CN109827522A - 一种偏振测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种偏振测量装置，该偏振测量装置具有至少两个光束接收单元，且任意两个光束接收单元的光轴互不平行，以使光束出射单元提供的偏振入射光投射至被测微粒，并由被测微粒散射后，至少两个光束接收单元能够接收至少两束不同散射角度的偏振散射光束。本发明实施例提供的偏振测量装置能够通过一次测量，得到多个散射角度的偏振散射光束，从而获得多维度的测量信息，丰富所测量的偏振数据；同时，本发明实施例的偏振测量装置具有简单的结构、较高的测量效率和准确度、以及较低的成本。

Description

一种偏振测量装置

技术领域

本发明实施例涉及偏振测量技术领域，尤其涉及一种偏振测量装置。

背景技术

偏振测量技术是一种能够对微粒进行表征的先进技术，其基本原理是将偏振光投射至微粒，通过测量微粒的偏振散射光、反射光或透射光，以获得偏振光散射、反射或透射后的强度和偏振属性等，以从中提取微粒的微观形态、以及物理化学性质的信息。

现有技术中的偏振测量装置由入射臂和接收臂构成，其中入射臂提供入射的偏振光，接收臂接收散射光、反射光或透射光。入射臂提供的偏振光经微粒散射后，接收臂接收散射光，该散射光携带有微粒的微观结构信息，分析该散射光的强度和偏振属性可获得微粒的微观形态，以及某一方向的物理化学性质的信息。

但是，现有技术的偏振测量装置只能测量微粒的某一角度的偏振散射光束，因此只能检测某一方向的微光形态、以及物理化学性质，而对各向异性的微粒不同方向的信息进行检测时，需要不断调节入射臂和接收臂之间的夹角，操作复杂，不利于微粒形态、以及物理化学性质检测。

发明内容

针对上述存在问题，本发明实施例提供一种偏振测量装置，能够解决现有技术中偏振测量装置对不同方向的偏振散射光束进行测量时，操作复杂，测量效率低的技术问题。

本发明实施例提供了一种偏振测量装置，包括：光束出射单元和至少两个光束接收单元；

所述光束出射单元与所述光束接收单元沿光路依次设置；

所述光束出射单元用于提供偏振入射光束，并投射至被测微粒；

所述光束接收单元用于接收所述偏振入射光束经所述被测微粒散射后的预设角度的偏振散射光束；

其中，任意两个所述光束接收单元的光轴互不平行。

可选的，至少两个所述光束接收单元包括：第一光束接收单元和第二光束接收单元；

所述第一光束接收单元与所述第二光束接收单元关于所述光束出射单元的光轴对称，且所述第一光束接收单元的光轴与所述第二光束接收单元的光轴在所述被测微粒上相交。

可选的，所述第一光束接收单元的光轴与所述第二光束接收单元的光轴之间的夹角θ为120°。

可选的，所述光束接收单元包括接收镜组和检偏器；

所述接收镜组包括相对设置的接收透镜和准直透镜；

所述预设角度的偏振散射光束在所述接收透镜的焦点聚合，并在焦点发散进入所述准直透镜，转换为平行偏振光束；

所述检偏器用于接收所述平行偏振光束，并对所述平行偏振光束的偏振态进行检测。

可选的，所述检偏器包括至少四个偏振检测通道；

至少四个所述偏振检测通道用于将接收的所述平行偏振光束划分为至少四个不同偏振方向的子偏振光束。

可选的，所述光束接收单元还包括光电转换器、信号采集子单元和数据处理器；

所述光电转换器的接收端与所述检偏器的输出端连接；所述光电转换器用于接收至少四个不同偏振方向的所述子偏振光束，并将各所述子偏振光束转换为对应的电信号；

所述信号采集子单元的输入端与所述光电转换器的输出端连接，所述信号采集子单元的输出端与所述数据处理器的输入端连接；所述信号采集子单元用于采集所述光电转换器转换的电信号，并发送至所述数据处理器进行分析处理。

可选的，所述光电转换器包括与至少四个所述偏振检测通道一一对应设置的光电倍增管；

所述光电倍增管用于接收对应的所述偏振检测通道传播的所述子偏振光束，并将所述子偏振光束转换为电信号。

可选的，所述接收镜组还包括位于所述接收透镜和所述准直透镜之间的小孔光阑；

所述小孔光阑的孔径中心与所述接收透镜的焦点重合；所述小孔光阑用于对所述接收透镜聚合的所述预设角度的偏振散射光束进行空间滤波。

可选的，所述接收透镜和所述准直透镜之间的距离等于所述接收透镜的焦距f₁和所述准直透镜的焦距f₂之和。

可选的，所述光束出射单元包括沿所述光路依次设置的光源、起偏器和光阑；

所述光源用于提供自然光；

所述起偏器用于将所述自然光转换为偏振光；

所述光阑用于限制所述偏振光的光束，以提供所述偏振入射光束。

本发明实施例提供的偏振测量装置具有至少两个光束接收单元，且任意两个光束接收单元的光轴互不平行，以使光束出射单元提供的偏振入射光投射至被测微粒，并由被测微粒散射后，至少两个光束接收单元能够接收至少两束不同散射角度的偏振散射光束。本发明实施例提供的偏振测量装置能够通过一次测量，得到多个散射角度的偏振散射光束，从而获得多维度的测量信息，丰富所测量的偏振数据；同时，本发明实施例的偏振测量装置具有简单的结构、较高的测量效率和准确度、以及较低的成本。

附图说明

图1是现有技术的偏振测量装置的结构示意；

图2是本发明实施例提供的一种偏振测量装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的又一种偏振测量装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的又一种偏振测量装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种检偏器的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的又一种偏振测量装置的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的又一种偏振探测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

基于偏振光学散射的方法，一束偏振入射光束经被测微粒散射，通过测量由被测微粒散射的偏振散射光的偏振属性和强度，可获得该被测微粒的微观结构，例如粒径成分和分布等。当前，被测微粒所散射的偏振散射光分为前向偏振散射光、侧向偏振散射光和后向偏振散射光，且不同方向和角度的偏振散射光的强度和偏振属性具有差异，所测得的微观结构具有差异。

现有技术中偏振测量装置的入射臂和接收臂之间通常具有一夹角，以测得特定散射角度的散射偏振光。图1是现有技术的偏振测量装置的结构示意。如图1，偏振测量装置由一对呈60°夹角的入射臂和接收臂构成，入射臂提供偏振入射光束，该偏振入射光束经被测微粒后发生散射，并由接收臂接收该120°的后向偏振散射光，以通过120°的后向偏振散射光的强度和偏振属性等提取出被测微粒的微观结构信息。

但是，现有技术中的偏振测量装置只能测得一散射角的偏振散射光，所测数据单一，所提取的被测微粒的微观结构信息不够准确。

基于上述技术问题，本发明实施例提供一种偏振测量装置，包括光束出射单元和至少两个光束接收单元；光束出射单元与光束接收单元沿光路依次设置；光束出射单元用于提供偏振入射光束，并投射至被测微粒；光束接收单元用于接收偏振入射光束经被测微粒散射后的预设角度的偏振散射光束；其中，任意两个光束接收单元接收的光轴互不平行。

本发明实施例提供的偏振测量装置具有至少两个光束接收单元，且任意两个光束接收单元的光轴互不平行，以使光束出射单元提供的偏振入射光投射至被测微粒，并由被测微粒散射后，至少两个光束接收单元能够接收至少两束不同散射角度的偏振散射光束。本发明实施例提供的偏振测量装置能够通过一次测量，得到多个散射角度的偏振散射光束，从而获得多维度的测量信息，丰富测量的偏振数据；同时，本发明实施例的偏振测量装置结构简单，测量效率高，所测数据能够准确的体现出被测微粒的微观结构信息。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

图2是本发明实施例提供的一种偏振测量装置的结构示意图。如图2，本发明实施例提供的偏振测量装置包括光束出射单元10和至少两个光束接收单元20；光束出射单元10与光束接收单元20沿光路依次设置；光束出射单元10用于提供偏振入射光束，并投射至被测微粒30；光束接收单元20用于接收偏振入射光束经被测微粒40散射后的预设角度的偏振散射光束；其中，任意两个光束接收单元20的光轴互不平行。

具体的，光束出射单元10出射的偏振入射光束可以包括线偏振入射光束、椭圆偏振入射光束或者圆偏振入射光束，本发明实施例对偏振入射光束具体的偏振状态不进行限定。光束出射单元10出射的偏振入射光投射至被测微粒30，该偏振入射光经被测微粒30散射形成散射光束，通过提取散射光束的偏振特性(偏振度、偏振方向、偏振椭率等)能够获得被测微粒30的微观结构信息，且不同方向的偏振散射光束的偏振特性具有差异。通过至少两个光轴互不平行的光束接收单元20分别接收至少两个方向的偏振散射光束，即每个光束接收单元20可接收一个预设角度的偏振散射光束，从而能够获得至少两个不同方向的预设角度的偏振散射光束的偏振特性。

如此，本发明实施例通过至少两个光轴互不平行的光束接收单元接收被测微粒至少两个方向的预设角度的偏振散射光，能够获得至少两个不同方向的预设角度的偏振散射光束的偏振特性，从而获得多维度的测量信息，丰富所测量的偏振数据；同时，本发明实施例的偏振测量装置具有简单的结构、较高的测量效率和准确度、以及较低的成本。

需要说明的是，本发明实施例提供的偏振测量装置包括至少两个光束接收单元，即偏振测量装置中可以包括2个光束接收单元或2个以上的光束接收单元，图2中以两个光束接收单元20为示例性的进行说明，其它2个以上的光束接收单元的技术方案的技术原理均与图2的技术原理类似。

可选的，图3是本发明实施例提供的又一种偏振测量装置的结构示意图。如图3，偏振测量装置中至少两个光束接收单元包括第一光束接收单元21和第二光束接收单元22；该第一光束接收单元21与第二光束接收单元22关于光束出射单元10的光轴Z对称，且第一光束接收单元21的光轴X1与第二光束接收单元22的光轴X2在被测微粒30上相交。

具体的，偏振测量装置的第一光束接收单元21与第二光束接收单元22关于光束出射单元10的光轴对称，则第一光束接收单元21能够接收散射角为α的预设角度的偏振散射光，而第二光束接收单元22则能够接收散射角为-α的预设角度的偏振散射光，两个不同方向的预设角度的偏振散射光具有不同的偏振特性，从而能够提取出更多的被测微粒的微观结构信息。如此，能够通过简单的结构和较低的成本，测量出更多的偏振数据，提高测量效率和测量准确度。同时，第一光束接收单元21的光轴与第二光束接收单元22的光轴在被测微粒30上相交，从而使得第一光束接收单元21与第二光束接收单元22具有较小的探测区域，以能够探测到同一被测微粒30，获得单个被测微粒30的多个偏振数据。

示例性的，如图3，第一光束接收单元21的光轴与第二光束接收单元22的光轴被测微粒30处相交，该第一光束接收单元21的光轴和第二光束接收单元22相交形成的夹角θ可以为120°。如此，当第一光束接收单元21能够接收120°方向的预设角度的偏振散射光束时，第二光束接收单元22能够接收-120°方向的预设角度的偏振散射光束。由于120°的散射偏振光具有稳定的偏振特性，因此通过将第一光束接收单元21和第二光束接收单元22之间的夹角设置为120°时，能够获得更加稳定、更加准确的偏振数据。

需要说明的是，至少两个光束接收单元能够对应接收至少两个不同方向的预设角度的偏振散射光束，从而获得相应的偏振数据，提取出被测微粒的微观结构信息。本发明实施例中，在至少两个光束接收单元能够接收至少两个不同方向的预设角度的偏振散射光束的前提下，对光束接收单元的具体组成结构及个光束接收单元的位置关系不做限定。以下对光束接收单元的具体结构进行示例性的说明，而并非限定。

可选的，图4是本发明实施例提供的又一种偏振测量装置的结构示意图。如图4，偏振测量装置的光束接收单元20可以包括接收镜组201和检偏器202；该接收镜组201可以包括相对设置的接收透镜2011和准直透镜2012；预设角度的偏振散射光在接收透镜2011的焦点聚合，并在焦点发散进入准直透镜2012，转换为平行偏振光束；检偏器202用于接收平行偏振光束，并对该平行偏振光束的偏振态进行检测。

具体的，偏振测量装置的各光束接收单元20的光轴方向不同，但各光束接收单元可以具有相同的结构。当各光束接收单元20具有相同结构时，能够使得偏振测量装置的各光束接收单元20接收的各预设角度的偏振散射光束能够被各自的检偏器202进行检测。该检偏器202对预设角度的偏振散射光束进行检测的方法可以为通过计算分析偏振散射光的Stokes矢量，以表示预设角度的散射光束的光强和偏振态。

可选的，继续参考图4，接收镜201组还包括位于接收透镜2011和准直透镜2012之间的小孔光阑2013；该小孔光阑2013的孔径中心与接收透镜2011的焦点重合；小孔光阑2013用于对接收透镜2011聚合的预设角度的偏振散射光进行空间滤波。其中，小孔光阑2013的孔径可与被测微粒30的直径相当，该小孔光阑2013的孔径例如可以为100μm。如此，能够使得预设角度的偏振散射光束为单个被测微粒30的偏振散射光束，从而检偏器202能够对单个被测微粒30的预设角度的偏振散射光束进行分析计算，以获得单个被测微粒30的微观结构的信息。

可选的，继续参考图4，接收透镜2011和准直透镜2012之间的距离等于接收透镜2011的焦距f₁和准直透镜2012的焦距f₂之和。

具体的，接收透镜2011将预设角度的偏振散射光束汇聚，形成第一中间像。由于接收透镜2011和准直透镜2012之间的距离为接收透镜2011的焦距f₁和准直透镜2012的焦距f₂之和，因此第一中间像位于接收透镜2011的焦平面上，预设角度的偏振散射光束在接收透镜2011的焦点汇聚后，经过准直透镜2012再次转变成平行偏振光束，被检偏器202接收。该平行偏振光束携带有被测微粒30微观结构信息，通过检偏器202对该平行偏振光束进行偏振态的检测，最终得到被测微粒30的微观结构信息。

可选的，光束接收单元的检偏器包括至少四个偏振检测通道；至少四个偏振检测通道用于将接收的平行偏振光束划分为至少四个不同偏振方向的子偏振光束。

具体的，通常偏振散射光束的偏振态可通过stocks矢量表示，stocks矢量S的表达式如下：

S＝[I，Q，U，V]^T

其中，I表示总的光强；Q表示水平线偏振分量与垂直线偏振分量之差；U表示45°线偏振分量与135°线偏振分量之差；V表示右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量之差。

示例性的，以检偏器包括四个偏振检测通道为例进行说明。图5是本发明实施例提供的一种检偏器的结构示意图。如图5，检偏器202包括四个偏振检测通道2021、2022、2023和2024，每一偏振检测通道可允许一特定偏振方向的偏振光束通过，且通过四个偏振检测通道2021、2022、2023和2024的各偏振光束的偏振方向具有差异。通过检偏器将平行偏振光束划分为0°、45°、135°和左旋方向的子偏振光束，以获得0°、45°、135°和右旋方向的子偏振光束的偏振分量。如此可以得到stocks矢量S如下式：

其中，I(0°)表示0°方向子偏振光束的偏振分量，I(45°)表示45°方向子偏振光束的偏振分量，I(90°)表示90°方向子偏振光束的偏振分量，I(135)表示135°方向子偏振光束的偏振分量，I(L)表示左旋方向子偏振光束的偏振分量，I(R)表示右旋方向子偏振光束的偏振分量。

检偏器202将平行偏振光束划分为至少四个子偏振光束的方式可以为分振幅法、分波前法等。以分振幅法为例，该检偏器202中可利用分束镜、偏振分束器或沃尔斯通棱镜等分束光学器件形成至少四个偏振检测通道，以获得至少四个子偏振光束。

可选的，图6是本发明实施例提供的又一种偏振测量装置的结构示意图。如图6，偏振测量装置的光束接收单元20还包括光电转换器203、信号采集子单元204和数据处理器205；光电转换器203的接收端与检偏器202的输出端连接；光电转换器203用于接收至少四个不同偏振方向的子偏振光束，并将各子偏振光束转换为对应的电信号；信号采集子单元204的输入端与光电转换器203的输出端连接，信号采集子单元204的输出端与数据处理器205的输入端连接；信号采集子单元204用于采集光电转换器203转换的电信号，并发送至数据处理器205进行分析处理。

如此，检偏器202将平行偏振光束划分为多个子偏振光束后，可通过光电转换器203将子偏振光束转换为对应的电信号，信号采集子单元204子偏振光束转换的电信号，并将所采集的电信号发送至数据处理器205中进行数据的处理和分析，最终获得被测微粒30的微观结构信息。

其中，光电转换器203可以为与检偏器202的至少四个偏振检测通道一一对应设置的光电倍增管；该光电倍增管能够接收对应的偏振检测通道传播的子偏振光束，并将子偏振光束转换为电信号，以便于后续信号的采集、处理和分析。相应的，信号采集子单元204例如可以为一种能够采集和传输信号的信号采集芯片。

可选的，图7是本发明实施例提供的又一种偏振探测装置的结构示意图。如图7，偏振测量装置的光束出射单元10包括沿光路依次设置的光源11、起偏器12和光阑13；其中，光源11用于提供自然光；起偏器12用于将自然光转换为偏振光；光阑13用于限制偏振光的光束，以提供偏振入射光束。

具体的，光源11提供的自然光不显示偏振特性，其可以为沿垂直于光波传输方向的所有可能的振动方向，需通过起偏器12将自然光转换为偏振光，该偏振光例如可以为线偏振入射光、椭圆偏振入射光或者圆偏振入射光。起偏器12所转换的偏振光的光束截面尺寸较大，可通过光阑13对其光束截面进行限制，以获得所需截面尺寸的偏振入射光束。

本发明实施例提供的偏振测量装置具有至少两个光束接收单元，且任意两个光束接收单元的光轴互不平行，以使光束出射单元提供的偏振入射光投射至被测微粒，并由被测微粒散射后，至少两个光束接收单元能够接收至少两束不同散射角度的偏振散射光束。本发明实施例提供的偏振测量装置能够通过一次测量，得到多个散射角度的偏振散射光束，从而获得多维度的测量信息，丰富所测量的偏振数据；同时，本发明实施例的偏振测量装置具有简单的结构、较高的测量效率和准确度、以及较低的成本。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种偏振测量装置，其特征在于，包括：光束出射单元和至少两个光束接收单元；

所述光束出射单元与所述光束接收单元沿光路依次设置；

所述光束出射单元用于提供偏振入射光束，并投射至被测微粒；

所述光束接收单元用于接收所述偏振入射光束经所述被测微粒散射后的预设角度的偏振散射光束；

其中，任意两个所述光束接收单元的光轴互不平行。

2.根据权利要求1所述的偏振测量装置，其特征在于，至少两个所述光束接收单元包括：第一光束接收单元和第二光束接收单元；

所述第一光束接收单元与所述第二光束接收单元关于所述光束出射单元的光轴对称，且所述第一光束接收单元的光轴与所述第二光束接收单元的光轴在所述被测微粒上相交。

3.根据权利要求2所述的偏振测量装置，其特征在于，所述第一光束接收单元的光轴与所述第二光束接收单元的光轴之间的夹角θ为120°。

4.根据权利要求1～3任一项所述的偏振测量装置，其特征在于，所述光束接收单元包括接收镜组和检偏器；

所述接收镜组包括相对设置的接收透镜和准直透镜；

所述预设角度的偏振散射光束在所述接收透镜的焦点聚合，并在焦点发散进入所述准直透镜，转换为平行偏振光束；

所述检偏器用于接收所述平行偏振光束，并对所述平行偏振光束的偏振态进行检测。

5.根据权利要求4所述的偏振测量装置，其特征在于，所述检偏器包括至少四个偏振检测通道；

至少四个所述偏振检测通道用于将接收的所述平行偏振光束划分为至少四个不同偏振方向的子偏振光束。

6.根据权利要求5所述的偏振测量装置，其特征在于，所述光束接收单元还包括光电转换器、信号采集子单元和数据处理器；

所述光电转换器的接收端与所述检偏器的输出端连接；所述光电转换器用于接收至少四个不同偏振方向的所述子偏振光束，并将各所述子偏振光束转换为对应的电信号；

所述信号采集子单元的输入端与所述光电转换器的输出端连接，所述信号采集子单元的输出端与所述数据处理器的输入端连接；所述信号采集子单元用于采集所述光电转换器转换的电信号，并发送至所述数据处理器进行分析处理。

7.根据权利要求6所述的偏振测量装置，其特征在于，所述光电转换器包括与至少四个所述偏振检测通道一一对应设置的光电倍增管；

所述光电倍增管用于接收对应的所述偏振检测通道传播的所述子偏振光束，并将所述子偏振光束转换为电信号。

8.根据权利要求4所述的偏振测量装置，其特征在于，所述接收镜组还包括位于所述接收透镜和所述准直透镜之间的小孔光阑；

所述小孔光阑的孔径中心与所述接收透镜的焦点重合；所述小孔光阑用于对所述接收透镜聚合的所述预设角度的偏振散射光束进行空间滤波。

9.根据权利要求4所述偏振测量装置，其特征在于，所述接收透镜和所述准直透镜之间的距离等于所述接收透镜的焦距f₁和所述准直透镜的焦距f₂之和。

10.根据权利要求1～3任一项所述的偏振测量装置，其特征在于，所述光束出射单元包括沿所述光路依次设置的光源、起偏器和光阑；

所述光源用于提供自然光；

所述起偏器用于将所述自然光转换为偏振光；

所述光阑用于限制所述偏振光的光束，以提供所述偏振入射光束。