CN103364348B - 用于检测样本内的不均匀性的光学设备，特别是偏振计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于分析液体样本（115、315）的光学设备（100、300），特别是偏振计，该光学设备包括：发光系统（101、301、355），该发光系统产生用于平面照射样本（115、315）的光（110、310）；检测系统（135、335），该检测系统设置为位置分辨地检测由于为平面照射所提供的光通过样本透射所导致的光；远心光学器件（129、329），该光学器件包括在样本（115、315）和检测系统（135、335）之间的透镜（131、331），和在透镜（131、331）和检测系统（135、335）之间的透镜（131、331）的焦平面（134、334）内的孔径光阑（133、333）。

Description

用于检测样本内的不均匀性的光学设备，特别是偏振计
技术领域
本发明涉及用于分析液体样本的光学设备，特别是偏振计，其中光学设备形成为检测液体样本内的不均匀性。此外，光学设备优选地形成为测量液体样本的各向同性的偏振特征。
背景技术
在借助于偏振计的常规的偏振测量中，借助于光源且使用偏光器产生波长限定且偏振状态限定的测量束，且以此偏振的测量束透射待检查的样本。如果例如具有溶解形式的光学活性物质处在样本内，则在透射样本时测量束的偏振状态改变。透射过样本的测量束的偏振状态特别地在偏振方向上被旋转，且通过评估单元检验或确定。在此，分析仪布置在光程内，所述光程也改变了测量束的偏振状态或仅允许确定的偏振状态通过。
改变偏光器的定向、分析仪的定向或改变偏光器以及分析仪的定向，以将在检测器处接收到的测量束的强度最小化。由偏光器和/或分析仪的定向或旋转可基于通过样本的透射推断出改变偏振的状态。特别地，可基于通过样本的透射确定偏振方向的旋转。从旋转值又可例如确定样本内的光学活性物质的浓度。
通过常规的偏振计进行的偏振测量的执行可能特别地由于样本的不均匀性而被错误地影响，这可能使得样本的各向同性的偏振状态的确定困难或不可行。
对于不均匀性的概念，可考虑如下现象：
1、在填充特别是比色皿的样本容器前在样本内存在的气泡或通过填充比色皿时的涡旋所产生的气泡。
2、来自不洁性的微粒。
3、样本的混合不良。这可例如在如下情况时发生：当在测量过程前准备样本，例如稀释，且然后不足地混合或均匀化。另外的示例是固体样本，为测量将此固体样本溶解且可能包含未溶解的物质的微粒。
4、先前样本的残留残余。
不均匀性是重要的问题。用于避免不均匀性的已知的方法可能不足够可靠，或过于昂贵或具有另外的负面的副作用，使得仍存在由于不具有的样本所导致的错误测量的风险。
因为不能可靠地避免不均匀性，所以此外可存在识别不均匀性的可能性。在识别到不均匀性之后，可采取应对措施，或可至少丢弃错误的测量值。为能够满足特别是在制药业中的高的质量要求，必须很可靠地识别不均匀性。
用于识别不均匀性的已知的方法在于直接视觉观察将填充的比色皿且然后进行判断。但此方法的执行在许多情况中是不可行的，例如因为比色皿体由不透明的材料制成时，或因为比色皿安装在测量设备内而使得阻挡了直接观察液体时。
因此，在实践中经常在每次测量前从测量设备中取出比色皿，以能够直接透过比色皿进行透视观察。虽然此做法是有说服力的，但不实际且费时，使得此做法在实践中很经常地被忽视。此外，这影响了例如通过式比色皿（Durchflussküvette）、漏斗式比色皿（Trichterküvette）或自动采样器的自动化。
此外，在执行此已知的方法时，不能将客观的发现结果进行记录，而是仅得到使用者的主观判断的结果。这对于质量安全经常是不足的。
US 6,643,021 B1公开了用于确定光学特征的测量系统的控制方法，其中通过投射第一光线以分析透射光来测量液体样本的特征。此外，在方法中在第一光线的路径中或在其周边投射附加的光线，以基于可与第一光线的透射干涉的第二光线的透射光的强度检测气泡和/或微粒的存在与否。在检测气泡和/或微粒之后可将其去除。
仅在如下情况中可保证此应用，即所有待测量的样本在均匀填充比色皿时对于第二光束具有相同的透射。在专利US 6,643,021 B1的此示例中，在测量设备中，例如以第一光束测量蛋白质样本的UV吸收。因为蛋白质在NIR内不具有吸收，所以在此情况中在NIR区域内第二光束的强度用于识别不均匀性。
但此已知的方法的原理上的薄弱处在于，第二光束的由于被均匀样本的吸收所导致的削弱被解释为不均匀性。因此，当样本应以任意的吸收谱测量时，此方法失效。仅在特定的情况中可找到其中被检查的样本可靠地不具有吸收的合适的波长。
来自US 6,643,021 B1的方法的另外的缺点是，即使当强度削弱导致识别出不均匀性时，不能实现对于不同类型的不均匀性的区分，例如对于气泡还是由于样本残留所导致的条纹的区分。这使得难于找到合适的应对措施。样本残留或污染微粒例如不能以在专利中所建议的用于最小化气泡的例如摇动或超声波的措施来去除，而是仅可通过重新填充比色皿来消除。
因此，存在对于识别不均匀性的设备和方法的需求，其中比色皿可保留在测量设备内的准备测量的位置，且实现了现代化的足够质量安全的记录。
特别地，可存在对于用于分析液体样本的光学设备的需求，其中可检测液体样本的不均匀性，且其中特别地光学设备形成为用于测量样本的改变偏振的特征。
发明内容
本发明的任务在于提供特别是偏振计的光学设备，所述光学设备形成为用于检测样本的不均匀性，而不必为此分析将样本从测量设备中取出。
根据本发明的实施形式，提供了用于分析液体样本的特别是偏振计的光学设备，其中光学设备包括：用于产生用来（特别地在包含在特别是比色皿的样本容器内的样本的横截面上）平面照射样本的光的发光系统（具有一个或多个光源），设置为用于位置分辨地检测源自通过样本的平面照射的透射的光的检测系统，和带有样本和检测系统之间的镜头和所述检测系统之间的镜头的焦平面内的孔径光阑（其通过窗特别地在尺寸和/或形状方面可调节）的远心光学器件。
发光系统仅需要具有（唯一的）光源，且检测系统仅需要具有（唯一的）平面检测器。光学设备可特别地形成为偏振计。
为能够根据位置分辨的检测器的二维图像判断样本的均匀性，有利的是使得平面照明即为平面照射所提供的光具有侧向的尽可能均匀的强度分布。这可特别地通过选择固有地均匀发射的光源来实现，在此特别提及的是带有荧光转换以及气体放电灯的LED。如果光源自身不足够均匀地发射，则可通过附加的元件（均匀化器）实现均匀化（为获得侧向均匀的强度分布）。
非均匀发射的光源的示例是白炽灯，其中灯丝的结构可能干扰均匀性，以及发光二极管，其中发射器表面由于电极或焊线而被结构化。
为平面照射所提供的光可包括相同定向的（或至少大致相同定向的）光束（“定向光”）和/或散射光。散射光可包括其传播方向不同的多个光束。散射光可例如通过将定向光在例如毛玻璃盘的不透明的元件上散射而产生。
为平面照射所提供的光可在光束横截面上是均匀的或被均匀化。为实现定向的均匀照明的一个可能性是使用散射器和后接的准直器。
另外的（光强更强但更昂贵的）方法例如是：
-在足够长的多模玻璃纤维中引导。模态混合实现了均匀化，而不明显增加数值孔径。
-使用特殊的均匀化光导体。所述光导体具有多边形横截面，通常为六边形横截面，且可具有数厘米的工作长度。在此，也基本上维持了数值孔径。
液体样本可接收在特别是比色皿的样本容器内。比色皿可具有入射窗和出射窗，这允许具有确定的横截面的光进入。检测系统可具有一个或多个光敏传感器。
远心光学器件可形成且布置为用于将透射的样本的投影在检测系统上成像。远心光学器件可特别地是物侧远心光学器件。孔径光阑在此布置在透镜的像侧焦平面内。透镜可特别地包括由多个相继布置的（凸和/或凹）透镜所组成的透镜系统。相应地，孔径光阑布置在透镜系统的像侧焦平面内。在物侧远心光学器件的情况中，所有主光线在物空间内平行于光轴走向。光轴在此可被引导通过比色皿的入射窗和出射窗。
在比色皿的入射窗和出射窗之间，沿样本透射光程透射样本。检测系统可特别地具有成像检测单元。检测系统基于被投射的样本的平面照射和以远心光学器件进行成像来记录所述样本的二维图像。通过远心光学器件将沿样本透射光程的不同的点在图像空间的相同的点上成像。由此获得了（图像的）像点，所述像点通过检测系统被记录，从而得到沿样本透射光程的样本的投影的信息。
完全均匀的样本导致被检测系统记录到的完全无对比度的图像。但如果在样本中存在不均匀性，例如气泡或由于不完全混合或成分不完全溶解所导致的条纹，则由检测系统记录到具有对应于不均匀性的对比度的图像，即不同的像点具有不同的强度，即所述图像具有亮区或暗区。沿样本透射光程的投影通过远心光学器件得到，所述远心光学器件特别地导致沿本透射光程的对于不同的物点的恒定的图像大小。
孔径光阑的打开尺寸可取决于对于图像尺寸的恒定性的要求且特别地取决于对于图像清晰度的要求而调节。特别地，孔径光阑可提供圆形的光通过区域。
样本容器或比色皿可在整个横截面上（入射窗和/或出射窗的横截面上）（或在整个横截面的50%和100%之间，特别地60%和80%之间）以光轴方向上的光束透视。所透射的样本的图像可通过成像检测器接收。
可使用直至200mm长的比色皿（或在50mm和200mm之间的比色皿）。
以常规的成像系统，为实现足够分辨率，必须通过沿光轴的后聚焦移动清晰面（），因为不能在比色皿的整个透射长度上实现足够大的景深。此常规的解决方法的缺点一方面是用于跟踪的成本，但更严重的是仅通过一系列不同清晰面的图像或通过连续的影像来判断均匀性。
在此背景下，令人惊奇的是借助于远心成像达到了在比色皿的整个长度上实现足够清晰的分辨率，使得使用单一的图像可判断且例证在整个测量空间内的均匀性。
在此，远心成像至少满足三个任务：
1、物侧远心负责使得在整个长度上以大体上相同的图像尺寸在检测器上将比色皿的横截面成像。
2、通过小的远心光阑所导致的小的系统孔径产生了很大的景深，使得系统无需后聚焦而可在比色皿内的任意位置处以符合实际的分辨率将不均匀性成像。
3、在典型的偏振计中，通过比色皿的光程被强准直。准平行的照射和远心检测的组合特别地适合于使条纹以高对比度可见。因此，可特别好地识别上述3型和4型（混合不良和样本残留）的不均匀性。远心检测在此明显地优于视觉检查以及使用常规成像的检测系统。
物侧远心光程用于记录物体而无透视畸变。远心光学器件的入射光瞳处在无限远处，使得主光线在比色皿的内部空间内都平行于光轴走向。透镜的直径也必须至少与比色皿的入射窗或出射窗的直径或直线延伸一样大。处在比色皿内的物体（气泡、条纹）的图像大小在整个比色皿的长度上（在沿光轴或样本透射光程轴向移动时）不改变。物侧远心光程可最简单地通过在物侧焦平面带有孔径光阑的单独的汇聚透镜实现。
为实现具有足够景深的图像，至少使用单重的远心成像。远心光学器件的特征在于入射窗或出射窗处于无限远处。
根据本发明的实施形式，远心光学器件具有在孔径光阑和特别是平面检测器的检测系统的至少一个部分之间的另外的透镜（或另外的透镜系统），其中另外的透镜布置为使得孔径光阑处在另外的透镜的物侧焦平面内，以达到沿光轴在平面检测器上的对于样本的投影的双重远心成像。
通过双重远心成像，特别是平面检测器的检测系统可沿光轴移动，而不使得样本的投影在平面检测器上的图像（特别是图像尺寸）沿光轴改变。因此，可提供用于构建设备的更大的灵活性。样本相对于透镜、孔径光阑和另外的透镜的移动也不导致样本的投影在平面检测器上的成像沿光轴的改变。
因此，可简化光学设备的单独的部件的调整。
根据本发明的构造形式，发光系统进一步形成为用于产生测试光束（所述测量光束具有至少大致沿相同的方向特别是沿光轴传播的多个光束），其中测量光束沿光轴传播而通过样本。在此，光轴特别地通过特别是比色皿的样本容器的入射窗和出射窗。测量光束可与用于特别是均匀化的或均匀的平面照明的不同而具有侧向结构，所述侧向结构例如通过发射器的结构而导致。测量光束可在此特别地具有限定的偏振状态。
因此，光学设备也可形成为偏振计。
为偏振测量所产生的测量光束在此也可用于检验填充质量，或使用带有合适的特征的附加的光源。为此，可使用例如分光器和/或偏转镜的元件，以可与偏振测量无关地执行填充质量的偏振计测量。除测量光束外，也可使用任意的附加的辐射源。对于此灯的标准是光谱的可见光区和/或此区域上的谱成分，它们与合适的检测器组合得到填充状态的可评估的图像。
作为检测器可使用任意的平面检测器，例如CCD照相机芯片，强化CCD，二极管阵列（NMOS，CMOS），在此如需要也可位置分辨地使用偏振计的检测器且和合适的方式位置分辨地扫面图像。检测器在此可在整个谱范围上是敏感的，但也可仅在谱的部分范围上是敏感的，或仅单色地评估测量光的波长且因此也对于其他光不敏感。
为可通过远心光学器件识别比色皿内的任意的不均匀性，应保证以均匀化的光均匀地将整个比色皿截面照明。如果使用直接在空间上相邻的测量光束作为成像光源，则此成像光源可例如通过扩展光学器件扩展为平面指向的光束，和/或通过散射器（承影毛玻璃、毛玻璃盘、全息膜）扩展且均匀化。
如果应确定填充质量，则开始偏振计测量。为此，如需要将均匀化器和/或远心光学器件从测量光束翻转开。替代地，用于填充质量检验和偏振确定的光路在比色皿或样本之前和/或之后（上游和/或下游）相互分离地被引导通过部分透明的部件和/或偏转镜。
如果在此情况中通过使用者对于二维图像的视觉判断或通过自动或半自动的图像识别检测到存在有不均匀性，则可根据污染的类型限定不同的流程。例如，可尝试通过从现有技术中已知的方法（例如，见US6,643,021B1中公开的方法）去除气泡。示例是在此手动或自动地翻转比色皿以及超声波激励。
在存在不均匀性的情况中，如存在条纹或残留，则可提供比色皿的自动清洁和/或重新填充的程序流程。在半自动方法中，可停止测量且通过在显示屏上输出污染的类型和大小来通知操作者，如需要所述输出带有图像凭证或可参考所取决于的测量误差的大小。以此，操作者可决定使用应尽管存在伪影而仍进行测量。
本发明涉及偏振计，所述偏振计测量液体样本的各向同性的偏振特征。根据构造形式，典型的偏振计包括：
●光源（多个光源）
●用于形成和引导测量光束的装置
●用于准备光的限定的偏振状态的装置（偏振状态生成器，PSG）
V带有待检测的样本的比色皿，所述比色皿沿轴线被测量光束透射
●用于分析测量光束的通过经过样本的光程而改变偏振的特征的装置（偏振状态分析器，PSA）
●用于光的谱选择的装置
●用于确定样本温度的装置
●用于检测透射过设备的光的装置
●带有用于所确定的样本特征的显示单元的评估单元
一般地，本发明也可应用于所有检查液体样本的各向同性偏振特征的偏振计，而与如下所精确地描述的偏振计的构造形式无关。如下文献给出了概述：R.A.Chipman,"Polarimetry",Chapter 22 in"Handbook of Optics Vol II",Michael Bass(ed.),Optical Society of America 1995。
作为合适的光源，除热光源（白炽灯）之外，合适的是发光二极管，带有波长转换的发光二极管，超辐射发光二极管，激光器，宽带放电灯，如空心阴极灯的窄带放电灯，且特别是低压谱灯。也可使得多个光源可自动或手动地更换，或永久地（例如通过波长选择的方法）组合为测量光束。测量光束可进一步以扩散器和/或均匀化器扩展且以透镜或镜引导。
偏振状态生成器（PSG）和偏振状态分析器（PSA）可根据不同的原理构造。根据本发明的构造形式，可使用带有固定的、旋转的或调制的偏振过滤器、延迟板、偏振补偿器和分光器的PSG和PSA。另外的PSG和PSA的构造形式以及所属的测量和评估技术也在如下文献中描述为与椭偏仪组合：R.M.A.Azzam,"Ellipsometry",Chapter27in"Handbook of OpticsVol II",Michael Bass(ed.),Optical Society of America1995，但所述另外的PSG和PSA的构造形式也可使用在一般的偏振计中。
根据PSG和PSA和评估算法的构造形式，可确定样本的Müller矩阵的所有的或单独的元素作为样本特征。示例是样本的光学活性，所述光学活性通过由样本所导致的直线偏振光的偏振方向的旋转来测量。
样本的偏振特征通常取决于光的波长，因此可波长选择地执行测量。为进行谱选择，例如可使用彩色滤波器、干涉滤波器、单色仪或同时多通道谱选择的检测器（例如，阵列光谱仪）。对于谱的精细调节可例如通过干涉-带通滤波器的翻转，干涉-渐变滤波器的移动或光源的发射器温度的改变来执行。
样本的偏振特征通常也取决于样本温度，因此所述样本温度可通过浸入到样本内的或安装在比色皿上的温度计测量。
作为检测器，可特别地使用光电倍增器，光电二极管，雪崩二极管，例如CCD、NMOS和CMOS检测器。
作为示例，偏振计测量物质的光学活性。光学活性是处于固态或在溶液中的化合物的特征，即在偏振光通过时将其平面转过表征所涉及的化合物的量（旋转值）。
光学活性物质在许多研究领域中具有重要作用，但特别地在化学和制药工业、食品工业（例如在糖和淀粉的表征时）直至对于化学和生物技术过程的监测和调节中对于手性分子的研究和生产具有重要意义。
为确定旋转值α，在此将待检查的样本置于两个偏振滤波器之间（Nicolsche棱镜、Glan-Thompson偏振器或Turmalin板或薄膜偏振器）。在1#滤波器（偏振器）处使平行入射的光偏振。如果在2#滤波器（分析器）处相对于偏振器出现90°的旋转，则无光可通过。如果现在将光学活性物质（液体样本）放在滤波器之间，则所述光学活性物质使经过的光的偏振方向旋转，且必须将分析器或偏振器旋转过某一角度使得再次实现消光。此旋转角度是物质的旋转能力且与其浓度成比例。
带有偏振器的光源可产生限定补偿的偏振的测量光束，且将所述测量光束沿光轴向待检查的样本透射。偏振计比色皿可含有待检查的样本且可至少在其垂直于光轴的端面上对于测量光束是透明的。通过样本被旋转的测量光束的偏振状态可通过评估单元检验，其中使用通常布置在比色皿输出处的分析器以及至少确定测量光束的强度的检测器。可将结果提供到评估和显示单元，分析可例如通过以马达使分析器进行限定的旋转来进行。调节可基于被检测器所确定的测量光束的强度值而通过规定例如步进马达的步进来进行。此外，可通常也进行温度测量。
测量原理可详细地通过不同地构建的测量设备实现，例如通过马达不仅可使分析器旋转而且可使偏转器旋转，直至旋转通过被检查的物质补偿。为此，测量光束的偏振平面通过法拉第调制器变频，且在检测器上以相同的频率检测测量信号，以补偿干扰影响（散射光）。此类测量可在最小强度的方向（偏转器和分析器交叉）上进行。
根据本发明的实施形式，光学设备特别是偏振计具有偏振状态生成器，所述偏振状态生成器布置在样本上游（相对于测量光束的传播方向而言）且设置为与发光系统一起产生带有限定的偏振状态的测量光束。
偏振状态可例如是直线偏振状态或圆形偏振状态，或是测量光束的椭圆偏振状态。偏转器可例如仅可使直线地沿确定的方向被偏振的光通过，其中此方向通过偏转器的旋转可调节。以此，能以简单的方式构建偏振计。
根据本发明的实施形式，光学设备进一步具有布置在光轴内的均匀化器，其中提供为用于平面照射的特别是被均匀化的光通过测量光束的入口通过均匀化器产生。
均匀化器可以是扩散器。所述扩散器可例如包括不透明的盘，例如玻璃盘，特别是毛玻璃盘。通过扩散器使测量光束的光转换为多个具有不同的传播方向的光束。因此，可达到对于样本的散射照明。此外，单独的或一些光源足以产生测量光束和用于均匀的平面照明的光。以此，可简化光学设备。
如果所使用的光源固有地不均匀，则此光源可通过现有技术中不同的已知的方法（例如，通过均匀化器）被均匀化。特别地，可使用如磨砂玻璃盘（Mattscheibe）、毛玻璃盘、均匀化膜、结构化折射元件、微透镜阵列，但也可使用光导体，特别是玻璃纤维或带有多边形横截面的光导体。
根据另一个实施形式，成像用光源的不均匀性可通过计算方法在评估单元中通过软件抑制或事后修正。为此，可例如使用均匀地填充的比色皿的参考图像：根据此实施形式，省去了用于均匀化对于平面照明带有固有地不足的均匀性的光源的设备。作为替代，将平面检测器的二维图像在评估单元内通过软件均匀化，例如通过考虑带有均匀地填充的比色皿（例如，用于标定）的参考图像进行。适合的算法可在随后拍摄的图像中消去此参考图像中由于不具有照明导致的可见的不均匀性，使得仅表达出通过样本所导致的不均匀性。对于样本不均匀性的另外的识别急于因此而修正的二维图像进行。
根据本发明的实施形式，均匀化器可从光轴枢转开且可枢转到光轴内，以交替地提供测量测量光束或用于平面照明的光束，特别是指向样本的被均匀化的光。
在此，根据此实施形式，测量光束和提供为用于平面照射的均匀的光不同时指向样本，而是时间上延迟或相继地指向样本。为此，为检测样本内的不均匀性，可以以简单的方式通过将均匀化器枢转入光轴而将为平面照射所提供的特别地均匀的光指向样本，且为确定样本的偏振特征将均匀化器从光轴枢转出以因此将测量光束指向样本。因此，能以简单且紧凑的方式构造光学设备。
根据本发明的实施形式，发光系统具有第一光源以产生为平面照射所提供的特别地均匀的光，且具有第二光源以产生测量光束，其中设备具有照明镜以将均匀的光和/或测量光束指向样本。为平面照射所提供的特别地均匀的光和测量光束可在此同时地或时间上相继地指向样本。提供第一光源和第二光源特别地实现了使用不同波长范围的均匀光以及测量光束。
根据本发明的实施形式，照明镜至少部分地是透明的，特别地是半透明的，以同时将为平面照射所提供的特别地均匀的光以及测量光束指向样本。在此，照明镜特别地固定地安装，即不可运动或不可枢转。
此外，为平面照射所提供的特别地均匀的光可不具有特别地在测量光束中所含有的波长。另一方面，为平面照射所提供的特别地均匀的光和测量光束因此可通过光的不同的波长形成。在此，检测系统可至少具有波长选择的部件，特别是滤波器。为平面照射所提供的特别地均匀的光可在此也通过第一波长范围的光形成，且测量光束可在此通过第二波长范围的光形成，其中第一波长范围与第二波长范围可不同。因此，可通过布置在下游的滤波器部件将为平面照射所提供的特别地均匀的光与测量光束分离，以将不均匀性测量可靠地与偏振测量分离。因此，可改进液体样本的测量。
根据本发明的实施形式，照明镜可运动，特别地可枢转，以在照明镜的不同定位是（照明镜在其不同的定位中可运动）交替地将为平面照射所提供的特别地均匀的光或测量光束指向样本。因此，能以简单的方式提供用于均匀化测量的光和用于偏振测量的光。在此，为平面照射所提供的特别地均匀的光所具有的波长特别地等于测量光束的波长。特别地，第一波长范围可等于第二波长范围。此实施形式可当发光系统仅包含一个光源时是有利的。此光源可产生第一波长范围的光，所述第一波长范围等于第二波长范围。
根据本发明的实施形式，设备进一步具有用于改变通过样本的光的偏振状态的偏振状态分析器，其中偏振状态分析器可布置在或布置在检测系统的至少一个部分上游的分析光程中。
偏振状态分析器可特别地通过偏振器（也称为分析偏振器）实现。所述分析偏振器可用于分析光通过样本之后的偏振状态。为此，分析偏振器特别地可旋转，以可使得不同偏振状态的光，特别是不同偏振状态的直线偏振光通过。特别地，通过样本的光包括沿第一方向被直线起偏的直线偏振光。分析偏振器可旋转为仅可使在第二方向上被直线起偏的直线偏振光通过。第二方向可在此特别地垂直于第一方向，以达到被检测系统所检测到的光强度的最小化。分析偏振器的定向可在此根据通过样本的透射而显示或可确定偏振状态的改变。
根据本发明的实施形式，检测系统在分析光程中具有平面检测器，所述平面检测器至少用于检测为平面照射所提供的特别地均匀的光通过样本的透射所导致的光。平面检测器可在此用于检测样本的图像，所述图像通过样本的投影沿光轴的远心成像形成。
然后，可特别地在分析图像之后特别地从所确定的图像中的对比度来确定样本的不均匀性。
根据本发明的实施形式，用于检测通过样本透射的测量光束的平面检测器特别地在偏振状态分析器枢转到分析光程内时被设置。在此，平面检测器用于记录用于测量样本的不均匀性的图像，以及用于执行样本的偏振测量。当平面检测器用于测量样本的偏振状态时，远心光学器件可从分析光程中枢转开或替代地也保持枢转到分析光程中。测量光束的由于通过透镜和/或另外的透镜所导致的偏振状态的改变可被连通考虑以用于确定样本的改变的偏振状态。
根据本发明的实施形式，远心光学器件在偏转测量期间处在光程内。在此，可将用于远心光学器件的透镜（多个透镜）选择为使其不影响旋转值的材料（例如，具有旋转对称的构造）。如果透镜（多个透镜）导致附加的旋转，则可将其修正或可在确定样本的旋转值时将其考虑。当远心光学器件的孔径光阑过小时，所述孔径光阑可在偏振测量期间进一步打开。根据此实施形式，不要求用于执行偏振测量的附加的光检测器。
根据本发明的实施形式，平面检测器用于记录用于测量样本的不均匀性的图像以及用于执行样本的偏振测量。在偏振测量期间，远心光学器件处在光程内，且确定且修正远心光学器件的可能的改变偏振的特征，且如需要这对于每个图像点（像素）分开地进行。关于偏振测量的另外的信息可从平面检测器的二维图像获得，特别地通过在可能的偏振修正的图像的区域内的积分获得。
根据本发明的实施例，如上所述，平面检测器用于记录用于测量样本的不均匀性的图像以及用于执行样本的偏振测量。如果在平面检测器的二维图像的部分区域内识别到不均匀性，特别是识别到气泡或微粒，则对于偏振测量可抛弃将此区域。特别地，对于偏振测量，可在不受不均匀性影响的区域内积分和/或确定。
根据本发明的实施形式，如上所述从平面检测器的二维图像获得偏振测量。在此实施形式中，可选择对于成像偏振计的在现有技术中已知的要求。在成像偏振计中，图像点包括每一个局部偏振信息。
根据本发明的实施形式，为确定液体样本的均匀的偏振特征，确定二维图像的位置分辨的偏振信息。特别地，可在此通过不均匀性抛弃所涉及的区域。（不均匀性可在带有位置分辨的偏振信息的二维图像中特别地识别为偏振对比度上超阈值）。在此，二维图像的位置分辨的偏振信息可导致对于不均匀性的改进的识别，因为偏振信息对于不均匀性特别敏感。
根据本发明的实施形式，分析光程具有第一分析光程和与第一分析光程不同的第二分析光程，其中检测系统在第一分析光程内具有用于检测为平面照射所提供的特别地均匀化的或均匀的光通过样本的透射所导致的光的平面检测器，且在第二分析光程内在偏振状态分析器下游具有用于检测通过样本透射的测量光束的光电检测器。
光电检测器在此可特别地具有比平面检测器的单独的像素更高的灵敏度，这可改进偏振测量的精度或灵敏度。远心光学器件也可仅布置在第一分析光程内，而不布置在第二分析光程内。远心光学器件也不必是可运动的或可枢转的，而是可固定地安装在第一分析光程内。
根据本发明的实施形式，设备进一步具有布置在样本和检测系统之间的分光器，以将通过样本投射的光的一部分沿第一分析光程转向平面检测器，且将通过样本投射的光的另一部分沿第二分析光程转向光电检测器。分光器可特别地允许光的一部分透过且将光的另外的部分反射。分光器也可形成为双色分光器，所述双色分光器取决于波长将光的一部分反射且使光的另外的部分离开。以此，分析光程可可靠地分为第一分析光程和第二分析光程。
根据本发明的实施形式，设备进一步具有反射器，所述反射器在样本和检测系统之间可运动，特别地可枢转入和可枢转出地布置，以交替地（即非同时地）使通过样本透射的光沿第一分析光程转向平面检测器或沿第二分析光程转向光电检测器。因此，可在样本的偏振测量之前或之后执行样本的不均匀性测量。
根据本发明的实施形式，设备进一步具有处理和控制系统，所述处理和控制系统从检测系统接收信号，基于所述信号确定透射的样本的二维图像（所述图像可代表透射的样本的投影），其中处理和控制系统特别地形成为通过图像处理分析二维图像（特别地关于图像内的对比度进行分析），以检测样本内的不均匀性特别是气泡和/或条纹。处理和控制系统在此可包括处理器和/或存储器，其中处理器可通过程序元件控制，通过所述程序元件执行二维图像的处理或分析。
气泡和/或条纹可在二维图像内特别地代表更高或更低强度的区域而作为图像的周围区域。
特别地，处理和控制系统可形成为检查二维图像的对比度且可例如在二维图像中的对比度上超阈值时检测出不均匀性。此外，特别地二维图像与参考图像的几何偏差可确定均匀填充的比色皿。为此，在现有技术中已知可使用的多种方法。
当二维图像包含位置分辨的偏振信息时，可特别地从偏振对比度上超阈值而识别出不均匀性。
根据本发明的实施形式，处理和控制系统形成为控制偏振状态生成器（在照明光程中）和/或偏振状态分析器（在分析光程中），使得离开偏振状态生成器和/或偏振状态分析器的光的偏振方向的定向被调节，以特别地将被检测系统检测到的强度最小化。
在此，处理和控制系统可特别地形成为从调节的定向确定样本的至少一个光学特征，特别是基于样本被测量光束的透射和/或样本内的光学活性成分的浓度所导致的光的偏振方向的旋转的旋转值。以此，可执行可靠的偏振测量。
根据本发明的实施形式，设备进一步具有促动器，特别是电动马达，以将均匀化器和/或反射器和/或偏振状态分析器枢转到光轴内或分析光程内或从其枢转出。因此，可交替地执行不均匀性测量和/或偏振测量。
根据本发明的实施形式，设备进一步具有用于保持样本容器的样本保持器，特别是用于接收样本的比色皿。在此，样本保持器可形成为使得样本容器可相对于光学设备的另外的部件布置使样本容器的出射窗和入射窗布置在光轴内。光学设备可特别地进一步具有用于测量样本的温度的温度传感器，其中温度传感器可特别地可固定在样本容器上。
在本发明的实施形式中，光学设备包括仅一个光源和仅一个平面检测器，以及平面检测器上游的远心光学器件。均匀化器可翻转入照明光程或从其翻转出，以交替地将均匀光或测量光束指向样本。
在本发明的另外的实施形式中，光学设备包括带有固有的均匀的发射特征的仅一个光源和仅一个平面检测器，以及平面检测器上游的远心光学器件。可省去分开的均匀化器。
一般地，可交替地将测量光束/偏振光束或均匀化光从光轴转出或镜面反射出以用于检测不均匀性。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的实施形式的形成为偏振计的光学设备；
图2示意性地示出了如在图1中的偏振计中所使用的物侧远心光学器件；
图3示意性地示出了根据本发明的另外的实施形式的特别是偏振计的光学设备；和
图4示意性地示出了如在图3的偏振计中使用的物侧和像侧远心光学器件。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的实施形式的光学设备100，所述光学设备形成为偏振计。
光学设备100具有光源101，所述光源101代表了发光系统以用于产生均匀化的或均匀的光（即带有侧向均匀的强度分布的光）110以及用于产生测量光束103。光源101为此包括未图示的光束成形光学器件，以形成包括平行光束的测量光束103。为产生测量光束103的限定的偏振状态，光学设备100包括偏转器105，所述偏振器105的定向可通过未图示的促动器调节。沿图1中的光轴107从左向右前进的测量光束103因此在通过偏振器105后具有限定的偏振状态。
光学设备100此外包括均匀化器109，所述均匀化器109通过马达111在臂113上可驶入光轴107或从光轴107驶出。使用均匀化器109以在测量光束103通过均匀化器109之后从所述测量光束103产生带有均匀的强度分布的用于平面地照射处在比色皿117内的样本115的光110。
如果应测量样本115的改变偏振的特征，则为此将均匀化器109从光轴107移开以因此使由限定的偏振特征的平行光束所组成的测量光束103通过入射窗指向样本115且通过样本经出射窗121指向。
光学设备100包括样本115下游的分光器123，所述分光器123将分析光程122分为第一分析光程125和第二分析光程127。
在第一分析光程125中在平面检测器135上游布置了带有汇聚透镜或透镜系统131和孔径光阑133的远心光学器件129。孔径光阑133在此布置在透镜或透镜系统131的像侧焦平面134内。孔径光阑133具有其直径D可调节的通过窗。在样本115被均匀照明时，即在均匀化器109驶入到光轴107内时，样本115以均匀的光110被照明，且通过远心光学器件129将样本115沿光轴107的投影以二维图像的形式成像。
通过控制和评估部件137，在二维图像中在不均匀性方面评估或检查样本115的投影。在此，通过使用者的视觉或特别地通过图像识别软件或图像处理软件来确定气泡、条纹、异物的存在。如需要，此图像可在偏振计或光学设备100的显示单元上图示。为测量样本115的均匀性或不均匀性，如前所述，将均匀化器109布置在光轴（或照明光程）107内。为可交替地，即在另外的时刻测量样本115的光学特征或改变偏振的特征，通过促动器111将均匀化器109从照明光程107移开，使得由平行光束组成的带有限定的偏振状态的测量光束103指向样本105且通过样本105。为此，进一步评估光的通过分光器123沿第二照明光程127偏转的部分。光的此部分在第二分析光程127中进入分析偏振器139，且通过光电检测器104在透射的光的强度方面被检测。
典型的偏振计的另外的部件，例如窗、光阑、法拉第偏振器、Glan-Thompson偏振器等在此为清晰起见未图示。
对应于所记录的光的强度的电信号也被引导到控制和评估单元137上。通过马达143可将分析偏振器139根据控制和评估部件137的相应的信号旋转，以将被光电检测器141所记录的光的强度最小化。从已调节的分析偏振器139的定向可确定测量光束103的偏振方向由于通过样本115而转过的角度（旋转值）。由此旋转值又可由控制和评估部件137确定样本的特征，例如至少一个光学活性的成分的浓度。
在本发明的另外的实施形式中，平面检测器135可用于偏振测量以及用于识别不均匀性。在此情况中不需要附加的光电检测器141。对于平面检测器135的此组合的使用，分析偏振器139在第二分析光程125中布置在远心光学器件129上游或下游。
孔径光阑133也称为远心光阑133，可实现为在透镜131的焦平面内固定地安装的透过性LCD元件，所述远心光阑133可选择地开启以允许测量光束的整个光束横截面对于偏振计测量通过或处于关闭状态中而使得光束的仅小的中心区域可通过，以因此作为远心光阑起作用。LCD元件因此可构造为使得可调节更大的光阑开口直径（在图1中的直径D），使得取决于通过可能强吸收的样本的光削弱可调节光强与远心作用以及景深的最佳的比例。
在另外的实施形式中，孔径光阑133可具有虹膜光阑作为直径D可变的远心光阑。远心光阑133可因此构造为其尺寸可机械地改变的元件，其中通过窗的尺寸例如以及机械的方式可变，例如通过虹膜光阑可变。
温度传感器118将显示温度的数据传递到控制和处理系统137。
图2示出了如在图1的偏振计100中所使用的远心成像的细节。远心光学器件229的远心成像将样本215沿光轴207的投影在布置在平面内的平面检测器235的像素元件上成像。为此，通过光源201和均匀化器209以均匀化的光210将样本平面照明。
从样本215的点245发出光束247，所述光束247通过远心光学器件229的透镜折射到节平面234内的焦点。焦点在此以附图标号249表示。孔径光阑233布置在透镜231的像侧焦平面内，所述焦平面具有焦距f，如在图2中所图示。物点245因此在像点251上被成像，如被平面检测器235所记录。相对于物点245而言在相同的方向上距光轴207具有相同的距离另外的物点253也以相同的图像尺寸在其上物点245被成像的像点251上被成像。像点251因此包含关于样本215的沿光轴207的投影的信息。如果考虑样本215的沿不同的方向且距光轴207以不同的距离布置的另外的物点，则在平面检测器235上产生了二维图像，所述二维图像图示了样本215的沿光轴的投影。
图3示意性地图示了根据本发明的另外的实施形式的光学设备300。与在图1中所图示的光学设备100相反，在图3中图示的光学设备300具有物侧远心的且像侧也远心的双重远心光学器件329。光学设备300的另外的部件与光学设备100的光学部件在结构和/或功能上类似且提供以与图1中的附图标号相比仅在第一位不同的附图标号。一些此部件的相应的详细描述因此可从图1或图2的描述中得到。
除在图1的光学设备100中也具备的光源301外，光学设备300进一步包括另外的均匀化的或均匀的光源355，所述光源355产生且发出均匀的光310。为以均匀化的或均匀的光310照明样本315，通过促动器359将反射器（在下文中也称为镜）361置于照明光程307内，其中将均匀化的或均匀的光310在镜361上反射，以通过比色皿的入射窗319通过样本315且从出射窗321离开比色皿317。
为判断或测量样本315的均匀性，通过促动器365将镜从分析光程322移开，使得均匀化的或均匀的光310在通过样本315透射之后落在双重远心光学器件329上。
双重远心光学器件329包括透镜（或透镜系统）331，孔径光阑333和另外的透镜（或透镜系统）367，其中另外的透镜367布置为使得孔径光阑333布置在另外的透镜367的物侧焦平面334内。此外，孔径光阑333（如在图1的设备100中）布置在透镜331的像侧焦平面334内。
因此，物点345、353在位置上以距光轴307相同的距离沿光轴307在平面检测器335的同一个像点351上被成像，如从图示了双重远心成像的图4中显见。
平面检测器335因此记录了代表样本315沿光轴307的投影的二维图像，且将相应的电信号传递到控制和处理系统337。
在实施形式中，将二维图像图示且使用者负责判断填充质量。在另外的实施形式中，控制和处理系统337可从图像数据确定样本315的均匀性或不均匀性程度，这通过例如在二维图像的对比度方面对其进行分析实现。对比度的确定在此包括确定二维图像的最小强度值或最大强度值，以及二维图像的期待值的方差。例如，如果二维图像内的强度值的方差上超一定的限值，则可推断出例如由于空气泡或条纹所导致的样本内的不均匀性，这可能使得样本的偏振测量是不精确的。为此可采取措施，例如摇动样本，去除气泡等，以降低或消除已确定的样本内的不均匀性。
在重复的不均匀性测量之后可确定均匀性现在足以能够执行可靠的偏振测量。为此，将镜363驶入到分析光程322内且将镜361从照明光程307移开，以因此可使因偏转器305而具有限定的偏振状态的测量光束303到达样本315上且通过样本315。当在驶入到分析光程322内的反射器363上反射之后，测量光束通过分析偏转器339且落在光电二极管或光电检测器341上，以产生对应于电信号的强度。分析偏转器339又可通过被控制和处理系统337控制的马达343改变其定向。
图4再次示出了图3的光学设备300的部分，其中仅远心光学器件329以更大的细节图示，以解释其作用方式。透镜331布置在孔径光阑333上游的距离f1处，其中距离f1等于透镜331的焦距。此外，在孔径光阑333的下游在距离f2处布置了另外的透镜367，其中距离f2等于另外的透镜367的焦距。距离光轴307具有相同的距离且在相同的方向上离开光轴307的物点345、353取决于其沿光轴307的位置在像点351上成像，其中在此点351处出现的光的强度通过平面检测器335位置分辨地检测。
双侧远心光程是物侧远心光程和像侧远心光程的组合。像侧远心光程在最简单的情况中通过孔径光阑在汇聚透镜的物侧的焦平面形成。
入射光瞳和出射光瞳处在无限远处，因此系统是无焦系统。与纯物侧远心不同，可接受的物位置在此不通过景深限制。可将图像平面后聚焦而不改变图像尺寸。最简单的结构包括在其间安装了孔径光阑333的两个汇聚透镜331和367。透镜距孔径光阑的距离必须等于各焦距f1或f2。
简单的远心系统100（图1、图2）的特征是成本有效的结构形式（仅一个透镜131，更简单的管系统）。由此也导致了更短的结构长度。
图像质量且因此分辨率通过远心光阑133、333的尺寸限制，且因此光阑越小则越小。同时，当然景深区域越大，则光阑越小。最佳光阑133、333和透镜尺度（133、333、367）的选择因此根据应被成像的最大比色皿尺度进行。典型的光阑直径在此在数百微米的范围内。
图3中的光源301和355可在此特别地产生波长范围分开的光，且当反射器361和反射器363分别构造为部分可通过的反射器时，样本315的偏振特征测量和均匀性测量可同时进行。在此，例如当通过法拉第偏振器（周期地）调制且分开地可检测用于偏振测量的光时，也可通过法拉第偏振器在不同的频率范围内进行成分分离。

Claims (19)

1.一种用于分析液体样本(115、315)的光学设备(100、300)，所述光学设备包括：
发光系统(101、301、355)，该发光系统产生用于平面照射样本(115、315)的光(110、310)；
检测系统，该检测系统设置为位置分辨地检测由于为平面照射所提供的光通过样本透射所导致的光；
远心光学器件(129、329)，所述光学器件包括在样本(115、315)和检测系统之间的透镜(131、331)，和在透镜(131、331)和检测系统之间的透镜(131、331)的焦平面(134、334)内的孔径光阑(133、333)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中远心光学器件(329)包括在孔径光阑(333)和平面检测器的检测系统的至少一个部分之间的另外的透镜(367)，其中另外的透镜(367)设置为使得孔径光阑(333)处在另外的透镜的物侧焦平面(334)内，以达到样本沿光轴(307)的投影在平面检测器(335)上的双重远心成像。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中发光系统(101、301、355)进一步形成为用于产生沿光轴(307)传播通过样本(115、315)的测量光束(103、303)。
4.根据权利要求3所述的设备，进一步包括偏振状态生成器(105、305)，所述偏振状态生成器设置在光轴内样本的上游且设置为与发光系统一起产生带有限定的偏振状态的测量光束。
5.根据权利要求4所述的设备，进一步包括设置在光轴内的均匀化器(109、209、309)，其中为平面照射提供的光通过使测量光束(103)通过所述均匀化器而产生。
6.根据权利要求5所述的设备，其中均匀化器(109、209、309)可从光轴(107、307)枢转出且可枢转到光轴(107、307)内，以交替地将测量光束(103、303)或为平面照射提供的光指向样本。
7.根据权利要求1所述的设备，其中发光系统包括用于产生为平面照射提供的光(310)的第一光源和用于产生测量光束(303)的第二光源，所述的设备包括照明镜(361)，以将为平面照射提供的光和/或测量光束指向样本。
8.根据权利要求7所述的设备，其中照明镜(361)部分地可透过，以同时将为平面照射提供的光和测量光束指向样本，其中为平面照射提供的光不具有测量光束所含有的波长，其中检测系统具有波长选择的部件滤波器。
9.根据权利要求7所述的设备，其中照明镜(361)可运动，以在照明镜的不同定位下交替地将为平面照射提供的光或测量光束指向样本。
10.根据权利要求6所述的设备，进一步具有用于改变通过样本的光的偏振状态的偏振状态分析器(139、339)，其中偏振状态分析器可在检测系统(141、341)的至少一个部分上游布置在分析光程内。
11.根据权利要求10所述的设备，其中检测系统在分析光程内具有至少用于检测由于为平面照射提供的光的通过样本的透射所导致的光的平面检测器(135、335)。
12.根据权利要求11所述的设备，其中平面检测器(135、335)设置为用于检测偏振状态分析器枢转到分析光程内时通过样本透射的测量光束，当偏振状态分析器(139、339)枢转到分析光程内时。
13.根据权利要求11所述的设备，
其中分析光程具有第一分析光程和与第一分析光程不同的第二分析光程，
其中检测系统具有在第一分析光程内的用于检测由于为平面照射提供的光(110、210、310)的通过样本的透射所导致的光的平面检测器(135、335)和在第二分析光程内在偏振状态分析器(139、339)下游的用于检测通过样本透射的测量光束(103、303)的光电检测器(141、341)。
14.根据权利要求13所述的设备，进一步包括分光器(123)，所述分光器(123)布置在样本和检测系统之间且设置为同时地将通过样本透射的光的沿第一分析光程(125)的一个部分转向平面检测器(135)且将通过样本透射的光的沿第二分析光程(127)的另外的部分转向光电检测器(141)。
15.根据权利要求13所述的设备，进一步包括反射器(363)，所述反射器可枢转入且可枢转出地布置在样本和检测系统之间，以交替地将通过样本透射的光沿第一分析光程(325)转向平面检测器(335)或沿第二分析光程(327)转向光电检测器(341)。
16.根据权利要求15所述的设备，进一步包括处理和控制系统(137、337)，所述处理和控制系统从检测系统接收信号，基于所述信号确定被透射的样本的二维图像，所述二维图像代表了样本沿光轴的光学投影，
其中所述处理和控制系统形成为显示和/或存储和/或通过图像处理分析二维图像，以检测样本内的不均匀性。
17.根据权利要求16所述的设备，其中处理和控制系统形成为控制偏振状态生成器和/或偏振状态分析器来调整通过偏振状态生成器(105、305)和/或偏振状态分析器(139、339)的光的偏振方向的定向，以将由检测系统检测到的强度最小化，
其中处理和控制系统形成为从已调节的定向确定样本的至少一个光学特征，基于样本被测量光束的透射和/或样本内的光学活性成分的浓度所导致的光的偏振方向的旋转的旋转值。
18.根据权利要求17所述的设备，所述设备进一步包括促动器(111、143、343、359、365)，以将均匀化器(109)和/或反射器(361、363)和/或偏振状态分析器(139、339)枢转到光轴内或分析光程内或从其枢转出。
19.根据权利要求1所述的设备，所述设备进一步包括用于保持接收样本的样本容器的样本保持器，且具有用于测量样本(115、315)的温度的温度传感器(118、318)。
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