CN111366558A - 一种多波长偏振散射测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种多波长偏振散射测量装置，包括光源、起偏器、照射光学光路、接收光学光路、分光系统、多波长同步偏振测量器及数据处理端,其中，光源发出的多波长光，经过起偏器后产生入射偏振光，经过照射光学光路照射液体中的悬浮颗粒物，接收光学光路接收来自被照射的悬浮颗粒物的散射光信号并传送至分光系统，散射光信号由分光系统分拣出不同波长的散射光后，每个波长由多波长同步偏振测量器进行同步检偏测量，同时获得悬浮颗粒物的多个波长散射光偏振态数据，并传送至数据处理端，利用悬浮颗粒物对不同波长光所产生的偏振响应来识别和区分悬浮颗粒物。本装置通过同时获得目标颗粒物在不同波长光照射下的偏振信息，能够更加准确地识别和区分颗粒物。
Description
技术领域
本发明涉及悬浮颗粒物的探测，特别是一种多波长偏振散射测量装置。
背景技术
水体中悬浮颗粒物的种类和浓度，直接决定着水体生态系统的状态和活力。因此，快速、准确、大量地获得水体悬浮颗粒的信息，对于生态研究、水产养殖以及环境监测尤为重要。光学散射方法具有高分辨、非接触、非破坏、信息丰富等优势，被广泛用于获取颗粒物的形态和浓度信息。通过测量散射光的空间分布可以获得海洋微生物的形态和浓度信息。
发明内容
发明人意识到，由于同一悬浮颗粒物对不同波长光的偏振响应有差异，该差异大小对于不同种类的颗粒物也是不同的，因此，若能设法同时测量悬浮颗粒物在不同波长光照亮下的偏振散射信息，就可以更加准确地识别和区分目标悬浮颗粒物。为此，本发明提供一种多波长偏振散射测量装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多波长偏振散射测量装置，包括光源、起偏器、照射光学光路、接收光学光路、分光系统、多波长同步偏振测量器以及数据处理端,其中，所述光源发出的多波长光，经过所述起偏器后产生入射偏振光，经过所述照射光学光路照射液体中的悬浮颗粒物，所述接收光学光路接收来自被照射的悬浮颗粒物的散射光信号并传送至所述分光系统，所述散射光信号由所述分光系统分拣出不同波长的散射光后，每个波长由所述多波长同步偏振测量器进行同步检偏测量，从而同时获得悬浮颗粒物的多个波长散射光偏振态数据，并传送至所述数据处理端，利用悬浮颗粒物对不同波长光所产生的偏振响应来识别和区分悬浮颗粒物。
进一步地：
所述照射光学光路包括光阑和第一透镜，通过所述光阑使所述入射偏振光变细，再经过所述第一透镜聚焦照射至所述悬浮颗粒物。
所述接收光学光路相对于所述照射光学光路设置在所述悬浮颗粒物的后向散射角度处。
所述接收光学光路包括第二透镜、针孔和第三透镜，所述散射光经过所述第二透镜汇聚在所述针孔处，通过所述针孔进行空间滤波后形成发散光，再通过所述第三透镜将所述发散光调制成单束平行光，所述单束平行光进入所述分光系统后被分为不同波长的多束光。
所述分光系统包括一个或多个分光棱镜和对应于不同波长的滤波片，经过所述分光棱镜分光后得到的多束光分别经过不同波长的滤光片，获得不同波长的散射光。
所述照射光学光路和所述接收光学光路交汇于一个极小区域使得只有该区域内的悬浮颗粒物才能被探测到其散射信号。
通过分振幅、分波前或波长、光调制的方式测量光的偏振态。
采用分振幅的测量方式，所述多波长同步偏振测量器包括四个子通道，将散射光分成四份，每个子通道分别加水平偏振片、135度偏振片、45度偏振片，以及左旋偏振片即90°偏振片加1/4波片，从而实现出射光的检偏，经由光电转换器进行转换后，将信号传送到所述数据处理端，所述数据处理端计算出Stokes向量，以实现悬浮颗粒物对不同波长光的同步偏振测量与分析。
所述光电转换器为光电倍增管。
一种用于所述的多波长偏振散射测量装置的偏振信息采集模块，包括光源、起偏器、照射光学光路、接收光学光路、分光系统以及多波长同步偏振测量器,其中，所述光源发出的多波长光，经过所述起偏器后产生入射偏振光，经过所述照射光学光路照射液体中的悬浮颗粒物，所述接收光学光路接收来自被照射的悬浮颗粒物的散射光信号并传送至所述分光系统，所述散射光信号由所述分光系统分拣出不同波长的散射光后，每个波长由所述多波长同步偏振测量器进行同步检偏测量，从而同时测得悬浮颗粒物的多个波长散射光偏振态数据。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出一种多波长偏振散射测量装置，通过同步测量悬浮颗粒物在不同波长光照亮下的偏振散射信息，结合目标悬浮颗粒物对不同波长光照亮下的偏振散射特性，来达到识别和区分目标悬浮颗粒物的目的。由不同偏振态的入射光可以获得目标颗粒的不同偏振参数，而结合不同波长的入射偏振光产生的散射光的偏振参数，能够显著提升水体悬浮颗粒的信息量，从而更加准确地识别和区分目标悬浮颗粒物。
相对于其他光学方法，本发明同时接收和分析目标颗粒物在不同波长光照射下的偏振信息，显著增加了信息维度和信息量，丰富了微粒的波长 (光谱)特征数据，实现对目标颗粒物更加准确的识别和区分。
附图说明
图1是本发明一种实施例的多波长偏振散射测量装置中的偏振信息模块结构示意图；
图2是本发明一种实施例的多波长偏振散射测量装置结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1是本发明一种实施例的多波长偏振散射测量装置中的偏振信息采集模块结构示意图。图2是本发明一种实施例的多波长偏振散射测量装置结构示意图。参阅图1和图2，本发明实施例提供一种多波长偏振散射测量装置，包括光源1、起偏器2、照射光学光路3、接收光学光路5、分光系统6、多波长同步偏振测量器7以及数据处理端17,其中，所述光源1 发出的多波长光，经过所述起偏器2后产生入射偏振光，经过所述照射光学光路3照射液体中的悬浮颗粒物4，所述接收光学光路5接收来自被照射的悬浮颗粒物4的散射光信号并传送至所述分光系统6，所述散射光信号由所述分光系统6分拣出不同波长(也涵盖不同波段的情况)的散射光后，每个波长由所述多波长同步偏振测量器7进行同步检偏测量，从而同时获得悬浮颗粒物4的多个波长散射光偏振态数据，并传送至所述数据处理端17，利用悬浮颗粒物4对不同波长光所产生的偏振响应来识别和区分悬浮颗粒物4。
上述多波长偏振散射测量装置中，光源1、起偏器2、照射光学光路3、接收光学光路5、分光系统6以及多波长同步偏振测量器7组成了本发明实施例的偏振信息采集模块。
本发明实施例的多波长偏振散射测量装置通过同步测量悬浮颗粒物在不同波长光照亮下的偏振散射信息，结合目标悬浮颗粒物对不同波长光照亮下的偏振散射特性，来达到识别和区分目标悬浮颗粒物的目的。由不同偏振态的入射光可以获得目标颗粒的不同偏振参数，而结合不同波长的入射偏振光产生的散射光的偏振参数，能够显著提升水体悬浮颗粒的信息量，从而更加准确地识别和区分目标悬浮颗粒物。相对于其他光学方法，本发明实施例同时接收和分析目标颗粒物在不同波长光照射下的偏振信息，显著增加了信息维度和信息量，丰富了微粒的波长(光谱)特征数据，实现对目标颗粒物更加准确的识别和区分。
如图1所示，光源1发出多波长(n合1)光，经过起偏器2后产生特定的入射偏振光，经过照射光学光路3后聚焦，照亮水体中的悬浮颗粒物4。在后向散射角度(例如120度)处设有接收臂，接收被照亮微粒的散射光信号，此时散射光仍包含多种波长的光。微粒的散射光会被接收光学光路5接收，并转化为平行光入射到分光系统6，分拣出不同波长的散射光，再通过多波长同步偏振测量器7同步获得多个波长散射光偏振态数据。利用悬浮微粒对不同波长的光所产生的偏振响应来识别和区分微粒。
在优选的实施例中，该测量装置通过限制探测体积，可以实现单个颗粒测量。限制探测体积，即限制被照明-被探测区域的大小。为达到测量单个颗粒物散射信号的目的，该测量装置中照射光学光路3与接收光学光路 5交汇于一个极小区域，使得只有该区域内的粒子才能被探测到其散射信号。该区域被称为探测体积。为了探测体积足够小，从而使颗粒物概率上单个穿过探测体积，可以采取让入射端光路变细以及对物像关系的像点进行空间限制的方法。
接收光学光路5的透镜10将散射光聚焦，聚焦处即为目标微粒的像点，在此处设有一个针孔11，限制像点的大小，然后经过透镜12将发散光束转化为平行光。针孔11可以通过限制像点大小来限制物点的大小。物点与照明光相交的区域为散射体积。通过照射光学光路3和接收光学光路 5，可以让散射体积很小，在一定浓度以下，可以实现单个颗粒测量。
入射光照射在颗粒上，产生的散射光获得颗粒在不同波长光照亮下的偏振信息。散射光经过分光系统6分光和滤光，其中分光棱镜13分光获得 n束光(n≥2)，n束光分别经过特定波长的滤光片14、15、16，分拣出不同波长(波段)的散射光；每个波长的散射光通过多波长同步偏振测量器 7进行同步偏振测量，获得各波长散射光的偏振态信息。
不同偏振态的入射光可以获得目标颗粒的不同偏振参数，结合这些参数将能提高水体悬浮颗粒的信息量，从而识别和区分目标颗粒。而光的不同入射偏振态和不同波长组合，能够显著提升颗粒的信息。
如图2所示，光源1采用多波长激光器(650nm红光、520nm绿光和 405nm蓝光三合一激光器)，每个波长的光功率大于1W，连续照明。由起偏器2调制好的偏振激光束通过光阑8和聚焦透镜9后照亮悬浮颗粒，120°处设有单通道接收装置接收到该颗粒物4的散射光，散射光经由两个分光棱镜13分为3束光，3束光分别经过各自波长的滤光片13、14、15获得三种特定波长的光束。最后通过多波长同步偏振测量器7对接收到的信号同步进行检偏采集和记录。多波长同步偏振测量器7采用分振幅的方法，即将各滤光片的出射光分成四份，每个通道分别加水平偏振片、135度偏振片、45度偏振片以及左旋偏振片，从而实现出射光的检偏，然后经过光电倍增管放大传输到数据处理端17，计算出Stokes向量，进而实现悬浮颗粒对不同波长光的同步偏振测量与分析。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (10)
1.一种多波长偏振散射测量装置，其特征在于，包括光源、起偏器、照射光学光路、接收光学光路、分光系统、多波长同步偏振测量器以及数据处理端,其中，所述光源发出的多波长光，经过所述起偏器后产生入射偏振光，经过所述照射光学光路照射液体中的悬浮颗粒物，所述接收光学光路接收来自被照射的悬浮颗粒物的散射光信号并传送至所述分光系统，所述散射光信号由所述分光系统分拣出不同波长的散射光后，每个波长由所述多波长同步偏振测量器进行同步检偏测量，从而同时获得悬浮颗粒物的多个波长散射光偏振态数据，并传送至所述数据处理端，利用悬浮颗粒物对不同波长光所产生的偏振响应来识别和区分悬浮颗粒物。
2.如权利要求1所述的多波长偏振散射测量装置，其特征在于，所述照射光学光路包括光阑和第一透镜，通过所述光阑使所述入射偏振光变细，再经过所述第一透镜聚焦照射至所述悬浮颗粒物。
3.如权利要求1或2所述的多波长偏振散射测量装置，其特征在于，所述接收光学光路相对于所述照射光学光路设置在所述悬浮颗粒物的后向散射角度处。
4.如权利要求1至3任一项所述的多波长偏振散射测量装置，其特征在于，所述接收光学光路包括第二透镜、针孔和第三透镜，所述散射光经过所述第二透镜汇聚在所述针孔处，通过所述针孔进行空间滤波后形成发散光，再通过所述第三透镜将所述发散光调制成单束平行光，所述单束平行光进入所述分光系统后被分为不同波长的多束光。
5.如权利要求1至4任一项所述的多波长偏振散射测量装置，其特征在于，所述分光系统包括一个或多个分光棱镜和对应于不同波长的滤波片，经过所述分光棱镜分光后得到的多束光分别经过不同波长的滤光片，获得不同波长的散射光。
6.如权利要求1至5任一项所述的多波长偏振散射测量装置，其特征在于，所述照射光学光路和所述接收光学光路交汇于一个极小区域使得只有该区域内的悬浮颗粒物才能被探测到其散射信号。
7.如权利要求1至6任一项所述的多波长偏振散射测量装置，其特征在于，通过分振幅、分波前或波长、光调制的方式测量光的偏振态。
8.如权利要求1至7任一项所述的多波长偏振散射测量装置，其特征在于，采用分振幅的测量方式，所述多波长同步偏振测量器包括四个子通道，将散射光分成四份，每个子通道分别加水平偏振片、135度偏振片、45度偏振片，以及左旋偏振片即90°偏振片加1/4波片，从而实现出射光的检偏，经由光电转换器进行转换后，将信号传送到所述数据处理端，所述数据处理端计算出Stokes向量，以实现悬浮颗粒物对不同波长光的同步偏振测量与分析。
9.如权利要求8所述的多波长偏振散射测量装置，其特征在于，所述光电转换器为光电倍增管。
10.一种用于如权利要求1至9任一项所述的多波长偏振散射测量装置的偏振信息采集模块，其特征在于，包括光源、起偏器、照射光学光路、接收光学光路、分光系统以及多波长同步偏振测量器,其中，所述光源发出的多波长光，经过所述起偏器后产生入射偏振光，经过所述照射光学光路照射液体中的悬浮颗粒物，所述接收光学光路接收来自被照射的悬浮颗粒物的散射光信号并传送至所述分光系统，所述散射光信号由所述分光系统分拣出不同波长的散射光后，每个波长由所述多波长同步偏振测量器进行同步检偏测量，从而同时获得悬浮颗粒物的多个波长散射光偏振态数据。
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