CN110132853A - 基于像素偏振相机的旋光色散测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于像素偏振相机的旋光色散测量系统及方法，上述旋光色散测量系统包括：依次设置的光源(1)、第一透镜(3)、第二透镜(4)、刀口滤波器(5)、第三透镜(6)、起偏器、待测旋光性物质、色散元件、第四透镜(10)、像素偏振相机(11)；所述光源(1)、第一透镜(3)、第二透镜(4)、刀口滤波器(5)、第三透镜(6)、起偏器、待测旋光性物质、色散元件、第四透镜(10)共光轴，所述像素偏振相机(11)的感光靶面法线与光轴有一个夹角φ。本发明可以实时测量旋光性物质的旋光色散光谱。

Description

基于像素偏振相机的旋光色散测量系统及方法

技术领域

本发明属于旋光色散测量领域，具体涉及一种基于像素偏振相机的旋光色散测量系统及方法。

背景技术

旋光现象是指线偏振光通过某些物质时，线偏振光的振动面将以光的传播方向为轴旋转一定的角度，这种物质称为旋光性物质，即旋光性物质具有旋转透射的线偏振光的偏振方向的能力。旋转的角度叫做旋光性物质的旋光度其与旋光性物质的溶液浓度C及偏振光所通过溶液的光程长度L成正比。具体公式为:其中比例系数称为比旋光度。比旋光度(和旋光度)随着入射线偏振光波长的改变而变化，旋光色散光谱测量就是测定旋光性物质的比旋光度(或旋光度)随着波长变化的曲线。目前测量旋光色散光谱的方法主要有基于旋转检偏器检偏测量方法、基于旋转波片检偏的测量方法。

在中国专利CN200620140312.3(现有技术一)中，潘雪丰，陶卫东，白贵儒提到在起偏器与高压汞灯之间设置滤色片，通过变换滤色片来改变检测光的波长，继而实现部分谱线(高压汞灯谱线)的旋光度测量，如图1所示。其中，滤色片2放置在高压汞灯1与起偏器3之间，旋转检偏器5即可通过光强随旋转角的变化规律检测出样品管4中旋光性物质的旋光度改变滤色片2，即可分时、逐一的测量出部分波长(高压汞灯谱线——404.7nm、435.8nm、546.1nm和577.0～579.0nm等)的旋光度。但是这就带来以下问题：一、由于受到检偏器5旋转角度的精度与时间的限制，会造成一个波长的旋光度测量的系统误差大、分辨率低，同时无法实时；二、由于不同波长的旋光度测量需要更换不同的滤色片2，因此测量多光谱的旋光度时，操作较为繁琐；三、由于高压汞灯1光源的限制，只能测量部分波长的旋光度。

在非专利文献“一种新型测量旋光色散的方法”(光学仪器，Vol.38,No.4August,2016)(现有技术二)中，李子骏等人提出了一种使用白光LED作为白光光源1，结合透射光栅7将白光色散分光至线阵CCD 9不同的空间位置，并通过旋转检偏器5来改变接受光强的大小从而同时测量不同波长的旋光度，如图2所示。其中，旋光管4中包含旋光性物质，光阑2、6调节通过光束的孔径，检偏器3、5由电脑控制的步进电机来旋转，由透镜8会聚至线阵CCD 9的光强制同步采集到电脑上。通过标定不同波长所对应的线阵CCD像素位置来获取波长与像素的对应关系，同时根据检偏器的旋转角与光强的变化关系来获取旋转度该方法能够同时获得连续波长的旋光度，波长分辨率较高。然而旋转检偏器的过程不可避免造成旋光度测量的延时。同时由于线阵CCD9感光面摆放位置未能同时获取不同波长的焦点成像，其测量存在一定的系统误差。因此提出一种能够实时、准确测量样品旋光色散光谱的检测方法，对于旋光色散仪产业及相关应用领域，具有重要意义。

在非专利文献“基于高亮度高纯度LED旋光色散仪的研制”(光学仪器，Vol.27,No.1,February,2005)中，颜飞彪等提出一种基于高亮度高纯度LED的旋光色散仪，其本质与“中国专利CN200620140312.3”一致，仅仅只是更换了不同波长的离散光源(465nm±5nm,520nm±5nm,589nm±3nm,623nm±3nm)。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于像素偏振相机的旋光色散测量系统及方法，可以实时测量旋光性物质的旋光色散光谱，它基于像素偏振相机动态捕获线偏振入射光的光强和偏振信息的特性，结合色散原件(光栅或棱镜)将白光按波长分成不同单色光投影到像素偏振相机的不同成像位置，实现样品旋光色散光谱的实时测量。

本发明解决了以往测量方法中不能同时测量连续波长旋光度的问题，同时省去以往测量方法中检偏器的使用及操作中旋转检偏器的过程，解决了旋光色散光谱测量不能实时的问题。本发明可实现旋光性物质旋光色散光谱、比旋光色散光谱测量的实时化、自动化、精准化。本发明可广泛应用于化学研究、制糖与制药工业等领域。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种基于像素偏振相机的旋光色散测量系统，包括：依次设置的光源、第一透镜、第二透镜、刀口滤波器、第三透镜、起偏器、待测旋光性物质、色散元件、第四透镜、像素偏振相机；其中，

光源用于提供连续稳定、连续宽光谱的入射光；

第一透镜用于将位于第一透镜焦点处的点光源整形为平行光；

第二透镜用于将平行光再次汇聚为点光源；

刀口滤波器用于将点光源过滤为方形光源；

第三透镜用于将方形光源整形为平行光；

起偏器用于将非偏振的光过滤为线偏振光；

色散元件用于将连续宽光谱的白光按波长分散至像素偏振相机不同的像素位置；

第四透镜用于将平行光汇聚为点光源；

像素偏振相机用于成像、捕获线偏振光的偏振信息；

光源、第一透镜、第二透镜、刀口滤波器、第三透镜、起偏器、待测旋光性物质、色散元件、第四透镜共光轴，像素偏振相机的感光靶面法线与光轴有一个夹角φ。

在本发明的某些实施例中，上述旋光色散测量系统还包括积分球，设置在光源与第一透镜之间，用于对入射光进行整合；其中，

积分球的出口、第一透镜、第二透镜、刀口滤波器、第三透镜、起偏器、待测旋光性物质、色散元件、第四透镜共光轴，光源与积分球的入口共光轴，像素偏振相机的感光靶面法线与光轴有一个夹角φ。

在本发明的某些实施例中，起偏器为偏振片。

在本发明的某些实施例中，色散元件为光栅或者棱镜。

在本发明的某些实施例中，还包括一支承部件，用于放置待测旋光性物质。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于像素偏振相机的旋光色散测量方法，包括以下步骤：

S0、搭建旋光散色光谱的测量光路，形成如上的基于像素偏振相机的旋光色散测量系统；

S1、测量旋光色散测量系统的工作温度t₀；

S2、对基于像素偏振相机的旋光色散测量系统进行波长标定，以明确像素偏振相机的像素位置与波长的对应关系；

S3、对旋光色散测量系统进行置零，获得未添加旋光性物质的线偏振光的振动方位角

S4、添加待测旋光性物质，相同的线偏振光穿过待测旋光性物质，不同波长的线偏振光的偏振信息被像素偏振相机实时记录，提取求解所有超像素单元中的偏振信息，得到此时线偏振光的振动方位角

S5、得到旋光度值为其中视为固定值，为实时拍摄图像解算得到的值，在一帧图片中获得旋光色散光谱。

在本发明的某些实施例中，线偏振光振动面的角度的计算公式为：

其中，超像素单元中四个超像素感光单元的透偏振方向不同，超像素感光单元对应的像素点的成像灰度值也不相同，以顺时针为正向，像素点分别对应0°、45°、90°、135°透偏振方向，θ为偏振光振动面与0°感光单元光透偏振方向的夹角，I₀、I₄₅、I₉₀、I₁₃₅分别为0°、45°、90°、135°对应像素点的灰度值。

在本发明的某些实施例中，旋光色散测量方法还包括以下步骤：

采集不开启光源时的背景光图像，去除背景光影响。

在本发明的某些实施例中，在步骤S2中，进行波长标定时，使用不同的单色光光源，像素偏振相机拍摄的图片出现间隔的窄长条型条纹，其像素位置分别对应于不同波长的线偏振光。

在本发明的某些实施例中，旋光色散测量系统包括一旋光管，

在步骤S3中，旋光管中添加蒸馏水，光源产生的波长连续的白光经起偏器整形为线偏振光，线偏振光穿过旋光管中的蒸馏水，并经过色散元件与第四透镜将不同波长的线偏振光聚焦到像素偏振相机的不同像素位置上，每拍摄一帧即记录此时线偏振光的光强信息及偏振信息，计算机经过数据处理即可得到置零时的线偏振光振动面的角度

在步骤S4中，向旋光管中添加待测旋光性物质，得到此时线偏振光振动面的角度

从上述技术方案可以看出，本发明基于像素偏振相机的旋光色散测量系统及方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本发明能够同时测量连续波长的旋光度，并且不需要更换滤色片，也省去旋转检偏器环节，可实时测量旋光性物质的旋光色散光谱(波长分辨率大于1nm)，提高测量效率；

(2)本发明基于数字化信息检测，避免人为引入过失误差，提高检测精度；

(3)本发明能够用于变化浓度的旋光溶液的旋光色散光谱的实时测量。

附图说明

图1为本发明现有技术一中的旋光色散测量系统的示意图。

图2为本发明现有技术二中的旋光色散测量系统的示意图。

图3为本发明实施例基于像素偏振相机的旋光色散测量系统的示意图。

图4为本发明实施例中像素偏振相机检测线偏振光的偏振信息的原理图。

图5为本发明实施例中基于像素偏振相机测量石英薄片的旋光色散光谱结果图。

【主要元件】

[现有技术一]

1-高压汞灯；

2-滤色片；

3-起偏器；

4-旋光管；

5-检偏器。

[现有技术二]

1-白光光源；

2,6-光阑；

3,5-偏振片；

4-旋光管；

7-光栅；

8-透镜；

9-线阵CCD。

[本发明]

1-光源；

2-积分球；

3,4,6,10-透镜；

5-刀口滤波器；

7-偏振片；

8-旋光管；

9-光栅；

11-像素偏振相机；

110-超像素单元；

112,113,114,115-超像素感光单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的实施例中，提供了一种基于像素偏振相机的旋光色散测量系统。如图3所示，本发明速调管基于像素偏振相机的旋光色散测量系统包括：依次设置的光源1、积分球2、透镜3、透镜4、刀口滤波器5、透镜6、偏振片7、旋光管8、光栅9、透镜10、像素偏振相机11。

以下分别对本实施例基于像素偏振相机的旋光色散测量系统的各个组成部分进行详细描述。

光源1为连续、宽光谱且功率稳定的光源，用于提供连续稳定的宽光谱入射光，例如，光源1为溴钨灯。

积分球2用于对入射光进行整合，得到点光源。

透镜3,4,6,10用于将点光源整形为平行光并在像素偏振相机11前将平行光汇聚为一点。同时结合众多光学元件的通光孔径，发散光源中处于特定空间位置的点光源才能通过光路，到达像素偏振相机11。其中，透镜3优选为小孔透镜，将位于透镜3物面侧焦点处的点光源整形为平行光。需要说明的是，小孔透镜为孔径较小的凸透镜，例如8mm直径。

透镜4将平行光再次汇聚为点光源。

刀口滤波器5用于将点光源过滤为方形光源。

透镜6用于将方形光源整形为平行光。

偏振片7用于将自然光的光源过滤为线偏振光，在此需要说明的是，偏振片7只是一种能够获得线偏振光的优选方式，其他起偏器也可以用于本发明中。

旋光管8内具有旋光性物质，旋光性物质改变线偏振光的偏振方向。

光栅9用于将连续宽光谱的白光按波长分散至像素偏振相机11不同的像素位置。在此需要说明的是，光栅9只是一种能够将白光分散成不同单色光的优选方式，其他色散元件也可以用于本发明中，例如棱镜。

透镜10用于将平行光汇聚为点光源，并在像素偏振相机11上直接成像。

像素偏振相机11为可捕获线偏振光的偏振信息的相机设备。

需要指出的是，在本发明中，积分球2的出口、透镜3,4,6,10、刀口滤波器5、偏振片7、旋光管8、光栅9共光轴，光源1与积分球2的入口共光轴，像素偏振相机11的感光靶面法线与光路的光轴有一个夹角φ。另外，积分球2、透镜3,4,6,10、刀口滤波器5、偏振片7(起偏器)、旋光管8与光栅9(色散原件)都为标准器件。

在本发明的实施例中，还提供了一种基于像素偏振相机的旋光色散测量方法，光源发出连续波长光线，以确定不同波长条件下的旋光度整形后的偏振光穿过旋光管中的旋光性物质时旋转了色散元件与透镜将不同波长的光汇聚至像素偏振相机的不同像素位置，由像素偏振相机记录线偏振光的偏振信息。该测量方法包括以下步骤：

S0、搭建旋光散色光谱的测量光路，形成上述基于像素偏振相机的旋光色散测量系统，其中，光源选择连续宽光谱且功率稳定的光源(如溴钨灯)；

S1、测量上述旋光色散测量系统的工作温度t₀；

S2、对基于像素偏振相机的旋光色散测量系统进行波长标定，以明确像素偏振相机的像素位置与波长的对应关系。具体为：

使用不同的单色光光源(如低压汞灯，钠灯)暂时性的取代连续光源，像素偏振相机拍摄的图片将出现间隔的窄长条型条纹，其像素位置分别对应于不同波长的线偏振光。

S3、对上述旋光色散测量系统进行置零，获得未添加旋光性物质的线偏振光的振动方位角；具体的置零操作为：旋光管8中添加蒸馏水，光源1产生的连续宽光谱的白光经偏振片7整形为线偏振光，线偏振光穿过旋光管8中的蒸馏水，并经过光栅9与透镜10将不同波长的线偏振光聚焦到像素偏振相机11的不同像素位置上，每拍摄一帧即记录此时线偏振光的光强信息及偏振信息，计算机经过数据处理即可得到置零时(未添加旋光性物质)的线偏振光振动面的角度

S4、向旋光管8中添加待测旋光性物质，相同的线偏振光穿过添加了旋光性物质的旋光管8，不同波长的线偏振光的偏振信息被像素偏振相机11实时记录，提取求解所有超像素单元中的偏振信息，得到此时线偏振光的振动方位角

S5、得到旋光度值为其中可视为固定值，为实时拍摄图像解算得到的值，因此旋光色散光谱可在一帧图片同时获得，由公式输入溶液浓度C及旋光管长度L与温度t₀，可得到旋光性物质的比旋光色散光谱。

上述旋光色散测量方法的原理在于：如图4所示，一束线偏振光P入射到像素偏光相机感光靶面成像，由于超像素单元110中每个超像素感光单元的透偏振方向不同，超像素感光单元112,113,114,115对应的像素点的成像灰度值也不相同。以顺时针为正向，像素点分别对应0°、45°、90°、135°透偏振方向。若偏振光P振动面与0°感光单元光透偏振方向夹角为θ，则对应的像素点灰度值为45°、90°、135°对应像素点灰度值分别为 由此四个相应灰度值可解析得到偏振光振动面相对0°感光单元的角度像素偏振相机超像素单元也可采用两种(或多种)偏振单元阵列及相关算法。

下面以测量标准石英薄片的旋光色散光谱为例，对上述旋光色散测量方法进行示例性解释说明，基于像素偏振相机实时测量标准石英薄片的旋光色散光谱的具体流程如下：

关闭室内灯光，屏蔽环境光；

测量室温t₀＝21°；

采集不开启光源1下的背景光图像(使用不同光源时都需重复此步骤)，去除背景光影响。

分别使用钠光灯、低压汞灯临时性替换白光光源1，以未附带石英薄片的镜架(只起物理光阑的作用)取代旋光管8，做好采集准备。

获得不同波长的光在像素偏振相机11上成像的像素位置，标定波长与像素位置的关系。

打开白光光源，进行系统的置零，像素偏振相机采用嘉恒OK-AM1160黑白相机与金属纳米光栅集成，采集帧频为25幅/S。

使用附带石英薄片(0.23mm)的镜架替代未附带石英薄片的镜架，采集数据。

数据同步传输至计算机，旋光色散光谱实时自动测量软件基于图片信息对旋光色散光谱信息进行实时提取；a.将一幅图像拆分为0°、45°、90°、135°4个偏振方向图片。b.参照图4中提及算法对线偏振光振动面角度进行计算。c.根据波长与像素位置的关系将旋光度信息与波长信息一一对应。

软件实时显示石英薄片的旋光色散光谱信息，如图5所示。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于像素偏振相机的旋光色散测量系统及方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于像素偏振相机的旋光色散测量系统，其特征在于，包括：依次设置的光源(1)、第一透镜(3)、第二透镜(4)、刀口滤波器(5)、第三透镜(6)、起偏器、待测旋光性物质、色散元件、第四透镜(10)、像素偏振相机(11)；其中，

所述光源(1)用于提供稳定、连续宽光谱的入射光；

所述第一透镜(3)用于将位于第一透镜(3)焦点处的点光源整形为平行光；

所述第二透镜(4)用于将平行光再次汇聚为点光源；

所述刀口滤波器(5)用于将点光源过滤为方形光源；

所述第三透镜(6)用于将方形光源整形为平行光；

所述起偏器用于将非偏振的光过滤为线偏振光；

所述色散元件用于将连续宽光谱的白光按波长分散至所述像素偏振相机(11)不同的像素位置；

所述第四透镜(10)用于将平行光汇聚为点光源；

所述像素偏振相机(11)用于成像、捕获线偏振光的偏振信息；

所述光源(1)、第一透镜(3)、第二透镜(4)、刀口滤波器(5)、第三透镜(6)、起偏器、待测旋光性物质、色散元件、第四透镜(10)共光轴，所述像素偏振相机(11)的感光靶面法线与光轴有一个夹角φ。

2.根据权利要求1所述的旋光色散测量系统，其特征在于，还包括积分球(2)，设置在所述光源(1)与所述第一透镜(3)之间，用于对入射光进行整合；其中，

所述积分球(2)的出口、第一透镜(3)、第二透镜(4)、刀口滤波器(5)、第三透镜(6)、起偏器、待测旋光性物质、色散元件、第四透镜(10)共光轴，所述光源(1)与积分球(2)的入口共光轴，所述像素偏振相机(11)的感光靶面法线与光轴有一个夹角φ。

3.根据权利要求1所述的旋光色散测量系统，其特征在于，所述起偏器为偏振片(7)。

4.根据权利要求1所述的旋光色散测量系统，其特征在于，所述色散元件为光栅(9)或者棱镜。

5.根据权利要求1-3任一项所述的旋光色散测量系统，其特征在于，还包括一支承部件，用于放置待测旋光性物质。

6.一种基于像素偏振相机的旋光色散测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S0、搭建旋光散色光谱的测量光路，形成如权利要求1-5任一项所述的基于像素偏振相机的旋光色散测量系统；

S1、测量所述旋光色散测量系统的工作温度t₀；

S2、对基于像素偏振相机的旋光色散测量系统进行波长标定，以明确像素偏振相机的像素位置与波长的对应关系；

S3、对所述旋光色散测量系统进行置零，获得未添加旋光性物质的线偏振光的振动方位角

S4、添加待测旋光性物质，相同的线偏振光穿过待测旋光性物质，不同波长的线偏振光的偏振信息被所述像素偏振相机(11)实时记录，提取求解所有超像素单元中的偏振信息，得到此时线偏振光的振动方位角

S5、得到旋光度值为其中视为固定值，为实时拍摄图像解算得到的值，在一帧图片中获得旋光色散光谱。

7.根据权利要求6所述的旋光色散测量方法，其特征在于，线偏振光振动面的角度的计算公式为：

其中，超像素单元中四个超像素感光单元的透偏振方向不同，超像素感光单元对应的像素点的成像灰度值也不相同，以顺时针为正向，像素点分别对应0°、45°、90°、135°透偏振方向，θ为偏振光振动面与0°感光单元光透偏振方向的夹角，I₀、I₄₅、I₉₀、I₁₃₅分别为0°、45°、90°、135°对应像素点的灰度值。

8.根据权利要求6所述的旋光色散测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：

采集不开启光源时的背景光图像，去除背景光影响。

9.根据权利要求6所述的旋光色散测量方法，其特征在于，在步骤S2中，进行波长标定时，使用不同的单色光光源，所述像素偏振相机拍摄的图片出现间隔的窄长条型条纹，其像素位置分别对应于不同波长的线偏振光。

10.根据权利要求6所述的旋光色散测量方法，其特征在于，所述旋光色散测量系统包括一旋光管(8)，

在步骤S3中，所述旋光管(8)中添加蒸馏水，所述光源(1)产生的稳定、连续宽光谱的白光经所述起偏器整形为线偏振光，线偏振光穿过所述旋光管(8)中的蒸馏水，并经过所述色散元件与第四透镜(10)将不同波长的线偏振光聚焦到所述像素偏振相机(11)的不同像素位置上，每拍摄一帧即记录此时线偏振光的光强信息及偏振信息，计算机经过数据处理即可得到置零时的线偏振光振动面的角度

在步骤S4中，向所述旋光管(8)中添加待测旋光性物质，得到此时线偏振光振动面的角度