全偏振测量与成像

偏振方法可获得复杂介质光学性质和微观结构的丰富信息，具有无标记、无损伤、跨尺度、多模态和定量等特点，可用于复杂样本定量表征、细致分类和动态测量。本书介绍基于弹性散射的偏振光学测量方法，及其在复杂样本测量特别是生物医学诊断等领域的应用。主要内容包括：生物组织的偏振散射模型，偏振光在散射介质中传播的基本规律与模拟，光的偏振态与介质偏振光学特性测量，复杂样本微观结构的偏振表征与偏振特征提取，偏振光散射与成像方法在生物医学和海洋、大气观测等领域的潜在应用。

“偏振成像探测技术学术丛书”序
前言
第1章偏振与简单体系缪勒矩阵1
1.1光的偏振1
1.2光的偏振态表征2
1.2.1纯偏振态表示-琼斯向量2
1.2.2一般偏振态表示-斯托克斯向量3
1.2.3图像表示6
1.3介质对偏振态变换的表征7
1.3.1琼斯矩阵7
1.3.2缪勒矩阵9
1.3.3转换关系10
1.4简单体系的缪勒矩阵11
1.4.1纯相位延迟12
1.4.2纯二向色性13
1.4.3退偏14
1.4.4起偏15
1.4.5常用偏振器件的缪勒矩阵16
参考文献18
第2章光的散射、模拟和散射体系缪勒矩阵20
2.1光的散射与传播理论20
2.1.1辐射传输理论20
2.1.2漫射近似方法21
2.1.3随机模型方法22
2.2单粒子的偏振光散射理论与计算23
2.2.1球粒子散射23
2.2.2柱粒子散射26
2.2.3非规则粒子散射计算31
2.3偏振光散射的蒙特卡罗模拟计算过程37
2.3.1模拟计算的基本概念37
2.3.2模拟程序设计39
2.3.3随机变量的取样41
2.3.4坐标系的选取42
2.3.5光子状态的初始化和光子移动43
2.3.6光子的吸收44
2.3.7光子的散射45
2.3.8介质表面反射和折射及分层介质的分界面处理50
2.3.9光子探测和记录53
2.4蒙特卡罗模拟结果处理54
2.5蒙特卡罗计算程序验证57
2.5.1纯球体系中的偏振模拟验证57
2.5.2纯柱体系中非偏振散射的验证58
2.6模拟计算中双折射模块的实现及其验证58
2.6.1双折射模拟计算58
2.6.2双折射计算程序验证60
2.7旋光效应61
2.7.1蒙特卡罗模拟方法中旋光模块的实现61
2.7.2蒙特卡罗模拟方法中旋光模块的实验验证62
2.8生物组织散射体系模型与模拟63
2.8.1仅包含球散射粒子的介质缪勒矩阵模拟规律63
2.8.2包含柱散射粒子的介质模型模拟规律68
2.8.3生物组织偏振光散射模型模拟及相关实验对照82
2.8.4骨骼肌球-柱双折射模型及其实验验证89
2.8.5血液模型及其实验验证91
2.9散射体系的缪勒矩阵93
2.9.1散射体系缪勒矩阵研究的基本装置和仿体93
2.9.2球-柱散射体系背向缪勒矩阵的实验与模拟特征97
2.10缪勒矩阵提取参数的空间分布特征105
2.10.1球-柱散射体系偏振度参数106
2.10.2球-柱散射体系缪勒矩阵分解参数108
2.10.3球-柱散射体系缪勒矩阵变换参数110
2.11分层散射介质的缪勒矩阵113
2.11.1柱散射与双折射介质分层体系113
2.11.2多层双折射介质快轴方位分析114
参考文献120
第3章偏振测量理论122
3.1偏振测量的基本理论122
3.1.1斯托克斯向量的测量理论122
3.1.2缪勒矩阵的测量理论123
3.1.3斯托克斯向量和缪勒矩阵的测量理论的统一形式124
3.1.4偏振成像系统中测量理论的修正：等效仪器矩阵127
3.2偏振测量的调制方法与器件128
3.2.1非同时性偏振调制器件(时间调制器件)128
3.2.2同时性偏振调制器件136
3.2.3偏振测量的三个维度140
3.3偏振测量与参考坐标系的选取141
3.3.1偏振量随参考坐标系的旋转141
3.3.2背向测量坐标系定义原则142
参考文献143
第4章偏振测量系统146
4.1偏振测量系统的误差及其传递规律146
4.1.1基本的误差传递规律146
4.1.2仅考虑部分误差时的误差传递规律149
4.2偏振测量系统的优化150
4.2.1偏振测量系统优化设计的基础150
4.2.2考虑光强误差时的系统优化150
4.2.3考虑仪器矩阵误差时的系统优化166
4.3偏振测量系统的降噪171
4.3.1光强随机误差171
4.3.2光强随机误差的降噪173
4.4偏振测量系统的校准174
4.4.1偏振测量系统校准的意义174
4.4.2偏振元件系统误差的校准176
4.4.3系统误差校准方法的对比187
4.4.4非偏振元件偏振残差的校准196
4.5偏振测量装置202
4.5.1基于GRINlens的斯托克斯向量测量仪202
4.5.2基于4QD的斯托克斯向量测量仪205
4.5.3基于双波片旋转的透射式缪勒矩阵显微镜208
4.5.4基于单偏振相机的透射式3.4缪勒矩阵显微镜210
4.5.5基于双偏振相机的透射式快速缪勒矩阵显微镜212
4.5.6基于双波片旋转的反射式缪勒矩阵显微镜217
参考文献223
第5章偏振特征量226
5.1缪勒矩阵分解227
5.1.1Lu-Chipman极分解229
5.1.2微分分解和对数分解230
5.1.3克劳德分解237
5.2缪勒矩阵变换238
5.2.1缪勒矩阵变换理论238
5.2.2缪勒矩阵转动不变量241
5.2.3缪勒矩阵角度量257
5.3缪勒矩阵对称性264
5.3.1缪勒矩阵对称性破坏的原因266
5.3.2判断缪勒矩阵对称性破坏的偏振指标272
参考文献273
第6章全偏振成像应用277
6.1病理组织成像277
6.1.1皮肤癌组织成像281
6.1.2甲状腺癌组织成像288
6.1.3宫颈鳞状上皮癌组织成像293
6.1.4纤维化组织与偏振染色301
6.1.5乳腺癌组织成像306
6.1.6炎症性肠病组织成像318
6.1.7大数据分析方法用于病理组织缪勒矩阵信息提取328
6.2厚组织及在体成像333
6.2.1皮肤紫外线损伤过程的定量监测333
6.2.2骨骼肌水解过程的定量检测342
6.3本章小结352
参考文献353
第7章全偏振检测应用358
7.1大气颗粒物分析中的偏振光散射技术与方法358
7.1.1大气颗粒物偏振散射测量仪器358
7.1.2系统校准360
7.1.3大气颗粒物的光学属性建模和仿真361
7.1.4大气颗粒物特定属性下的偏振表征指标367
7.1.5大气颗粒物的偏振数据谱系及其应用373
7.2水体颗粒物分析中的偏振散射测量技术与应用379
7.2.1悬浮颗粒120°全斯托克斯测量装置380
7.2.2偏振散射用于表征蓝藻细胞的伪空胞状态381
7.2.3偏振散射用于表征海洋微藻吸附微纳塑料384
7.2.4样机的制备与应用388
参考文献395