一种穆勒矩阵测量系统及测量方法

1.本发明属于偏振探测技术领域，涉及一种穆勒矩阵测量系统及测量方法。


背景技术：

2.生物组织携带丰富的光学信息(如透射、反射、衰减信息、延迟信息、退偏信息)，能够反映生物组织相关的生理特征。例如，一般病理组织(例如癌症)因为高度组织化的显微结构被破环，组织形态固有的异质性丧失，从而更好的保留了探测光的偏振状态，具有较低的退偏性。疤痕组织含有密集的胶原纤维，探测光束在组织样本中传播时发生更多的正交偏振态相移，从而具有高线性延迟性。生物组织基质的异常改变(例如胶原蛋白的重塑)导致其组织散射和吸收特性的改变，从而使组织的去偏振特性改变。
3.使用斯托克斯矢量来定义光的偏振状态，并使用穆勒矩阵来描述光通过设计的系统时偏振的变化。斯托克斯矢量表达式如下公式：s＝[s0,s1,s2,s3]
t
，s0表示总光强，即水平偏振分量和垂直偏振分量之和，s1表示水平偏振分量和垂直偏振分量之差，s2表示45
°
和135
°
偏振分量之差，s3表示右旋圆偏振和左旋圆偏振分量之差。
[0004]
穆勒矩阵的形式如下：
[0005][0006]
mueller矩阵作为入射stokes矢量和出射stokes矢量之间的变换矩阵，满足下面的公式：s
out
＝ms
in
，式中，s
in
表示入射光的stokes矢量，s
out
表示出射光的stokes矢量。
[0007]
为了对病理组织进行相关分析，一种方法是通过偏振光成像技术检测病理组织的光学信息。并且这也是目前广泛采用的方法。例如，通过偏振成像为射频消融治疗心率失常症状提供帮助，通过成像技术精密确定射频损伤的范围。通过偏振光成像用以确定结肠和宫颈中健康组织和癌变组织的范围。通过偏振光成像测量浑浊介质中的葡萄糖水平。除了提供结构和形态信息，偏振光成像还提供了胶原组织的偏振信息，包括去偏振，线性延迟和旋光等。因此，使用偏振光成像测量胶原组织的穆勒矩阵(mueller)信息成为可行的手段。
[0008]
目前，结合空间频率成像和偏振光成像技术的偏振空间频率成像正在被深入研究。例如，bin yang等人设计了一套偏振空间频率系统装置用以检测牛肌腱组织的纤维方向，并取得了良好的实验结果。will goth设计了相似的装置并对猪心脏瓣膜瓣膜中胶原纤维排列进行检测。samuel v.jett等人更进一步对二尖瓣叶组织胶原在机械负载下的纤维排列作出了定量分析，也测出了部分的穆勒矩阵信息。
[0009]
但是他们的实验装置存在着些许不足之处。他们使用偏振空间频域成像，其实验装置如图3和图4所示。主要有数字微镜芯片(dmd),带通滤波器，透镜，偏振片和工业ccd相机组成。由光源产生的结构光经过dmd反射的条纹光经过偏振片变成偏振光，照射到待测样品上，反射光在待测样品上发生散射，再经过偏振片后被工业ccd相机探测光强值。测量过程中，偏振片发生旋转。每改变一次角度测量一次出射光强。不同出射光强对应关于
mueller矩阵元素的不同方程。由于mueller矩阵有16个元素，即需要求解16个未知数，因此至少需要旋转变化16次角度，实现16种偏振组合后得到样品的mueller矩阵。在实验测量中，起偏系统和检偏系统共用一组偏振片，提供的偏振光偏振态范围较小，仅仅考虑线偏振光的偏振态，没有考虑圆偏振光和其他偏振态的影响，对测量待测生物组织穆勒矩阵的完整性有所不足。


技术实现要素：

[0010]
本发明的目的在于提出一种新的穆勒矩阵测量系统及方法，能够高效、准确地测量目标的完整穆勒矩阵。
[0011]
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
[0012]
一种穆勒矩阵测量系统，包括：光源系统(11)、起偏子系统(12)、待测样品台(13)、检偏子系统(14)；所述的光源系统(11)包括：光源(111)、透镜(112)、带通滤波器(113)；所述的起偏子系统(12)包括：数字微反射镜(121)、第一垂直线偏振片(p1)、第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)、第一成像透镜(l1)、第一反射镜(122)；所述的检偏子系统(14)包括：第二反射镜(141)、第三相位延迟片(lcvr3)、第四相位延迟片(lcvr4)、第二垂直线偏振片(p2)、第二成像透镜(l2)、相机(142)；
[0013]
所述的光源(111)竖直向上发射调制光，经过透镜(112)、带通滤波器(113)后产生单一波长的调制光，所述的数字微反射镜(121)将单一波长的调制光水平反射出去，沿着水平调制光的光路、从左到右依次设置第一垂直线偏振片(p1)、第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)、第一成像透镜(l1)、第一反射镜(122)，所述的数字微反射镜(121)加载有条纹图片，所述的第一垂直线偏振片(p1)用于将入射的调制光转换为线偏振光，所述的第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)用于调制线偏振光的偏振态；水平调制光经过第一垂直线偏振片(p1)、第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)、第一成像透镜(l1)后，再由第一反射镜(122)将带有条纹图片的线偏振光投射到待测样品台(13)上放置的待测生物组织表面；带有条纹图片的线偏振光在待测生物组织中发生散射，散射光通过第二反射镜(141)反射后水平射出，再依次经过第三相位延迟片(lcvr3)、第四相位延迟片(lcvr4)、第二垂直线偏振片(p2)、第二成像透镜(l2)后，由相机(142)捕捉。
[0014]
本发明的穆勒矩阵测量系统的光源系统(11)竖直向上发射调制光，第一垂直线偏振片(p1)用于将入射的调制光转换为线偏振光；第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)调制线偏振光的偏振态，数字微反射镜(121)加载有条纹图片，带有条纹图片的线偏振光在待测生物组织中发生散射，散射光依次经过第三相位延迟片(lcvr3)、第一相位延迟片(143)、第二垂直线偏振片(p2)后，由相机(142)捕捉；通过第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)、第三相位延迟片(lcvr3)、第四相位延迟片(lcvr4)控制调制线偏振光的偏振态，来控制偏振光对待测生物组织的测量深度，提高了出射光光强值的计算精确性，从而提高计算穆勒矩阵的准确性。
[0015]
在一种实施例中，所述的第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)的快轴与水平方向夹角分别为45
°
和90
°
。
[0016]
在一种实施例中，所述的第三相位延迟片(lcvr3)、第四相位延迟片(lcvr4)的快轴与水平方向夹角分别为90
°
和45
°
。
[0017]
在一种实施例中，所述的光源系统(11)采用复合光源。
[0018]
在一种实施例中，所述的相机(142)采用工业级ccd相机。
[0019]
一种应用于所述的穆勒矩阵测量系统的测量方法，包括以下步骤：
[0020]
s1、根据待测样品的成像深度计算条纹图片的空间频率；
[0021]
s2、根据步骤s1计算出的空间频率，选择该空间频率下的三张不同相位的条纹图片，并将每张条纹图片加载到数字微反射镜(121)中；
[0022]
s3、使用起偏子系统(12)进行4次偏振态调制，检偏子系统(14)进行4次调制，两两组合，得到16组不同的偏振态组合；
[0023]
s4、对每组偏振态组合分别投影所述的三张不同相位的条纹图片，得到16组偏振态组合下的散射光的光强值，将每组偏振态组合下的散射光的光强值用斯托克斯矢量表示；
[0024]
s5、将每组偏振态组合下的散射光的光强值的斯托克斯矢量表示为检偏子系统(14)的穆勒矩阵、样品的穆勒矩阵、起偏子系统(12)的穆勒矩阵三者乘积的形式，通过取将每组偏振态组合下的散射光的光强值的斯托克斯矢量的总光强值元素，即斯托克斯矢量中的第一个元素，得到1个矩阵方程；
[0025]
s6、重复步骤s5，一共得到16组矩阵方程，通过求解该16组矩阵方程，从而求出待测样品的穆勒矩阵中的16个元素的值。
[0026]
进一步地，步骤s1中所述的根据待测样品的成像深度计算条纹图片的空间频率的公式如下：
[0027][0028]
其中，depth为定成像深度，ua为待测样品的吸收系数，us'为待测样品的散射系数，f
x
为条纹图片的空间频率。
[0029]
在一种实施例中，步骤s2中所述的三张不同相位的条纹图片的相位分别为：相位分别为0
°
，120
°
，240
°
。
[0030]
进一步地，步骤s5中所述的将每组偏振态组合下的散射光的光强值的斯托克斯矢量表示为检偏子系统(14)的穆勒矩阵、待测样品的穆勒矩阵、起偏子系统(12)的穆勒矩阵三者乘积的形式如下：
[0031]iout
＝m
p2
*m
lcvr4
*m
lcvr3
*m
sample
*m
lcvr2
*m
lcvr1
*m
p1
*i
in
[0032]
其中，i
out
为每组偏振态组合下的散射光的光强值的斯托克斯矢量，m
p2
为检偏子系统(14)的第二垂直线偏振片(p2)的穆勒矩阵，m
lcvr4
和m
lcvr3
分别为检偏子系统(14)的第四相位延迟片(lcvr4)和第三相位延迟片(lcvr3)的穆勒矩阵，m
sample
为待测样品的穆勒矩阵，m
lcvr2
和m
lcvr1
分别为起偏子系统(12)的第二相位延迟片(lcvr2)和第一相位延迟片(lcvr1)，m
p1
为起偏子系统(12)的第一垂直线偏振片(p1)的穆勒矩阵，i
in
为光源系统(11)的入射光的斯托克斯矢量。
[0033]
本发明的优点在于：
[0034]
本发明的一种穆勒矩阵测量系统，光源系统(11)竖直向上发射调制光，第一垂直线偏振片(p1)用于将入射的调制光转换为线偏振光；第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)调制线偏振光的偏振态，数字微反射镜(121)加载有条纹图片，带有条纹图片
的线偏振光在待测生物组织中发生散射，散射光依次经过第三相位延迟片(lcvr3)、第一相位延迟片(143)、第二垂直线偏振片(p2)后，由相机(142)捕捉；通过第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)、第三相位延迟片(lcvr3)、第四相位延迟片(lcvr4)控制调制线偏振光的偏振态，来控制偏振光对待测生物组织的测量深度，提高了出射光光强值的计算精确性，从而提高计算穆勒矩阵的准确性。
附图说明
[0035]
图1是本发明实施例的一种穆勒矩阵测量系统的结构图；
[0036]
图2是本发明实施例的一种穆勒矩阵测量系统的控制流程图；
[0037]
图3是波片旋转法示意图；
[0038]
图4是传统偏振空间频域成像示意图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0040]
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
[0041]
实施例一
[0042]
如图1所示，一种穆勒矩阵测量系统，包括：光源系统(11)、起偏子系统(12)、待测样品台(13)、检偏子系统(14)；所述的光源系统(11)包括：光源(111)、透镜(112)、带通滤波器(113)；所述的起偏子系统(12)包括：数字微反射镜(121)、第一垂直线偏振片(p1)、第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)、第一成像透镜(l1)、第一反射镜(122)；所述的检偏子系统(14)包括：第二反射镜(141)、第三相位延迟片(lcvr3)、第四相位延迟片(lcvr4)、第二垂直线偏振片(p2)、第二成像透镜(l2)、相机(142)。
[0043]
所述的光源(111)竖直向上发射调制光，经过透镜(112)、带通滤波器(113)后产生单一波长的调制光，所述的光源系统(11)可以采用复合光源。所述的数字微反射镜(121)将单一波长的调制光水平反射出去，沿着水平调制光的光路、从左到右依次设置第一垂直线偏振片(p1)、第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)、第一成像透镜(l1)、第一反射镜(122)，所述的数字微反射镜(121)加载有条纹图片，所述的第一垂直线偏振片(p1)用于将入射的调制光转换为线偏振光，所述的第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)用于调制线偏振光的偏振态，第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)的快轴与水平方向夹角分别为45
°
和90
°
；水平调制光经过第一垂直线偏振片(p1)、第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)、第一成像透镜(l1)后，再由第一反射镜(122)将带有条纹图片的线偏振光投射到待测样品台(13)上放置的待测生物组织表面；带有条纹图片的线偏振光在待测生物组织中发生散射，散射光通过第二反射镜(141)反射后水平射出，再依次经过第三相位延迟片(lcvr3)、第四相位延迟片(lcvr4)、第二垂直线偏振片(p2)、第二成像透镜(l2)后，由相机(142)捕捉，所述的第三相位延迟片(lcvr3)、第四相位延迟片(lcvr4)的快轴与水平方向夹角分别为90
°
和45
°
；所述的相机(142)采用工业级ccd(电荷耦
合器件，charge coupled device)相机。
[0044]
如图2所示，本发明的一种穆勒矩阵测量系统由一套定制的qt程序对第一相位延迟片(lcvr1)、第二相位延迟片(lcvr2)、第三相位延迟片(lcvr3)、第四相位延迟片(lcvr4)的电压进行控制，以及对dmd的条纹加载和相机的成像进行控制。使其改变偏振光的偏振态，相对于传统的波片操作更为简便，仅需通过加载电压即可实现结构光偏振态的改变，相比于手动调整波片更为精确，可以对偏振光偏振态的调制范围更广，进而更能测量出待测生物组织完整的穆勒矩阵，使计算出的穆勒矩阵更加精确。
[0045]
测量方法如下：
[0046]
1、确定条纹图片空间频率
[0047]
在实验测量中，需要对生物组织的表皮层进行测量，因此，需要确定在表皮层成像深度下，条纹图片的空间频率f
x
是多少。运用空间频率成像方法(空间频率成像方法是现有的方法，具体参见文献：gioux s,mazhar a,cuccia dj.spatial frequency domain imaging in 2019:principles,applications,and perspectives)进行三次测量，在每一次测量中投影一张不同的条纹图片，图案的明暗条纹按三角函数形式周期变换，条纹图片的相位分别为0
°
，120
°
，240
°
。
[0048]
设入射在待测样品的入射光强度的函数表达式为：
[0049][0050]
其中，s0、m0、f
x
、x、分别是光源的光照强度、空间调制深度、条纹图片的空间频率、空间坐标以及空间相位。
[0051]
在测量过程中，结构光在样品组织中散射并由探测相机捕获到散射图像。散射光光照强度i(x,f
x
)可以被分解为直流dc分量i
dc
(x)和交流ac分量i
ac
(x,f
x
)。
[0052]
i(x,f
x
)＝i
dc
(x)+i
ac
(x,f
x
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0053]
dc分量i
dc
只与空间位置x相关，ac分量i
ac
是空间位置x和空间频率f
x
的函数。具有如下表达式：
[0054][0055]mac
代表反射光子密度的振幅。一般利用三相位移法进行求解。在测量过程中投影了三张条纹图片，三张图像光强值表示i0(x,f
x
),i
120
(x,f
x
),i
240
(x,f
x
)。有以下表达式：
[0056][0057]
同时也有dc分量i
dc
(x,f
x
)表达式：
[0058][0059]
求出以上分量后，在用相同的步骤测量漫反射板的相关分量。则样品组织的漫反射率rd可以表示为：
[0060]
[0061]
其中分母为漫反射板的ac分量，r
d,ref
(x,f
x
)为漫反射板的漫反射率(0.99)。
[0062]
又根据漫反射近似理论，漫反射率，空间频率，吸收系数，散射系数存在以下表达式：
[0063][0064]
其中，a为一个常数，u
tr
＝ua+u
′s。ua是吸收系数，u
′s是散射系数。所以整个表达式空间频率fx是自变量，rd是因变量。利用最小二乘法将不同空间频率和对应的漫反射率进行拟合，即可求出吸收系数和散射系数。
[0065]
求得吸收系数和散射系数后，成像深度与吸收系数，散射系数，空间频率具有如下表达式。
[0066][0067]
设定成像深度，即可确定条纹图片的空间频率f
x
，继而进行步骤2的测量。
[0068]
2、使用穆勒矩阵测量系统，进行16组偏振态组合的测量
[0069]
由于穆勒矩阵有16个元素，在整个测量中需要对偏振光进行16次不同的偏振态调制。所以，需要对起偏系统进行4次偏振态调制(通过对液晶相位延迟器加载不同电压)，对检偏系统进行4次调制，两两组合，可以得到16次不同的偏振态组合。而又因为使用了空间频率成像方法，需要投影三张条纹图片，所以，在一种偏振态调制下，需要对待测生物组织成像三次才能得到最终的光强值结果。即起偏系统确认一种偏振态，检偏系统确认一种偏振态，在这种偏振态组合条件下，依次投影三张条纹图片得到三张成像图片。重复以上步骤，进行剩下15组偏振态组合的测量，共计得到16组偏振态组合下的成像结果，总计48张成像图片。
[0070]
3、进行穆勒矩阵计算的相关准备
[0071]
根据步骤1所示，计算16组偏振态下散射光的光强值。
[0072]iout
(x,f
x
)＝i
dc
(x,f
x
)+i
ac
(x,f
x
)
ꢀꢀꢀ
(9)
[0073]
根据图1所示，经目标反射后ccd探测到的出射光斯托克斯矢量i
out
(x,f
x
)可以表示为：
[0074]iout
＝m
p2
*m
lcvr4
*m
lcvr3
*m
sample
*m
lcvr2
*m
lcvr1
*m
p1
*i
in
ꢀꢀꢀ
(10)
[0075]
其中，i
in
为入射光的斯托克斯矢量，m
p1
为起偏系统垂直偏振片的穆勒矩阵，m
lcvr1
和m
lcvr2
分别为液晶相位延迟器lcvr1和lcvr2的穆勒矩阵，m
sample
为待测生物组织的穆勒矩阵，m
lcvr4
和m
lcvr3
分别为液晶相位延迟器lcvr4和lcvr3的穆勒矩阵，m
p2
为检偏系统垂直偏振片的穆勒矩阵。
[0076]
在步骤2的测量过程中，lcvr1和lcvr2快轴与水平方向夹角分别为45
°
和90
°
(lcvr4和lcvr3也为45
°
和90
°
)，由于入射光被一个垂直线偏振片调制，因此入射斯托克斯矢量i
in
＝[1,-1,0,0]
t
。
[0077]
因此从lcvr2出射光的斯托克斯矢量i
lcvr2
可以表示为：
[0078][0079][0080]
其中，δ1和δ2分别是两个液晶相位延迟器的相位延迟，其通过设置在液晶相位延迟器上的加载电压决定。
[0081]
将(11)式代入(10)式，并令m
pi
＝m
p2
*m
lcvr4
*m
lcvr3
可得：
[0082][0083]
在步骤2中设置检偏系统液晶相位延迟器加载电压，分别使检偏系统进行四次的偏振态调制。
[0084]mlcvr4
，m
lcvr3
与起偏系统液晶相位延迟器lcvr1,lcvr2穆勒矩阵相同，由加载电压确定。垂直偏振片的穆勒矩阵同样可求，所以是m
pi
可知的。
[0085][0086]
其中，δ1
′
和δ2
′
分别是两个液晶相位延迟器的相位延迟；
[0087]
单独取i
out
的第一个数(总光强值)，即只计算m
pi
的第一行，则有：
[0088][0089]
其中，a为由δ1，δ2，δ1
′
和δ2
′
决定的系数，对于每一组测量，该值不同。总计测量16组数据，则可得到16个等式方程组：i＝a*m，通过解矩阵方程可求出最终的穆勒矩阵。
[0090]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。