快速高精度Stokes-Mueller成像仪及其校准方法

技术领域

本发明属于偏振检测技术领域，具体涉及一种快速高精度Stokes-Mueller成像仪及其校准方法。

背景技术

Stokes-Mueller成像仪能获取偏振光的Stokes矢量和被测目标的Mueller矩阵，Mueller矩阵包含了目标全部的偏振信息，反映出目标的结构信息。利用Stokes-Mueller成像仪观测各类样品的结构被广泛应用于各个领域。系统合理的设计和精确的标定对于获取目标更准确的Stokes矢量和Mueller矩阵，提高仪器的测量速度和精度具有重要的意义。

传统的偏振态分析器PSA和偏振态产生器PSG,主要采用双旋转波片法，利用旋转位移台带动波片旋转，由于检测过程存在机械运动，因此限制了仪器的测量速度。而且旋转位移台在快速成像中存在定位不准的问题，导致仪器精度降低。

本征值标定是Stokes-Mueller成像仪合适的标定方法，在反射式系统需要用到多个定标元件，各定标元件的位置改变会导致光路的不一致，使得经过偏振态分析器的光线角度发生变化，其表现出来的偏振特性也会不同，校准得到的仪器矩阵存在误差，影响仪器的测量精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种快速高精度Stokes-Mueller成像仪及其校准方法，系统能够实现快速的Stokes-Mueller成像，还能够提高系统的测量精度。

Stokes-Mueller成像仪，包括光源(101)、准直镜(102)、偏振态产生器(103)、聚光镜(104)、分光镜(105)、物镜(106)、载物台(107)、结像镜(108)、偏振态分析器(109)及数据处理模块；

所述偏振态产生器(103)包括偏振片(201)以及第一液晶相位延迟器(202)和第二液晶相位延迟器(203)；

所述偏振态分析器(109)包括分束镜(303)，第一偏振探测器(301)、第二偏振探测器(304)及第三液晶相位延迟器(302)；其中第一偏振探测器(301)前放置方位角可调整液晶相位延迟器(302)位于分束镜(303)透光端第二偏振探测器(304)放置在分束镜(303)反光端；

光源(101)出射的光经过准直镜(102)准直后，进入偏振态产生器(103)，进入偏振态产生器(103)的光线首先经过偏振片(201)变成线偏振光，随后进入相位延迟量可变的第一液晶相位延迟器(202)和第二液晶相位延迟器(203)调制出用于入射样品的偏振光，经过偏振调制的偏振光随后透过聚光镜(104)，被分光镜(105)反射，随后被物镜(106)照射在载物台(107)上放置的样品上；样品反射的光被物镜(106)收集，透过分光镜(105)，被结像镜(108)汇聚，进入偏振态分析器(109)；进入偏振态分析(109)的光线，一部分透过分光镜(303)，进入第二偏振探测器(304)；一部分光被分光镜(303)反射，透过第三液晶相位延迟器(302)后，进入第一偏振探测器(301)；第一偏振探测器(301)和第二偏振探测器(304)接收到光强信号后，将数据发送给数据处理模块；

所述偏振片(201)以及第一液晶相位延迟器(202)和第二液晶相位延迟器(203)在每次成像时产生1种入射偏振态，四次成像产生4种线性无关的入射偏振态；所述第一偏振探测器(301)、第二偏振探测器(304)及第三液晶相位延迟器(302)一次成像中产生4种线性无关的检测偏振态，则数据处理模块利用接收到16种偏振态下的数据进行成像以及获得Mueller矩阵。

较佳的，所述第一偏振探测器(301)、第二偏振探测器(304)，每2×2个微偏振片组成一个偏振单元，每个偏振单元中四个像元前分别设置光轴角度为0°，45°，90°和135°的微偏振片。

较佳的，每2×2个偏振单元构成一个颜色基本单元，每个颜色基本单元中的三个偏振单元前端分别设置有红色、绿色和蓝色的微滤光片。

用于Stokes-Mueller成像仪的校准方法，包括：

步骤一，制作标定元件；

绕反射镜中心在不同区域分别贴合两块薄膜偏振片和一个薄膜八分之一延迟器，同时保留一个不贴合任何器件的反射区域；

其中，两块薄膜偏振片方位角分别为0°和90°，所在区域分别为第一区域(601)和第二区域(602)，两者，标定元件薄膜八分之一延迟器的方位角为30°，所在区域定义为第三区域(603)，其中不贴合任何器件的反射区域为第四区域(604)；

步骤二，将标定元件放置在Mueller成像仪的载物台(107)样品位置；旋转标定元件，分别对标定元件的第四区域(604)，贴有薄膜偏振片的第一区域(601)和第二(602)，贴有薄膜延迟器的第三区域(603)进行Mueller成像，得到四组光强分别为I

步骤三，利用测得的光强矩阵I

步骤四，将步骤三得到的方程改写为：

M

M

M

其中，G为光线进入标定元件之前的仪器矩阵，M

以C

其中τ是标定元件反射率，ψ和Δ是椭偏参数；

M

其中，未知数a,b,c,d由C

其中，λ

步骤五，构建方程：

其中E为4×4单位阵，vec为矩阵拉直运算符，

H

其中，

步骤六，按照上述方法分别对C

由此得到：

L·vec(G)＝0

定标元件的实际方位角θ，为矩阵L的最小的特征值与第二小特征值之比取最小值时的解，因此求得θ；

步骤七，将求解的各个标定元件的a,b,c,d和θ代入到L·vec(G)＝0，即实现仪器矩阵G的求解；再根据I

本发明具有如下有益效果：

本发明提出偏振态产生器由一块偏振片和两个方位角可调整的液晶相位延迟器组成，偏振态分析器由分束镜和两个偏振探测器及一个液晶相位延迟器组成，使得Stokes-Mueller成像仪检测时无需机械运动，偏振态分析器可以实现一次成像即可检测全部Stokes矢量的全部分量。极大的提高了仪器的检测速度和检测精度。探测器的颜色分区，则可保障在对样品进行Stokes-Mueller成像的同时，探测样品的颜色信息。

本发明提出的校准方法，通过将薄膜偏振片和薄膜延迟器分别贴在反射镜的不同区域，作为定标原件。避免传统标定步骤中标定元件在光路中反复更换的缺点，仅需要旋转本发明提出的标定元件即可完成全部标定。标定过程中不改变标定光路，获得更真实的仪器矩阵分布，同时本方法提出的标定元件简化了标定流程，降低了仪器的校准时间成本。

附图说明

图1为快速高精度Stokes-Mueller成像系统设计示意图。

其中，101-光源，102-准直镜，103-偏振态产生器，104-聚光镜，105-分光镜，106-物镜，107-载物台，108-结像镜，109-偏振态分析器。

图2为偏振态产生器示意图。

其中，201为偏振片，202为液晶相位延迟器，203为液晶相位延迟器。

图3为偏振态分析器示意图。

其中，301为偏振探测器，302为液晶相位延迟器，303为分束镜，304位偏振探测器。

图4为偏振探测器的偏振单元示意图。

401为0°，402为45°，403为90°，404为135°。

图5为偏振探测器的颜色单元示意图。

501为红色单元，502和503为绿色单元，504为蓝色单元。

图6为标定元件的示意图。601和602为贴有薄膜偏振片的反射镜区域，603为贴有薄膜延迟器的反射镜区域，604为无薄膜器件的反射镜区域。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明实施例提供一种快速-高精度Stokes-Mueller成像仪，如图1所示，包括光源101，准直镜102，偏振态产生器103，聚光镜104，分光镜105，物镜106，载物台107，结像镜108，偏振态分析器109及数据处理模块。

如图2所示，偏振态产生器103包括偏振片201以及垂直于光轴平面的液晶相位延迟器202和液晶相位延迟器203；如图3所示，所述偏振态分析器109包括分束镜，两个偏振探测器301、304及一个液晶相位延迟器302。其中一个偏振探测器301前放置方位角可调整液晶相位延迟器302位于分束镜303透光端，一个偏振探测器304放置在分束镜303反光端。

光源101出射的光经过准直镜102准直后，进入偏振态产生器103，进入偏振态产生器103的光线首先经过偏振片201变成线偏振光，随后进入相位延迟量可变的液晶相位延迟器202和203调制出用于入射样品的偏振光，经过偏振调制的偏振光随后透过聚光镜104，被分光镜105反射，随后被物镜106照射在载物台107上放置的样品上。样品反射的光被物镜106收集，透过分光镜105，被结像镜108汇聚，进入偏振态分析器109。进入偏振态分析109的光线，一部分透过分光镜303，进入偏振探测器304；一部分光被分光镜303反射，透过液晶相位延迟器302后，进入偏振探测器301。偏振探测器301和偏振探测器304接收到光强信号后，将数据发送给数据处理模块，用于成像以及获得Mueller矩阵。

要对样品的Mueller矩阵检测至少需要偏振态产生器103和偏振态分析器109产生16种偏振态组合，具体方式是通过改变偏振态产生器103的液晶相位延迟器202和203的相位延迟量，每一次调整，产生一种偏振态，通过4次调整可产生4种线性无关的入射偏振态；改变偏振态分析109中的液晶相位延迟器302的相位延迟量，配合偏振探测器304和301中的微偏振片，一次调整就可以产生4种线性无关的检测偏振态；则最终可通过4次调整，得到Mueller矩阵检测所需的16种偏振态组合

如图4所示，为本发明实施例偏振探测器的一个偏振单元的排列方式图。每2×2个微偏振片组成一个偏振单元，每个偏振单元中四个像元前分别设置光轴角度为0°，45°，90°和135°的微偏振片。本实施例中，四个微偏振片的光轴角度分别为，401-0°，402-45°，403-90°，404-135°。如图5所示，每2×2个偏振单元构成一个颜色基本单元，每个颜色基本单元中的三个偏振单元前端分别设置有红色、绿色和蓝色的微滤光片。本实施例中，501为红色单元，502和503为绿色单元，504为蓝色单元。每个偏振单元可实现对Stokes的全部线性分量的检测，同时使用两个偏振探测器301和304其中一个前置液晶相位延迟器302，则可实现对全Stokes矢量的检测。

颜色单元确保检测系统在对样品偏振信息进行检测的同时获得样品的颜色信息，从多维度实现样品信息的采集。

本发明提供的一种快速高精度Stokes-Mueller成像仪的校准方法，包括以下步骤：

步骤一，制作标定元件；如图6所示，绕反射镜中心在不同区域分别贴合两块薄膜偏振片和一个薄膜八分之一延迟器，同时保留一个不贴合任何器件的反射区域。

其中，两块薄膜偏振片方位角分别为0°和90°，所在区域分别为区域601和602，两者，标定元件薄膜八分之一延迟器的方位角为30°，所在区域定义为区域603，其中不贴合任何器件的反射区域为区域604。

步骤二，将标定元件放置在Mueller成像仪的载物台107样品位置；旋转标定元件，分别对标定元件的反射镜区域604，贴有薄膜偏振片的反射镜区域601和602，贴有薄膜延迟器的反射镜区域603进行Mueller成像，得到四组光强分别为I

步骤三，利用测得的光强矩阵I

步骤四，将步骤三得到的方程改写为：

M

M

M

其中，G为光线进入标定元件之前的仪器矩阵，M

以C

其中τ是标定元件反射率，ψ和Δ是椭偏参数。上述模型认为标定元件为理想的不存在误差，然而实际的标定元件在加工过程中存在误差，因此本标定方法将M

该模型相较于传统的模型多一个自由度，且不受限于原有的物理模型，因此通用性更高，标定精度更好，五个未知数a,b,c,d和θ。其中a,b,c,d可由C

其中λ

步骤五，构建方程：

其中E为4×4单位阵，vec为矩阵拉直运算符，

H

其中，

步骤六，按照上述方法分别对C

由此得到：

L·vec(G)＝0

虽然标定元件的方位角已知，但在实际标定时存在角度误差，定标元件的实际方位角θ，为矩阵L的最小的特征值与第二小特征值之比取最小值时的解，因此可求得θ。

步骤七，将求解的各个标定元件的a,b,c,d和θ代入到L·vec(G)＝0，即可实现仪器矩阵G的求解；再根据I

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。