本發(fā)明涉及用于測(cè)量電磁輻射的偏振的方法和裝置。特別地，但并不專(zhuān)門(mén)地，本發(fā)明涉及通過(guò)測(cè)量照明的強(qiáng)度并以協(xié)調(diào)方式調(diào)制照明來(lái)提供與目標(biāo)對(duì)象相對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)。

背景技術(shù)：

偏振計(jì)是被用來(lái)測(cè)量電磁波（即電磁照明）的偏振狀態(tài)的設(shè)備并且在諸如有機(jī)體和生物顯微術(shù)、晶體學(xué)和天文學(xué)之類(lèi)的各種領(lǐng)域中使用。

許多偏振計(jì)通過(guò)使未知或部分未知的偏振狀態(tài)的電磁射線(xiàn)通過(guò)其偏振坐標(biāo)系為已知的光學(xué)組件來(lái)工作。也就是說(shuō)，光學(xué)組件給予通過(guò)其的電磁射線(xiàn)的偏振狀態(tài)中的已知變化。然后，通過(guò)提供測(cè)量電磁射線(xiàn)在其已通過(guò)光學(xué)組件之后的性質(zhì)中的變化的檢測(cè)器，可以計(jì)算關(guān)于電磁射線(xiàn)的原始偏振狀態(tài)的信息。

在許多偏振計(jì)中，光學(xué)組件包括一個(gè)或多個(gè)偏振調(diào)制器。偏振調(diào)制器是其光學(xué)性質(zhì)響應(yīng)于調(diào)制刺激的應(yīng)用而改變的設(shè)備。通過(guò)偏振調(diào)制器的電磁射線(xiàn)經(jīng)受根據(jù)所應(yīng)用的調(diào)制刺激而改變的偏振狀態(tài)中的變化。偏振調(diào)制器可以被布置成使得已經(jīng)歷調(diào)制的輸出電磁射線(xiàn)與所給予的偏振變化相對(duì)應(yīng)地在強(qiáng)度上發(fā)生變化。強(qiáng)度上的該變化可以容易地被光檢測(cè)器檢測(cè)到。如所已知的，通過(guò)分析經(jīng)過(guò)調(diào)制的電磁射線(xiàn)的強(qiáng)度中的變化，可以確定關(guān)于光的偏振狀態(tài)的信息。

先進(jìn)的偏振計(jì)常常采用用于調(diào)制光的偏振的光學(xué)相位調(diào)制器。諸如光彈性調(diào)制器（PEM）之類(lèi)的光學(xué)相位調(diào)制器常常是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)良的光學(xué)和調(diào)制性質(zhì)。然而，此類(lèi)調(diào)制器典型地以非常高的調(diào)制頻率（大約幾十kHz）操作，這意味著包括此類(lèi)調(diào)制器的系統(tǒng)中的檢測(cè)器必須能夠以此類(lèi)頻率進(jìn)行操作。

這是成像偏振計(jì)的特有問(wèn)題。成像偏振計(jì)被布置成測(cè)量以一定程度的空間分辨率被對(duì)象（或場(chǎng)景）反射、發(fā)射或透射的電磁射線(xiàn)的偏振參數(shù)。此類(lèi)設(shè)備通常采用二維光檢測(cè)器陣列。然而，諸如數(shù)字相機(jī)之類(lèi)的普通成像設(shè)備不能以高至典型光學(xué)相位調(diào)制器調(diào)制頻率的幀速率來(lái)操作。因此，至少對(duì)于成像偏振計(jì)來(lái)說(shuō)，通常需要復(fù)雜定制的傳感器，它們可能難以被集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中并且總體上比“現(xiàn)成的”數(shù)字相機(jī)類(lèi)型設(shè)備更昂貴得多。

現(xiàn)有數(shù)字相機(jī)設(shè)備的修改是可能的，但是通常將導(dǎo)致降低的偏振計(jì)性能。例如，有可能通過(guò)用存儲(chǔ)設(shè)備替換檢測(cè)器像素的替代行來(lái)增加數(shù)字相機(jī)類(lèi)型設(shè)備的幀速率。然而，這降低工作的檢測(cè)器像素的數(shù)目并且相應(yīng)地降低設(shè)備的分辨率。

期望提供一種可以將常規(guī)光檢測(cè)器陣列用作傳感器的偏振計(jì)。特別期望提供一種可以將常規(guī)二維光檢測(cè)器陣列用作傳感器的成像偏振計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于測(cè)量電磁照明的偏振的方法，其包括：

調(diào)制從目標(biāo)對(duì)象接收到的照明的偏振狀態(tài)以生成經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明；

通過(guò)以第一選通（gating）頻率周期性地選通成像設(shè)備對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的曝光來(lái)選擇性地測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度；

響應(yīng)于所測(cè)得的強(qiáng)度，確定所接收到的照明的偏振參數(shù)；以及

利用多個(gè)偏振參數(shù)生成與目標(biāo)對(duì)象相對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，其中

根據(jù)第一頻率來(lái)調(diào)制來(lái)自目標(biāo)對(duì)象的照明并且第一選通頻率至少與第一頻率相關(guān)聯(lián)且同步。

適當(dāng)?shù)?，提供一種技術(shù)，在其中以選通頻率來(lái)選通偏振計(jì)檢測(cè)器的成像設(shè)備的曝光。也就是說(shuō)，與常規(guī)布置相比，提供一種充當(dāng)“快門(mén)”的選通機(jī)構(gòu)，其以與偏振調(diào)制的一調(diào)制頻率（或多個(gè)調(diào)制頻率）相對(duì)應(yīng)且與其同步的一選通頻率（或多個(gè)選通頻率）使成像設(shè)備曝光?？梢酝ㄟ^(guò)用在曝光時(shí)段期間的個(gè)體選通時(shí)段的數(shù)目對(duì)在曝光時(shí)段期間測(cè)得的總強(qiáng)度求平均來(lái)容易地確定經(jīng)過(guò)調(diào)制的電磁照明的強(qiáng)度。因此，諸如通常在數(shù)字相機(jī)中找到的CCD陣列之類(lèi)的常規(guī)低成本設(shè)備可以被用在偏振計(jì)檢測(cè)器中，而不考慮低幀速率。此類(lèi)低成本設(shè)備是容易得到的，易于合并到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中并且與定制的二維傳感器相比不貴。通過(guò)采用該技術(shù)，可以在先進(jìn)的偏振計(jì)中使用不太昂貴并且不太復(fù)雜的檢測(cè)器。

可選地，在執(zhí)行調(diào)制步驟之前，使照明通過(guò)無(wú)限遠(yuǎn)（infinity）校正光學(xué)元件。

在成像偏振計(jì)中，不同光射線(xiàn)經(jīng)歷不同數(shù)量的偏振調(diào)制。這是因?yàn)檎{(diào)制器的光學(xué)幾何形狀通常使得不可避免地使不同光射線(xiàn)行進(jìn)不同距離通過(guò)調(diào)制器，因此經(jīng)歷不同等級(jí)的調(diào)制（例如相位延遲）。更具體地，每個(gè)光射線(xiàn)都與不同“K矩陣”相關(guān)聯(lián)（在下面更詳細(xì)地解釋?zhuān)?/p>

除非目標(biāo)對(duì)象在光學(xué)無(wú)限遠(yuǎn)距離處，否則在常規(guī)的寬場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)中入射在成像設(shè)備的特定部分上（例如入射在光檢測(cè)器的特定像素上）的光將已經(jīng)經(jīng)由多個(gè)光學(xué)路徑行進(jìn)（歸因于光的發(fā)散本質(zhì)）。因此，如果在偏振計(jì)中采用常規(guī)寬場(chǎng)技術(shù)，則入射在成像設(shè)備的具體部分上的光將通過(guò)多個(gè)光學(xué)路徑并且因此經(jīng)歷多個(gè)不同數(shù)量的偏振調(diào)制。這使得測(cè)量在成像設(shè)備上的具體點(diǎn)處（即在特定像素處）接收到的光的偏振狀態(tài)，并且因此成像偏振計(jì)一般是復(fù)雜的，因?yàn)楸仨毧紤]多個(gè)不同路徑的光學(xué)性質(zhì)。在偏振計(jì)標(biāo)定期間這是特別相關(guān)的。

根據(jù)該可選步驟，如果在調(diào)制步驟之前所接收到的照明通過(guò)無(wú)限遠(yuǎn)校正光學(xué)元件（例如無(wú)限遠(yuǎn)校正透鏡），則入射在成像設(shè)備的特別部分上（例如入射在特定像素上）的光的射線(xiàn)將沿著具體光學(xué)路徑行進(jìn)，并且僅經(jīng)歷與這些光學(xué)路徑相關(guān)聯(lián)的偏振調(diào)制。因此，可以使用所建立的標(biāo)定技術(shù)來(lái)容易地標(biāo)定每個(gè)個(gè)體像素以考慮由入射在該像素上的光所采用的具體（平行）光學(xué)路徑的光學(xué)性質(zhì)（例如偏振效應(yīng)）。此外，檢測(cè)器的成像設(shè)備的每個(gè)部分（例如像素）都可以被視為一個(gè)對(duì)于目標(biāo)對(duì)象上的特定點(diǎn)的個(gè)體積分器。

可選地，該方法還包括在確定所接收到的照明的偏振參數(shù)之前進(jìn)行標(biāo)定以適應(yīng)與所接收到的照明在被接收到之后且在被選擇性地測(cè)量之前采用的不同光學(xué)路徑相關(guān)聯(lián)的偏振效應(yīng)。在一些示例中，確定標(biāo)定數(shù)據(jù)包括使來(lái)自已知光學(xué)性質(zhì)的經(jīng)過(guò)圖案化的目標(biāo)對(duì)象的照明在通過(guò)無(wú)限遠(yuǎn)校正透鏡之后且在被調(diào)制之前通過(guò)已知光學(xué)性質(zhì)的標(biāo)定光學(xué)元件。

可選地，周期性地選通成像設(shè)備對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的曝光包括使用以選通頻率進(jìn)行操作的圖像增強(qiáng)器來(lái)增強(qiáng)入射在成像設(shè)備上的圖像。根據(jù)該可選特征，圖像增強(qiáng)器可以被用來(lái)周期性地放大入射在成像設(shè)備上的光的水平。這可以被配置成使得在沒(méi)有接通圖像增強(qiáng)器（即沒(méi)有放大光）的時(shí)段期間，入射在成像設(shè)備上的光的水平實(shí)際上是零。圖像增強(qiáng)器可以被容易地集成在成像設(shè)備中并且可以以高頻率來(lái)控制。因此，它們提供一種用以提供選通機(jī)構(gòu)的方便方式。

可選地，周期性地選通成像設(shè)備對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的曝光包括以選通頻率周期性地照明目標(biāo)對(duì)象。如果目標(biāo)對(duì)象處于變暗的或被適當(dāng)照明的環(huán)境中，則在其期間目標(biāo)對(duì)象沒(méi)有被照明的時(shí)段中，入射在成像設(shè)備上的光量實(shí)際上是零（即就像它已經(jīng)被快門(mén)遮蔽一樣）。通過(guò)周期性地照明目標(biāo)對(duì)象的成像設(shè)備的選通曝光意味著可以提供一種不需要對(duì)偏振計(jì)的任何實(shí)質(zhì)內(nèi)部修改的選通機(jī)構(gòu)（就像可由外部元件來(lái)提供照明）。

可選地，在調(diào)制所接收到的照明的偏振狀態(tài)之后并且在選擇性地測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度之前，經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明被分開(kāi)以產(chǎn)生至少一個(gè)另一經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明射束。因此，可以提供多通道實(shí)施方式，其提供多個(gè)檢測(cè)路徑。以這種方式，可以同時(shí)收集圖像數(shù)據(jù)的多個(gè)版本。許多實(shí)施方式要求要在所有偏振參數(shù)可以被確定之前處理圖像數(shù)據(jù)的若干個(gè)幀。通過(guò)提供多個(gè)檢測(cè)路徑，可以在單個(gè)曝光時(shí)段期間捕獲圖像數(shù)據(jù)的多于一個(gè)幀。這實(shí)現(xiàn)偏振參數(shù)的更快確定。此外，因?yàn)樵摷夹g(shù)實(shí)現(xiàn)常規(guī)、低成本成像設(shè)備的使用，所以降低了多通道實(shí)施方式的成本和復(fù)雜性。

可選地，如果經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明被分開(kāi)，則該方法還包括：通過(guò)以另一選通頻率周期性地選通另一成像設(shè)備對(duì)另一經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明射束的曝光來(lái)選擇性地測(cè)量另一經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明射束的強(qiáng)度；響應(yīng)于另一經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明射束的測(cè)得的強(qiáng)度來(lái)確定所接收到的照明的其他偏振參數(shù)；以及利用多個(gè)其他偏振參數(shù)生成與目標(biāo)對(duì)象相對(duì)應(yīng)的其他圖像數(shù)據(jù)。該另一選通頻率至少與第一頻率相關(guān)聯(lián)且同步。此外，可選地，該第一選通頻率和另一選通頻率基本上異相180度。

可選地，選擇性地測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度包括以經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的周期時(shí)間的預(yù)定比例周期性地測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明。此外，可選地，預(yù)定比例與第一頻率的50%占空比相關(guān)聯(lián)。

可選地，調(diào)制偏振狀態(tài)是經(jīng)由至少一個(gè)第一光彈性調(diào)制器的。此外，可選地，該第一頻率是第一光彈性調(diào)制器的共振頻率。

可選地，該方法包括用第一光彈性調(diào)制器來(lái)調(diào)制所接收到的照明的偏振狀態(tài)并且然后用第二光彈性調(diào)制器來(lái)調(diào)制所接收到的照明的偏振狀態(tài)。此外，可選地，該方法包括以第二頻率用第二光彈性調(diào)制器來(lái)調(diào)制所接收到的照明的偏振狀態(tài)。該第二頻率是第二光彈性調(diào)制器的共振頻率。

可選地，以第一選通頻率和第二選通頻率來(lái)選擇性地測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明。該第二選通頻率對(duì)應(yīng)于第二光彈性調(diào)制器的共振頻率。

可選地，該調(diào)制還包括使照明通過(guò)線(xiàn)性偏振器。

可選地，該成像設(shè)備是光檢測(cè)器陣列。

可選地，偏振參數(shù)是斯托克斯參數(shù)。此外，可選地，該偏振參數(shù)是所有I、Q、U和V斯托克斯參數(shù)。

可選地，確定所接收到的照明的偏振參數(shù)包括從經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的選擇性測(cè)量的強(qiáng)度提取與經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明相關(guān)聯(lián)的復(fù)合波形的一個(gè)或多個(gè)系數(shù)。此外，可選地，該方法還包括使用該一個(gè)或多個(gè)系數(shù)來(lái)求解米勒矩陣以確定斯托克斯參數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于測(cè)量電磁照明的偏振的裝置。該裝置包括：調(diào)制器，其可操作用來(lái)調(diào)制從目標(biāo)對(duì)象接收到的照明的偏振狀態(tài)并且生成經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明；檢測(cè)器和選通單元，所述選通單元可操作用來(lái)以第一選通頻率周期性地選通檢測(cè)器的成像設(shè)備對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的曝光，由此使得檢測(cè)器能夠選擇性地測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度；以及處理器，其可操作用來(lái)根據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度的選擇性測(cè)量結(jié)果來(lái)確定所接收到的照明的偏振參數(shù)以及利用多個(gè)偏振參數(shù)生成與目標(biāo)對(duì)象相對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)。該調(diào)制器根據(jù)第一頻率來(lái)調(diào)制所接收到的照明并且第一選通頻率至少與第一頻率相關(guān)聯(lián)且同步。

可選地，該裝置還包括無(wú)限遠(yuǎn)校正光學(xué)元件，其被設(shè)置成使得照明在通過(guò)調(diào)制器之前通過(guò)該無(wú)限遠(yuǎn)校正光學(xué)元件。

可選地，該處理器被提供有與所接收到的照明在被檢測(cè)器選擇性地測(cè)量之前所采用的不同光學(xué)路徑的偏振效應(yīng)相關(guān)聯(lián)的標(biāo)定數(shù)據(jù)。

可選地，該選通單元是可操作用來(lái)以第一選通頻率增強(qiáng)入射在成像設(shè)備處的圖像的圖像增強(qiáng)器?？商娲兀撨x通單元是可操作用來(lái)以第一選通頻率周期性地照明目標(biāo)對(duì)象的照明單元。

可選地，該裝置還包括設(shè)置在調(diào)制器之后的分束器。該分束器可操作用來(lái)將經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明分成另一經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明射束。

可選地，如果該裝置包括分束器，則該裝置還包括：另一檢測(cè)器和另一選通單元。該另一選通單元可操作用來(lái)以另一選通頻率周期性地選通另一檢測(cè)器的成像設(shè)備對(duì)另一經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明射束的曝光。這使得該另一檢測(cè)器能夠選擇性地測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度。該處理器可操作用來(lái)根據(jù)另一經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度的選擇性測(cè)量結(jié)果來(lái)確定所接收到的照明的其他偏振參數(shù)，以及利用多個(gè)偏振參數(shù)生成與目標(biāo)對(duì)象相對(duì)應(yīng)的其他圖像數(shù)據(jù)。該另一選通頻率與第一頻率相關(guān)聯(lián)且同步。

可選地，該第一選通頻率和另一選通頻率基本上異相180度。

可選地，該選通單元被布置成以經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的周期時(shí)間的預(yù)定比例使成像設(shè)備曝光。

可選地，該預(yù)定比例與第一頻率的50%占空比相關(guān)聯(lián)。

可選地，該調(diào)制器包括至少一個(gè)第一光彈性調(diào)制器。

可選地，該第一頻率是第一光彈性調(diào)制器的共振頻率。

可選地，該調(diào)制器還包括被布置成以第二頻率來(lái)調(diào)制照明的第二光彈性調(diào)制器，該第二頻率是第二光彈性調(diào)制器的共振頻率。

可選地，該調(diào)制器還包括線(xiàn)性偏振器。

可選地，該成像設(shè)備是光檢測(cè)器陣列。

可選地，該處理器可操作用來(lái)通過(guò)從經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的選擇性測(cè)量的強(qiáng)度提取與經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明相關(guān)聯(lián)的復(fù)合波形的一個(gè)或多個(gè)系數(shù)來(lái)確定所接收到的照明的偏振參數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于在偏振測(cè)量設(shè)備中使用的模塊。該模塊包括調(diào)制器，其可操作用來(lái)調(diào)制從目標(biāo)對(duì)象接收到的照明的偏振狀態(tài)并且生成經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明；檢測(cè)器和選通單元，所述選通單元可操作用來(lái)以第一選通頻率周期性地選通檢測(cè)器的成像設(shè)備對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的曝光，由此使得檢測(cè)器能夠選擇性地測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度；以及處理器，其可操作用來(lái)根據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度的選擇性測(cè)量結(jié)果來(lái)確定所接收到的照明的偏振參數(shù)以及利用多個(gè)偏振參數(shù)生成與目標(biāo)對(duì)象相對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)。該調(diào)制器根據(jù)第一頻率來(lái)調(diào)制所接收到的照明并且第一選通頻率至少與第一頻率相關(guān)聯(lián)且同步。

根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種用于測(cè)量電磁照明的偏振的方法。該方法包括：調(diào)制從目標(biāo)對(duì)象接收到的照明的偏振狀態(tài)以生成經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明；選擇性地測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度；以及響應(yīng)于測(cè)得的強(qiáng)度來(lái)確定所接收到的照明的一個(gè)或多個(gè)偏振參數(shù)。來(lái)自目標(biāo)對(duì)象的照明是根據(jù)第一頻率調(diào)制的并且經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度是以至少與第一頻率相關(guān)聯(lián)的測(cè)量頻率選擇性地測(cè)得的。

根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種用于測(cè)量電磁照明的偏振的裝置。該裝置包括：調(diào)制器，其可操作用來(lái)調(diào)制從目標(biāo)對(duì)象接收到的照明的偏振狀態(tài)并且生成經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明；檢測(cè)器，其可操作用來(lái)選擇性地測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度；以及處理單元，其可操作用來(lái)根據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度的選擇性測(cè)量結(jié)果來(lái)確定所接收到的照明的一個(gè)或多個(gè)偏振參數(shù)。該調(diào)制器根據(jù)第一頻率調(diào)制所接收到的照明并且檢測(cè)器以至少與第一頻率相關(guān)聯(lián)的測(cè)量頻率來(lái)選擇性地測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明。

在權(quán)利要求中限定本發(fā)明的各種其他方面和特征。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在將在下文中參考附圖僅通過(guò)示例的方式描述本發(fā)明的某些實(shí)施例，在附圖中：

圖1提供根據(jù)本發(fā)明的第一示例布置的偏振計(jì)裝置的簡(jiǎn)化示意繪圖；

圖2提供示出采用選通的圖像增強(qiáng)器的本發(fā)明的一個(gè)示例的雙調(diào)制器偏振計(jì)實(shí)施方式的示意圖；

圖3提供示出采用選通的照明單元的本發(fā)明的一個(gè)示例的雙調(diào)制器偏振計(jì)實(shí)施方式的示意圖；

圖4提供圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例的標(biāo)定技術(shù)的示意圖；

圖5提供根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例的用于偏振計(jì)的檢測(cè)器的多通道實(shí)施方式的示意圖；

圖6提供經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的采樣的示意圖；

圖7a和7b提供根據(jù)本發(fā)明的示例的用于合并到裝置中的模塊的示意圖；以及

圖8提供根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例的根據(jù)測(cè)量光的偏振的方法的流程圖。

在繪圖中，相似的參考數(shù)字指的是相似的部分。

具體實(shí)施方式

通常根據(jù)斯托克斯矢量的分量來(lái)分析光的偏振狀態(tài)。斯托克斯矢量是一個(gè)根據(jù)四個(gè)斯托克斯參數(shù)（即I、Q、U和V）來(lái)表示光的偏振狀態(tài)的矢量：

I 是光的總強(qiáng)度，而Q 、U 和V 表示正交偏振狀態(tài)的強(qiáng)度的差。更具體地，Q 是具有以0°和90°定向到指定的實(shí)驗(yàn)室x軸線(xiàn)的偏振面的線(xiàn)性偏振狀態(tài)之間的差。U 是具有以45°和-45°定向到實(shí)驗(yàn)室x軸線(xiàn)的偏振面的偏振狀態(tài)之間的差。V 是左旋和右旋圓偏振狀態(tài)之間的差。

難以直接測(cè)量，然而可以使用包括諸如光檢測(cè)器之類(lèi)的成像設(shè)備的檢測(cè)器來(lái)容易地測(cè)量光的強(qiáng)度。因此，許多偏振計(jì)通過(guò)檢測(cè)已通過(guò)具有已知偏振性質(zhì)的光學(xué)組件的光的強(qiáng)度來(lái)工作。光一旦已通過(guò)光學(xué)組件就檢測(cè)到的光的強(qiáng)度允許根據(jù)下面詳細(xì)描述的理論來(lái)計(jì)算關(guān)于光的偏振狀態(tài)的信息。

可以用被稱(chēng)為米勒矩陣的的4×4矩陣來(lái)描述光學(xué)元件對(duì)光的斯托克斯矢量的影響或者若干元件的布置對(duì)光的斯托克斯矢量的組合影響，

。

通過(guò)具有有效米勒矩陣M 的光學(xué)組件的具有斯托克斯矢量的輸入光產(chǎn)生具有由下式給出的斯托克斯矢量的輸出光：

。

可以示出，在透射通過(guò)光學(xué)組件之后現(xiàn)在具有斯托克斯矢量的光射線(xiàn)具有由下式給出的強(qiáng)度：

。

倘若對(duì)于至少四個(gè)不同光學(xué)設(shè)置來(lái)說(shuō)光學(xué)組件的相關(guān)米勒矩陣元素是已知的，則測(cè)量I_o會(huì)供給包括輸入矢量的所有未知斯托克斯參數(shù)。

在下面的示例中，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，已經(jīng)使用了術(shù)語(yǔ)“光”。然而，將理解的是，該術(shù)語(yǔ)指的是適用于通過(guò)偏振計(jì)的測(cè)量結(jié)果的所有電磁照明（即電磁輻射/射線(xiàn)）并且不僅僅是一個(gè)具體波長(zhǎng)范圍（例如可見(jiàn)光）的電磁輻射。

具有選通單元的偏振計(jì)。

圖1提供根據(jù)第一示例布置的偏振計(jì)裝置的簡(jiǎn)化示意繪圖。

從諸如樣本101之類(lèi)的目標(biāo)對(duì)象接收到的光被入射在裝置的輸入光學(xué)元件102上。通過(guò)輸入光學(xué)元件102將光指引到偏振調(diào)制器103中。在一些示例中，在調(diào)制器103中使用單個(gè)調(diào)制器，在這種情況下在任何一個(gè)時(shí)間使用單一調(diào)制頻率。在其他示例中，可以在調(diào)制器103中使用多個(gè)調(diào)制器單元并且因此可以同時(shí)使用多個(gè)調(diào)制器頻率。因此，調(diào)制器103被布置成根據(jù)一個(gè)或多個(gè)調(diào)制頻率來(lái)調(diào)制光的偏振狀態(tài)。

調(diào)制器103被連接到調(diào)制器控制器104，其控制調(diào)制器103以及施加給所接收到的光的調(diào)制頻率。

如所已知的，通過(guò)用偏振調(diào)制器調(diào)制光的偏振狀態(tài)，可以相應(yīng)地調(diào)制輸出光的強(qiáng)度。通常，這通過(guò)將諸如線(xiàn)性偏振器或圓/橢圓偏振器之類(lèi)的光學(xué)元件包括在調(diào)制器中來(lái)實(shí)現(xiàn)，光在離開(kāi)調(diào)制器103之前通過(guò)該光學(xué)元件。因此，調(diào)制器103輸出經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光。經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光是具有根據(jù)調(diào)制器所給予的光學(xué)變化并且以一個(gè)或多個(gè)調(diào)制頻率周期性改變的強(qiáng)度的光。該強(qiáng)度變化根據(jù)復(fù)合波形隨著時(shí)間改變?？傮w來(lái)說(shuō)，如所已知的，可以分析該波形來(lái)確定關(guān)于接收到偏振計(jì)中的光的偏振參數(shù)的信息。

在一些示例中，并且如將會(huì)更詳細(xì)解釋的，該復(fù)合波形的分量的幅度（即其系數(shù)）可以被用來(lái)確定所接收到的光的偏振參數(shù)。此外，這些分量的基頻和諧波頻率與調(diào)制器103的一個(gè)或多個(gè)調(diào)制頻率有關(guān)。

檢測(cè)器105被布置成以與一個(gè)或多個(gè)調(diào)制頻率相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)頻率來(lái)選擇性地測(cè)量（即采樣）經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光的強(qiáng)度。檢測(cè)器105被布置成將與經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光的選擇性測(cè)得的強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出給處理器106。在一些示例中，處理器106被布置成根據(jù)該數(shù)據(jù)來(lái)確定上述復(fù)合波形的分量的幅度并且由此計(jì)算接收到的光的偏振參數(shù)（諸如斯托克斯參數(shù)）。

適當(dāng)?shù)?，檢測(cè)器105包括通過(guò)光檢測(cè)器布置提供的成像設(shè)備。該光檢測(cè)器布置被用來(lái)測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光的強(qiáng)度。在尋求樣本的二維圖像的成像偏振計(jì)中，通常通過(guò)二維光檢測(cè)器陣列107來(lái)提供光檢測(cè)器布置。光檢測(cè)器陣列107的每個(gè)像素都充當(dāng)為其確定偏振參數(shù)的個(gè)體積分器。在操作期間，在積分時(shí)段內(nèi)光檢測(cè)器陣列107被曝光到經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明并且然后輸出像素?cái)?shù)據(jù)的幀。該像素?cái)?shù)據(jù)的幀包括各數(shù)據(jù)值，它們中的每一個(gè)都對(duì)應(yīng)于在曝光時(shí)段期間入射在特定像素上的光的強(qiáng)度。

適當(dāng)?shù)兀幚砥?06被布置成處理像素?cái)?shù)據(jù)的一個(gè)或多個(gè)幀以計(jì)算從目標(biāo)對(duì)象（即樣本）的不同部分接收到的光的偏振參數(shù)并且然后將其輸出為圖像數(shù)據(jù)。該圖像數(shù)據(jù)可以便利地按照與樣本101的表示對(duì)應(yīng)的圖像文件（例如JPEG、Bitmap等等）的形式，具有不同顏色和/或陰影、和/或圖案等等的組合，從而指示不同偏振參數(shù)。然而，處理器106可以生成表示按照其他更抽象形式（諸如按照一個(gè)或多個(gè)直方圖的形式）或其他圖形表示的偏振參數(shù)的圖像數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，可以使用表示來(lái)自樣本的光的偏振參數(shù)的任何適當(dāng)形式的圖像數(shù)據(jù)，具有樣本的哪些部分（即空間分辨率）對(duì)應(yīng)于哪些偏振參數(shù)的指示。在某些情況下，這可以是以具有指示空間位置以及一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)偏振參數(shù)的許多數(shù)據(jù)值的文本文件的形式。

大多數(shù)二維光檢測(cè)器陣列的積分頻率/幀速率（即光檢測(cè)器陣列對(duì)入射光采樣的頻率）比調(diào)制器103所應(yīng)用的調(diào)制頻率更低得多。

有利地，提供選通單元108。該選通單元108被布置成將光檢測(cè)器陣列107選擇性地曝光（即周期性地選通）到來(lái)自與調(diào)制頻率相對(duì)應(yīng)的調(diào)制器103的輸出光。也就是說(shuō)，在從光檢測(cè)器陣列107捕獲像素?cái)?shù)據(jù)的幀期間，選通單元108被布置成根據(jù)與各調(diào)制頻率之一相關(guān)聯(lián)的選通頻率（另外被稱(chēng)為測(cè)量頻率）選擇性地曝光光檢測(cè)器陣列。這使得檢測(cè)器105能夠選擇性地測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光的強(qiáng)度。

在選通頻率與調(diào)制頻率基本上相同或者與調(diào)制頻率的整數(shù)倍基本上相同的意義上，選通頻率與各調(diào)制頻率之一相關(guān)聯(lián)。選通頻率以及與其相關(guān)聯(lián)的調(diào)制頻率也是同步的，即在兩個(gè)頻率之間存在基本上恒定的相位差。因此，選通單元108通過(guò)以與各調(diào)制頻率中的至少一個(gè)相關(guān)聯(lián)且同步的選通頻率周期性地選通成像設(shè)備對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光的曝光來(lái)進(jìn)行操作。

通過(guò)同樣連接到調(diào)制器控制器104的處理器106來(lái)控制選通單元。該布置允許處理器106控制選通頻率和調(diào)制頻率，以使得在操作期間選通頻率和調(diào)制頻率如上文所述的那樣彼此相關(guān)聯(lián)并且還同步。

使用選通的圖像增強(qiáng)器的雙調(diào)制器偏振計(jì)。

圖2提供示出在圖1中示出的裝置的雙調(diào)制器偏振計(jì)實(shí)施方式的一個(gè)示例的示意圖。如上文提及的，利用對(duì)應(yīng)的參考數(shù)字來(lái)指示對(duì)應(yīng)部分。

在雙調(diào)制器偏振計(jì)中，通過(guò)兩個(gè)光學(xué)相位調(diào)制器和一個(gè)線(xiàn)性偏振器來(lái)提供偏振調(diào)制器。兩個(gè)調(diào)制器的偏振坐標(biāo)系相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)，以使得它們的經(jīng)過(guò)調(diào)制的軸線(xiàn)與指定的實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系的x軸線(xiàn)成不同角度。透射通過(guò)此類(lèi)偏振計(jì)的光射線(xiàn)遇到第一相位調(diào)制器，其坐標(biāo)系（調(diào)制軸線(xiàn)）旋轉(zhuǎn)通過(guò)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室x軸線(xiàn)的角度α（在這種情況下z軸線(xiàn)沿著偏振計(jì)的光軸）。當(dāng)光射線(xiàn)通過(guò)第一相位調(diào)制器時(shí)它們經(jīng)歷δ₁的相位延遲。然后光射線(xiàn)遇到第二相位調(diào)制器，其坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)通過(guò)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室x軸線(xiàn)的角度β。當(dāng)光射線(xiàn)透射通過(guò)第二相位調(diào)制器時(shí)它們經(jīng)歷δ₂的相位延遲。然后光射線(xiàn)遇到線(xiàn)性偏振器，其透射軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)通過(guò)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室x軸線(xiàn)的角度γ。當(dāng)δ₁和δ₂被調(diào)制時(shí)，入射在分析器上的光的斯托克斯參數(shù)被改變，從而影響可以通過(guò)其的光量。因?yàn)橄辔徽{(diào)制器對(duì)輸入光的斯托克斯矢量的影響是已知的，所以通過(guò)使用光檢測(cè)器陣列作為積分器來(lái)測(cè)量所透射的光的強(qiáng)度，有可能計(jì)算入射在第一相位調(diào)制器上的光的斯托克斯參數(shù)。

參考圖2，輸入光學(xué)元件102包括通過(guò)無(wú)限遠(yuǎn)校正透鏡201提供的無(wú)限遠(yuǎn)校正光學(xué)元件。無(wú)限遠(yuǎn)校正透鏡201被布置成使得入射在光檢測(cè)器陣列107的每個(gè)像素上的光從一組平行光學(xué)路徑通過(guò)調(diào)制器103。

調(diào)制器103包括第一光彈性調(diào)制器（PEM）202和第二PEM 203。該調(diào)制器103還包括線(xiàn)性偏振器204。該第一和第二PEM 202、203中的每一個(gè)都包括換能器202a、203a（諸如壓電換能器）和共振桿202b、203b。用諸如熔融石英之類(lèi)的材料來(lái)制造共振桿202b、203b，當(dāng)共振桿受到換能器202a、203a的壓力和應(yīng)變時(shí)其偏振性質(zhì)改變。

當(dāng)受到來(lái)自調(diào)制器控制器104的控制信號(hào)的控制時(shí)，換能器202a、203a以它們各自的共振桿202b、203b的共振頻率振動(dòng)。該第一PEM 202以第一頻率f_PEM1共振，并且該第二PEM 203以第二頻率f_PEM2共振。

首先通過(guò)第一PEM 202來(lái)調(diào)制光的偏振參數(shù)并且然后通過(guò)第二PEM 203來(lái)再次調(diào)制光的偏振參數(shù)。如上文所解釋的，接收到的通過(guò)PEM 202、203的光的不同相位經(jīng)歷不同的相位延遲量。一旦已通過(guò)第一和第二PEM 202、203的光通過(guò)線(xiàn)性偏振器204，就產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度的光。

檢測(cè)器105包括將來(lái)自調(diào)制器103的經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光聚焦在選通單元108上的聚焦光學(xué)器件206。檢測(cè)器105還包括成像設(shè)備207，其包括將通過(guò)選通單元108傳遞的光聚焦在光檢測(cè)器陣列107上的聚焦光學(xué)器件208。

在一些示例中，帶通濾波器/單色儀可以被放置在檢測(cè)器105的入口處，以選擇用于分析的單個(gè)波長(zhǎng)。

在所圖示的示例中，選通單元108是選通的圖像增強(qiáng)器，當(dāng)在活動(dòng)時(shí)其增強(qiáng)來(lái)自調(diào)制器103的光（即放大該光的亮度）。因此，放大了入射在光檢測(cè)器陣列107上的樣本101的圖像213。該選通的圖像增強(qiáng)器還被布置成使得當(dāng)其不活動(dòng)時(shí)透射到光檢測(cè)器陣列107的光量處于可忽略的水平，以及/或者光檢測(cè)器陣列的像素被標(biāo)定，諸如當(dāng)其不活動(dòng)時(shí)從通過(guò)圖形增強(qiáng)器傳遞的光水平收集不到電荷。換言之，光檢測(cè)器陣列107不會(huì)檢測(cè)圖像213。

光檢測(cè)器陣列107被連接到處理器106的數(shù)據(jù)接口209。來(lái)自數(shù)據(jù)接口209的像素?cái)?shù)據(jù)被輸入到處理器106的中央處理器單元（CPU）210。CPU 210如下面更詳細(xì)描述的那樣處理像素?cái)?shù)據(jù)以生成被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器211中的偏振參數(shù)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器211可以經(jīng)由輸入/輸出接口212將此偏振參數(shù)數(shù)據(jù)輸出為如上所述的任何適當(dāng)形式的圖像數(shù)據(jù)。

如上文所解釋的，離開(kāi)調(diào)制器103的光具有隨時(shí)間變化的強(qiáng)度并且更特別地是根據(jù)復(fù)合波形隨時(shí)間變化的。該復(fù)合波形的性質(zhì)與所接收到的光的偏振參數(shù)有關(guān)。

可以示出，已經(jīng)透射通過(guò)調(diào)制器的光射線(xiàn)具有由下面的復(fù)合波形給出的隨著時(shí)間變化的強(qiáng)度：

，

在這里I、Q、U和V是光射線(xiàn)的斯托克斯參數(shù)，并且m₁₁、m₁₂、m₁₃和m₁₄是光透射通過(guò)的光學(xué)系統(tǒng)的4×4米勒矩陣的系數(shù)。

此外，可以示出波形I₀(t)的dc分量與I、Q和U成比例，并且構(gòu)成波形I₀(t)的ac分量的頻率的幅度與斯托克斯參數(shù)成比例。

更具體地，如下，I₀(t)的dc分量（S_dc）以及I₀(t)的以下復(fù)數(shù)分量（S_f1、S_f2和S_f3）與斯托克斯參數(shù)有關(guān)：

在這里，g₁到g₈是以下矩陣的系數(shù)：

該矩陣對(duì)應(yīng)于如例如圖2中所圖示的雙調(diào)制器類(lèi)型布置的‘G’矩陣。

該矩陣可以被倒置以求解斯托克斯參數(shù)：

。

通過(guò)系統(tǒng)的具體光學(xué)參數(shù)來(lái)確定矩陣K 的非零元素（即k₁到k₈）。如先前所描述的，K矩陣的元素取決于與裝置的具體光學(xué)路徑相關(guān)聯(lián)的光學(xué)性質(zhì)（例如偏振效應(yīng)）。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數(shù)據(jù)點(diǎn)，則標(biāo)定過(guò)程將仍是可操作的。在諸如參考圖1和2（在其中光檢測(cè)器陣列的每個(gè)像素被用作積分器）解釋的實(shí)施方式之類(lèi)的實(shí)施方式中，必須確定用于每個(gè)像素的K矩陣。然而，使用常規(guī)光學(xué)器件，每個(gè)像素將從多個(gè)發(fā)散光學(xué)路徑接收光，使得適當(dāng)?shù)臉?biāo)定非常難。

如參考圖2和3中示出的光學(xué)路徑可以理解的，無(wú)限遠(yuǎn)校正透鏡201的提供意味著檢測(cè)器陣列的每個(gè)像素與通過(guò)經(jīng)歷對(duì)應(yīng)延遲的裝置的單組平行光學(xué)路徑相關(guān)聯(lián)。因此，無(wú)限遠(yuǎn)校正透鏡201的提供使得能夠在逐像素的基礎(chǔ)上確定K矩陣。下面更詳細(xì)地描述此類(lèi)標(biāo)定程序的示例。

對(duì)于圖2中示出的調(diào)制器103，可以示出參考等式[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，將理解的是，通過(guò)以2f_PEM1（第一選通頻率）、2f_PEM2（第二選通頻率）和f_PEM2（第三選通頻率）對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)制的光的強(qiáng)度（即I₀(t)）進(jìn)行采樣，以及通過(guò)對(duì)I₀(t)的dc分量進(jìn)行測(cè)量（假如k₁到k₈的值已知的話(huà)），可以對(duì)于來(lái)自在光檢測(cè)器陣列107的每一個(gè)像素處的樣本101的光確定斯托克斯參數(shù)I、Q、U和V。

因此，為了確定斯托克斯參數(shù)，必須確定I₀(t)的每個(gè)復(fù)數(shù)分量（S_f1、S_f2、S_f3）的幅度。一般來(lái)說(shuō)，可以采用任何適當(dāng)?shù)逆i相信號(hào)恢復(fù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

在一個(gè)示例中，為了確定S₁₁的幅度，在第一曝光時(shí)段期間選通的圖像增強(qiáng)器108以第一選通頻率2f_pem1來(lái)操作，并且光檢測(cè)器陣列107捕獲由CPU 210接收到的像素?cái)?shù)據(jù)的第一幀。也就是說(shuō)，圖像增強(qiáng)器以第一選通頻率周期性地增強(qiáng)入射到光檢測(cè)器陣列107上的圖像213。像素?cái)?shù)據(jù)包括針對(duì)每個(gè)像素的積分值，其與在第一曝光時(shí)段期間在該像素處的總照明相對(duì)應(yīng)。選通的圖像增強(qiáng)器108的操作的相位使得在I₀(t)的每個(gè)調(diào)制時(shí)段的第一半期間對(duì)I₀(t)的強(qiáng)度進(jìn)行采樣。

CPU 210用從每個(gè)像素讀取的積分值除以在曝光時(shí)段中的調(diào)制時(shí)段的數(shù)目來(lái)給出在曝光時(shí)段期間光的強(qiáng)度的平均值。這提供積分值的第一“幀”。

在第二曝光時(shí)段期間，執(zhí)行相同的過(guò)程并且捕獲像素?cái)?shù)據(jù)的第二幀。這是以與對(duì)于第一幀相同的方式捕獲的，除了選通的圖像增強(qiáng)器108的操作被改變以使得在I₀(t)的每個(gè)調(diào)制時(shí)段的第二半期間對(duì)I₀(t)的強(qiáng)度進(jìn)行采樣。該過(guò)程提供積分值的第二幀。

CPU 210從來(lái)自積分值的第二幀的積分值減去來(lái)自積分值數(shù)據(jù)的第一幀的積分值以產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)值Sig1。

然后再次重復(fù)該過(guò)程，并且捕獲像素?cái)?shù)據(jù)的第三和第四幀且生成積分值的第三和第四幀。該過(guò)程對(duì)應(yīng)于剛才描述的在其中選通的圖像增強(qiáng)器108被布置成以相同的選通頻率操作的過(guò)程，然而其相位被移位π/2。然后CPU 210從來(lái)自積分值的第四幀的積分值減去來(lái)自積分值的第三幀的積分值以產(chǎn)生第二組數(shù)據(jù)值Sig2。

可以示出，S_f1的幅度=。

基于此，CPU 210可以確定S_f1的幅度。

使用相同的過(guò)程（但是利用以相關(guān)選通頻率進(jìn)行操作的選通的圖像增強(qiáng)器108）來(lái)確定S_f2和S_f3的幅度。

如將會(huì)理解的，通過(guò)使用上述過(guò)程，像素?cái)?shù)據(jù)的四個(gè)幀被捕獲以確定I₀(t)的每個(gè)復(fù)數(shù)分量的幅度。因此，像素?cái)?shù)據(jù)的總共12個(gè)幀被捕獲以便確定S_f1、S_f2和S_f3的幅度。

可以通過(guò)將積分值的第一幀和第二幀相加或者通過(guò)將積分值的第二幀和第三幀相加來(lái)確定dc分量S_dc。

一旦已經(jīng)計(jì)算了對(duì)于光檢測(cè)器陣列107的每個(gè)像素的S_f1、S_f2和S_f3的幅度和dc值S_dc，CPU 210就被布置成使用矩陣[10]來(lái)確定光檢測(cè)器陣列107的所有像素的I、Q、U和V的值并且如上所述生成和輸出圖像數(shù)據(jù)。

如將理解的，一般來(lái)說(shuō)，圖像增強(qiáng)器的功能是提供在調(diào)制器和檢測(cè)器之間設(shè)置的快門(mén)的效果，所述快門(mén)以相關(guān)選通頻率進(jìn)行操作。將理解的是，可以使用提供該一般性功能的任何適當(dāng)單元。

使用對(duì)象的選通的照明的雙調(diào)制器偏振計(jì)。

圖3提供偏振計(jì)裝置的另一示例的實(shí)施方式的示意圖。用對(duì)應(yīng)的參考數(shù)字來(lái)提供與圖2中示出的偏振計(jì)裝置的部件部分相對(duì)應(yīng)的圖3中示出的偏振計(jì)裝置的部件部分。

圖3中示出的偏振計(jì)裝置與圖2中示出的偏振計(jì)裝置相對(duì)應(yīng)，除了不通過(guò)圖像增強(qiáng)器提供選通單元。作為代替，選通單元是選通的照明單元301。提供不包括圖像增強(qiáng)器的經(jīng)過(guò)修改的檢測(cè)器單元105a。選通的照明單元301通常由適當(dāng)?shù)腖ED或激光器來(lái)提供并且通過(guò)照明控制單元302來(lái)控制。激光器或二極管可以是單色的，由此克服在僅要分析一個(gè)帶寬的情況下對(duì)檢測(cè)器之前的帶通濾波器的需求。

在操作中，不是使用設(shè)置在調(diào)制器和檢測(cè)器之間的選通單元來(lái)選擇性地曝光光檢測(cè)器陣列107，而是使用選通的照明單元301來(lái)選擇性地曝光光檢測(cè)器陣列107，該選通的照明單元301以各種選通頻率選擇性地（即周期性地）照明樣本101。典型地，樣本101被放置在來(lái)自選通的照明單元301的光的照明下。典型地，周邊環(huán)境被照亮以便在測(cè)量期間保持在恒定照亮水平并且保持在避免使光檢測(cè)器陣列107飽和的照亮水平。

光檢測(cè)器陣列107以與當(dāng)使用圖像增強(qiáng)器時(shí)等同的方式來(lái)對(duì)圖像213選擇性地曝光。也就是說(shuō)，在每個(gè)曝光時(shí)段期間，將光檢測(cè)器陣列107的每個(gè)像素曝光給以相關(guān)選通頻率采樣的經(jīng)過(guò)調(diào)制的光I₀(t)。用于生成偏振參數(shù)的過(guò)程在其他方面與例如圖2中示出的那些相同。

照明控制單元302包括照明處理單元303和函數(shù)發(fā)生器304。該函數(shù)發(fā)生器304提供被發(fā)送給選通的照明單元301的控制信號(hào)并且控制照明的時(shí)序。

根據(jù)該示例，不需要在調(diào)制器和檢測(cè)器之間提供選通機(jī)構(gòu)。這與使用圖像增強(qiáng)器相比通常是不太復(fù)雜的布置，因?yàn)樵谡{(diào)制器和光檢測(cè)器陣列之間存在較少的居間部件，從機(jī)械上講這更簡(jiǎn)單并且潛在地產(chǎn)生更少的誤差源。然而，圖像增強(qiáng)器布置可能更適合于在其中目標(biāo)對(duì)象可能因?yàn)檎彰鞴獗桓淖兓驌p壞的應(yīng)用，諸如易損的生物樣本。

標(biāo)定。

為了標(biāo)定參考圖2和3描述的偏振計(jì)裝置的示例，為每個(gè)像素確定與K矩陣（即矩陣[11]相對(duì)應(yīng)的標(biāo)定數(shù)據(jù)。該標(biāo)定數(shù)據(jù)考慮與偏振計(jì)裝置內(nèi)的光學(xué)路徑相關(guān)聯(lián)的具體光學(xué)效應(yīng)。這包括由輸入光學(xué)元件以及光學(xué)器件（諸如調(diào)制器和其他光學(xué)部件）的任何不對(duì)準(zhǔn)引入的偏振效應(yīng)。

如上面所解釋的，通過(guò)提供無(wú)限遠(yuǎn)校正透鏡，入射在光檢測(cè)器的每個(gè)像素上的光在該裝置內(nèi)形成一組具體的平行光學(xué)路徑。這意味著可以通過(guò)以逐像素為基礎(chǔ)生成標(biāo)定數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行與例如Guan等人于2010年的Applied Optics以及Cook在Salford（2010）的博士學(xué)位論文“? study of focused ion beam patterned thin magnetic films with soft x-ray and magneto-optical microscopy”中討論的標(biāo)定程序相對(duì)應(yīng)的標(biāo)定程序。

在圖4中更詳細(xì)地圖示此類(lèi)標(biāo)定程序。

圖4提供與圖2中示出的相對(duì)應(yīng)（除了樣本是經(jīng)過(guò)圖案化的目標(biāo)對(duì)象，即具有已知光學(xué)性質(zhì)的經(jīng)過(guò)圖案化的測(cè)試樣本401）的偏振計(jì)裝置的示意圖。在一些示例中，這可以是具有已知磁光特性的連續(xù)半透明磁膜。該膜通?？梢园ǜ采w的非透明圖案以使得可以通過(guò)系統(tǒng)對(duì)其成像。此外，標(biāo)定光學(xué)元件602被可拆卸地插入在輸入光學(xué)元件102和調(diào)制器103之間。

將理解的是，盡管參考圖2的示例圖示了標(biāo)定技術(shù)（在其中選通單元位于調(diào)制器和光檢測(cè)器陣列之間），但是該技術(shù)還可以與圖3中圖示的技術(shù)（在其中通過(guò)選通的照明單元來(lái)提供選通單元）一起使用。

標(biāo)定光學(xué)元件402通常包括線(xiàn)性偏振器和例如λ/4延遲的可旋轉(zhuǎn)延遲板。在一些示例中，這些是可分開(kāi)的單元且首先插入線(xiàn)性偏振器，并且在波板之后得到標(biāo)定測(cè)量結(jié)果且然后得到其他標(biāo)定測(cè)量結(jié)果。

在標(biāo)定過(guò)程期間，通過(guò)CPU 210來(lái)確定對(duì)應(yīng)于與光檢測(cè)器陣列上的每個(gè)像素位置相關(guān)聯(lián)的光學(xué)路徑的K矩陣的標(biāo)定數(shù)據(jù)，并且然后當(dāng)計(jì)算偏振參數(shù)時(shí)CPU 210使用該標(biāo)定數(shù)據(jù)。一般這可以根據(jù)在Cook中（并且特別在Cook的第四章4.3.3部分中）描述的技術(shù)來(lái)執(zhí)行。一旦完成標(biāo)定過(guò)程并且CPU 210已生成對(duì)應(yīng)于與光檢測(cè)器陣列上的每個(gè)像素位置相關(guān)聯(lián)的光學(xué)路徑的K矩陣的標(biāo)定數(shù)據(jù)，就移除圖案化測(cè)試樣本401和標(biāo)定光學(xué)元件402。

在一些示例中，光檢測(cè)器陣列可以包括數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的像素。在這種情況下，可能會(huì)消耗太多時(shí)間以及/或者從處理視角來(lái)說(shuō)CPU 210為每單個(gè)像素確定K矩陣是不現(xiàn)實(shí)的。K矩陣值通?？绻鈾z測(cè)器陣列的像素平滑改變。因此，在一些示例中，通過(guò)CPU 210來(lái)確定像素子集的K矩陣，并且通過(guò)CPU 210執(zhí)行插值算法來(lái)確定剩余像素的標(biāo)定數(shù)據(jù)（即K矩陣）。

多通道檢測(cè)器。

圖5提供本發(fā)明的示例所促進(jìn)的檢測(cè)器的替代實(shí)施方式的示意圖。

在圖2和圖3中示出的示例中，檢測(cè)器通常捕獲像素?cái)?shù)據(jù)的若干個(gè)幀以便恢復(fù)允許為光檢測(cè)器陣列107的每個(gè)像素計(jì)算斯托克斯參數(shù)的足夠信息。因此，在可由處理器106計(jì)算斯托克斯參數(shù)之前必須逝去相同數(shù)目的曝光時(shí)段。

在一些示例中，可以將分束器定位在調(diào)制器后面以產(chǎn)生許多其他的經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光的射束。經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光的每個(gè)射束（即通道）可以被指引到分開(kāi)的檢測(cè)器單元，從而允許同時(shí)生成像素?cái)?shù)據(jù)的多個(gè)幀。這允許并行處理像素?cái)?shù)據(jù)的幀。例如，可以并行確定上述Sig1和Sig2，從而降低確定I₀(t)的復(fù)數(shù)分量的幅度以及因此斯托克斯參數(shù)所花費(fèi)的時(shí)間。

在其他示例中，第一通道可以被布置成解調(diào)與第一調(diào)制器PEM1相關(guān)聯(lián)的頻率并且第二通道可以被用來(lái)解調(diào)與第二調(diào)制器PEM 2相關(guān)聯(lián)的頻率。

圖5示出在其中分束器501被定位在調(diào)制器（該調(diào)制器未示出）后面的多通道檢測(cè)器實(shí)施方式。

分束器501將經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光的兩個(gè)分開(kāi)但相同的射束指引到第一檢測(cè)組件502和第二檢測(cè)組件503。

第一和第二檢測(cè)組件502、503中的每一個(gè)都包括：聚焦光學(xué)器件206a、206b；選通單元108a、108b；成像設(shè)備207a、207b，其包括聚焦光學(xué)器件208a、208b以及光檢測(cè)器陣列107、107b。這些部件的功能和操作與上文參考圖2描述的檢測(cè)器105的功能和操作相對(duì)應(yīng)。

第一檢測(cè)組件502的選通單元108a被布置成在操作期間以I₀(t)的周期時(shí)間的預(yù)定比例（例如選通頻率時(shí)段（即選通時(shí)段）的50%占空比）將光檢測(cè)器陣列107a曝光給經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光。這對(duì)應(yīng)于調(diào)制時(shí)段的50%占空比。

將會(huì)理解，50%占空比僅僅是示例性的。在一些示例中，可以使用更短占空比，例如在每個(gè)調(diào)制時(shí)段得到多個(gè)樣本。這可降低檢測(cè)器的所需動(dòng)態(tài)范圍，但是可能需要捕獲更多的幀來(lái)確定所有相關(guān)信息以確定斯托克斯參數(shù)。

在一些示例中，第二檢測(cè)組件503的選通單元108b被布置成在操作期間以選通頻率的50%占空比將光檢測(cè)器陣列107b曝光給經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光，但與第一檢測(cè)組件的相位異相180度。如上文所討論的，這使得能夠并行確定Sig1和Sig2。如將會(huì)理解的，為了實(shí)現(xiàn)在其中選通頻率異相180度的實(shí)施方式，通常有必要在每個(gè)檢測(cè)器中具有一個(gè)選通單元。

該布置允許在單個(gè)曝光時(shí)段期間捕獲像素?cái)?shù)據(jù)的兩個(gè)幀，并且因此允許根據(jù)在單個(gè)曝光時(shí)段期間捕獲的像素?cái)?shù)據(jù)來(lái)計(jì)算Sig1和Sig2二者。參考圖6來(lái)更詳細(xì)地解釋該概念。

圖6示出復(fù)合波形I₀(t)的圖示。調(diào)制時(shí)段(tmod)對(duì)應(yīng)于第一調(diào)制器fpem1的調(diào)制頻率的時(shí)段。單個(gè)曝光時(shí)段(texp0sure)通常持續(xù)調(diào)制時(shí)段的整數(shù)倍。在圖6中示出的示例中，這是調(diào)制時(shí)段的六倍。當(dāng)完成曝光時(shí)段時(shí)，從光檢測(cè)器陣列讀出每個(gè)像素值。

當(dāng)處理器106計(jì)算入射在每個(gè)像素上的經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光的強(qiáng)度時(shí)，完成在曝光時(shí)段之后的像素值讀出，用該像素值除以曝光時(shí)段中的調(diào)制時(shí)段的數(shù)目。以這種方式，確定調(diào)制時(shí)段的平均光強(qiáng)度并且改進(jìn)該過(guò)程的準(zhǔn)確性。

第一系列塊601指示在曝光時(shí)段期間第一檢測(cè)組件502的選通單元108a曝光第一檢測(cè)組件502的光檢測(cè)器陣列107a的時(shí)間。第二系列塊602指示在曝光時(shí)段期間第二檢測(cè)組件403的選通單元108b曝光第二檢測(cè)組件503的光檢測(cè)器陣列107b的時(shí)間。如上面所提到的，并且如可以從圖6看到的，第一和第二檢測(cè)組件502、503的選通單元108a、108b以選通頻率時(shí)段的50%占空比將相應(yīng)的光檢測(cè)器陣列107a、107b曝光到經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度光，除了異相180度之外。

將理解的是，可以使用參考圖4描述的標(biāo)定技術(shù)來(lái)標(biāo)定參考圖5解釋的多通道示例，除了處理器106將從兩個(gè)光檢測(cè)器陣列生成像素的K矩陣之外。當(dāng)分束器被定位在調(diào)制器之后時(shí)，僅需要單個(gè)標(biāo)定光學(xué)元件和測(cè)試樣本。

圖5中示出的多通道實(shí)施方式包括兩個(gè)射束。然而，在一些示例中，分束器可以創(chuàng)建多個(gè)射束并且可以提供更多檢測(cè)通道。

可以在許多應(yīng)用中使用上述偏振計(jì)布置和技術(shù)，例如被合并在其中目標(biāo)對(duì)象可以是小對(duì)象（諸如生物細(xì)胞）的顯微鏡內(nèi)；或者被合并在其中目標(biāo)對(duì)象可以是大對(duì)象（例如在離偏振計(jì)很大距離處的星星或星系）的情況的天文儀器內(nèi)。在其他示例中，偏振計(jì)（而不是科學(xué)儀器）可以被合并在具有更一般功能的設(shè)備中，諸如機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的部分。

在其中目標(biāo)對(duì)象處于離偏振計(jì)很大距離處的應(yīng)用中，進(jìn)入偏振計(jì)的光可能已經(jīng)基本上平行?？商娲?，初級(jí)聚焦光學(xué)器件（例如透鏡或反射鏡）可以被放置在偏振計(jì)之前以使得進(jìn)入偏振計(jì)的光基本上平行。在此類(lèi)情況下，可能不存在對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)校正光學(xué)元件的需求，因?yàn)樗邮盏降墓獾谋举|(zhì)使得圖像設(shè)備的每個(gè)像素將與通過(guò)偏振計(jì)的單個(gè)光學(xué)路徑相關(guān)聯(lián)。

在參考圖2和3討論的示例實(shí)施方式中，通過(guò)兩個(gè)PEM和線(xiàn)性偏振器來(lái)提供偏振調(diào)制器。PEM提供非常低的殘余雙折射，不會(huì)使對(duì)UV光的曝光降級(jí)，具有大的孔徑和接受角并且需要非常小的功率來(lái)操作。然而，將會(huì)理解，可以使用可將經(jīng)過(guò)調(diào)制的偏振給予輸入光并將這轉(zhuǎn)換成具有經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度的光的任何光學(xué)元件。此類(lèi)光學(xué)元件包括普克爾斯盒和液晶延遲器。

在一些示例中，可以提供體現(xiàn)本發(fā)明原理的模塊化單元，其被添加到諸如常規(guī)顯微鏡之類(lèi)的別的常規(guī)設(shè)備。也就是說(shuō)，用于在偏振測(cè)量設(shè)備中使用的模塊。圖7a和7b圖示該概念。

圖7a提供用于合并在此類(lèi)常規(guī)設(shè)備中的第一模塊化單元701的簡(jiǎn)化示意圖。模塊化單元701包括與參考圖1描述的那些相對(duì)應(yīng)的部件部分，即調(diào)制器103、調(diào)制器控制器104、包括選通單元108和光檢測(cè)器陣列的檢測(cè)器105、以及處理器106。該第一模塊化單元701被適配到一裝置（例如顯微鏡（未示出）），以使得來(lái)自顯微鏡的光學(xué)器件的光進(jìn)入調(diào)制器。如上面討論的那樣計(jì)算光的偏振參數(shù)。

圖7b提供模塊化單元702的示意圖，該模塊化單元702的部件與參考圖7a討論的模塊化單元701相對(duì)應(yīng)，除了模塊化單元702被提供有作為選通單元的選通的照明單元301，而不是設(shè)置在調(diào)制器和光檢測(cè)器陣列之間的積分選通單元。

在上述示例中，接收像素?cái)?shù)據(jù)（即與經(jīng)過(guò)調(diào)制的光的選擇性測(cè)量的強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)）并根據(jù)此計(jì)算偏振參數(shù)的處理器被圖示為單個(gè)處理器，其包括存儲(chǔ)器和CPU并且被連接到偏振計(jì)的檢測(cè)器的成像設(shè)備。然而，將要理解，在一些示例中這僅僅是邏輯設(shè)計(jì)并且由該處理器執(zhí)行的功能（例如接收像素?cái)?shù)據(jù)和生成圖像數(shù)據(jù)）可以跨許多互連但物理上分布式的處理器被執(zhí)行。

此外，在上述示例中，已經(jīng)就光檢測(cè)器陣列的“每一個(gè)”或“所有”像素描述了各種步驟。將理解的是，在一些示例中，可以在任何一個(gè)時(shí)間僅使用光檢測(cè)器陣列的像素子集。例如，為了控制像素?cái)?shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)量，或者降低所需標(biāo)定數(shù)據(jù)量，光檢測(cè)器陣列可以被布置成僅使用物理上存在于光檢測(cè)器陣列上的像素總數(shù)的子集。

此外，上述示例中的成像設(shè)備通常指的是關(guān)于二維光檢測(cè)器陣列。然而，將會(huì)理解本發(fā)明的原理可以被應(yīng)用于能夠檢測(cè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的任何適當(dāng)成像設(shè)備。一些示例可以包括單個(gè)光檢測(cè)器或者一維“線(xiàn)式”個(gè)體光檢測(cè)器。

圖8提供根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例的根據(jù)測(cè)量光的偏振的方法的流程圖。

在第一步驟801處，根據(jù)第一頻率來(lái)調(diào)制從目標(biāo)對(duì)象接收到的照明的偏振狀態(tài)以生成經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明。

在第二步驟802處，根據(jù)至少與第一頻率相關(guān)聯(lián)的測(cè)量頻率來(lái)測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制的強(qiáng)度照明的強(qiáng)度。

在第三步驟S803處，響應(yīng)于所測(cè)得的強(qiáng)度，確定所接收到的照明的一個(gè)或多個(gè)偏振參數(shù)。

參考矩陣[11]，應(yīng)該注意雙PEM布置造成這種具體形式的K矩陣。就更一般的形式而言，K矩陣的所有元素可以是非零的。典型地在這種情況下，確定此類(lèi)矩陣所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)的最小數(shù)目增大。例如，將需要16個(gè)非等同數(shù)據(jù)點(diǎn)。在一些示例中，可以結(jié)合優(yōu)化程序來(lái)使用更多點(diǎn)。

遍及該說(shuō)明書(shū)的描述和權(quán)利要求，詞語(yǔ)“包括”和“包含”以及它們的變體意指“包括但不限于”并且不意圖使它們排除（并且它們不排除）其他部分、添加物、部件、整數(shù)或步驟。遍及該說(shuō)明書(shū)的描述和權(quán)利要求，單數(shù)涵蓋復(fù)數(shù)，除非上下文以其他方式要求。特別地，在使用不定冠詞的情況下，說(shuō)明書(shū)要被理解為預(yù)期復(fù)數(shù)以及單數(shù)，除非上下文以其他方式要求。

結(jié)合本發(fā)明的特定方面、實(shí)施例或示例描述的特征、整數(shù)、特性或組群要被理解成可應(yīng)用于這里描述的任何其他方面、實(shí)施例或示例，除非與其不兼容。可以以任何組合來(lái)組合該說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征（包括任何所附的權(quán)利要求、摘要和繪圖）、以及/或者這樣公開(kāi)的任何方法或過(guò)程的所有步驟，除了在至少一些特征和/或步驟互斥的情況下的組合之外。本發(fā)明不限于任何前述實(shí)施例的任何細(xì)節(jié)。本發(fā)明延伸到該說(shuō)明書(shū)（包括任何所附權(quán)力要求、摘要和繪圖）中公開(kāi)的特征的任何新穎的一個(gè)或新穎組合，或者這樣公開(kāi)的任何方法或過(guò)程的步驟的任何新穎的一個(gè)或任何新穎組合。

讀者的注意力被指引到與本說(shuō)明書(shū)連同本申請(qǐng)同時(shí)或在本說(shuō)明書(shū)連同本申請(qǐng)之前提交且對(duì)本說(shuō)明書(shū)的公眾審查公開(kāi)的所有論文和文檔，并且通過(guò)參考將所有此類(lèi)論文和文檔的內(nèi)容合并于此。