CN110132852B - 一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***，包括：光源、透镜、第一偏振片、第一四分之一波片、消偏振分光棱镜、第一10倍物镜、目标物、第二10倍物镜、第二四分之一波片、第二偏振片、第一成像透镜、第一CMOS相机、第三四分之一波片、第三偏振片、第二成像透镜，第二CMOS相机和计算机；本发明的一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***，将这两种方式结合起来，通过一次实验可以同时得到目标物前向和后向Mueller矩阵，相比反射式偏振显微成像或透射式偏振显微成像可以更加全面的反映目标物的微观结构信息。

Description

一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***。

背景技术

偏振是各中矢量波共有的一种性质，电磁波和固体中的弹性波、自旋波都具有这种性质，作为电磁波的光波，同样具有偏振性质。当光入射到材料表面上时会和材料发生相互作用，使散射光的偏振态发生变化，这种变化和材料自身的介电常数、粗糙度、表面结构、含水量等有密切关系。通常用Mueller矩阵表示材料对散射光偏振态的影响，表征材料对散射光偏振态影响的参数，如相位延迟、退偏以及偏振，都包含在材料Mueller矩阵的信息中。测量和分析材料的Mueller矩阵有利于了解不同材料独特的偏振特性,由此获取待测目标物的微结构信息。

目前Mueller矩阵偏振显微成像方式主要有两种：反射式Mueller矩阵偏振显微成像和透射式Mueller矩阵偏振显微成像，这两种方法都存在一定的限制因素，制约了偏振显微成像技术的应用领域。反射式偏振显微成像针对目标物的后向散射成像，主要反映目标物的散射或反射能力，从而获取目标物的表面粗糙程度等信息，对目标物的厚度没有硬性要求，而透射式偏振显微成像针对目标物的前向透射成像，需要光能透过目标物，所以对目标物的厚度有要求，同时也更多地反映目标物的一些属性，比如内部结构、目标物的折射率和吸收能力等信息。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***，将这两种方式结合起来，通过一次实验可以同时得到目标物前向和后向Mueller矩阵，相比反射式偏振显微成像或透射式偏振显微成像可以更加全面的反映目标物的微观结构信息。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有技术中，对目标物的厚度有要求、无法全面反应目标物的微观结构信息、测量误差较大、使用局限性较大等问题，开发了一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***，通过一次实验可以同时得到目标物前向和后向Mueller矩阵，相比反射式偏振显微成像或透射式偏振显微成像可以更加全面的反映目标物的微观结构信息。

为实现上述目的，本发明提供了一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***，包括：光源、透镜、第一偏振片、第一四分之一波片、消偏振分光棱镜、第一10倍物镜、目标物、第二10倍物镜、第二四分之一波片、第二偏振片、第一成像透镜、第一CMOS相机、第三四分之一波片、第三偏振片、第二成像透镜，第二CMOS相机和计算机；其中，光源产生的光束通过透镜产生准直的光束，准直的光束依次通过第一偏振片和第一四分之一波片构成第一偏振态发生模块，然后经过消偏振分光棱镜对光束进行分束，经过消偏振分光棱镜的透射光经过第一10倍物镜后聚焦到目标物上分为两束光，第一束为目标物透射光，先经过第二10倍物镜变成平行光，再经过第二四分之一波片和第二偏振片构成的第二偏振态分析模块后，通过第一成像透镜在第一CMOS相机上成像；第二束为目标物反射光，目标物反射光经过第一10倍物镜后变成平行光，再经过由第三四分之一波片和第三偏振片构成的第三偏振态分析模块后，通过第二成像透镜在第二CMOS相机上成像，第二偏振态分析模块和第三偏振态分析模块操作同步，最终由计算机计算、处理获得的透射反射偏振图。

进一步地，第一偏振态发生模块为输入偏振态，第二偏振态分析模块和第三偏振态分析模块为输出偏振态。

进一步地，第一四分之一波片、第二四分之一波片、第三四分之一波片设置为可旋转。

进一步地，目标物设置为空气。此处设置目标物为空气的目的是为减少来源于偏振态发生模块中第一偏振片快轴方向以及第一四分之一波片方位角校准上带来的***测量误差，可通过设定测量目标物为空气，实验测量偏振态发生模块产生的入射光的偏振态，带入***分析程序，实现***校准。目标物设置为空气是为了测量想测的目标物的Mueller矩阵而提出的方法改进

技术效果

(1)本发明的一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***，将反射式Mueller矩阵偏振显微成像和透射式Mueller矩阵偏振显微成像两种方式结合起来，通过一次实验可以同时得到目标物前向和后向Mueller矩阵，相比反射式偏振显微成像或透射式偏振显微成像可以更加全面的反映目标物的微观结构信息。

(2)本发明通过直接测量入射偏振态，并带入通过算法校正的方法，避免了偏振发生模块中偏振片和四分之一波片快轴方位角误差带来的***测量误差。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***，包括：光源1、透镜2、第一偏振片3、第一四分之一波片4、消偏振分光棱镜5、第一10倍物镜6、目标物7、第二10倍物镜8、第二四分之一波片9、第二偏振片10、第一成像透镜11、第一CMOS相机12、第三四分之一波片13、第三偏振片14、第二成像透镜15，第二CMOS相机16和计算机17；其中，光源1产生的光束通过透镜2产生准直的光束，准直的光束依次通过第一偏振片3和第一四分之一波片4构成第一偏振态发生模块，然后经过消偏振分光棱镜5对光束进行分束，经过消偏振分光棱镜5的透射光经过第一10倍物镜6后聚焦到目标物7上分为两束光，第一束为目标物透射光，先经过第二10倍物镜8变成平行光，再经过第二四分之一波片9和第二偏振片10构成的第二偏振态分析模块后，通过第一成像透镜11在第一CMOS相机12上成像；第二束为目标物反射光，目标物反射光经过第一10倍物镜6后变成平行光，再经过由第三四分之一波片13和第三偏振片14构成的第三偏振态分析模块后，通过第二成像透镜15在第二CMOS相机16上成像，第二偏振态分析模块和第三偏振态分析模块操作同步，最终由计算机17计算、处理获得的透射反射偏振图，从而同时得到目标物前向和后向Mueller矩阵。

其中，第一偏振态发生模块为输入偏振态，第二偏振态分析模块和第三偏振态分析模块为输出偏振态。测量过程中，通过旋转输入端的第一偏振态发生模块中的第一四分之一波片，产生不同的输入偏振态。对应每个输入偏振态，通过旋转两个输出端的第二偏振态分析模块和第三偏振分析模块中的第二四分之一波片和第三四分之一波片，从而解调出经目标物透射和反射后输出光的偏振态。其中解调出输出光偏振态的四分之一波片旋转位置为4个，同时测量求解出目标物Mueller矩阵参数的输入偏振态为4个。

另外，本实施例中，光源优选为LED灯。

其中，还需要进一步解释的是：光源选用单波长可见光，一般以红光632nm或者绿光532nm为主；反射成像一般要求目标物厚度在微米级别，否则会出现部分成像区域无效，透射成像对厚度没有要求，但需要目标物光滑平整。

其中，偏振片和四分之一波片针对光源的波长从而选择对应波长的偏振片和四分之一波片，如果光源波长为532nm，则偏振片和四分之一波片同样需要选择该波长。透镜参数根据具体光路进行选择，比如焦距等，一般选择15-30mm焦距。

旋转四分之一波片能使o光和e光产生λ/4附加光程差，从而改变光的偏振态，比如若以线偏振光入射到四分之一波片，且方位角为45°，则穿出波片的光为圆偏振光；反之，圆偏振光通过四分之一波片后变为线偏振光。总之旋转四分之一波片的目的是为了改变光的偏振态。

其中所述透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***按照以下公式联立确定目标物前向和后向Mueller矩阵，因两个偏振分析模块操作同步，以透射式Mueller矩阵偏振显微成像***为例：

上式中，I_n是在***中没有放置目标物时，可认为目标物为空气，其Mueller矩阵为单位矩阵E，在四分之一波片(9)的4个不同方位角下拍照得到的光强信号所组成的光强向量：

I_n＝(i_n1 i_n2 i_n3 i_n4)^T, (2)

I_h是在***中放置目标物时，在四分之一波片(9)的4个不同方位角下拍照得到的光强信号所组成的光强向量：

I_h＝(i_h1 i_h2 i_h3 i_h4)^T, (3)

A是由偏振片(10)和四分之一波片(9)的4个不同方位角联合所确定的仪器矩阵，其中，

A(n，：)＝1/2(1，cos²(2θ_2，n)，cos(2θ_2，n)sin(2θ_2，n)，sin(2θ_2，n)), (4)

其中n＝1，2，3，4，θ₂为四分之一波片(9)的方位角，右下标中的数字变化代表了4个不同方位角。

目标物入射光的斯托克斯矢量S_in为：

S_in＝A^-1·I_n, (5)

其中A^-1为仪器矩阵的逆。

目标物出射光的斯托克斯矢量S_out为：

S_out＝A^-1·I_h, (6)

按照上述方法操作，在得到四组S_in以及对应的S_out后，代入公式(1)可得由16个线性无关的方程构成的方程组，从而求解出目标物的Mueller矩阵M_sample中的所有元素。

根据本实施例的实验所得，在第一偏振态发生模块中，相对于第一偏振片的快轴方向，第一四分之一波片的旋转方位角分别为16度、56度、124度、164度时，对***引入的旋转误差噪声最小。

在第二偏振态分析模块和第三偏振态分析模块中，相对于第二偏振片和第三偏振片的快轴方向，第二四分之一波片和第三四分之一波片的旋转方位角分别为16度、56度、124度、164度时，引入的***测量误差最小。

由于反射Mueller矩阵成像与透射Mueller矩阵成像，分别侧重于目标物外在形貌与内在结构，能够更加充分反映目标物被测特征。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***，其特征在于，包括：光源、透镜、第一偏振片、第一四分之一波片、消偏振分光棱镜、第一10倍物镜、目标物、第二10倍物镜、第二四分之一波片、第二偏振片、第一成像透镜、第一CMOS相机、第三四分之一波片、第三偏振片、第二成像透镜，第二CMOS相机和计算机；其中，所述光源产生的光束通过所述透镜产生准直的光束，所述准直的光束依次通过所述第一偏振片和所述第一四分之一波片构成第一偏振态发生模块，然后经过所述消偏振分光棱镜对光束进行分束，经过所述消偏振分光棱镜的透射光经过第一10倍物镜后聚焦到所述目标物上分为两束光，第一束为目标物透射光，先经过第二10倍物镜变成平行光，再经过第二四分之一波片和第二偏振片构成的第二偏振态分析模块后，通过第一成像透镜在第一CMOS相机上成像；第二束为目标物反射光，所述目标物反射光经过第一10倍物镜后变成平行光，再经过由第三四分之一波片和第三偏振片构成的第三偏振态分析模块后，通过第二成像透镜在第二CMOS相机上成像，第二偏振态分析模块和第三偏振态分析模块操作同步，最终由所述计算机计算、处理获得的透射反射偏振图；

其中，光源选用单波长可见光，目标物要求光滑平整，偏振片和四分之一波片针对光源的波长从而选择对应波长的偏振片和四分之一波片；

其中所述透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***按照以下公式联立确定目标物前向和后向Mueller矩阵，因两个偏振分析模块操作同步，以透射式Mueller矩阵偏振显微成像***为例：

上式中，I_n是在***中没有放置目标物时，可认为目标物为空气，其Mueller矩阵为单位矩阵E，在第二四分之一波片的4个不同方位角下拍照得到的光强信号所组成的光强向量：

I_n＝(i_n1 i_n2 i_n3 i_n4)^T， (2)

I_h是在***中放置目标物时，在第二四分之一波片的4个不同方位角下拍照得到的光强信号所组成的光强向量：

I_h＝(i_h1 i_h2 i_h3 i_h4)^T， (3)

A是由第二偏振片和第二四分之一波片的4个不同方位角联合所确定的仪器矩阵，其中，

A(n，：)＝1/2(1，cos²(2θ_2，n)，cos(2θ_2，n)sin(2θ_2，n)，sin(2θ_2，n))， (4)

其中n＝1，2，3，4，θ_2，n为第二四分之一波片的方位角，右下标中的数字变化代表了4个不同方位角；其中，A(n，：)表示A矩阵的元素，A(n，：)中“n”代表行，“：”代表列，而列为相同的元素，当n＝1，2，3，4时，A矩阵表示为：

目标物入射光的斯托克斯矢量S_in为：

S_in＝A^-1·I_n， (5)

其中A^-1为仪器矩阵的逆；

目标物出射光的斯托克斯矢量S_out为：

S_out＝A^-1·I_h， (6)

按照上述方法操作，在得到四组S_in以及对应的S_out后，代入公式(1)可得由16个线性无关的方程构成的方程组，从而求解出目标物的Mueller矩阵M_sample中的所有元素。

2.如权利要求1所述的一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***，其特征在于，所述第一偏振态发生模块为输入偏振态，所述第二偏振态分析模块和第三偏振态分析模块为输出偏振态。

3.如权利要求1所述的一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***，其特征在于，所述第一四分之一波片、第二四分之一波片、第三四分之一波片设置为可旋转。

4.如权利要求1所述的一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***，其特征在于，所述目标物设置为空气。

5.如权利要求1所述的一种透射反射Mueller矩阵偏振显微成像***，其特征在于，所述光源设置为LED。

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