[发明专利]一种自容式穆勒矩阵测量方法和装置

说明书

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。

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S_in经过线性变换得到一个新的Stokes向量S_out，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：

S_out＝M·S_in (1)

公式(1)中三个变量对应的详细参量可用公式(2)表示：

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S_in和S_out都为4*n的矩阵，其中n≥4。即，至少要切换照明光偏振态S_in4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。