CN111562091A

CN111562091A - 一种偏光轴方位角度测定方法及测定装置

Info

Publication number: CN111562091A
Application number: CN202010577415.0A
Authority: CN
Inventors: 胡海东; 王俊涵; 许训勇
Original assignee: Kunshan Hostar Intelligence Technology Co ltd
Current assignee: Kunshan Hostar Intelligence Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2020-08-21

Abstract

本发明公开了一种偏光轴方位角度测定方法及测定装置，方法包括：依次顺序设置光源、第一偏光片、第二偏光片和光侦测器；打开光源，并对第一偏光片进行角度归零；驱动第一偏光片在其所在平面内转动多个角度，光侦测器获取一一对应于各个角度的光强度电压值；利用多个角度与对应的光强度电压值对预建的角度‑光强度电压间函数关系模型进行非线性曲线拟合操作，得到角度‑光强度电压间拟合关系曲线；根据角度‑光强度电压间拟合关系曲线，确定光强度电压的最小值所对应的角度，得到第二偏光片相对于第一偏光片的偏光轴方位角度。本发明通过函数模型拟合的方式获取偏光轴方位角度，提升测定效率和测定精度。

Description

一种偏光轴方位角度测定方法及测定装置

技术领域

本发明涉及偏光测定领域，特别涉及一种偏光轴方位角度测定方法及测定装置。

背景技术

光波根据振动的特点，可分为自然光和偏振光。自然光在垂直光波传导方向的各振动平面上的振幅及频率均相同，其经过反射、折射、双折射及吸收等作用后若成为只在一个方向上振动的光波，这种只在一个方向上振动的光波成为偏振光，偏振片即为可以使自然光变成偏振光的光学元件，该偏光片的偏振光的唯一振动方向即称为其偏光轴方位。

当将光束照射在一个水平角度放置的偏光片上，则只有水平偏光轴方位的光波能够透过，此时若再通过一个垂直角度放置的偏光片，则光波完全无法通过，视场完全黑暗，此情况成为直交检偏位；反之，若两偏光片相互平行，即处于平行检偏位的情况，则视场最为明亮；若两者在其他夹角情况，则视场表现为中等程度的亮度。换言之，光波经过第一片偏光片（析光片）偏光轴方位上的振幅于第二片偏光片（待测样本）偏光轴方位上的垂直投影量即为通过两片偏光片后可被侦测的光强度。因此，当待测样本固定时，调整析光片使其与待测样本呈直交检偏位或平行检偏位，即可由析光片的偏光轴方位得到待测样本的偏光轴方位角度。

利用以上原理，以直交检偏位为例，现有技术中，利用电机调整析光片的角度，当调整至侦测得透过第一片偏光片（析光片）和第二片偏光片（待测样本）的光强度讯号为最低点时，析光片与待测样本处于直交检偏位的情况，记录此时电机的旋转角度（即析光片的偏光轴方位）即可求得待测样本的偏光轴方位角度（析光片的偏光轴方位顺时针或逆时针转动90°）。

但是，上述直交检偏位测量方式传统上是先以大角度旋转扫描，大致确认光强度讯号最低点角度后，再逐步缩小旋转角度以来回扫描，最终以最高的角度解析度来扫描确认光强度讯号最低点角度，其至少存在以下缺点：

1）电机必须多次来回扫描，测量时间长，偏光轴方位角度测定效率低；

2）偏光轴方位角度解析度受限于所使用的电机的步进解析度；

当处于直交检偏位情况下，光侦测器所能接收到的光强度极为微弱，若光侦测器及后端运算单元无法分辨微小的光强度变化，则会造成每次测量结果不稳定，从而影响测量精度。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种偏光轴方位角度测定方法及测定装置，无需多次来回扫描，测量解析度不受电机本身的步进解析度所限制，具有较高的测量精度，所述技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种偏光轴方位角度测定方法，包括以下步骤：

依次顺序设置光源、第一偏光片、第二偏光片以及用于侦测光强度电压值的光侦测器；

打开光源，并对所述第一偏光片进行角度归零；

驱动所述第一偏光片在其所在平面内转动多个角度，并通过所述光侦测器获取一一对应于各个角度的光强度电压值的侦测结果；

利用所述多个角度与对应的光强度电压值对预建的角度-光强度电压间函数关系模型进行非线性曲线拟合操作，得到角度-光强度电压间拟合关系曲线；

根据所述角度-光强度电压间拟合关系曲线，确定光强度电压的最小值所对应的角度，得到所述第二偏光片相对于第一偏光片的偏光轴方位角度。

进一步地，所述预建的角度-光强度电压间函数关系模型为：

，其中，

为光强度电压值，

为相对于归零角度的转动角度，

为拟合系数。

进一步地，所述第一偏光片与第二偏光片中心轴同轴设置，所述第一偏光片在其所在平面内绕其中心轴转动，所述第二偏光片按照预设角度固定在样本平台上，所述光侦测器的感光入口与第二偏光片相对设置。

优选地，获取五个或者五个以上相对于归零角度的转动角度，以及一一对应于各个角度的光强度电压值。

可选地，分别驱动所述第一偏光片在其所在平面内相对于归零角度转动0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°。

进一步地，对于光强度电压的最小值所对应的角度存在多个角度值的情况，选择在0-180°范围内对应最小光强度电压值的角度值作为所述第二偏光片相对于第一偏光片的偏光轴方位角度。

另一方面，本发明提供了一种偏光轴方位角度测定装置，包括依次顺序设置的光源、第一偏光片、第二偏光片以及用于侦测光强度电压值的光侦测器，所述第一偏光片与第二偏光片的中心轴同轴设置；所述测定装置还包括后端运算单元，所述后端运算单元与所述光侦测器的输出端电连接；

所述测定装置还包括用于驱动所述第一偏光片在所在平面内绕中心轴转动的驱动机构，所述驱动机构还用于驱动所述第一偏光片转动至归零角度；

在所述光源处于工作状态下，所述光侦测器侦测所述第一偏光片相对于归零角度处于不同角度值时的光强度电压值，并将侦测结果发送至所述后端运算单元；

所述后端运算单元接收三个或三个以上的角度值以及对应的光强度电压值，并利用多个角度与对应的光强度电压值对预建的角度-光强度电压间函数关系模型进行非线性曲线拟合操作，得到角度-光强度电压间拟合关系曲线；并根据所述角度-光强度电压间拟合关系曲线，确定光强度电压的最小值所对应的角度，得到所述第二偏光片相对于第一偏光片的偏光轴方位角度。

进一步地，所述第二偏光片按照预设角度固定在样本平台上，所述光侦测器的感光入口与第二偏光片相对设置。

进一步地，所述后端运算单元利用五个或五个以上角度以及一一对应于各个角度的光强度电压值对以下角度-光强度电压间函数关系模型进行非线性曲线拟合操作，得到角度-光强度电压间拟合关系曲线：

，其中，

为光强度电压值，

为相对于归零角度的转动角度，

为拟合系数。

可选地，所述光源为卤素灯或LED灯，所述驱动机构为步进电机或伺服电机。

本发明旨在提出一种偏光轴方位角度测定的技术，其只需要利用电机带动析光片旋转至数个指定角度，记录光侦测器在这些角度下所测得的光强度电压值，通过正弦函数模型进行非线性曲线拟合的数学运算，求得待测样本的偏光轴方位角度。本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：

a. 大幅提升测量效率；

b. 因为电机仅需旋转至特定角度，使得测量解析度不受电机本身的步进解析度所限制；

c. 在指定的旋转角度下，绝大部分均非出于直交检偏位的情况，故光侦测器可较正确地测得光强度值，因而具有较佳的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的偏光轴方位角度测定方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的偏光轴方位角度测定装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的拟合得到的角度-光强度电压间拟合关系曲线示意图；

图4是本发明实施例提供的偏光轴方位角度测定装置的模块框图。

其中，附图标记包括：1-光源，2-第一偏光片，3-第二偏光片，4-光侦测器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，更清楚地了解本发明的目的、技术方案及其优点，以下结合具体实施例并参照附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。除此，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的一个实施例中，提供了一种偏光轴方位角度测定方法，如图1所示，所述测定方法包括以下步骤：

S1、依次顺序设置光源、第一偏光片、第二偏光片以及用于侦测光强度电压值的光侦测器。

具体如图2所示，所述第一偏光片2（析光片）设置在光源1下方，所述第二偏光片3（待测样本）设置在第一偏光片2下方，所述光侦测器4设置在第二偏光片3下方，所述光源1与第一偏光片2相对设置，所述光侦测器的感光入口优选与第二偏光片相对设置，所述光侦测器将检测到的光强度转换为电压讯号，优选地，所述第一偏光片2与第二偏光片3的中心轴同轴设置，其中，第二偏光片3按照预设角度固定在样本平台上，即在测定过程中所述第二偏光片3不发生转动。需要说明的是，图2中的由上而下的排列顺序仅是一种实施例的示意，由下而上或者由左往右的设置顺序同样可以实现本发明的技术方案，因此，本发明并不限定光源、第一偏光片、第二偏光片以及光侦测器的空间设置顺序。

在确认系统各单元部件均可正常动作后，开始以下测量操作。

S2、打开光源，并对所述第一偏光片进行角度归零。

这是一个初始化的操作，其中，为了确保测量值正确，需要对所述第一偏光片2进行角度归零，具体操作如下：所述第一偏光片2在驱动机构的驱动下能够在第一偏光片2所在平面内转动，所述驱动机构优选为步进电机或伺服电机，可选地，所述电机的输出轴带动所述第一偏光片的中心轴转动，使其在平面内发生转动；将电机旋转至机械原点，此时所述第一偏光片2完成角度归零。

S3、驱动所述第一偏光片在其所在平面内转动多个角度，并通过所述光侦测器获取一一对应于各个角度的光强度电压值的侦测结果。

具体地，首先得选定多个转动角度值，具体角度的数值及范围是根据以下步骤S4中的函数关系模型而定的，下文详述。同时，所述后端运算单元还与电机的控制器连接，用于向该控制器发送转动角度值，所述控制器据此生成驱动指令，所述电机根据所述驱动指令转动相应的角度；所述第一偏光片每转到一个角度，则光侦测器侦测获取与这个角度对应的光强度电压值，并将侦测结果发送至后端运算单元。重复执行以上步骤，直至选定的全部转动角度下的光强度电压测量完毕。

S4、利用所述多个角度与对应的光强度电压值对预建的角度-光强度电压间函数关系模型进行非线性曲线拟合操作，得到角度-光强度电压间拟合关系曲线。

具体地，所述预建的角度-光强度电压间函数关系模型为：

，其中，

为光强度电压值，

为相对于归零角度的转动角度，

为拟合系数。

由于上述角度-光强度电压间函数关系模型为周期函数，所以选取的角度范围应该在一个周期内选取至少三个角度值，在本发明的一个优选实施例中，选取五个或五个以上相对于归零角度的转动角度，更优选地，比如在0度到180度范围内选取0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°，也可以在180度到360度范围内选取180°、210°、240°、270°、300°、330°和360°，等等。由于电机的转动角度精度是存在误差的，所述光侦测器4的侦测精度也无法保证100%，因此，原则上五个角度值及对应的光强度电压能够对上述函数关系模型进行拟合，但是显然在同一个周期内选取的角度值越多，模型拟合的精度就越高。

以选取0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°为例，向电机驱动机构发送指令，使其驱动所述第一偏光片2分别转动到以上指定角度，并分别记录所述光侦测器4侦测到的光强度电压值，以角度代入上述函数关系模型中的

，以对应的光强度电压值代入上述函数关系模型中的

，通过数学运算求得

，即得到拟合方程式，实际的拟合方程式为正弦平方函数，其曲线如图3所示。

S5、根据所述角度-光强度电压间拟合关系曲线，确定光强度电压的最小值所对应的角度，得到所述第二偏光片相对于第一偏光片的偏光轴方位角度。

由于上述拟合得到的正弦平方函数是周期为180°的曲线，如图3所示，在每个周期内存在一个纵轴最小值，因此，在每一个周期内，都存在一个光强度电压的最小值所对应的角度，选择在0-180°范围内对应最小光强度电压值的角度值作为所述第二偏光片相对于第一偏光片的偏光轴方位角度。在本发明的一个优选实施例中，还包括在人机界面上显示第二偏光片（待测样本）的偏光轴方位角度。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种偏光轴方位角度测定装置，如图2和图4所示，所述测定装置包括依次顺序设置的光源1、第一偏光片2、第二偏光片3以及用于侦测光强度电压值的光侦测器4，所述光源1为卤素灯或LED灯，所述第一偏光片2与第二偏光片3的中心轴同轴设置；具体如图2所示，所述第一偏光片2设置在光源1下方，所述第二偏光片3设置在第一偏光片2下方，所述光侦测器4设置在第二偏光片3下方，所述光侦测器4的感光入口优选与第二偏光片相对设置，所述光侦测器4将检测到的光强度转换为电压讯号，其中，第二偏光片3按照预设角度固定在样本平台上，即在测定过程中所述第二偏光片3不发生转动。需要说明的是，图2中的由上而下的排列顺序仅是一种实施例的示意，由下而上或者由左往右的设置顺序同样可以实现本发明的技术方案，因此，本发明并不限定光源、第一偏光片、第二偏光片以及光侦测器的空间设置顺序。

所述测定装置还包括后端运算单元，所述后端运算单元与所述光侦测器4的输出端电连接（用于获取所述光侦测器4侦测到的光强度电压值）；

所述测定装置还包括用于驱动所述第一偏光片2在所在平面内绕中心轴转动的驱动机构，所述驱动机构为步进电机或伺服电机，所述第一偏光片2与所述驱动机构（电机）固定连接，其能够由电机带着旋转，所述驱动机构还用于驱动所述第一偏光片2转动至归零角度，所述后端运算单元还与驱动机构的控制器电连接（用于向所述控制器发送驱动所述第一偏光片2相对于归零角度的转动角度值）；具体归零的操作参见上述测定方法实施例，在此不再赘述。

如图4所示，在所述光源1处于工作状态下，所述光侦测器侦测所述第一偏光片2相对于归零角度处于不同角度值时的光强度电压值，并将侦测结果发送至所述后端运算单元；

如上述测定方法实施例所述，所述后端运算单元利用五个或五个以上角度以及一一对应于各个角度的光强度电压值对以下角度-光强度电压间函数关系模型进行非线性曲线拟合操作，得到角度-光强度电压间拟合关系曲线：

，其中，

为光强度电压值，

为相对于归零角度的转动角度，

为拟合系数。

以选取0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°为例，参见图4，所述后端运算单元预编程有以上角度值，作为一种可实施的方案，所述后端运算单元将角度值逐个地发送至控制器，控制器生成驱动指令并下发给电机，在驱动指令下，所述驱动机构驱动第一偏光片转动至相对于归零角度的转动角度，所述第一偏光片2被驱动至指定角度后，记录所述光侦测器4此时侦测到的光强度电压值，然后所述后端运算单元将下一个角度值发送至控制器，重复上述步骤，直至遍历完预存在所述后端运算单元中的全部角度值，得到一组角度-光强度电压的对应数据集。以角度代入上述函数关系模型中的

，以对应的光强度电压值代入上述函数关系模型中的

，通过数学运算求得

，即得到拟合方程式，实际的拟合方程式为正弦平方函数。

由于上述拟合得到的正弦平方函数是周期为180°的曲线，如图3所示，在每个周期内存在一个纵轴最小值，因此，在每一个周期内，都存在一个光强度电压的最小值所对应的角度，选择在0-180°范围内对应最小光强度电压值的角度值作为所述第二偏光片相对于第一偏光片的偏光轴方位角度。在本发明的一个优选实施例中，所述偏光轴方位角度测定装置还包括与所述后端运算单元电连接的人机界面，所述后端运算单元将所述第二偏光片相对于第一偏光片的偏光轴方位角度发送至所述人机界面，如图4所示，所述人机界面用于显示该偏光轴方位角度，所述后端运算单元与所述人机界面之间通过有线或者无线方式连接。

本发明提出通过正弦平方函数模型得到非线性曲线拟合方程式，即可推论得知析光片与待测样本间角度与对应光强度电压值的变化情况，因此，只要测得数个析光片旋转角度下的光强度，即可推论求得析光片与待测样本处于直交检偏位情况下所述待测样本的偏光轴方位角度，取代传统技术中电机带动析光片来回旋转扫描，来实际测量系统处于直交检偏位情况下的对应角度的测量方式。

传统的偏光片偏光轴角度方位测定装置所使用的光侦测器在直交检偏位情况下难以分辨微小的光强度变化，易造成测量结果不稳定，故测量精度最佳约为±0.05°，而本发明提出的测量方式，因无需在系统实际处于直交检偏位情况下测量光强度值，因此在使用相同的元件情况下，测量精度可以改善至少一个数量级，达到±0.005°甚至更高的精度。此外，由于本发明测试方式中，电机仅需旋转至特定角度，而非步进旋转角度，使得测量解析度不受电机本身的步进解析度所限制，所以测量解析度可由0.1°提升至0.01°以下；也因为电机无需调整步进解析度来回扫描测量，因此可大幅度减少测量时间，大大提升测量效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种偏光轴方位角度测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

打开光源，并对所述第一偏光片进行角度归零，包括：利用电机的输出轴带动所述第一偏光片的中心轴转动，使所述第一偏光片在平面内发生转动，将所述电机旋转至机械原点，以完成对所述第一偏光片的角度归零；

利用所述多个角度与对应的光强度电压值对预建的角度-光强度电压间函数关系模型进行非线性曲线拟合操作，其中所述函数关系模型配置有拟合系数，根据所述多个角度与对应的光强度电压值确定所述拟合系数的数值，得到角度-光强度电压间拟合关系曲线，所述拟合关系曲线为拟合方程式；

根据所述角度-光强度电压间拟合关系曲线，确定光强度电压的最小值所对应的角度，选择在0-180°范围内对应最小光强度电压值的角度值作为所述第二偏光片相对于第一偏光片的偏光轴方位角度。

2.根据权利要求1所述的偏光轴方位角度测定方法，其特征在于，所述预建的角度-光强度电压间函数关系模型为：

，其中，

为光强度电压值，

为相对于归零角度的转动角度，

为拟合系数。

3.根据权利要求1所述的偏光轴方位角度测定方法，其特征在于，所述第一偏光片与第二偏光片中心轴同轴设置，所述第一偏光片在其所在平面内绕其中心轴转动，所述第二偏光片按照预设角度固定在样本平台上，所述光侦测器的感光入口与第二偏光片相对设置。

4.根据权利要求1所述的偏光轴方位角度测定方法，其特征在于，获取五个或者五个以上相对于归零角度的转动角度，以及一一对应于各个角度的光强度电压值。

5.根据权利要求4所述的偏光轴方位角度测定方法，其特征在于，分别驱动所述第一偏光片在其所在平面内相对于归零角度转动0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°。

6.一种偏光轴方位角度测定装置，其特征在于，包括依次顺序设置的光源、第一偏光片、第二偏光片以及用于侦测光强度电压值的光侦测器，所述第一偏光片与第二偏光片的中心轴同轴设置；所述测定装置还包括后端运算单元，所述后端运算单元与所述光侦测器的输出端电连接；

所述测定装置还包括用于驱动所述第一偏光片在所在平面内绕中心轴转动的驱动机构，所述驱动机构还用于驱动所述第一偏光片转动至所述驱动机构旋转至机械原点，则所述第一偏光片转动至归零角度；

所述后端运算单元接收三个或三个以上的角度值以及对应的光强度电压值，并利用多个角度与对应的光强度电压值对预建的角度-光强度电压间函数关系模型进行非线性曲线拟合操作，其中所述函数关系模型配置有拟合系数，根据所述多个角度与对应的光强度电压值确定所述拟合系数的数值，得到角度-光强度电压间拟合关系曲线，所述拟合关系曲线为拟合方程式；并根据所述角度-光强度电压间拟合关系曲线，确定光强度电压的最小值所对应的角度，选择在0-180°范围内对应最小光强度电压值的角度值作为所述第二偏光片相对于第一偏光片的偏光轴方位角度。

7.根据权利要求6所述的偏光轴方位角度测定装置，其特征在于，所述第二偏光片按照预设角度固定在样本平台上，所述光侦测器的感光入口与第二偏光片相对设置。

8.根据权利要求6所述的偏光轴方位角度测定装置，其特征在于，所述后端运算单元利用五个或五个以上角度以及一一对应于各个角度的光强度电压值对以下角度-光强度电压间函数关系模型进行非线性曲线拟合操作，得到角度-光强度电压间拟合关系曲线：

，其中，

为光强度电压值，

为相对于归零角度的转动角度，

为拟合系数。

9.根据权利要求6所述的偏光轴方位角度测定装置，其特征在于，所述光源为卤素灯或LED灯，所述驱动机构为步进电机或伺服电机。