一种穆勒矩阵测量装置

1.本实用新型属于光学测量技术领域，尤其涉及一种穆勒矩阵测量装置。


背景技术：

2.偏振光散射测量技术具有无标记、无损伤、多参数、快速、定量、活体测量且可以对微小颗粒进行表征的优点，现已在器官、组织、细胞等领域上的研究。其基本原理是将一束偏振光照射到样品上，通过探测器接受被照射样品的散射光、透射光或反射光，从而获得偏振光的散射、透射或反射的偏振信息，经过处理提取出微小颗粒的折射率、形态、大小等信息。而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。
3.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
经过线性变化得到一个新的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：
4.s
out
＝m
·sin
ꢀꢀꢀ
(1)
5.公式(1)中三个变量对应的详细参量可用公式(2)表示：
[0006][0007]
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表示入射偏振光45度与135度分量的强度差，v表示入射偏振光右旋与左旋分量的强度差。
[0008]
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。即至少要切换入射光偏振态s
in
4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。
[0009]
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多次测量，其核心是多次切换入射光的偏振态。传统的方法包括旋转波片法，实现给定多次偏振态的设定，但是无法实现快速连续地改变入射光的偏振态，从而无法满足对快速变化的样品进行穆勒矩阵测量的要求。


技术实现要素：

[0010]
本实用新型的目的在于提供一种穆勒矩阵测量装置，能够快速连续地转换入射偏振光的偏振态，满足对快速变化的样品进行穆勒矩阵测量。
[0011]
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
[0012]
一种穆勒矩阵测量装置，包括：
[0013]
用于产生多个不同偏振态的入射偏振光的光源；
[0014]
第一分光器，设置在光源的出射光路上，用于将入射偏振光分成两路入射偏振光；
[0015]
第一检偏器，设置在第一分光器的反射光路上，用于对第一分光器分出的一路入射偏振光进行实时检偏以获取入射偏振光的偏振态；
[0016]
入射光路，设置在第一分光器的透射光路上，用于将第一分光器分出的一路入射偏振光投射在样品上；
[0017]
接收光路，设置在入射光路一侧，且与入射光路之间形成夹角，用于接收样品被照射后所散射的出射光；
[0018]
第二检偏器，设置在接收光路远离样品的一侧，用于对接收光路接收的出射光进行实时检偏以获取出射光的偏振态；
[0019]
其中，光源包括多个用于分别产生不同偏振态的入射偏振光的发光组件、与多个发光组件连接并用于控制多个发光组件开关的控制器以及设置在多个发光组件的出射光路上并将多个发光组件发出的入射偏振光投射到第一分光器上的投射组件。
[0020]
进一步地，发光组件包括与控制器连接的激光器和设置在激光器的出射光路上的第一偏振片。
[0021]
进一步地，投射组件包括多个依次设置的第二分光器，多个发光组件中的一个发光组件设置在投射组件一侧，并设置在第二分光器的透射光路上，其余发光组件与多个第二分光器一一对应，并分别设置在对应的第二分光器的反射光路上。
[0022]
进一步地，发光组件的数量为六个。
[0023]
进一步地，还包括微流控芯片，微流控芯片内设有芯片入口通道、第一芯片出口通道和若干第二芯片出口通道，第一芯片出口通道与芯片入口通道之间连接有单细胞通道，单细胞通道设置在入射光路的出射光路上，若干第二芯片出口通道分别与芯片入口通道连接。
[0024]
进一步地，第二芯片出口通道的数量为两个，第一芯片出口通道设置在两个第二芯片出口通道之间。
[0025]
进一步地，入射光路包括用于将入射偏振光汇聚的第一凸透镜。
[0026]
进一步地，接收光路包括依次设置的第二凸透镜、光阑和第三凸透镜。
[0027]
相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：(1)通过控制器控制多个发光组件开关，实现快速的转换入射偏振光的偏振态，满足对快速变化的样品进行穆勒矩阵测量的要求，实现对样品的穆勒矩阵测量；(2)可以在使用前对多个发光组件进行校准，从而使得多个发光组件发出的多个不同偏振态的入射偏振光的光强一致，尽可能减少光漂移和传输过程中由于损耗导致多个不同偏振态的入射偏振光的光强不一致的影响；(3)利用第一分光器将入射偏振光分成两路，实现对入射偏振光的偏振态的实时连续监控，实时跟踪入射偏振光的偏振态的变化，包括照明强度和偏振分量变化，利用实时监控的偏振态进行穆勒矩阵计算，进一步有效地减少了环境原因导致的测量误差，从而达到准确地对变化样品进行穆勒矩阵测量。
附图说明
[0028]
图1为本实用新型穆勒矩阵测量装置的结构示意图；
[0029]
图2为本实用新型穆勒矩阵测量装置中微流控芯片的结构示意图。
[0030]
图中，1-光源，11-激光器，12-第一偏振片，13-第二分光器，2-第一分光器，3-第一检偏器，4-入射光路，5-接收光路，51-第二凸透镜，52-光阑，53-第三凸透镜，6-第二检偏器，7-微流控芯片，71-芯片入口通道，72-第一芯片出口通道，73-第二芯片出口通道，74-单细胞通道，8-样品。
具体实施方式
[0031]
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0032]
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0033]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0034]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0035]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0036]
请参阅图1，图1为本实用新型穆勒矩阵测量装置的结构示意图。一种穆勒矩阵测量装置，包括光源1、第一分光器2、第一检偏器3、入射光路4、接收光路5、第二检偏器6，光源1用于产生多个不同偏振态的入射偏振光，第一分光器2设置在光源1的出射光路上，且位于光源1与样品8之间，用于将入射偏振光分成两路入射偏振光；第一检偏器3设置在第一分光器2的反射光路上，用于对第一分光器2分出的一路入射偏振光进行实时检偏以获取入射偏振光的偏振态；入射光路4设置在第一分光器2的透射光路上，用于将第一分光器2分出的一路入射偏振光投射在样品8上；接收光路5设置在入射光路4一侧，且与入射光路4之间形成夹角，用于接收样品8被照射后所散射的出射光；第二检偏器6设置在接收光路5远离样品8
的一侧，用于对接收光路5接收的出射光进行实时检偏以获取出射光的偏振态；其中，光源1包括多个用于分别产生不同偏振态的入射偏振光的发光组件、与多个发光组件连接并用于控制多个发光组件开关的控制器以及设置在多个发光组件的出射光路上并将多个发光组件发出的入射偏振光投射到第一分光器2上的投射组件。
[0037]
本实用新型穆勒矩阵测量装置在实际实用时，控制器控制多个发光组件依次开启，其中一个发光组件开启时，其余发光组件关闭，多个发光组件依次发出的特定偏振态的入射偏振光，以实现产生多个不同偏振态的入射偏振光，并达到快速的转换入射偏振光的偏振态的目的。入射偏振光通过投射组件投射到第一分光器2上，入射偏振光经第一分光器2分成两路入射偏振光，其中一路入射偏振光经入射光路4聚焦后投射在样品8上，另一路入射偏振光进入第一检偏器3进行实时检偏，以获取入射偏振光的偏振态。接收光路5接收样品8被照射后所散射的出射光信号，并将出射光信号调制为平行光，平行光进入第二检偏器6进行出射光检偏，以获取出射光的偏振态，最后可根据入射偏振光的偏振态和出射光的偏振态计算出样品8的穆勒矩阵。
[0038]
其中，接收光路5置于样品8的某一后向散射角度处，后向散射角度可以是样品8的后向散射角120度，或者0度到180度的其它散射角度，比如30度、60度、90度、150度等。
[0039]
在一实施例中，发光组件包括与控制器连接的激光器11和设置在激光器11的出射光路上的第一偏振片12。激光器11发出的激光经第一偏振片12调制为特定偏振态的入射偏振光。各发光组件的第一偏振片12的偏振方向均不相同，以产生不同偏振态的入射偏振光。第一偏振片12的偏振方向的具体选择可根据实际需要的入射偏振光的偏振态决定。采用激光器11，激光器11能够轻松达到μs级别，从而能够轻松达到μs级别入射偏振态的快速转换。使用前对多个激光器11进行校准，使得各个偏振态的偏振光的光强一致，减少光漂移和传输过程中由于损耗导致各偏振态的入射偏振光的光强不一致的影响。在一实施例中，发光组件的数量为六个。设置六个发光组件，以产生六个不同偏振态的入射偏振光，确保满足对样品8的穆勒矩阵测量。发光组件的数量为六个，即有六个激光器11和六个第一偏振片12，六个第一偏振片12可以为0
°
线偏振片、45
°
线偏振片、90
°
线偏振片、135
°
线偏振片，以及左旋圆偏振片、右旋圆偏振片，其中，左旋圆偏振片、右旋圆偏振片均为1/2波片加上1/4波片，以得到不同偏振态的入射偏振光。
[0040]
在一实施例中，投射组件包括多个依次设置的第二分光器13，多个发光组件中的一个发光组件设置在投射组件一侧，并设置在第二分光器13的透射光路上，其余发光组件与多个第二分光器13一一对应，并分别设置在对应的第二分光器13的反射光路上。各发光组件发出的入射偏振光，经多个第二分光器13的透射和反射后投射到第一分光器2上。在此实施例中，第二分光器13的数量比发光组件的数量少一，若发光组件的数量为六个，则第二分光器13的数量为五个。优选地，第一分光器2和第二分光器13均为分光立方体。
[0041]
在一实施例中，入射光路4包括用于将入射偏振光汇聚的第一凸透镜。入射偏振光经第一凸透镜汇聚成一束光束并投射到样品8，以尽可能实现对单个样品进行检测。
[0042]
在一实施例中，接收光路5包括依次设置的第二凸透镜51、光阑52和第三凸透镜53。第二凸透镜51设置在光阑52和样品8之间，第二凸透镜51将接收到的样品8被照射后的散射光聚焦，然后经过光阑52和第三凸透镜53将散射光转换为一束平行光。
[0043]
在一实施例中，第一检偏器3和第二检偏器6的结构相同，二者均配置有至少四个
检偏分光通道，具体地，以四个检偏分光通道进行说明，第一检偏器3包括第三分光器、第四分光器、第五分光器、第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片、第五偏振片和光电转换器，第三分光器设置在接收光路54远离样品8的一侧，第四分光器设置在第一分光器2的透射光路上，第二偏振片设置在第三分光器的反射光路上，第三偏振片设置在第四分光器的反射光路上，第五分光器设置在第四分光器的透射光路上，第四偏振片设置在第五分光器的反射光路上，第五偏振片设置在第五分光器的透射光路上，光电转换器的数量为四个，四个光电转换器分别设置在第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片和第五偏振片的出射光路上。分光系统5采用分振幅的方法，接收光路54产生的平行光入射到第三分光器，经第三分光器、第四分光器、第五分光器的透射和反射后分成四束出射光，四束出射光分别经过第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片和第五偏振片检偏后形成四束不同偏振态的出射偏振光，四束出射偏振光分别经过四个光电转换器转换后传输到数据处理端，数据处理端对接收到的偏振信息进行分析处理。由于第一检偏器3是对入射偏振光进行偏振检测，因此数据处理端基于第一检偏器3检测的偏振特性，获得入射偏振光的偏振态(斯托克斯向量)，而由于第二检偏器6是对出射光进行偏振检测，因此数据处理端基于第二检偏器6检测的偏振特性，获得出射光的偏振态，基于入射偏振光的偏振态和出射光的偏振态，可以计算出样品8的穆勒矩阵。第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片和第五偏振片为偏振方向不同的偏振片。偏振片种类可以根据实际情况选择，如在四束出射光的光路上分别加水平偏振片、135度偏振片、45度偏振片，以及左旋偏振片，左旋偏振片即90
°
偏振片加上1/4波片，从而实现出射偏振光的检偏。在一实施例中，光电转换器8为光电倍增管。四束不同偏振态的出射偏振光经过光电倍增管转换放大后传送到数据处理端。优选地，第三分光器、第四分光器和第五分光器均为分光立方体。
[0044]
请结合参阅图2，图2为本实用新型穆勒矩阵测量装置中微流控芯片的结构示意图。为了实现单个样品8的检测，尤其是在对细胞进行识别和区分的时候，需要能够快速检测单个细胞的穆勒矩阵，在一实施例中，本实用新型穆勒矩阵测量装置还包括微流控芯片7，微流控芯片7内设有芯片入口通道71、第一芯片出口通道72和若干第二芯片出口通道73，第一芯片出口通道72与芯片入口通道71之间连接有单细胞通道74，单细胞通道74设置在入射光路4的出射光路上，若干第二芯片出口通道73分别与芯片入口通道71连接。在细胞由芯片入口通道71进入，达到第一芯片出口通道72和若干第二芯片出口通道73时，由于芯片入口通道71与第一芯片出口通道72之间设有单细胞通道74，单细胞通道74只是稍大于细胞的直径，因此单细胞通道74只能供单个细胞通过，入射光路4将入射偏振光投射到单细胞通道74上，当单个细胞经过单细胞通道74时会经过入射偏振光照射的位置，使得单个细胞被照射而产生散射光信号。而若干第二芯片出口通道73较宽，可以容纳多个细胞通过，进而不会导致细胞堵塞在微流控芯片7内。接合微流控芯片7，利用微流控芯片7高通量、单个细胞测量等特性，从而实现单个细胞经过入射偏振光的目的。在一实施例中，第二芯片出口通道73的数量为两个，第一芯片出口通道72设置在两个第二芯片出口通道73之间。将第一芯片出口通道72设置在两个第二芯片出口通道73之间，第一芯片出口通道72与芯片入口通道71位于同一直线上，使得细胞从芯片入口通道71流入时，中间的第一芯片出口通道72受力最大，在保证细胞不堵塞的情况下，尽可能让更多的细胞从单细胞通道74经过，即可以尽可能对更多的细胞进行探测。
[0045]
以下简单说明本实用新型穆勒矩阵测量装置的实现过程：
[0046]
控制器控制多个激光器11依次开启，其中一激光器11开启时，其余激光器11关闭，激光器11发射的激光分别经过各自出射光路上的第一偏振片12后调制为特定偏振态的入射偏振光，得到多个不同偏振态的入射偏振光。入射偏振光经多个第二分光器13透射或反射后投射到第一分光器2，经第一分光器2分成两路入射偏振光，一路入射偏振光进入第一检偏器3，第一检偏器3采用分振幅的方法，即将该接收到的入射偏振光分成四份出射光，每个出射光的光路上分别加不同角度的检偏片，从而实现出射光的检偏，四份出射光经检偏后，再分别经过四个光电倍增管转换放大传输之后数据处理端，数据处理端计算得到入射偏振光的斯托克斯向量。一路入射偏振光经第一凸透镜汇聚成第一光束，第一光束在单细胞通道74内汇聚成光斑，形成聚焦区域。细胞由微流控芯片7的芯片入口通道71进入，由于单细胞通道74的特性，使得单个细胞依次经过单细胞通道74，进而使得单个细胞依次经过聚焦区域，并被第一光路照射而产生散射光信号，实现对单个细胞的测量。接收光路5接收来自单个细胞的散射光信号，并将接收到的散射光信号调制为单束平行光，该平行光入射到第二检偏器6，第二检偏器6与第一检偏器3一样采用分振幅的方法，即将该接收到的平行光分成四份出射光，每个出射光的光路上分别加不同角度的检偏片，从而实现出射光的检偏，四份出射光经检偏后，再分别经过四个光电倍增管转换放大传输之后数据处理端，数据处理端计算得到出射偏振光的斯托克斯向量。具体地，数据处理端计算得到入射偏振光的斯托克斯向量以及数据处理端计算得到出射偏振光的斯托克斯向量的方法是一样的。首先根据公式(3)s
′
out
＝a
·i′
out
，利用标准的偏振仪预先计算出检偏器的仪器矩阵a，其中，i
′
out
、s
′
out
分别为标准的偏振仪的出射光光强和斯托克斯向量。然后在计算出检偏器的仪器矩阵a的情况下，结合检偏器进行检偏获得被检偏的信号的光强i
out
，再次根据公式(3)即可计算得到被检偏的信号的斯托克斯向量s
out
。基于上述方法，即可获得入射偏振光的斯托克斯向量以及出射偏振光的斯托克斯向量，再根据单个细胞的入射偏振光的斯托克斯向量和出射偏振光的斯托克斯向量，这样利用公式(1)计算单个细胞的穆勒矩阵。
[0047]
相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：(1)通过控制器控制多个发光组件开关，实现快速的转换入射偏振光的偏振态，满足对快速变化的样品8进行穆勒矩阵测量的要求，实现对样品8的穆勒矩阵测量；(2)可以在使用前对多个发光组件进行校准，从而使得多个发光组件发出的多个不同偏振态的入射偏振光的光强一致，尽可能减少光漂移和传输过程中由于损耗导致多个不同偏振态的入射偏振光的光强不一致的影响；(3)利用第一分光器2将入射偏振光分成两路，实现对入射偏振光的偏振态的实时连续监控，实时跟踪入射偏振光的偏振态的变化，包括照明强度和偏振分量变化，利用实时监控的偏振态进行穆勒矩阵计算，进一步有效地减少了环境原因导致的测量误差，从而达到准确地对变化样品8进行穆勒矩阵测量。
[0048]
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，故凡未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。