穆勒矩阵光谱椭偏仪基于更普适的穆勒-斯托克斯形式主义。它通过系统性地改变入射光的偏振态（由起偏器和可调偏振态发生器实现），并精确测量所有四个斯托克斯参量构成的反射或透射光偏振态（由检偏器和偏振态分析器实现），从而构建出一个4x4的穆勒矩阵 M。该矩阵完整描述了样品对入射偏振光的所有改变（强度、偏振度、偏振方向、椭圆率等），包含了远超Ψ和Δ的丰富信息，特别适用于分析具有各向异性、粗糙度、图案化结构或存在去偏振效应的复杂样品。
一套典型的穆勒矩阵光谱椭偏仪主要由以下几个关键子系统构成，它们协同工作，形成一个精密的光学测量链：
1. 光源与光谱发生系统
这是测量的起点，为整个系统提供宽波长范围的入射光。
光源： 通常采用高亮度、宽光谱的卤钨灯或氙灯。对于特定应用，也可能使用激光或LED阵列。光源的稳定性和光谱连续性至关重要。
单色仪/光谱仪： 在旋转分析器/补偿器型或成像型系统中，常使用单色仪将宽谱光色散，选择特定波长进行测量。而在傅里叶变换型或基于阵列探测器的系统中，则使用光谱仪同时探测多个波长。现代多采用后者，利用宽带光源配合高灵敏度阵列探测器实现快速光谱扫描。
准直与聚焦光学： 包括透镜、反射镜等，用于将光源发出的光准直成平行光束，并精确聚焦到样品表面的测量点上，确保光斑大小和入射角的可控性。
2. 偏振态发生器
负责生成一系列已知且精确可控的入射偏振态。
起偏器： 通常是一个固定的线性偏振片，将光源发出的非偏振光转换为特定方向的线偏振光，作为后续调制的基准。
可调偏振态发生元件： 这是PSG的核心，用于在起偏器产生的线偏振光基础上，通过改变其取向角和/或相位延迟，生成所需的任意偏振态（线偏、圆偏、椭圆偏）。常用技术包括：
旋转补偿器： 使用一个固定的波片（通常是四分之一波片）和一个高速旋转的补偿器（另一个波片）。
旋转起偏器/分析器： 通过旋转起偏器和/或检偏器来改变偏振方向。结构相对简单，但测量速度较慢。
光电调制器： 利用压电效应快速调制波片的相位延迟，实现高速、无移动部件的偏振态调制，但成本较高，光谱范围可能受限。
液晶可变延迟器： 通过电压控制液晶分子的取向来改变相位延迟，可实现静态、无移动部件的偏振态控制，灵活性高，但响应速度和光谱范围需优化。
3. 样品台与角度控制
样品台是光与样品发生相互作用的场所，其精度直接影响测量结果。
精密样品台： 提供稳定的平台放置样品，通常具备XYZ三维平移调节，确保测量光斑精确定位于样品特定区域。
角度控制机构： 关键的是入射角调节。通常在多个入射角下进行测量，以增加信息量，提高拟合精度。
环境控制（可选）：可能集成温控、真空或气氛控制腔室，用于研究样品在不同环境下的动态变化。
4. 偏振态分析器
负责精确测量从样品反射（或透射）回来的光的完整偏振态。
检偏器： 类似于起偏器，通常是一个线性偏振片。
可调偏振态分析元件： 用于分析不同偏振分量。通过高速旋转和同步探测，可以解调出反射光的四个斯托克斯参量。
成像系统：样品表面的偏振信息投射到二维阵列探测器上，实现空间分辨的穆勒矩阵测量。
5. 探测系统
将光信号转换为可处理的电信号。
探测器： 根据光谱范围选择。要求高灵敏度、低噪声、宽动态范围和良好的线性响应。
信号处理与采集： 包括放大器、模数转换器（ADC）和高速数据采集卡。对于旋转元件系统，需要精确的同步信号（如编码器信号）来触发数据采集，确保在旋转周期的每个角度位置都能准确记录光强。
6. 控制与数据处理系统
计算机与控制软件： 控制光源、旋转机构（速度、位置）、探测器采集、样品台移动等所有硬件。执行测量序列，实时监控数据。
数据处理与建模软件：采集到的原始光强数据经过复杂的算法反演出穆勒矩阵元素。然后，用户建立样品的物理光学模型，软件通过拟合计算出的穆勒矩阵与测量得到的穆勒矩阵，反演出模型参数（厚度、n、k、粗糙度、晶轴取向等），并评估拟合优度。
