测量偏振的制作方法

本发明涉及用于测量电磁辐射的偏振的方法和装置。特别地，但并不专门地，本发明涉及通过测量照明的强度并以协调方式调制照明来提供与目标对象相对应的图像数据。

背景技术：

偏振计是被用来测量电磁波（即电磁照明）的偏振状态的设备并且在诸如有机体和生物显微术、晶体学和天文学之类的各种领域中使用。

许多偏振计通过使未知或部分未知的偏振状态的电磁射线通过其偏振坐标系为已知的光学组件来工作。也就是说，光学组件给予通过其的电磁射线的偏振状态中的已知变化。然后，通过提供测量电磁射线在其已通过光学组件之后的性质中的变化的检测器，可以计算关于电磁射线的原始偏振状态的信息。

在许多偏振计中，光学组件包括一个或多个偏振调制器。偏振调制器是其光学性质响应于调制刺激的应用而改变的设备。通过偏振调制器的电磁射线经受根据所应用的调制刺激而改变的偏振状态中的变化。偏振调制器可以被布置成使得已经历调制的输出电磁射线与所给予的偏振变化相对应地在强度上发生变化。强度上的该变化可以容易地被光检测器检测到。如所已知的，通过分析经过调制的电磁射线的强度中的变化，可以确定关于光的偏振状态的信息。

先进的偏振计常常采用用于调制光的偏振的光学相位调制器。诸如光弹性调制器（PEM）之类的光学相位调制器常常是优选的，因为它们具有优良的光学和调制性质。然而，此类调制器典型地以非常高的调制频率（大约几十kHz）操作，这意味着包括此类调制器的系统中的检测器必须能够以此类频率进行操作。

这是成像偏振计的特有问题。成像偏振计被布置成测量以一定程度的空间分辨率被对象（或场景）反射、发射或透射的电磁射线的偏振参数。此类设备通常采用二维光检测器阵列。然而，诸如数字相机之类的普通成像设备不能以高至典型光学相位调制器调制频率的帧速率来操作。因此，至少对于成像偏振计来说，通常需要复杂定制的传感器，它们可能难以被集成到现有系统中并且总体上比“现成的”数字相机类型设备更昂贵得多。

现有数字相机设备的修改是可能的，但是通常将导致降低的偏振计性能。例如，有可能通过用存储设备替换检测器像素的替代行来增加数字相机类型设备的帧速率。然而，这降低工作的检测器像素的数目并且相应地降低设备的分辨率。

期望提供一种可以将常规光检测器阵列用作传感器的偏振计。特别期望提供一种可以将常规二维光检测器阵列用作传感器的成像偏振计。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供一种用于测量电磁照明的偏振的方法，其包括：

调制从目标对象接收到的照明的偏振状态以生成经过调制的强度照明；

通过以第一选通（gating）频率周期性地选通成像设备对经过调制的强度照明的曝光来选择性地测量经过调制的强度照明的强度；

响应于所测得的强度，确定所接收到的照明的偏振参数；以及

利用多个偏振参数生成与目标对象相对应的图像数据，其中

根据第一频率来调制来自目标对象的照明并且第一选通频率至少与第一频率相关联且同步。

适当地，提供一种技术，在其中以选通频率来选通偏振计检测器的成像设备的曝光。也就是说，与常规布置相比，提供一种充当“快门”的选通机构，其以与偏振调制的一调制频率（或多个调制频率）相对应且与其同步的一选通频率（或多个选通频率）使成像设备曝光。可以通过用在曝光时段期间的个体选通时段的数目对在曝光时段期间测得的总强度求平均来容易地确定经过调制的电磁照明的强度。因此，诸如通常在数字相机中找到的CCD阵列之类的常规低成本设备可以被用在偏振计检测器中，而不考虑低帧速率。此类低成本设备是容易得到的，易于合并到实验室设备中并且与定制的二维传感器相比不贵。通过采用该技术，可以在先进的偏振计中使用不太昂贵并且不太复杂的检测器。

可选地，在执行调制步骤之前，使照明通过无限远（infinity）校正光学元件。

在成像偏振计中，不同光射线经历不同数量的偏振调制。这是因为调制器的光学几何形状通常使得不可避免地使不同光射线行进不同距离通过调制器，因此经历不同等级的调制（例如相位延迟）。更具体地，每个光射线都与不同“K矩阵”相关联（在下面更详细地解释）。

除非目标对象在光学无限远距离处，否则在常规的宽场光学系统中入射在成像设备的特定部分上（例如入射在光检测器的特定像素上）的光将已经经由多个光学路径行进（归因于光的发散本质）。因此，如果在偏振计中采用常规宽场技术，则入射在成像设备的具体部分上的光将通过多个光学路径并且因此经历多个不同数量的偏振调制。这使得测量在成像设备上的具体点处（即在特定像素处）接收到的光的偏振状态，并且因此成像偏振计一般是复杂的，因为必须考虑多个不同路径的光学性质。在偏振计标定期间这是特别相关的。

根据该可选步骤，如果在调制步骤之前所接收到的照明通过无限远校正光学元件（例如无限远校正透镜），则入射在成像设备的特别部分上（例如入射在特定像素上）的光的射线将沿着具体光学路径行进，并且仅经历与这些光学路径相关联的偏振调制。因此，可以使用所建立的标定技术来容易地标定每个个体像素以考虑由入射在该像素上的光所采用的具体（平行）光学路径的光学性质（例如偏振效应）。此外，检测器的成像设备的每个部分（例如像素）都可以被视为一个对于目标对象上的特定点的个体积分器。

可选地，该方法还包括在确定所接收到的照明的偏振参数之前进行标定以适应与所接收到的照明在被接收到之后且在被选择性地测量之前采用的不同光学路径相关联的偏振效应。在一些示例中，确定标定数据包括使来自已知光学性质的经过图案化的目标对象的照明在通过无限远校正透镜之后且在被调制之前通过已知光学性质的标定光学元件。

可选地，周期性地选通成像设备对经过调制的强度照明的曝光包括使用以选通频率进行操作的图像增强器来增强入射在成像设备上的图像。根据该可选特征，图像增强器可以被用来周期性地放大入射在成像设备上的光的水平。这可以被配置成使得在没有接通图像增强器（即没有放大光）的时段期间，入射在成像设备上的光的水平实际上是零。图像增强器可以被容易地集成在成像设备中并且可以以高频率来控制。因此，它们提供一种用以提供选通机构的方便方式。

可选地，周期性地选通成像设备对经过调制的强度照明的曝光包括以选通频率周期性地照明目标对象。如果目标对象处于变暗的或被适当照明的环境中，则在其期间目标对象没有被照明的时段中，入射在成像设备上的光量实际上是零（即就像它已经被快门遮蔽一样）。通过周期性地照明目标对象的成像设备的选通曝光意味着可以提供一种不需要对偏振计的任何实质内部修改的选通机构（就像可由外部元件来提供照明）。

可选地，在调制所接收到的照明的偏振状态之后并且在选择性地测量经过调制的强度照明的强度之前，经过调制的强度照明被分开以产生至少一个另一经过调制的强度照明射束。因此，可以提供多通道实施方式，其提供多个检测路径。以这种方式，可以同时收集图像数据的多个版本。许多实施方式要求要在所有偏振参数可以被确定之前处理图像数据的若干个帧。通过提供多个检测路径，可以在单个曝光时段期间捕获图像数据的多于一个帧。这实现偏振参数的更快确定。此外，因为该技术实现常规、低成本成像设备的使用，所以降低了多通道实施方式的成本和复杂性。

可选地，如果经过调制的强度照明被分开，则该方法还包括：通过以另一选通频率周期性地选通另一成像设备对另一经过调制的强度照明射束的曝光来选择性地测量另一经过调制的强度照明射束的强度；响应于另一经过调制的强度照明射束的测得的强度来确定所接收到的照明的其他偏振参数；以及利用多个其他偏振参数生成与目标对象相对应的其他图像数据。该另一选通频率至少与第一频率相关联且同步。此外，可选地，该第一选通频率和另一选通频率基本上异相180度。

可选地，选择性地测量经过调制的强度照明的强度包括以经过调制的强度照明的周期时间的预定比例周期性地测量经过调制的强度照明。此外，可选地，预定比例与第一频率的50%占空比相关联。

可选地，调制偏振状态是经由至少一个第一光弹性调制器的。此外，可选地，该第一频率是第一光弹性调制器的共振频率。

可选地，该方法包括用第一光弹性调制器来调制所接收到的照明的偏振状态并且然后用第二光弹性调制器来调制所接收到的照明的偏振状态。此外，可选地，该方法包括以第二频率用第二光弹性调制器来调制所接收到的照明的偏振状态。该第二频率是第二光弹性调制器的共振频率。

可选地，以第一选通频率和第二选通频率来选择性地测量经过调制的强度照明。该第二选通频率对应于第二光弹性调制器的共振频率。

可选地，该调制还包括使照明通过线性偏振器。

可选地，该成像设备是光检测器阵列。

可选地，偏振参数是斯托克斯参数。此外，可选地，该偏振参数是所有I、Q、U和V斯托克斯参数。

可选地，确定所接收到的照明的偏振参数包括从经过调制的强度照明的选择性测量的强度提取与经过调制的强度照明相关联的复合波形的一个或多个系数。此外，可选地，该方法还包括使用该一个或多个系数来求解米勒矩阵以确定斯托克斯参数。

根据本发明的第二方面，提供一种用于测量电磁照明的偏振的装置。该装置包括：调制器，其可操作用来调制从目标对象接收到的照明的偏振状态并且生成经过调制的强度照明；检测器和选通单元，所述选通单元可操作用来以第一选通频率周期性地选通检测器的成像设备对经过调制的强度照明的曝光，由此使得检测器能够选择性地测量经过调制的强度照明的强度；以及处理器，其可操作用来根据经过调制的强度照明的强度的选择性测量结果来确定所接收到的照明的偏振参数以及利用多个偏振参数生成与目标对象相对应的图像数据。该调制器根据第一频率来调制所接收到的照明并且第一选通频率至少与第一频率相关联且同步。

可选地，该装置还包括无限远校正光学元件，其被设置成使得照明在通过调制器之前通过该无限远校正光学元件。

可选地，该处理器被提供有与所接收到的照明在被检测器选择性地测量之前所采用的不同光学路径的偏振效应相关联的标定数据。

可选地，该选通单元是可操作用来以第一选通频率增强入射在成像设备处的图像的图像增强器。可替代地，该选通单元是可操作用来以第一选通频率周期性地照明目标对象的照明单元。

可选地，该装置还包括设置在调制器之后的分束器。该分束器可操作用来将经过调制的强度照明分成另一经过调制的强度照明射束。

可选地，如果该装置包括分束器，则该装置还包括：另一检测器和另一选通单元。该另一选通单元可操作用来以另一选通频率周期性地选通另一检测器的成像设备对另一经过调制的强度照明射束的曝光。这使得该另一检测器能够选择性地测量经过调制的强度照明的强度。该处理器可操作用来根据另一经过调制的强度照明的强度的选择性测量结果来确定所接收到的照明的其他偏振参数，以及利用多个偏振参数生成与目标对象相对应的其他图像数据。该另一选通频率与第一频率相关联且同步。

可选地，该第一选通频率和另一选通频率基本上异相180度。

可选地，该选通单元被布置成以经过调制的强度照明的周期时间的预定比例使成像设备曝光。

可选地，该预定比例与第一频率的50%占空比相关联。

可选地，该调制器包括至少一个第一光弹性调制器。

可选地，该第一频率是第一光弹性调制器的共振频率。

可选地，该调制器还包括被布置成以第二频率来调制照明的第二光弹性调制器，该第二频率是第二光弹性调制器的共振频率。

可选地，该调制器还包括线性偏振器。

可选地，该成像设备是光检测器阵列。

可选地，该处理器可操作用来通过从经过调制的强度照明的选择性测量的强度提取与经过调制的强度照明相关联的复合波形的一个或多个系数来确定所接收到的照明的偏振参数。

根据本发明的第三方面，提供一种用于在偏振测量设备中使用的模块。该模块包括调制器，其可操作用来调制从目标对象接收到的照明的偏振状态并且生成经过调制的强度照明；检测器和选通单元，所述选通单元可操作用来以第一选通频率周期性地选通检测器的成像设备对经过调制的强度照明的曝光，由此使得检测器能够选择性地测量经过调制的强度照明的强度；以及处理器，其可操作用来根据经过调制的强度照明的强度的选择性测量结果来确定所接收到的照明的偏振参数以及利用多个偏振参数生成与目标对象相对应的图像数据。该调制器根据第一频率来调制所接收到的照明并且第一选通频率至少与第一频率相关联且同步。

根据本发明的第四方面，提供一种用于测量电磁照明的偏振的方法。该方法包括：调制从目标对象接收到的照明的偏振状态以生成经过调制的强度照明；选择性地测量经过调制的强度照明的强度；以及响应于测得的强度来确定所接收到的照明的一个或多个偏振参数。来自目标对象的照明是根据第一频率调制的并且经过调制的强度照明的强度是以至少与第一频率相关联的测量频率选择性地测得的。

根据本发明的第五方面，提供一种用于测量电磁照明的偏振的装置。该装置包括：调制器，其可操作用来调制从目标对象接收到的照明的偏振状态并且生成经过调制的强度照明；检测器，其可操作用来选择性地测量经过调制的强度照明的强度；以及处理单元，其可操作用来根据经过调制的强度照明的强度的选择性测量结果来确定所接收到的照明的一个或多个偏振参数。该调制器根据第一频率调制所接收到的照明并且检测器以至少与第一频率相关联的测量频率来选择性地测量经过调制的强度照明。

在权利要求中限定本发明的各种其他方面和特征。

附图说明

现在将在下文中参考附图仅通过示例的方式描述本发明的某些实施例，在附图中：

图1提供根据本发明的第一示例布置的偏振计装置的简化示意绘图；

图2提供示出采用选通的图像增强器的本发明的一个示例的双调制器偏振计实施方式的示意图；

图3提供示出采用选通的照明单元的本发明的一个示例的双调制器偏振计实施方式的示意图；

图4提供图示根据本发明的一个示例的标定技术的示意图；

图5提供根据本发明的一个示例的用于偏振计的检测器的多通道实施方式的示意图；

图6提供经过调制的强度照明的采样的示意图；

图7a和7b提供根据本发明的示例的用于合并到装置中的模块的示意图；以及

图8提供根据本发明的一个示例的根据测量光的偏振的方法的流程图。

在绘图中，相似的参考数字指的是相似的部分。

具体实施方式

通常根据斯托克斯矢量的分量来分析光的偏振状态。斯托克斯矢量是一个根据四个斯托克斯参数（即I、Q、U和V）来表示光的偏振状态的矢量：

I 是光的总强度，而Q 、U 和V 表示正交偏振状态的强度的差。更具体地，Q 是具有以0°和90°定向到指定的实验室x轴线的偏振面的线性偏振状态之间的差。U 是具有以45°和-45°定向到实验室x轴线的偏振面的偏振状态之间的差。V 是左旋和右旋圆偏振状态之间的差。

难以直接测量，然而可以使用包括诸如光检测器之类的成像设备的检测器来容易地测量光的强度。因此，许多偏振计通过检测已通过具有已知偏振性质的光学组件的光的强度来工作。光一旦已通过光学组件就检测到的光的强度允许根据下面详细描述的理论来计算关于光的偏振状态的信息。

可以用被称为米勒矩阵的的4×4矩阵来描述光学元件对光的斯托克斯矢量的影响或者若干元件的布置对光的斯托克斯矢量的组合影响，

。

通过具有有效米勒矩阵M 的光学组件的具有斯托克斯矢量的输入光产生具有由下式给出的斯托克斯矢量的输出光：

。

可以示出，在透射通过光学组件之后现在具有斯托克斯矢量的光射线具有由下式给出的强度：

。

倘若对于至少四个不同光学设置来说光学组件的相关米勒矩阵元素是已知的，则测量I_o会供给包括输入矢量的所有未知斯托克斯参数。

在下面的示例中，为了简单起见，已经使用了术语“光”。然而，将理解的是，该术语指的是适用于通过偏振计的测量结果的所有电磁照明（即电磁辐射/射线）并且不仅仅是一个具体波长范围（例如可见光）的电磁辐射。

具有选通单元的偏振计。

图1提供根据第一示例布置的偏振计装置的简化示意绘图。

从诸如样本101之类的目标对象接收到的光被入射在装置的输入光学元件102上。通过输入光学元件102将光指引到偏振调制器103中。在一些示例中，在调制器103中使用单个调制器，在这种情况下在任何一个时间使用单一调制频率。在其他示例中，可以在调制器103中使用多个调制器单元并且因此可以同时使用多个调制器频率。因此，调制器103被布置成根据一个或多个调制频率来调制光的偏振状态。

调制器103被连接到调制器控制器104，其控制调制器103以及施加给所接收到的光的调制频率。

如所已知的，通过用偏振调制器调制光的偏振状态，可以相应地调制输出光的强度。通常，这通过将诸如线性偏振器或圆/椭圆偏振器之类的光学元件包括在调制器中来实现，光在离开调制器103之前通过该光学元件。因此，调制器103输出经过调制的强度光。经过调制的强度光是具有根据调制器所给予的光学变化并且以一个或多个调制频率周期性改变的强度的光。该强度变化根据复合波形随着时间改变。总体来说，如所已知的，可以分析该波形来确定关于接收到偏振计中的光的偏振参数的信息。

在一些示例中，并且如将会更详细解释的，该复合波形的分量的幅度（即其系数）可以被用来确定所接收到的光的偏振参数。此外，这些分量的基频和谐波频率与调制器103的一个或多个调制频率有关。

检测器105被布置成以与一个或多个调制频率相关联的一个或多个频率来选择性地测量（即采样）经过调制的强度光的强度。检测器105被布置成将与经过调制的强度光的选择性测得的强度相对应的数据输出给处理器106。在一些示例中，处理器106被布置成根据该数据来确定上述复合波形的分量的幅度并且由此计算接收到的光的偏振参数（诸如斯托克斯参数）。

适当地，检测器105包括通过光检测器布置提供的成像设备。该光检测器布置被用来测量经过调制的强度光的强度。在寻求样本的二维图像的成像偏振计中，通常通过二维光检测器阵列107来提供光检测器布置。光检测器阵列107的每个像素都充当为其确定偏振参数的个体积分器。在操作期间，在积分时段内光检测器阵列107被曝光到经过调制的强度照明并且然后输出像素数据的帧。该像素数据的帧包括各数据值，它们中的每一个都对应于在曝光时段期间入射在特定像素上的光的强度。

适当地，处理器106被布置成处理像素数据的一个或多个帧以计算从目标对象（即样本）的不同部分接收到的光的偏振参数并且然后将其输出为图像数据。该图像数据可以便利地按照与样本101的表示对应的图像文件（例如JPEG、Bitmap等等）的形式，具有不同颜色和/或阴影、和/或图案等等的组合，从而指示不同偏振参数。然而，处理器106可以生成表示按照其他更抽象形式（诸如按照一个或多个直方图的形式）或其他图形表示的偏振参数的图像数据。一般来说，可以使用表示来自样本的光的偏振参数的任何适当形式的图像数据，具有样本的哪些部分（即空间分辨率）对应于哪些偏振参数的指示。在某些情况下，这可以是以具有指示空间位置以及一个或多个对应偏振参数的许多数据值的文本文件的形式。

大多数二维光检测器阵列的积分频率/帧速率（即光检测器阵列对入射光采样的频率）比调制器103所应用的调制频率更低得多。

有利地，提供选通单元108。该选通单元108被布置成将光检测器阵列107选择性地曝光（即周期性地选通）到来自与调制频率相对应的调制器103的输出光。也就是说，在从光检测器阵列107捕获像素数据的帧期间，选通单元108被布置成根据与各调制频率之一相关联的选通频率（另外被称为测量频率）选择性地曝光光检测器阵列。这使得检测器105能够选择性地测量经过调制的强度光的强度。

在选通频率与调制频率基本上相同或者与调制频率的整数倍基本上相同的意义上，选通频率与各调制频率之一相关联。选通频率以及与其相关联的调制频率也是同步的，即在两个频率之间存在基本上恒定的相位差。因此，选通单元108通过以与各调制频率中的至少一个相关联且同步的选通频率周期性地选通成像设备对经过调制的强度光的曝光来进行操作。

通过同样连接到调制器控制器104的处理器106来控制选通单元。该布置允许处理器106控制选通频率和调制频率，以使得在操作期间选通频率和调制频率如上文所述的那样彼此相关联并且还同步。

使用选通的图像增强器的双调制器偏振计。

图2提供示出在图1中示出的装置的双调制器偏振计实施方式的一个示例的示意图。如上文提及的，利用对应的参考数字来指示对应部分。

在双调制器偏振计中，通过两个光学相位调制器和一个线性偏振器来提供偏振调制器。两个调制器的偏振坐标系相对于彼此旋转，以使得它们的经过调制的轴线与指定的实验室坐标系的x轴线成不同角度。透射通过此类偏振计的光射线遇到第一相位调制器，其坐标系（调制轴线）旋转通过相对于实验室x轴线的角度α（在这种情况下z轴线沿着偏振计的光轴）。当光射线通过第一相位调制器时它们经历δ₁的相位延迟。然后光射线遇到第二相位调制器，其坐标系旋转通过相对于实验室x轴线的角度β。当光射线透射通过第二相位调制器时它们经历δ₂的相位延迟。然后光射线遇到线性偏振器，其透射轴线旋转通过相对于实验室x轴线的角度γ。当δ₁和δ₂被调制时，入射在分析器上的光的斯托克斯参数被改变，从而影响可以通过其的光量。因为相位调制器对输入光的斯托克斯矢量的影响是已知的，所以通过使用光检测器阵列作为积分器来测量所透射的光的强度，有可能计算入射在第一相位调制器上的光的斯托克斯参数。

参考图2，输入光学元件102包括通过无限远校正透镜201提供的无限远校正光学元件。无限远校正透镜201被布置成使得入射在光检测器阵列107的每个像素上的光从一组平行光学路径通过调制器103。

调制器103包括第一光弹性调制器（PEM）202和第二PEM 203。该调制器103还包括线性偏振器204。该第一和第二PEM 202、203中的每一个都包括换能器202a、203a（诸如压电换能器）和共振杆202b、203b。用诸如熔融石英之类的材料来制造共振杆202b、203b，当共振杆受到换能器202a、203a的压力和应变时其偏振性质改变。

当受到来自调制器控制器104的控制信号的控制时，换能器202a、203a以它们各自的共振杆202b、203b的共振频率振动。该第一PEM 202以第一频率f_PEM1共振，并且该第二PEM 203以第二频率f_PEM2共振。

首先通过第一PEM 202来调制光的偏振参数并且然后通过第二PEM 203来再次调制光的偏振参数。如上文所解释的，接收到的通过PEM 202、203的光的不同相位经历不同的相位延迟量。一旦已通过第一和第二PEM 202、203的光通过线性偏振器204，就产生经过调制的强度的光。

检测器105包括将来自调制器103的经过调制的强度光聚焦在选通单元108上的聚焦光学器件206。检测器105还包括成像设备207，其包括将通过选通单元108传递的光聚焦在光检测器阵列107上的聚焦光学器件208。

在一些示例中，带通滤波器/单色仪可以被放置在检测器105的入口处，以选择用于分析的单个波长。

在所图示的示例中，选通单元108是选通的图像增强器，当在活动时其增强来自调制器103的光（即放大该光的亮度）。因此，放大了入射在光检测器阵列107上的样本101的图像213。该选通的图像增强器还被布置成使得当其不活动时透射到光检测器阵列107的光量处于可忽略的水平，以及/或者光检测器阵列的像素被标定，诸如当其不活动时从通过图形增强器传递的光水平收集不到电荷。换言之，光检测器阵列107不会检测图像213。

光检测器阵列107被连接到处理器106的数据接口209。来自数据接口209的像素数据被输入到处理器106的中央处理器单元（CPU）210。CPU 210如下面更详细描述的那样处理像素数据以生成被存储在存储器211中的偏振参数数据。存储器211可以经由输入/输出接口212将此偏振参数数据输出为如上所述的任何适当形式的图像数据。

如上文所解释的，离开调制器103的光具有随时间变化的强度并且更特别地是根据复合波形随时间变化的。该复合波形的性质与所接收到的光的偏振参数有关。

可以示出，已经透射通过调制器的光射线具有由下面的复合波形给出的随着时间变化的强度：

，

在这里I、Q、U和V是光射线的斯托克斯参数，并且m₁₁、m₁₂、m₁₃和m₁₄是光透射通过的光学系统的4×4米勒矩阵的系数。

此外，可以示出波形I₀(t)的dc分量与I、Q和U成比例，并且构成波形I₀(t)的ac分量的频率的幅度与斯托克斯参数成比例。

更具体地，如下，I₀(t)的dc分量（S_dc）以及I₀(t)的以下复数分量（S_f1、S_f2和S_f3）与斯托克斯参数有关：

在这里，g₁到g₈是以下矩阵的系数：

该矩阵对应于如例如图2中所图示的双调制器类型布置的‘G’矩阵。

该矩阵可以被倒置以求解斯托克斯参数：

。

通过系统的具体光学参数来确定矩阵K 的非零元素（即k₁到k₈）。如先前所描述的，K矩阵的元素取决于与装置的具体光学路径相关联的光学性质（例如偏振效应）。在其最一般的形式中，K的所有元素可以是非零值，假如使用更多非等同数据点，则标定过程将仍是可操作的。在诸如参考图1和2（在其中光检测器阵列的每个像素被用作积分器）解释的实施方式之类的实施方式中，必须确定用于每个像素的K矩阵。然而，使用常规光学器件，每个像素将从多个发散光学路径接收光，使得适当的标定非常难。

如参考图2和3中示出的光学路径可以理解的，无限远校正透镜201的提供意味着检测器阵列的每个像素与通过经历对应延迟的装置的单组平行光学路径相关联。因此，无限远校正透镜201的提供使得能够在逐像素的基础上确定K矩阵。下面更详细地描述此类标定程序的示例。

对于图2中示出的调制器103，可以示出参考等式[6]、[7]、[8]和[9]，f1=2f_pem1；f2=2f_pem2；并且f3=2f_pem2。因此S_f1=S_2fPEM1；S_f2=S_2fPEM2；并且S_f3=S_fPEM2。

因此，将理解的是，通过以2f_PEM1（第一选通频率）、2f_PEM2（第二选通频率）和f_PEM2（第三选通频率）对经过调制的光的强度（即I₀(t)）进行采样，以及通过对I₀(t)的dc分量进行测量（假如k₁到k₈的值已知的话），可以对于来自在光检测器阵列107的每一个像素处的样本101的光确定斯托克斯参数I、Q、U和V。

因此，为了确定斯托克斯参数，必须确定I₀(t)的每个复数分量（S_f1、S_f2、S_f3）的幅度。一般来说，可以采用任何适当的锁相信号恢复技术来实现这一点。

在一个示例中，为了确定S₁₁的幅度，在第一曝光时段期间选通的图像增强器108以第一选通频率2f_pem1来操作，并且光检测器阵列107捕获由CPU 210接收到的像素数据的第一帧。也就是说，图像增强器以第一选通频率周期性地增强入射到光检测器阵列107上的图像213。像素数据包括针对每个像素的积分值，其与在第一曝光时段期间在该像素处的总照明相对应。选通的图像增强器108的操作的相位使得在I₀(t)的每个调制时段的第一半期间对I₀(t)的强度进行采样。

CPU 210用从每个像素读取的积分值除以在曝光时段中的调制时段的数目来给出在曝光时段期间光的强度的平均值。这提供积分值的第一“帧”。

在第二曝光时段期间，执行相同的过程并且捕获像素数据的第二帧。这是以与对于第一帧相同的方式捕获的，除了选通的图像增强器108的操作被改变以使得在I₀(t)的每个调制时段的第二半期间对I₀(t)的强度进行采样。该过程提供积分值的第二帧。

CPU 210从来自积分值的第二帧的积分值减去来自积分值数据的第一帧的积分值以产生一组数据值Sig1。

然后再次重复该过程，并且捕获像素数据的第三和第四帧且生成积分值的第三和第四帧。该过程对应于刚才描述的在其中选通的图像增强器108被布置成以相同的选通频率操作的过程，然而其相位被移位π/2。然后CPU 210从来自积分值的第四帧的积分值减去来自积分值的第三帧的积分值以产生第二组数据值Sig2。

可以示出，S_f1的幅度=。

基于此，CPU 210可以确定S_f1的幅度。

使用相同的过程（但是利用以相关选通频率进行操作的选通的图像增强器108）来确定S_f2和S_f3的幅度。

如将会理解的，通过使用上述过程，像素数据的四个帧被捕获以确定I₀(t)的每个复数分量的幅度。因此，像素数据的总共12个帧被捕获以便确定S_f1、S_f2和S_f3的幅度。

可以通过将积分值的第一帧和第二帧相加或者通过将积分值的第二帧和第三帧相加来确定dc分量S_dc。

一旦已经计算了对于光检测器阵列107的每个像素的S_f1、S_f2和S_f3的幅度和dc值S_dc，CPU 210就被布置成使用矩阵[10]来确定光检测器阵列107的所有像素的I、Q、U和V的值并且如上所述生成和输出图像数据。

如将理解的，一般来说，图像增强器的功能是提供在调制器和检测器之间设置的快门的效果，所述快门以相关选通频率进行操作。将理解的是，可以使用提供该一般性功能的任何适当单元。

使用对象的选通的照明的双调制器偏振计。

图3提供偏振计装置的另一示例的实施方式的示意图。用对应的参考数字来提供与图2中示出的偏振计装置的部件部分相对应的图3中示出的偏振计装置的部件部分。

图3中示出的偏振计装置与图2中示出的偏振计装置相对应，除了不通过图像增强器提供选通单元。作为代替，选通单元是选通的照明单元301。提供不包括图像增强器的经过修改的检测器单元105a。选通的照明单元301通常由适当的LED或激光器来提供并且通过照明控制单元302来控制。激光器或二极管可以是单色的，由此克服在仅要分析一个带宽的情况下对检测器之前的带通滤波器的需求。

在操作中，不是使用设置在调制器和检测器之间的选通单元来选择性地曝光光检测器阵列107，而是使用选通的照明单元301来选择性地曝光光检测器阵列107，该选通的照明单元301以各种选通频率选择性地（即周期性地）照明样本101。典型地，样本101被放置在来自选通的照明单元301的光的照明下。典型地，周边环境被照亮以便在测量期间保持在恒定照亮水平并且保持在避免使光检测器阵列107饱和的照亮水平。

光检测器阵列107以与当使用图像增强器时等同的方式来对图像213选择性地曝光。也就是说，在每个曝光时段期间，将光检测器阵列107的每个像素曝光给以相关选通频率采样的经过调制的光I₀(t)。用于生成偏振参数的过程在其他方面与例如图2中示出的那些相同。

照明控制单元302包括照明处理单元303和函数发生器304。该函数发生器304提供被发送给选通的照明单元301的控制信号并且控制照明的时序。

根据该示例，不需要在调制器和检测器之间提供选通机构。这与使用图像增强器相比通常是不太复杂的布置，因为在调制器和光检测器阵列之间存在较少的居间部件，从机械上讲这更简单并且潜在地产生更少的误差源。然而，图像增强器布置可能更适合于在其中目标对象可能因为照明光被改变或损坏的应用，诸如易损的生物样本。

标定。

为了标定参考图2和3描述的偏振计装置的示例，为每个像素确定与K矩阵（即矩阵[11]相对应的标定数据。该标定数据考虑与偏振计装置内的光学路径相关联的具体光学效应。这包括由输入光学元件以及光学器件（诸如调制器和其他光学部件）的任何不对准引入的偏振效应。

如上面所解释的，通过提供无限远校正透镜，入射在光检测器的每个像素上的光在该装置内形成一组具体的平行光学路径。这意味着可以通过以逐像素为基础生成标定数据来执行与例如Guan等人于2010年的Applied Optics以及Cook在Salford（2010）的博士学位论文“Ά study of focused ion beam patterned thin magnetic films with soft x-ray and magneto-optical microscopy”中讨论的标定程序相对应的标定程序。

在图4中更详细地图示此类标定程序。

图4提供与图2中示出的相对应（除了样本是经过图案化的目标对象，即具有已知光学性质的经过图案化的测试样本401）的偏振计装置的示意图。在一些示例中，这可以是具有已知磁光特性的连续半透明磁膜。该膜通常可以包括覆盖的非透明图案以使得可以通过系统对其成像。此外，标定光学元件602被可拆卸地插入在输入光学元件102和调制器103之间。

将理解的是，尽管参考图2的示例图示了标定技术（在其中选通单元位于调制器和光检测器阵列之间），但是该技术还可以与图3中图示的技术（在其中通过选通的照明单元来提供选通单元）一起使用。

标定光学元件402通常包括线性偏振器和例如λ/4延迟的可旋转延迟板。在一些示例中，这些是可分开的单元且首先插入线性偏振器，并且在波板之后得到标定测量结果且然后得到其他标定测量结果。

在标定过程期间，通过CPU 210来确定对应于与光检测器阵列上的每个像素位置相关联的光学路径的K矩阵的标定数据，并且然后当计算偏振参数时CPU 210使用该标定数据。一般这可以根据在Cook中（并且特别在Cook的第四章4.3.3部分中）描述的技术来执行。一旦完成标定过程并且CPU 210已生成对应于与光检测器阵列上的每个像素位置相关联的光学路径的K矩阵的标定数据，就移除图案化测试样本401和标定光学元件402。

在一些示例中，光检测器阵列可以包括数以百万计的像素。在这种情况下，可能会消耗太多时间以及/或者从处理视角来说CPU 210为每单个像素确定K矩阵是不现实的。K矩阵值通常跨光检测器阵列的像素平滑改变。因此，在一些示例中，通过CPU 210来确定像素子集的K矩阵，并且通过CPU 210执行插值算法来确定剩余像素的标定数据（即K矩阵）。

多通道检测器。

图5提供本发明的示例所促进的检测器的替代实施方式的示意图。

在图2和图3中示出的示例中，检测器通常捕获像素数据的若干个帧以便恢复允许为光检测器阵列107的每个像素计算斯托克斯参数的足够信息。因此，在可由处理器106计算斯托克斯参数之前必须逝去相同数目的曝光时段。

在一些示例中，可以将分束器定位在调制器后面以产生许多其他的经过调制的强度光的射束。经过调制的强度光的每个射束（即通道）可以被指引到分开的检测器单元，从而允许同时生成像素数据的多个帧。这允许并行处理像素数据的帧。例如，可以并行确定上述Sig1和Sig2，从而降低确定I₀(t)的复数分量的幅度以及因此斯托克斯参数所花费的时间。

在其他示例中，第一通道可以被布置成解调与第一调制器PEM1相关联的频率并且第二通道可以被用来解调与第二调制器PEM 2相关联的频率。

图5示出在其中分束器501被定位在调制器（该调制器未示出）后面的多通道检测器实施方式。

分束器501将经过调制的强度光的两个分开但相同的射束指引到第一检测组件502和第二检测组件503。

第一和第二检测组件502、503中的每一个都包括：聚焦光学器件206a、206b；选通单元108a、108b；成像设备207a、207b，其包括聚焦光学器件208a、208b以及光检测器阵列107、107b。这些部件的功能和操作与上文参考图2描述的检测器105的功能和操作相对应。

第一检测组件502的选通单元108a被布置成在操作期间以I₀(t)的周期时间的预定比例（例如选通频率时段（即选通时段）的50%占空比）将光检测器阵列107a曝光给经过调制的强度光。这对应于调制时段的50%占空比。

将会理解，50%占空比仅仅是示例性的。在一些示例中，可以使用更短占空比，例如在每个调制时段得到多个样本。这可降低检测器的所需动态范围，但是可能需要捕获更多的帧来确定所有相关信息以确定斯托克斯参数。

在一些示例中，第二检测组件503的选通单元108b被布置成在操作期间以选通频率的50%占空比将光检测器阵列107b曝光给经过调制的强度光，但与第一检测组件的相位异相180度。如上文所讨论的，这使得能够并行确定Sig1和Sig2。如将会理解的，为了实现在其中选通频率异相180度的实施方式，通常有必要在每个检测器中具有一个选通单元。

该布置允许在单个曝光时段期间捕获像素数据的两个帧，并且因此允许根据在单个曝光时段期间捕获的像素数据来计算Sig1和Sig2二者。参考图6来更详细地解释该概念。

图6示出复合波形I₀(t)的图示。调制时段(tmod)对应于第一调制器fpem1的调制频率的时段。单个曝光时段(texp0sure)通常持续调制时段的整数倍。在图6中示出的示例中，这是调制时段的六倍。当完成曝光时段时，从光检测器阵列读出每个像素值。

当处理器106计算入射在每个像素上的经过调制的强度光的强度时，完成在曝光时段之后的像素值读出，用该像素值除以曝光时段中的调制时段的数目。以这种方式，确定调制时段的平均光强度并且改进该过程的准确性。

第一系列块601指示在曝光时段期间第一检测组件502的选通单元108a曝光第一检测组件502的光检测器阵列107a的时间。第二系列块602指示在曝光时段期间第二检测组件403的选通单元108b曝光第二检测组件503的光检测器阵列107b的时间。如上面所提到的，并且如可以从图6看到的，第一和第二检测组件502、503的选通单元108a、108b以选通频率时段的50%占空比将相应的光检测器阵列107a、107b曝光到经过调制的强度光，除了异相180度之外。

将理解的是，可以使用参考图4描述的标定技术来标定参考图5解释的多通道示例，除了处理器106将从两个光检测器阵列生成像素的K矩阵之外。当分束器被定位在调制器之后时，仅需要单个标定光学元件和测试样本。

图5中示出的多通道实施方式包括两个射束。然而，在一些示例中，分束器可以创建多个射束并且可以提供更多检测通道。

可以在许多应用中使用上述偏振计布置和技术，例如被合并在其中目标对象可以是小对象（诸如生物细胞）的显微镜内；或者被合并在其中目标对象可以是大对象（例如在离偏振计很大距离处的星星或星系）的情况的天文仪器内。在其他示例中，偏振计（而不是科学仪器）可以被合并在具有更一般功能的设备中，诸如机器人视觉系统的部分。

在其中目标对象处于离偏振计很大距离处的应用中，进入偏振计的光可能已经基本上平行。可替代地，初级聚焦光学器件（例如透镜或反射镜）可以被放置在偏振计之前以使得进入偏振计的光基本上平行。在此类情况下，可能不存在对无限远校正光学元件的需求，因为所接收到的光的本质使得图像设备的每个像素将与通过偏振计的单个光学路径相关联。

在参考图2和3讨论的示例实施方式中，通过两个PEM和线性偏振器来提供偏振调制器。PEM提供非常低的残余双折射，不会使对UV光的曝光降级，具有大的孔径和接受角并且需要非常小的功率来操作。然而，将会理解，可以使用可将经过调制的偏振给予输入光并将这转换成具有经过调制的强度的光的任何光学元件。此类光学元件包括普克尔斯盒和液晶延迟器。

在一些示例中，可以提供体现本发明原理的模块化单元，其被添加到诸如常规显微镜之类的别的常规设备。也就是说，用于在偏振测量设备中使用的模块。图7a和7b图示该概念。

图7a提供用于合并在此类常规设备中的第一模块化单元701的简化示意图。模块化单元701包括与参考图1描述的那些相对应的部件部分，即调制器103、调制器控制器104、包括选通单元108和光检测器阵列的检测器105、以及处理器106。该第一模块化单元701被适配到一装置（例如显微镜（未示出）），以使得来自显微镜的光学器件的光进入调制器。如上面讨论的那样计算光的偏振参数。

图7b提供模块化单元702的示意图，该模块化单元702的部件与参考图7a讨论的模块化单元701相对应，除了模块化单元702被提供有作为选通单元的选通的照明单元301，而不是设置在调制器和光检测器阵列之间的积分选通单元。

在上述示例中，接收像素数据（即与经过调制的光的选择性测量的强度相对应的数据）并根据此计算偏振参数的处理器被图示为单个处理器，其包括存储器和CPU并且被连接到偏振计的检测器的成像设备。然而，将要理解，在一些示例中这仅仅是逻辑设计并且由该处理器执行的功能（例如接收像素数据和生成图像数据）可以跨许多互连但物理上分布式的处理器被执行。

此外，在上述示例中，已经就光检测器阵列的“每一个”或“所有”像素描述了各种步骤。将理解的是，在一些示例中，可以在任何一个时间仅使用光检测器阵列的像素子集。例如，为了控制像素数据帧中的数据量，或者降低所需标定数据量，光检测器阵列可以被布置成仅使用物理上存在于光检测器阵列上的像素总数的子集。

此外，上述示例中的成像设备通常指的是关于二维光检测器阵列。然而，将会理解本发明的原理可以被应用于能够检测经过调制的强度照明的任何适当成像设备。一些示例可以包括单个光检测器或者一维“线式”个体光检测器。

图8提供根据本发明的一个示例的根据测量光的偏振的方法的流程图。

在第一步骤801处，根据第一频率来调制从目标对象接收到的照明的偏振状态以生成经过调制的强度照明。

在第二步骤802处，根据至少与第一频率相关联的测量频率来测量经过调制的强度照明的强度。

在第三步骤S803处，响应于所测得的强度，确定所接收到的照明的一个或多个偏振参数。

参考矩阵[11]，应该注意双PEM布置造成这种具体形式的K矩阵。就更一般的形式而言，K矩阵的所有元素可以是非零的。典型地在这种情况下，确定此类矩阵所需的数据点的最小数目增大。例如，将需要16个非等同数据点。在一些示例中，可以结合优化程序来使用更多点。

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