CN110208169A - 一种测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法，属于水体悬浮颗粒物探测技术领域。通过包括8个方法步骤实现对同一个悬浮颗粒的同时探测，无需假设样品是均匀的，测量得到的是单个悬浮颗粒的独特偏振态数据,探测效果好，操作方法简单方便，适用于水质检测、水华预警领域，使用范围广。通过增大光源S的光功率输出，或通过提高镜面柱L4会聚光的聚焦性能，有效提高了测量的信噪比。解决了现有通过旋转单个探测器的探测方式，不能针对同一个悬浮颗粒实现同时探测，及通过多个分立角度探测系统的探测方式，增加探测系统的复杂性，且分立角度的散射体积存在差异，很难针对同一个颗粒进行测量，不利于水质检测和水华预警应用的问题。

Description

一种测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法

技术领域

本发明涉及一种测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法，属于水体悬浮颗粒物探测技术领域。

背景技术

探测水体中的悬浮颗粒物是进行水体生态保护、环境监测、水体资源开发的重要基础。水体中的颗粒物种类繁多，形态和大小差异较大，且悬浮、运动的颗粒物的位置和状态是瞬时的，因此识别它们需要大量的测量信息，更需要同时测量。

目前探测水体中颗粒物的方法包括光学、声学方法，光学方法因具有高分辨率、无损伤、非接触性特点而受到人们的关注。偏振是光的基本属性，悬浮颗粒物散射光的偏振态一般采用斯托克斯向量来表示。偏振对颗粒物的形态、细微结构敏感，可以提供颗粒物的大量信息，易与其他光学方法联合构成多模态测量。利用偏振光探测颗粒物具有独特的优势。目前大多采用旋转单个探测器来实现颗粒物大角度范围散射光偏振态的探测，不过该方法不是针对同一个悬浮颗粒的同时探测，而是假设样品是均匀的，测量的是颗粒物悬浮液的系综平均效果。也有一些方法是通过多个分立角度探测系统来同时测量大角度范围散射光的偏振态的，尽管探测效果比前者好，但是增加了系统的复杂性，且分立角度的散射体积存在差异，很难针对同一个颗粒进行测量。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法，它可针对单个悬浮颗粒物，同时测量大角度范围内散射光的偏振态数据，适用于水质检测、水华预警领域，操作简单方便，测量信噪比高，探测效果好。

本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：

一种测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法，探测硬件包括偏振器、透镜L1、透镜L2、透镜L3、镜面柱L4、光源S、偏振起偏器PG、样品池V、针孔PH、线阵偏振探测阵列C；其特征在于，该测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法是通过包括如下步骤实现的：

步骤一、光源S发出平行光，经过偏振起偏器PG产生所需要的偏振光；

步骤二、通过透镜L1将平行的偏振光聚焦在样品池V中间，会聚光的焦点O要足够小，使能量集中，能量密度大，以减小散射体积，实现单个颗粒物散射；

步骤三、焦点O与针孔PH中心之间构成物-像关系；焦点O的颗粒物的散射光被透镜L2接收，会聚在针孔PH中心，针孔PH与焦点O的区域交叉形成散射体积，调节针孔PH的大小控制散射体积的大小；

步骤四、当水体中颗粒物的浓度小于10⁶/每毫升时，将散射体积的等效球径控制在0.1mm以内，实现单个颗粒物的测量；

步骤五、透镜L2与样品池V相互配合实现大角度散射光的接收；大角度散射光范围的大小与透镜L2的数值孔径及焦点O与针孔PH中心之间构成的物-像关系有关；若焦点O到透镜L2的距离比透镜L2到针孔PH的中心距离小，则可接受更大角度范围；若相反，则可接受更小角度范围；颗粒物的散射光从水中经过样品池V时界面会扩散，减少透镜L2与样品池V界面的距离，可收集到更大角度的散射光；

步骤六、透镜L3把会聚光变成平行光，镜面柱L4将平行光在一个方向：子午方向或弧矢方向上会聚，线阵偏振探测阵列C放置在镜面柱L4会聚的焦点O2上；提高子午方向或弧矢方向其中一个方向上的能量密度，利于散射光的探测；

步骤七、线阵偏振探测阵列C可同步探测散射光的偏振态，可以是全部斯托克斯向量，也可以是斯托克斯向量的一部分偏振分量；线阵偏振探测阵列C通过分振幅或分波实现全部斯托克斯向量、斯托克斯向量的一部分偏振分量，或通过购置商用线阵偏振相机实现；

步骤八、增大光源S输出的光功率，或提高镜面柱L4会聚光的性能，比如降低像差，使之聚焦更集中，比如减小球差，让不同角度的光会聚在同一个区域范围内，提高线阵偏振探测阵列C获得信号的信噪比。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

该测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法，通过包括8个方法步骤实现对同一个悬浮颗粒的同时探测，无需假设样品是均匀的，测量得到的是单个悬浮颗粒的独特偏振态数据,探测效果好，操作方法简单方便，适用于水质检测、水华预警领域，使用范围广。通过增大光源S的光功率输出，或通过提高镜面柱L4会聚光的聚焦性能，有效提高了测量的信噪比。解决了现有通过旋转单个探测器的探测方式，不能针对同一个悬浮颗粒实现同时探测，及通过多个分立角度探测系统的探测方式，增加探测系统的复杂性，且分立角度的散射体积存在差异，很难针对同一个颗粒进行测量，不利于水质检测和水华预警应用的问题。

附图说明

图1为一种测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法的光路示意图；

图2为一种测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法的测量大角度范围后向散射光偏振态的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对该测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法的实施方式作进一步详细说明（参见图1、图2）：

一种测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法，探测硬件包括偏振器、透镜L1、透镜L2、透镜L3、镜面柱L4、光源S、偏振起偏器PG、样品池V、针孔PH、线阵偏振探测阵列C；其特征在于，该测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法是通过包括如下步骤实现的：

步骤一、光源S发出平行光，经过偏振起偏器PG产生所需要的偏振光；光源S发出平行光，当前的偏振发生器PG主要包括偏振片、波片，它们一般需要平行光入射才能保证出射偏振光的均匀性。

步骤二、通过透镜L1将平行的偏振光聚焦在样品池V中间，会聚光的焦点O要足够小，使能量集中，能量密度大，以减小散射体积，实现单个颗粒物散射；

透镜L1会聚光在样品池V中间，会聚点要足够小，这样才能保证能量集中、能量密度大，同时减小散射体积，容易实现单个颗粒物散射。

步骤三、焦点O与针孔PH中心之间构成物-像关系；焦点O的颗粒物的散射光被透镜L2接收，会聚在针孔PH中心，针孔PH与焦点O的区域交叉形成散射体积，调节针孔PH的大小控制散射体积的大小；

焦点O与针孔PH的中心之间是物-像关系，即在焦点O的颗粒物的散射光被透镜L2接收，会聚在针孔PH中心。而其它不符合这个物-像关系的颗粒散射光都被针孔PH挡住或者削弱。由针孔PH的大小决定能收集到的光的体积，针孔PH与焦点O的区域交叉形成散射体积。针孔PH的大小可以控制散射体积的大小；控制散射体积的大小有助于实现单个颗粒物的测量。

步骤四、当水体中颗粒物的浓度小于10⁶/每毫升时，将散射体积的等效球径控制在0.1mm以内实现单个颗粒物的测量；这个浓度条件适用于大部分自然水体。

步骤五、透镜L2与样品池V相互配合实现大角度散射光的接收；大角度散射光范围的大小与透镜L2的数值孔径及焦点O与针孔PH中心之间构成的物-像关系有关；若焦点O到透镜L2的距离比透镜L2到针孔PH中心距离小，则可以接受更大角度范围；若相反，则接受更小角度范围；颗粒物的散射光从水中经过样品池V时界面会扩散，减少透镜L2与样品池V界面的距离，可收集到更大角度的散射光。

步骤六、透镜L3把会聚光变成平行光，镜面柱L4将平行光在一个方向：子午方向或弧矢方向上会聚，线阵偏振探测阵列C放Z置在透镜L4会聚的焦点O2上；提高子午方向或弧矢方向一个方向上的能量密度，利于散射光的探测；

镜面柱L4是必要的，因为颗粒物散射光一般比较弱，经过镜面柱L4聚焦，可提高一个方向上子午方向或弧矢方向的能量密度，有利于散射光的探测。

步骤七、线阵偏振探测阵列C可同步探测散射光的偏振态，可以是全部斯托克斯向量，也可以是斯托克斯向量的一部分偏振分量；线阵偏振探测阵列C通过分振幅或分波实现全部斯托克斯向量、斯托克斯向量的一部分偏振分量，或通过购置商用线阵偏振相机实现；

步骤八、增大光源S输出的光功率，可以采用功率更大的光源，或提高镜面柱L4会聚光的性能，比如降低像差，使之聚焦更集中，比如减小球差，让不同角度的光会聚在同一个区域范围内，通过把散射光信号会聚在更小区域内提高信号的强度，一般噪音不会变化太大，所以信噪比会增加，）高线阵偏振探测阵列C获得信号的信噪比。相较于没有球差矫正的镜头，采用消球差镜头后的信号强度（随之而来的信噪比）至少提高3倍。

具体来说，（参见图1），图1所示的光路是在90°散射角附近接收的示意图。光源S发出平行光，经过偏振起偏器PG产生所需要的偏振光；透镜L1把平行的偏振光聚焦，其焦点O在样品池V的里面；样品池V中充满了水，水里面有悬浮颗粒物；当会聚的光被颗粒物散射后，该散射光被透镜L2接收，并会聚到针孔PH，然后被透镜L3转变成平行光，再经过一个柱面镜L4，最后被线阵偏振探测阵列C接收。散射体积由光经过透镜L1的会聚焦点和针孔PH的大小决定。

其中，光源S、偏振起偏器PG、透镜L1组成照明端；透镜L2、针孔PH、透镜L3、镜面柱L4、线阵偏振探测阵列C组成接收端。

（参见图2）针对实际测量的需要，可以根据本发明的发明思路构制不同类型的探测方式。比如针对后向散射光，采用如图2所示的方式或通过改进透镜L2的性能来实现全角度0-180°范围的散射光偏振态的同时测量。

以上所述只是本发明的较佳实施例而已，上述举例说明不对本发明的实质内容作任何形式上的限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改或变形，以及可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (1)

1.一种测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法，探测硬件包括偏振器、透镜L1、透镜L2、透镜L3、镜面柱L4、光源S、偏振起偏器PG、样品池V、针孔PH、线阵偏振探测阵列C；其特征在于，该测量大角度范围内散射光偏振态数据的方法是通过包括如下步骤实现的：

步骤一、光源S发出平行光，经过偏振起偏器PG产生所需要的偏振光；

步骤二、通过透镜L1将平行的偏振光聚焦在样品池V中间，会聚光的焦点O要足够小，使能量集中，能量密度大，以减小散射体积，实现单个颗粒物散射；

步骤三、焦点O与针孔PH中心之间构成物-像关系；焦点O的颗粒物的散射光被透镜L2接收，会聚在针孔PH中心，针孔PH与焦点O的区域交叉形成散射体积，调节针孔PH的大小控制散射体积的大小；

步骤四、当水体中颗粒物的浓度小于10⁶/每毫升时，将散射体积的等效球径控制在0.1mm以内，实现单个颗粒物的测量；

步骤五、透镜L2与样品池V相互配合实现大角度散射光的接收；大角度散射光范围的大小与透镜L2的数值孔径及焦点O与针孔PH中心之间构成的物-像关系有关；若焦点O到透镜L2的距离比透镜L2到针孔PH的中心距离小，则可接受更大角度范围；若相反，则可接受更小角度范围；颗粒物的散射光从水中经过样品池V时界面会扩散，减少透镜L2与样品池V界面的距离，可收集到更大角度的散射光；

步骤六、透镜L3把会聚光变成平行光，镜面柱L4将平行光在一个方向：子午方向或弧矢方向上会聚，线阵偏振探测阵列C放置在镜面柱L4会聚的焦点O2上；提高子午方向或弧矢方向其中一个方向上的能量密度，利于散射光的探测；

步骤七、线阵偏振探测阵列C可同步探测散射光的偏振态，可以是全部斯托克斯向量，也可以是斯托克斯向量的一部分偏振分量；线阵偏振探测阵列C通过分振幅或分波实现全部斯托克斯向量、斯托克斯向量的一部分偏振分量，或通过购置商用线阵偏振相机实现；

步骤八、增大光源S输出的光功率，或提高镜面柱L4会聚光的性能，比如降低像差，使之聚焦更集中，比如减小球差，让不同角度的光会聚在同一个区域范围内，提高线阵偏振探测阵列C获得信号的信噪比。