一种双折射晶体快拍穆勒矩阵成像测偏系统的制作方法

本发明涉及光学图像信息采集技术领域，具体为一种双折射晶体快拍穆勒矩阵成像测偏系统。

背景技术：

目前采用的偏振光栅快拍穆勒矩阵成像测偏技术有两大缺点，一是消光比和透射率较低、光谱带宽较窄，二是只能用来测量对光谱不敏感的目标。

技术实现要素：

针对上述的问题，本发明一种双折射晶体快拍穆勒矩阵成像测偏系统，主要通过前后设置4块双折射晶体即改进型萨瓦偏光镜，将1束线偏振光先剪切成4束线偏振光，该4束线偏振光经凸透镜形成干涉条纹定位在样品上，所述干涉条纹通过两种载频来调制样品的穆勒矩阵，接着被调制后的4束线偏振光再被剪切成8束线偏振光，该8束线偏振光最后被剪切成16束线偏振光，从而形成带干涉条纹的目标图像并定位在图像获取装置上。本发明有效解决了目前偏振光栅快拍穆勒矩阵成像测偏技术的消光比和透射率较低、光谱带宽较窄等缺点。

本发明采用的技术方案是：

一种双折射晶体快拍穆勒矩阵成像测偏系统，包括光源（1），所述光源（1）发射光线一侧依次设置有第一准直透镜（2）、第一成像镜（4）、第二准直透镜（5）、第二成像镜（7）和图像获取装置（8），其特征在于：所述第一准直透镜（2）和第一成像镜（4）之间设置有第一偏振调制模块（3），所述第二准直透镜（5）和第二成像镜（7）之间设置有第二偏振调制模块（6），所述光源（1）、第一准直透镜（2）、第一成像镜（4）、第二准直透镜（5）、第二成像镜（7）、图像获取装置（8）的中心点与所述第一偏振调制模块（3）、第二偏振调制模块（6）的中心点均位于同一直线上；

所述第一准直透镜（2）与所述光源（1）的距离为第一准直透镜（2）的焦距f，所述第一成像镜（4）与所述第二准直透镜（5）的距离为第二准直透镜（5）焦距f的两倍2f，所述第二成像镜（7）与所述图像获取装置（8）的距离为第二成像镜（7）的焦距f。

当光源发出的任意一束光线经第一准直透镜折射后成平行光线射入第一偏振调制模块，第一偏振调制模块先将每一束入射光调制成线偏振光，然后先沿竖直方向再沿水平方向将每一束线偏振光剪切成4束线偏振光，该4束线偏振光经第一成像镜会聚后形成干涉条纹定位在样品上，所述干涉条纹通过两种载频来调制样品的穆勒矩阵，被调制后的线偏振光经第二准直透镜折射成平行线偏振光后射入第二偏振调制模块，所述第二偏振调制模块先沿竖直方向再沿水平方向将每一束线偏振光剪切成4束线偏振光，共形成16束线偏振光并且这16束线偏振光的偏振方向相同，最后这16束线偏振光经第二成像镜会聚后形成干涉条纹并定位在图像获取装置像面上，形成带干涉条纹的目标图像。

进一步的，所述第一偏振调制模块（3）包括两块相同且重叠设置的改进型萨瓦偏光镜ⅰ，分别为第一改进型萨瓦偏光镜ⅰ（11a）和第二改进型萨瓦偏光镜ⅰ（11b），所述第一改进型萨瓦偏光镜ⅰ（11a）的出光面和第二改进型萨瓦偏光镜ⅰ（11b）的进光面之间设置有第一半波片（12），所述第一改进型萨瓦偏光镜ⅰ（11a）的进光面还设置有起偏器（10）。

每一束射入第一偏振调制模块的入射光都先被起偏器调制成偏振方向相同的线偏振光，然后才被剪切成4束线偏振光，其中先被第一改进型萨瓦偏光镜ⅰ沿竖直方向剪切成上下两束平行线偏振光，经第一半坡片后，每一束线偏振光再被第二改进型萨瓦偏光镜ⅰ沿水平方向剪切成左右两束平行线偏振光。

进一步的，所述第二偏振调制模块（6）包括两块相同且重叠设置的改进型萨瓦偏光镜ⅱ，分别为第一改进型萨瓦偏光镜ⅱ（14a）和第二改进型萨瓦偏光镜ⅱ（14b），所述第一改进型萨瓦偏光镜ⅱ（14a）的出光面和第二改进型萨瓦偏光镜ⅱ（14b）的进光面之间设置有第一半坡片（12），所述第二改进型萨瓦偏光镜ⅱ（14b）的出光面还设置有检偏器（15）。

每一束射入第二偏振调制模块的线偏振光都剪切成4束线偏振光，其中先被第一改进型萨瓦偏光镜ⅱ沿竖直方向剪切成上下两束平行线偏振光，经第一半坡片后，每一束线偏振光再被第二改进型萨瓦偏光镜ⅱ沿水平方向剪切成左右两束平行线偏振光。

进一步的，所述改进型萨瓦偏光镜ⅰ包括重叠布置的第一萨瓦板（16）和第二萨瓦板（17），所述第一萨瓦板（16）和第二萨瓦板（17）之间设置有第二半波片（13），所述第一萨瓦板（16）和第二萨瓦板（17）厚度相等，所述第一萨瓦板（16）光轴和第二萨瓦板（17）光轴位于同一平面内，以第二半波片（13）为对称轴，呈对轴分布且两者夹角为90°。

第一萨瓦板将每一束入射的线偏振光沿竖直方向或水平方向剪切成两束线偏振光；第二萨瓦板使得剪切后的两束线偏振光以上下或者左右的平行光线射出。

进一步的，所述改进型萨瓦偏光镜ⅱ包括重叠布置的第三萨瓦板（18）和第四萨瓦板（19），所述第三萨瓦板（18）和第四萨瓦板（19）之间设置有第三半波片（20），所述第三萨瓦板（18）和第四萨瓦板（19）厚度相等且为第一萨瓦板（16）厚度的2倍，所述第三萨瓦板（18）光轴和第四萨瓦板（19）光轴位于同一平面内，以第三半波片（20）为对称轴，呈对轴分布且两者夹角为90°。

第三萨瓦板将每一束入射的线偏振光沿竖直方向或水平方向剪切成两束线偏振光；第四萨瓦板使得剪切后的两束线偏振光以上下或者左右的平行光线射出。

进一步的，所述第一半坡片（12）的偏振方向角为22.5°。

第一半坡片起到将入射的线偏振光的光场振动方向旋转45°的作用。

进一步的，所述第二半波片（13）的偏振方向角为45°。

第二半波片具有位相延迟和扩大视场的双重作用，第一萨瓦板中的o光经过第二半波片后变成e光，e光经过第二半波片后变成o光，然后再通过第二萨瓦板使得平行射出的两条线偏振光之间的距离增大为单个萨瓦板剪切量的2倍，视场角度先上下扩大10°再左右扩大10°，进而保障了远场中的干涉条纹仍为等间隔的直条纹。

进一步的，所述第三半坡片（20）的偏振方向角为45°。

第三半坡片具有位相延迟和扩大视场的双重作用，第三萨瓦板中的o光经第三半波片后变成e光，e光经第三半波片后变成o光，然后再通过第四萨瓦板使得平行射出的两条线偏振光之间的距离增大为单个萨瓦板剪切量的2倍，视场角度先上下扩大10°再左右扩大10°，进而保障了远场中的干涉条纹仍为等间隔的直条纹。本发明中，第二半波片（13）和第三半坡片（20）相同。

进一步的，所述起偏器（10）和检偏器（15）的透振方向角为45°。

经过起偏器的平行入射光线都变成偏振方向为45°的线偏振光；检偏器使得从第二改进型萨瓦偏光镜ⅱ（14b）射出的线偏振光的偏振方向变成45°。

进一步的，所述第一准直透镜（2）、第一成像镜（4）、第二准直透镜（5）、第二成像镜（7）均为焦距相同的凸透镜。

光源发出的光线射向第一准直透镜，经第一准直透镜折射后形成平行光线射向第一偏振调制模块；从第一偏振调制模块射出的线偏振光经第一成像镜会聚后形成干涉条纹定位在样品上；被调制后的线偏振光经样品折射后从不同角度射向第二准直透镜，经第二准直透镜折射后形成平行线偏振光射向第二偏振调制模块；从第二偏振调制模块射出的线偏振光经第二成像镜会聚到图像获取装置的像面上，形成带干涉条纹的目标图像。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明一种双折射晶体快拍穆勒矩阵成像测偏系统，与目前的偏振光栅快拍穆勒矩阵成像测偏技术相比，具有可获得更高透射率、更高消光比以及可选择更宽的光谱等优点。

2、本发明一种双折射晶体快拍穆勒矩阵成像测偏系统，融合了测偏仪和照相机的功能，能同时获取目标物体的强度图像和穆勒矩阵图像，即可一次性获取目标物体任一时刻的16个穆勒矩阵图像，能完整的获取目标物体的全部特征信息，最终可提供目标物体的形影、组织结构、介电常数、含水量等信息，因此本发明在生物医学、材料等领域有重要的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1一种双折射晶体快拍穆勒矩阵成像测偏系统的结构图；

图2一种双折射晶体快拍穆勒矩阵成像测偏系统的工作原理图；

图3第一偏振调制模块结构图；

图4第二偏振调制模块结构图；

图5线偏振光射入第一改进型萨瓦偏光镜ⅰ的工作原理图；

图6线偏振光经第二半波片射入第二改进型萨瓦偏光镜ⅰ的工作原理图；

图7调制后的4束线偏振光被第一改进型萨瓦偏光镜ⅱ剪切成8束线偏振光的示意图；

图8十六束线偏振光从检偏器射出的正面图；

图9第一半波片立体图；

图10起偏器立体图；

图11检偏器立体图；

附图中，1-光源、2-第一准直透镜、3-第一偏振调制模块、4-第一成像镜、5-第二准直透镜、6-第二偏振调制模块、7-第二成像镜、8-图像获取装置、9-样品、10-起偏器、11a-第一改进型萨瓦偏光镜ⅰ、11b-第二改进型萨瓦偏光镜ⅰ、12-第一半波片、13-第二半波片、14a-第一改进型萨瓦偏光镜ⅱ、14b-第二改进型萨瓦偏光镜ⅱ、15-检偏器、16-第一萨瓦板、17-第二萨瓦板、18-第三萨瓦板、19-第四萨瓦板、20-第三半坡片。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，一种双折射晶体快拍穆勒矩阵成像测偏系统，包括光源（1），所述光源（1）发射光线一侧依次设置有第一准直透镜（2）、第一成像镜（4）、第二准直透镜（5）、第二成像镜（7）和图像获取装置（8），所述第一准直透镜（2）和第一成像镜（4）之间设置有第一偏振调制模块（3），所述第二准直透镜（5）和第二成像镜（7）之间设置有第二偏振调制模块（6），所述光源（1）、第一准直透镜（2）、第一成像镜（4）、第二准直透镜（5）、第二成像镜（7）、图像获取装置（8）的中心点与所述第一偏振调制模块（3）、第二偏振调制模块（6）的中心点均位于同一直线上；所述第一准直透镜（2）与所述光源（1）的距离为第一准直透镜（2）的焦距f，所述第一成像镜（4）与所述第二准直透镜（5）的距离为第二准直透镜（5）焦距f的两倍2f，所述第二成像镜（7）与所述图像获取装置（8）的距离为第二成像镜（7）的焦距f；所述第一准直透镜2、第一成像镜4、第二准直透镜5、第二成像镜7均为规格相同的凸透镜；

如图3所示，所述第一偏振调制模块（3）包括两块相同且重叠设置的改进型萨瓦偏光镜ⅰ，分别为第一改进型萨瓦偏光镜ⅰ（11a）和第二改进型萨瓦偏光镜ⅰ（11b），所述第一改进型萨瓦偏光镜ⅰ（11a）的出光面和第二改进型萨瓦偏光镜ⅰ（11b）的进光面之间设置有第一半波片（12），所述第一改进型萨瓦偏光镜ⅰ（11a）的进光面还设置有起偏器（10）。

如图4所示，所述第二偏振调制模块（6）包括两块相同且重叠设置的改进型萨瓦偏光镜ⅱ，分别为第一改进型萨瓦偏光镜ⅱ（14a）和第二改进型萨瓦偏光镜ⅱ（14b），所述第一改进型萨瓦偏光镜ⅱ（14a）的出光面和第二改进型萨瓦偏光镜ⅱ（14b）的进光面之间设置有第一半坡片（12），所述第二改进型萨瓦偏光镜ⅱ（14b）的出光面还设置有检偏器（15）。

如图3所示，所述改进型萨瓦偏光镜ⅰ包括重叠布置的第一萨瓦板（16）和第二萨瓦板（17），所述第一萨瓦板（16）和第二萨瓦板（17）之间设置有第二半波片（13），所述第一萨瓦板（16）和第二萨瓦板（17）厚度相等，所述第一萨瓦板（16）光轴和第二萨瓦板（17）光轴位于同一平面内，以第二半波片（13）为对称轴，呈对轴分布且两者夹角为90°。

如图4所示，所述改进型萨瓦偏光镜ⅱ包括重叠布置的第三萨瓦板（18）和第四萨瓦板（19），所述第三萨瓦板（18）和第四萨瓦板（19）之间设置有第三半波片（20），所述第三萨瓦板（18）和第四萨瓦板（19）厚度相等且为第一萨瓦板（16）厚度的2倍，所述第三萨瓦板（18）光轴和第四萨瓦板（19）光轴位于同一平面内，以第三半波片（20）为对称轴，呈对轴分布且两者夹角为90°。

如图9所示，所述第一半坡片（12）的偏振方向角为22.5°，如图5和图6所示，所述第二半波片（13）的偏振方向角为45°，如图7所示第三半波片（20）的偏振方向角为45°，如图10和图11所示，所述起偏器（10）和检偏器（15）的透振方向角均为45°。

本发明的起偏器和检偏器采用的均是偏振片，萨瓦板均为单轴负晶板，所述光源为单色光源，如图5、图6、图7所示，第一萨瓦板光轴和第三萨瓦板光轴均在xz平面内，与x轴正向、z轴正向成45°，第二萨瓦板光轴和第四萨瓦板光轴均在xz平面内，与x轴正向、z轴负向成45°，第二半波片光轴和第三半坡片光轴均在xy平面内与x轴正向、y轴正向成45°，如图9所示，第一半波片光轴在xy平面内与y轴正向的夹角为22.5°，如图10所示，起偏器光轴在xy平面内，与x轴正向、y轴正向成45°，如图11所示，检偏器光轴在xy平面内，与x轴正向、y轴正向成45°。

本发明的工作过程：如图2所示，在第一成像镜与第二准直透镜的中间放置样品9，光源发出的任意一束光线d经第一准直透镜折射后形成平行光线d’射入第一偏振调制模块，由于起偏器透振方向角为45°，因此平行入射光线d’经起偏器后变成偏振方向为45°的线偏振光，如图5所示，由于第一萨瓦板光轴在xz平面内，与x轴正向、z轴正向成45°，因此该束线偏振光被第一改进型萨瓦偏光镜ⅰ的第一萨瓦板沿着竖直方向即x轴方向分成o光和e光，o光经第二半波片变成e光，e光经第二半波片变成o光，由于第二萨瓦板光轴在xz平面内，与x轴正向、z轴负向成45°，因此e光、o光经第二萨瓦板后形成两条上下平行射出的线偏振光即d2、d1，线偏振光d2与d1的距离增大为单个萨瓦板剪切量的2倍，视场角度上下扩大10°，如图9所示，由于第一半波片光轴在xy平面内与y轴正向的夹角为22.5°，因此经过第一半波片后，线偏振光d2和d1的光场振动方向被旋转45°，接着线偏振光d2和d1射入第二改进型萨瓦偏光镜ⅰ，如图6所示，各自又被第二改进型萨瓦偏光镜ⅰ的第一萨瓦板沿水平方向即z轴方向剪切成两束线偏振光，共形成4束线偏振光，该4束线偏振光经第二改进型萨瓦偏光镜ⅰ的第二半坡片、第二萨瓦板后形成4束上下左右、两两平行的线偏振光射出，即线偏振光d2剪切成线偏振光d6和d5、线偏振光d1剪切成线偏振光d4和d3，同理，线偏振光d6和d5的距离、线偏振光d4和d3的距离增大为单个萨瓦板剪切量的2倍，视场角度左右扩大10°；

线偏振光d3、d4、d5、d6经第一成像镜会聚后形成干涉条纹定位在样品上，这些干涉条纹通过两种载频来调制样品的穆勒矩阵，4束线偏振光被调制后经样品反射射向第二准直透镜，经第二准直透镜折射后形成4束平行射出的线偏振光d3’、d4’、d5’、d6’，这4束线偏振光射入第二偏振调制模块后，同理，每一束射入第二偏振调制模块的线偏振光都被第一改进型萨瓦偏光镜ⅱ沿竖直方向即x轴方向剪切成两束线偏振光，如图7所示，4线偏振光共剪切成8束线偏振光，即线偏振光d3’剪切成上下平行射出的线偏振光d7和d8，线偏振光d4’剪切成上下平行射出的线偏振光d11和d12，线偏振光d5’剪切成上下平行射出的线偏振光d9和d10，线偏振光d6’剪切成上下平行射出的线偏振光d13和d14，同理，每一组上下平行的两束线偏振光之间的距离增大为单个萨瓦板剪切量的2倍，视场角度上下扩大10°；

接着这8束线偏振光经第一半波片后，每一束线偏振光的光场振动方向再被旋转45°后射入第二改进型萨瓦偏光镜ⅱ，同理，每一束线偏振光再被第二改进型萨瓦偏光镜ⅱ沿水平方向即z轴方向剪切成两束线偏振光，8束线偏振光共被剪切成16束线偏振光，这16束线偏振光从第二改进型萨瓦偏光镜ⅱ射出后再被检偏器调制成偏振方向相同的线偏振光，如图8所示，线偏振光d7剪切成d15和d16、线偏振光d8剪切成d17和d18、线偏振光d9剪切成d19和d20、线偏振光d10剪切成d21和d22、线偏振光d11剪切成d23和d24、线偏振光d12剪切成d25和d26、线偏振光d13剪切成d27和d28、线偏振光d14剪切成d29和d30，最后这16束线偏振光通过第二成像镜会聚后形成干涉条纹并定位在图像获取装置的像面上，形成带干涉条纹的目标图像，操作人员通过相应的算法解调这些干涉条纹就能获取样品的全部穆勒矩阵图像，即能准确知道样品的全部特征信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本使用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。