CN102095387A - 基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置及其测量方法。该装置包括偏振光产生装置、偏振光分束装置、光接收与成像装置、图像采集装置与数据处理系统，所述偏振光产生装置出射一束线偏振光，线偏振光垂直入射到所述偏振光分束装置，经所述偏振光分束装置出射形成两束线偏振光，这两束光分别被所述光接收与成像装置接收，然后通过所述图像采集装置将两束光的光强信息传递给所述数据处理系统，经所述数据处理系统处理后得出旋光角度场。本发明探测过程不需手动调节，操作简单且避免了手动调节引入的误差，采用成像及图像处理算法能直接获得偏振态的二维场，探测结果更加直观、准确，且不受光源波动的影响。

Description

基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置及其测量方法

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种基于偏振光分束成像的旋光角度场测量新方法及其探测装置。

背景技术

偏振测量作为一种行之有效的检测手段在众多行业中都得到了广泛应用。例如常用偏振光测量溶液的浓度、晶体的特性与均匀性、人体血糖浓度，还有，在无损检测领域中常用来测量磁场大小与分布，在航空航天领域常用于遥感探测以及空间导航等。

传统的偏振测量方法是采用偏振消光来对偏振态改变量进行测量。此方法首先调整检偏器，使之与起偏器正交即出射光强为零，然后在两偏振片中间放入样品，旋转检偏器使出射光强再次为零，记录旋转的角度即样品的旋光角。此检测手段主要采用手动消光系统，系统简单，但须手动调节和目视读数，尤其是判断消光位置，由于人眼分辨能力的限制，判断比较困难且会受光源波动影响，精度不高。后来，有学者针对光源波动的影响以及人眼判断的问题采用了偏振光分束测量法，利用偏振光分束器将该出射光分为p光和s光，用光电探测器分别测量其光强，通过相应计算得出旋光角度。该方法能有效去除光源波动对测量结果的影响，但光电探测器的动态范围会直接影响测量精度，并且此测量只能进行点测量。也有学者采用成像来测量磁场的旋光分布，首先将起偏器与检偏器调成正交，然后在中间放入旋光介质并加以磁场，再用CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）接受透过检偏器的出射光，图像显示的明暗程度即表示磁场的分布。该方法能有效的反映旋光的二维场信息，但只能定性的描述不能定量的给出旋转的角度，而且还是要像消光法一样手动调节检偏器，使得操作复杂、精度低，且此方法受光源波动的影响较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置及其测量方法，此装置利用偏振分束棱镜将经目标物透射或反射的线偏振光束分成振动面相互垂直的两束光，并借助高清晰度CCD采集图像，通过“差除和”信号处理以及相应图像处理得到旋光器件旋转角度。

本发明是采取以下的技术方案来实现的：

基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置，其特征在于，包括偏振光产生装置、偏振光分束装置、光接收与成像装置、图像采集装置与数据处理系统，所述偏振光产生装置出射一束强度合适的线偏振光，线偏振光垂直入射到所述偏振分束装置，经所述偏振光分束装置出射形成两束振动面相互垂直的两束线偏振光，这两束光分别被所述光接收与成像装置接收，然后通过所述图像采集装置将两束光的光强信息传递给所述数据处理系统，经所述数据处理系统处理后得出旋光角度场分布信息。

前述的偏振光产生装置包括激光器、光衰减器、扩束镜、线偏振片，激光器产生的光源中心与其余的光学器件需严格对齐，即光源中心对准光学器件中心。

前述的偏振光分束装置采用偏振光分束镜，对准入射的线偏振光束且将其分为振动方向相互垂直的两束偏振光。

前述的光接收与成像装置由两个相同的高精度CCD探测器组成，由前述的偏振光分束装置出射的两束偏振光分别垂直入射到两CCD探测器上，偏振光的光学中心与CCD探测器中心对准。

前述的图像采集装置包括能同时采集两路图像信号的采集卡。

前述的数据处理系统包括计算机。

利用前述的基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置进行测量的方法，其步骤如下：

利用激光器产生激光，激光经衰减器、扩束镜和线偏振片后形成一束光强合适的线偏振光；

线偏振光垂直入射到偏振光分束镜上，经分束镜分束后形成两束振动面相互垂直的线偏振光；

采用两特性相同的高精度CCD探测器接收两束线偏振光，并通过图像采集卡将光强信息传递给计算机；

计算机通过图像处理将两幅图片进行滤波、匹配，然后对两束线偏振光图片进行“差除和”处理即两束光光强的差值除以和值，此计算消除了光源波动对实验结果的影响，再将结果反正弦变化得出旋光角度值。

前述的利用基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置进行测量的方法，前述计算机进行数据处理的步骤如下：

对采集的两幅图片进行灰度化，并将灰度图片中每一象素用其邻域的灰度中值来代替该象素值；

对两幅图片进行匹配：在待匹配图像中提取特征点；通过计算特征点间的互相关值建立特征点相似度矩阵；利用奇异值分解生成特征点匹配矩阵并获得特征点间的一一对应关系；

对匹配好的图片，每点像素做“差除和”处理，并将结果做反正弦变化得到2倍的旋光角度的变化量。

本发明的优点：

探测过程不需手动调节，操作简单且避免了手动调节引入的误差；

采用成像及图像处理算法能有效反映偏振态的二维信息，探测结果更加直观、准确；

采用分束及“差除和”处理，能有效消除光源波动影响，探测结果更加精确。

与传统的测量相比，本发明既不受光源波动影响，又可检测二维偏振信息，操作简单，结果更准确直观。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

本发明探测装置主要由光学系统和信号采集与处理系统两部分组成。光学系统包括偏振光产生装置中的激光器、光衰减器、扩束镜、线偏振片和偏振光分束装置中的偏振光分束镜，信号采集与处理系统包括图像采集装置中的图像采集卡、光接收与成像装置中的高精度的CCD探测器和数据处理系统中的计算机。系统按照图1所示搭建，搭建过程中采取以下几点措施：

在连接光路时，调节激光器、衰减器、扩束器、线偏振片、待测物、偏振光分束镜、双光路CCD探测器的高度，保证器件中心对齐，使得检测面积尽量最大。

线偏振片、偏振光分束镜的入射与出射面严格平行，入射光束垂直透过各器件，最后从偏振光分束镜出射的两束光垂直入射到CCD探测器。

两CCD探测器等高放置，且CCD探测器中心与偏振光分束镜的中心对齐，使得两CCD探测器采集的图像位置相同。

激光器、衰减器、扩束镜、线偏振片、待测物、偏振光分束镜、双光路CCD探测器都需要严格固定在一起，防止抖动。

本发明的利用基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置进行测量的方法，具体过程如下：

激光器产生的光源经衰减器、扩束镜、线偏振片、待测物、偏振光分束镜形成振动方向相互垂直的两束线偏振光，由两高精度CCD探测器接收，通过图像采集卡将光强信息传入计算机，计算机通过数据处理对两幅图片进行滤波、匹配等图像处理，最后计算出旋光角度。

图像处理中滤波方法：用某一像素邻域的灰度中值来代替该像素值。

图像匹配方法：对旋转具有旋转不变性，能够匹配任意角度旋转的图像，对局部遮挡、光照变化、随机噪声等具有较强的鲁棒性，有较快的计算速度和较高的匹配精度，并具有良好的扩展性，易于和其他匹配技术融合以获得性能上的提升。

匹配步骤为：通过计算特征点间的互相关值建立特征点相似度矩阵；利用奇异值分解生成特征点匹配矩阵并获得特征点间的一一对应关系。

角度计算方法：对经偏振光分光器件分束的两束线偏振光经“差除和”处理即两束光光强的差值除以和值，此计算消除了光源波动对实验结果的影响，再将结果反正弦变化得出2倍的旋光角度值。

上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置，其特征在于，装置包括偏振光产生装置、偏振光分束装置、光接收与成像装置、图像采集装置与数据处理系统，所述偏振光产生装置出射一束线偏振光，线偏振光垂直入射到所述偏振光分束装置，经所述偏振光分束装置出射形成两束线偏振光，这两束光分别被所述光接收与成像装置接收，然后通过所述图像采集装置将两束光的光强信息传递给所述数据处理系统，经所述数据处理系统处理后得出旋光角度场。

2.根据权利要求1所述的基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置，其特征在于，所述的偏振光产生装置包括依次设置的激光器、光衰减器、扩束镜、线偏振片，激光器产生的光源中心与其余的光学器件中心对准。

3.根据权利要求1所述的基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置，其特征在于，所述的偏振光分束装置采用偏振光分束镜，对准入射的所述线偏振光束且将其分为振动方向相互垂直的两束偏振光。

4.根据权利要求1所述的基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置，其特征在于，所述的光接收与成像装置包含两个相同的高精度CCD探测器，所述偏振光分束装置出射的两束偏振光分别垂直入射到所述两个CCD探测器上，偏振光的光学中心与所述CCD探测器中心对准。

5.根据权利要求1所述的基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置，其特征在于，所述的图像采集装置包括能同时采集两路图像信号的图像采集卡。

6.根据权利要求1所述的基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置，其特征在于，所述数据处理系统包括计算机。

7.一种使用权利要求1所述的基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置的测量方法，其步骤如下：

利用激光器产生激光，激光经衰减器、扩束镜和偏振片后形成一束线偏振光；

线偏振光垂直入射到偏振光分束镜上，经偏振光分束镜分束后形成两束振动面相互垂直的线偏振光；

采用两特性相同的高精度CCD探测器接收两束线偏振光，并通过图像采集卡将光强信息传递给计算机；

计算机通过图像处理将两束线偏振光图片进行滤波、匹配，然后对两幅图片进行“差除和”处理，再将结果反正弦变化得出旋光角度值。

8.根据权利要求7所述的使用基于偏振光分束成像的旋光角度场探测装置的测量方法，其特征在于，步骤（4）中所述计算机的数据处理方法如下：

对采集的两幅图片进行灰度化，并将灰度图片进行3×3的中值滤波；

对两幅图片进行匹配：在待匹配图像中提取特征点；通过计算特征点间的互相关值建立特征点相似度矩阵；利用奇异值分解生成特征点匹配矩阵并获得特征点间的对应关系；

对匹配好的图片，每点像素做“差除和”处理，并将结果做反正弦变化得到2倍的旋光角度的变化量。

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