１８０度位相外れである実装を実現するために、典型的には、各検出器内にゲーティングユニットを用意する必要がある。

この配置構成は、単一の暴露期間においてピクセルデータの２つのフレームが取り込まれることを可能にし、したがって単一の暴露期間においてＳｉｇ１およびＳｉｇ２の両方が取り込まれたピクセルデータから計算されることを可能にする。この概念は、図６を参照しつつより詳しく説明される。

図６は、複合波形Ｉ_０（ｔ）の図である。変調期間（ｔ_ｍｏｄ）は、第１の変調器の変調周波数ｆ_ｐｅｍ１の期間に対応する。単一暴露期間（ｔ_{ｅｘｐｏｓｕｒｅ}）は、典型的には、変調期間の整数倍だけ続く。図６に示されている例では、これは、変調期間の６倍である。暴露期間が完了すると、光検出器アレイからの各ピクセル値が読み出される。

プロセッサ１０６が、各ピクセル上に入射した変調強度光の強度を計算するときに、暴露期間が完了した後に読み出されたピクセル値は、暴露期間に含まれる変調期間の数で除算される。この方法で、変調期間に対する平均光強度が決定され、プロセスの精度が改善される。

第１の一連のブロック６０１は、第１の検出アセンブリ５０２のゲーティングユニット１０８ａが第１の検出アセンブリ５０２の光検出器アレイ１０７ａを暴露する暴露期間における時間を示す。第２の一連のブロック６０２は、第２の検出アセンブリ４０３のゲーティングユニット１０８ｂが第２の検出アセンブリ５０３の光検出器アレイ１０７ｂを暴露する暴露期間における時間を示す。上で述べたように、また図６を見るとわかるように、第１および第２の検出アセンブリ５０２、５０３のゲーティングユニット１０８ａ、１０８ｂは、それぞれの光検出器アレイ１０７ａ、１０７ｂを１８０度の位相外れを除きゲーティング周波数期間の５０％デューティサイクルを有する変調強度光に暴露する。

図５を参照しつつ説明されたマルチチャネルの例は、プロセッサ１０６が両方の光検出器アレイからのピクセルに対してＫ行列を生成するという点を除き図４を参照しつつ説明されている較正技術を使用して較正され得ることは理解されるであろう。ビームスプリッタが変調器の後に位置決めされると、単一の較正光学素子およびテストサンプルのみが必要である。

図５に示されているマルチチャネル実装は、２つのビームを備える。しかしながら、いくつかの例では、ビームスプリッタは、より多くのビームを生み出すことができ、またより多くの検出チャネルが提供され得る。

上で説明されている偏光計配置構成および技術は、多くの用途に使用することができ、たとえば、対象物体が生体細胞などの小さな物体であり得る顕微鏡内に組み込まれるか、または天文機器内に組み込まれるものとしてよく、その場合、対象物体は、偏光計から遠距離にある大きい物体、たとえば星もしくは銀河であってよい。他の例では、偏光計は、科学機器ではなく、ロボット視覚システムの一部など、より一般的な機能を有するデバイスに組み込まれ得る。

対象物体が偏光計から遠距離にある用途では、偏光計に入る光は、すでに、実質的に平行であるものとしてよい。代替的に、一次集束光学系（たとえば、レンズまたは鏡）は、偏光計に入った光が実質的に平行になるように偏光計の前に置かれるものとしてよい。そのような場合において、受光した光の性質が画像デバイスの各ピクセルが偏光計を通る単一光路に関連付けられるようなものなので無限遠補正光学素子が必要になることはあり得ない。

図２および図３を参照しつつ説明されている例示的な実装において、偏光変調器は、２つのＰＥＭおよび直線偏光子によって実現される。ＰＥＭは、非常に低い残留複屈折をもたらし、ＵＶ光への暴露で劣化せず、大きな開口および受け入れ角度を有し、動作させるのに必要な電力は非常にわずかである。しかしながら、変調偏光を入力光に与え、これを変調強度を有する光に変換することができる光学素子を使用することも可能であることは理解されるであろう。そのような光学素子は、ポッケルセルおよび液晶リターダを含む。

いくつかの例において、従来の顕微鏡などの他の場合の従来のデバイスに付加される本発明の原理を具現化するモジュール式ユニットが実現され得る。すなわち、偏光測定デバイスで使用するためのモジュールである。図７ａおよび図７ｂは、この概念を例示している。

図７ａは、そのような従来のデバイスに組み込むための第１のモジュール式ユニット７０１の簡略化された概略図である。モジュール式ユニット７０１は、図１を参照しつつ説明されているものに対応する構成要素部品、すなわち、変調器１０３、変調器コントローラ１０４、ゲーティングユニット１０８および光検出器アレイを備える検出器１０５、ならびにプロセッサ１０６を備える。第１のモジュール式ユニット７０１は、装置、たとえば、顕微鏡（図示せず）に嵌められ、顕微鏡の光学系からの光が変調器内に入る。光の偏光パラメータは、上で説明されているように計算される。

図７ｂは、モジュール式ユニット７０２が、変調器と光検出器アレイとの間に配設されている一体型ゲーティングユニットではなく、ゲーティングユニットとしてゲーティングされた照射ユニット３０１を備えることを除き、図７ａを参照しつつ説明されているモジュール式ユニット７０１と構成要素が対応しているモジュール式ユニット７０２の概略図である。

上で説明されている例では、ピクセルデータ（すなわち、変調光の選択的に測定された強度に対応するデータ）を受信し、これから偏光パラメータを計算するプロセッサは、メモリおよびＣＰＵを備え、偏光計の検出器の撮像デバイスに接続される、単一プロセッサとして例示されている。しかしながら、いくつかの例では、これは、単に論理的な指定であり、このプロセッサによって実行される機能（たとえば、ピクセルデータを受信するステップおよび画像データを生成するステップ）は、多数の相互接続を介して行われているが、物理的に分散されているプロセッサにわたって実行され得ることは理解されるであろう。

さらに、上で説明されている例では、様々なステップが、光検出器アレイのピクセルの「各々」または「すべて」に関して説明されている。いくつかの例では、光検出器アレイのピクセルの部分集合のみがどの時点においても使用され得ることは理解されるであろう。たとえば、ピクセルデータのフレーム内のデータの量を制御するため、または必要な較正データの量を低減するために、光検出器アレイは、光検出器アレイ上に物理的に存在するピクセルの総数の部分集合のみを使用するように配置構成され得る。

さらに、上で説明されている例における撮像デバイスは、一般的に、２次元光検出器アレイに関して参照される。しかしながら、本発明の原理は、変調強度照射光を検出することができる好適な任意の撮像デバイスに適用され得ることは理解されるであろう。いくつかの例は、単一光検出器または個別の光検出器の１次元「ライン」を備え得る。

図８は、本発明の一例による光の偏光を測定する方法に従ったフローチャートである。

第１のステップＳ８０１で、対象物体から受光した照射光の偏光状態は、第１の周波数に従って変調され、変調強度照射光を生成する。

第２のステップＳ８０２で、変調強度照射光の強度は、少なくとも第１の周波数に関連付けられている測定周波数に従って測定される。

第３のステップＳ８０３で、測定された強度に応答して、受光した照射光の１つまたは複数の偏光パラメータが決定される。

行列［１１］を参照すると、デュアルＰＥＭ配置構成はＫ行列のこの特定の形式を引き起こすことに留意されたい。より一般的な形式では、Ｋ行列のすべての要素は、非ゼロであってよい。典型的には、この場合、そのような行列の決定に必要なデータ点の最小数は増大する。たとえば、１６個の同等でないデータ点が必要になる。いくつかの例では、最適化手順と併せてより多くの点が使用されることが可能である。

本明細書の説明および請求項全体を通して、「含む」、「備える」、およびこれらの活用形は、「限定はしないが．．．を含む」を意味し、他の部分要素、追加要素、構成要素、整数、またはステップを除外することを意図していない（除外しない）。本明細書の説明および請求項全体を通して、単数形は、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、複数形を包含する。特に、英文中で不定冠詞が使われている場合、本明細書は、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、複数形だけでなく単数形をも考えるものとして理解されるべきである。

本発明の特定の態様、実施形態、または例に関して説明されている特徴、整数、特性、またはグループは、不適合でない限り、本明細書で説明されている他の態様、実施形態、または例に適用可能であるものと理解されるべきである。本明細書（付属の請求項、要約、および図面を含む）で開示されている特徴部のすべて、および／またはこうして開示されている方法もしくはプロセスのステップのすべては、特徴部および／またはステップの少なくともいくつかが相互排他的である組合せを除く、任意の組合せに組み合わせることができる。本発明は、前述の実施形態の詳細に制限されない。本発明は、本明細書（付属の請求項、要約、および図面を含む）で開示されている特徴のうち新規性のある特徴、もしくは新規性のある組合せに、またはこうして開示されている方法もしくはプロセスのステップのうちの新規性のあるもの、または新規性のある組合せに拡大適用される。

読者の注意は、本出願に関連して本明細書と同時に、またはその前に提出された、また本明細書とともに公衆の閲覧に付されたすべての論文および文書に向けられており、そのようなすべての論文および文書の内容は、参照により本明細書に組み込まれている。

１０１ サンプル
１０２ 入力光学素子
１０３ 偏光変調器
１０４ 変調器コントローラ
１０５ 検出器
１０５ａ 検出器ユニット
１０６ プロセッサ
１０７ ２次元光検出器アレイ
１０７ａ、１０７ｂ 光検出器アレイ
１０８ ゲーティングユニット
１０８ａ、１０８ｂ ゲーティングユニット
２０１ 無限遠補正レンズ
２０２ 第１の光弾性変調器（ＰＥＭ）
２０２ａ、２０３ａ トランスデューサ
２０２ｂ、２０３ｂ 共振バー
２０３ 第２のＰＥＭ
２０４ 直線偏光子
２０６ 集束光学系
２０６ａ、２０６ｂ 集束光学系
２０７ 撮像デバイス
２０７ａ、２０７ｂ 撮像デバイス
２０８ 集束光学系
２０８ａ、２０８ｂ 集束光学系
２０９ データインターフェース
２１０ 中央演算処理装置（ＣＰＵ）
２１１ メモリ
２１２ 入力／出力インターフェース
２１３ 画像
３０１ ゲーティングされた照射ユニット
３０２ 照射制御ユニット
３０３ 照射処理ユニット
３０４ 関数発生器
４０１ テストサンプル
４０２ 較正光学素子
５０１ ビームスプリッタ
５０２ 第１の検出アセンブリ
５０３ 第２の検出アセンブリ
６０２ 較正光学素子
７０１ 第１のモジュール式ユニット
７０２ モジュール式ユニット

Claims (42)

1. 電磁照射光の偏光を測定するための方法であって、
   対象物体から受光した照射光の偏光状態を変調して変調強度照射光を生成するステップと、
   第１のゲーティング周波数で前記変調強度照射光への撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングすることによって前記変調強度照射光の強度を選択的に測定するステップと、
   前記測定された強度に応答して、前記受光した照射光の偏光パラメータを決定するステップと、
   複数の前記偏光パラメータを有する前記対象物体に対応する画像データを生成するステップと、
   を含み、
   前記対象物体からの前記照射光は、第１の周波数に従って変調され、前記第１のゲーティング周波数は、少なくとも前記第１の周波数に関連付けられ、少なくとも前記第１の周波数と同期する方法。
2. 変調の前に、前記照射光を無限遠補正光学素子に通すステップを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記受光した照射光の前記偏光パラメータを決定する前に、受光した後および選択的に測定される前の前記受光した照射光が辿る異なる光路の偏光効果に関連付けられている較正データを決定するステップをさらに含み、
   前記受光した照射光の前記偏光パラメータを決定するステップは、前記決定された較正データに従う請求項２に記載の方法。
4. 前記較正データを決定するステップは、無限遠補正レンズを通過した後、および変調される前に、周知な光学特性のパターン化された対象物体からの照射光を周知な光学特性の較正光学素子に通すステップを含む請求項３に記載の方法。
5. 前記変調強度照射光への前記撮像デバイスの前記暴露を定期的にゲーティングするステップは、前記第１のゲーティング周波数で前記撮像デバイスに入射する画像を増強するステップを含む請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記撮像デバイス上に入射する前記画像は、画像増強管によって前記第１のゲーティング周波数で増強される請求項５に記載の方法。
7. 前記変調強度照射光への前記撮像デバイスの前記暴露を定期的にゲーティングするステップは、前記第１のゲーティング周波数で前記対象物体を定期的に照射するステップを含む請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記受光した照射光の前記偏光状態を変調した後、および前記変調強度照射光の前記強度を選択的に測定する前に、前記変調強度照射光を分割して、前記変調強度照射光の少なくとも１つのさらなるビームを生成するステップを含む請求項４に記載の方法。
9. さらなるゲーティング周波数で変調強度照射光の前記さらなるビームへのさらなる撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングすることによって変調強度照射光の前記さらなるビームの強度を選択的に測定するステップと、
   変調強度照射光の前記さらなるビームの前記測定された強度に応答して、前記受光した照射光のさらなる偏光パラメータを決定するステップと、
   複数の前記さらなる偏光パラメータを有する前記対象物体に対応するさらなる画像データを生成するステップと、
   をさらに含み、
   前記さらなるゲーティング周波数は、少なくとも前記第１の周波数に関連付けられ、少なくとも前記第１の周波数と同期する請求項８に記載の方法。
10. 前記第１のゲーティング周波数および前記さらなるゲーティング周波数は、実質的に１８０°位相外れである請求項９に記載の方法。
11. 前記変調強度照射光の前記強度を選択的に測定するステップは、前記変調強度照射光のサイクル時間の所定の割合について前記変調強度照射光を定期的に測定するステップを含む請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記所定の割合は、前記第１の周波数の５０％デューティサイクルに関連付けられている請求項１１に記載の方法。
13. 少なくとも１つの第１の光弾性変調器を介して前記偏光状態を変調するステップをさらに含む請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第１の周波数は、前記第１の光弾性変調器の共振周波数である請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１の光弾性変調器による前記受光した照射光の前記偏光状態を変調するステップと、次いで、第２の光弾性変調器による前記受光した照射光の前記偏光状態をさらに変調するステップとを含む請求項１４に記載の方法。
16. 第２の周波数で前記第２の光弾性変調器による前記受光した照射光の前記偏光状態をさらに変調するステップであって、前記第２の周波数は前記第２の光弾性変調器の共振周波数である、ステップを含む請求項１５に記載の方法。
17. 前記変調強度照射光は、前記第１のゲーティング周波数および第２のゲーティング周波数で選択的に測定され、前記第２のゲーティング周波数は前記第２の光弾性変調器の前記共振周波数に対応する請求項１６に記載の方法。
18. 変調する前記ステップは、前記照射光を直線偏光子に通すステップをさらに含む請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記撮像デバイスは、光検出器アレイである請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記偏光パラメータは、ストークスパラメータである請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記偏光パラメータは、Ｉ、Ｑ、Ｕ、およびＶストークスパラメータのすべてである請求項２０に記載の方法。
22. 前記受光した照射光の前記偏光パラメータを決定するステップは、前記変調強度照射光の前記選択的に測定された強度から、前記変調強度照射光に関連付けられている複合波形の１つまたは複数の係数を抽出するステップを含む請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記１つまたは複数の係数を使用してミュラー行列を解き前記ストークスパラメータを決定するステップを含む請求項２０に記載の方法。
24. 電磁照射光の偏光を測定するための装置であって、
    対象物体から受光した照射光の偏光状態を変調し、変調強度照射光を生成するように動作可能である変調器と、
    検出器およびゲーティングユニットであって、前記ゲーティングユニットは第１のゲーティング周波数で前記変調強度照射光への前記検出器の撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングするように動作可能であり、それによって、前記検出器が前記変調強度照射光の強度を選択的に測定することを可能にする、検出器およびゲーティングユニットと、
    前記変調強度照射光の前記強度の前記選択的な測定から、前記受光した照射光の偏光パラメータを決定し、複数の前記偏光パラメータを有する前記対象物体に対応する画像データを生成するように動作可能であるプロセッサと、
    を備え、
    前記変調器は、前記受光した照射光を第１の周波数に従って変調し、前記第１のゲーティング周波数は、少なくとも前記第１の周波数に関連付けられ、少なくとも前記第１の周波数と同期する装置。
25. 照射光が前記変調器を通過する前に無限遠補正光学素子を通過するように配設されている前記無限遠補正光学素子をさらに備える請求項２４に記載の装置。
26. 前記プロセッサは、前記検出器によって選択的に測定される前に前記受光した照射光が辿る異なる光路の偏光効果に関連付けられている較正データを供給される請求項２５に記載の装置。
27. 前記ゲーティングユニットは、前記第１のゲーティング周波数で、前記撮像デバイスに入射した画像を増強するように動作可能である画像増強管である請求項２５または２６のいずれか一項に記載の装置。
28. 前記ゲーティングユニットは、前記第１のゲーティング周波数で前記対象物体を定期的に照射するように動作可能である照射ユニットである請求項２４から２６のいずれか一項に記載の装置。
29. 前記変調器の後に配設されているビームスプリッタをさらに備え、前記ビームスプリッタは前記変調強度照射光を変調強度照射光のさらなるビームに分割するように動作可能である請求項２４から２８のいずれか一項に記載の装置。
30. さらなる検出器およびさらなるゲーティングユニットであって、前記さらなるゲーティングユニットはさらなるゲーティング周波数で変調強度照射光の前記さらなるビームへの前記さらなる検出器の撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングするように動作可能であり、それによって、前記さらなる検出器が前記変調強度照射光の強度を選択的に測定することを可能にする、さらなる検出器およびさらなるゲーティングユニットをさらに備え、
    前記プロセッサは、前記さらなる変調強度照射光の前記強度の前記選択的な測定から、前記受光した照射光のさらなる偏光パラメータを決定し、複数の前記偏光パラメータを有する前記対象物体に対応するさらなる画像データを生成するように動作可能であり、
    前記さらなるゲーティング周波数は、前記第１の周波数に関連付けられ、それと同期する請求項２９に記載の装置。
31. 前記第１のゲーティング周波数および前記さらなるゲーティング周波数は、実質的に１８０°位相外れである請求項２７に従属する請求項２９に従属するときの請求項３０に記載の装置。
32. 前記ゲーティングユニットは、前記変調強度照射光のサイクル時間の所定の割合の期間に前記撮像デバイスを暴露するように配置構成される請求項２４から３１のいずれか一項に記載の装置。
33. 前記所定の割合は、前記第１の周波数の５０％デューティサイクルに関連付けられている請求項３２に記載の装置。
34. 前記変調器は、少なくとも１つの第１の光弾性変調器を備える請求項２４から３３のいずれか一項に記載の装置。
35. 前記第１の周波数は、前記第１の光弾性変調器の共振周波数である請求項３４に記載の装置。
36. 前記変調器は、第２の周波数で照射光を変調するように配置構成された第２の光弾性変調器をさらに含み、前記第２の周波数は前記第２の光弾性変調器の共振周波数である請求項３４または３５のいずれか一項に記載の装置。
37. 前記変調器は、直線偏光子をさらに備える請求項２４から３６のいずれか一項に記載の装置。
38. 前記撮像デバイスは、光検出器アレイである請求項２４から３７のいずれか一項に記載の装置。
39. 前記プロセッサは、前記変調強度照射光の前記選択的に測定された強度から、前記変調強度照射光に関連付けられている複合波形の１つまたは複数の係数を抽出することによって前記受光した照射光の前記偏光パラメータを決定するように動作可能である請求項２４から３８のいずれか一項に記載の装置。
40. 偏光測定デバイスにおいて使用するためのモジュールであって、
    対象物体から受光した照射光の偏光状態を変調し、変調強度照射光を生成するように動作可能である変調器と、
    検出器およびゲーティングユニットであって、前記ゲーティングユニットは第１のゲーティング周波数で前記変調強度照射光への前記検出器の撮像デバイスの暴露を定期的にゲーティングするように動作可能であり、それによって、前記検出器が前記変調強度照射光の強度を選択的に測定することを可能にする、検出器およびゲーティングユニットと、
    前記変調強度照射光の前記強度の前記選択的な測定から、前記受光した照射光の偏光パラメータを決定し、複数の前記偏光パラメータを有する前記対象物体に対応する画像データを生成するように動作可能であるプロセッサと、
    を備え、
    前記変調器は、前記受光した照射光を第１の周波数に従って変調し、前記第１のゲーティング周波数は、少なくとも前記第１の周波数に関連付けられ、少なくとも前記第１の周波数と同期するモジュール。
41. 添付図面を参照しつつ実質的に以上で説明されているように製作され配置構成された装置またはモジュール。
42. 添付図面を参照しつつ実質的に上で説明されているような方法。

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