CN116698759A - 基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法及装置，该识别方法包括入射光经过偏振片调制后得到线偏平面光，线偏平面光由左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光场组成，线偏平面光照射到待测物体上，左旋或右旋圆偏振光场被待测物体吸收，得到携带待测物体亮场像信息的右旋或左旋圆偏振光场。依次经过物镜、第一透镜、四分之一波相位延迟偏振光栅、检偏器和第二透镜来实现光学差分，利用电耦合器件进行图像采集，并通过判断采集的图像是亮场像或是边缘像来对待测物体的手性进行识别。本发明利用四分之一波相位延迟偏振光栅的圆偏振相关调制实现待测物体手性识别，相较于传统方案更简单，成本更低，效率更高，精确度也更高。

Description

基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法及装置

技术领域

本发明涉及光学成像领域，具体为一种基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法及装置。

背景技术

在我们生活中无处不见手性现象，手性物体在各个领域均被广泛应用。手性是生物体的本质属性,手性识别也是社会进步必然趋势，物体的手性识别研究在医学、农业、生物化学加工厂等许多方面具有重要的应用前景和理论意义。因此，发展简单、高效、准确、低成本的手性识别方法是当前的热点和前沿方向。同时大量手性药物的出现,使得手性药物识别变得尤为重要,所以对手性识别的方法提出了新的挑战。

一直以来，人们几乎都是依托色谱法和光谱法来展开对手性物质的研究，但这些传统的方法存在测量仪器价格昂贵、不便于携带、分析时间长、灵敏度低等缺点。目前，电化学法是近年来发展的一种手性识别的新方法。由于识别效率高、检测成本低，该方法被广泛应用。但是电化学法中的传感器与待测物体相互作用易损坏传感器，使传感器寿命低，不能长期使用,且对于未知待测物体，无法设计出与待测物体高度匹配的特异性受体，则受到限制。为解决传统方案对物体手性识别所存在上述的问题，因此，亟需高效率、高精度、实时检测、低成本、体积小、可重复使用的检测方法和装置进行物体手性识别。

专利公开号CN116381938A公开了一种立体螺旋相衬成像的可控干涉相位滤波方法及装置，利用涡旋片的空间相位滤波产生螺旋相位实现空间频域滤波效果，实现干涉相位滤波来获得具有阴影效果的边缘增强像，进而对阴影方向不同的边缘增强像进行叠加优化计算，实现亚波长分辨率边缘检测。本技术本质完全不同，本技术利用四分之一波相位延迟偏振光栅的相位梯度周期来实现左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在实空间x方向分离产生梯度相位，用手性物体对线偏平面光的吸收，以及光学差分最终通过采集最后成像是亮场像或边缘像，进行物体的手性识别。

发明内容

本发明提出了一种基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法及装置，可满足高效、实时、低成本、体积小、精确识别物体手性的需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法，包括以下步骤：

步骤S1，入射光经过偏振片调制后得到线偏平面光，线偏平面光由左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光场组成，线偏平面光照射到待测物体上，左旋或右旋圆偏振光场被待测物体吸收，得到携带待测物体亮场像信息的右旋或左旋圆偏振光场；

步骤S2，携带待测物体亮场像信息的左旋或右旋圆偏振光场首先经过物镜将携带待测物体亮场信息进行放大，然后放大信息的左旋或右旋圆偏振光场经过第一透镜进行傅里叶变换后，再依次经过四分之一波相位延迟偏振光栅和检偏器，最后经过第二透镜进行逆傅里叶变换；整个过程实现光学差分，其中四分之一波相位延迟偏振光栅实现偏振态和相位差的调控，调控即对圆偏振光场进行调控；

步骤S3，通过电耦合器件对待测物体的图像进行采集，通过采集的图像是亮场像或边缘像来判断待测物体的手性。

进一步的，步骤S1中，若携带待测物体亮场像信息的光场为左旋圆偏振光场，如公式（1）所示：

（1）；

其中，表示携带待测物体亮场像信息的左旋圆偏振光场，表示圆偏 振光场携带的亮场像信息的复振幅，为虚数,、代表实空间横坐标和实空间纵坐标。

进一步的，步骤S2中，四分之一波相位延迟偏振光栅的琼斯矩阵如公式（2）所示：

（2）；

其中，表示四分之一波相位延迟偏振光栅的琼斯矩阵，是四分之一波相位 延迟偏振光栅快轴的方位角，且，exp表示以自然常数e为底的指数函数，是相位延 迟，值为，是四分之一波相位延迟偏振光栅相位梯度周期。

进一步的，步骤S2中，放大信息的左旋圆偏振光场经过第一透镜进行傅里叶变换后，得到的输出场如公式（3）所示：

（3）；

其中，表示傅里叶空间中携带待测物体亮场信息的圆偏振光场， 表示经过傅里叶变换的光场携带的亮场像信息的复振幅，其中，FFT 表示傅里叶变换运算；、，分别代表傅里叶平面的横坐标和纵坐标， 是傅里叶平面上的实空间横坐标和纵坐标，为入射光波长，为透镜焦距；

傅里叶空间中携带待测物体亮场信息的圆偏振光场再经过四分之一波相 位延迟偏振光栅后的输出场如公式（4）所示：

（4）；

其中，表示待测物体亮场信息的圆偏振光场；

由公式（4）可知，经过四分之一波相位延迟偏振光栅后待测物体亮场信息的圆偏 振光场包含左旋圆偏振光场分量和右旋圆偏振光场分量，右旋圆偏振光场分量附 加一个的相位，左旋圆偏振光场分量没有附加相位；

待测物体亮场信息的圆偏振光场经过第二透镜进行逆傅里叶变换后，得 到的输出场如公式（5）所示：

（5）；

其中，表示待测物体亮场信息的输出场，表示逆傅里叶变换，表示 亮场像的偏移量，；

由公式（5）可知，左旋圆偏振光场分量和右旋圆偏振光场分量携带亮场像完整的复振幅信息，其中右旋圆偏振光场分量携带的亮场像在x方向发生了偏移；

待测物体亮场信息的输出场经过检偏器后的出射场如公式（6）所示：

（6）；

其中，表示待测物体亮场信息的左旋出射场；

检偏器的琼斯矩阵如公式（7）所示：

（7）；

其中， T表示透偏方向为负45度的检偏器；

由公式（6）可知，得到的图像为两幅图像相减后的结果，得到的图像是边缘像；当 亮场像的偏移量小于设定的阈值时（偏移量≤1/100的图像尺寸），左旋出射场的振幅 表示为光场携带的亮场像信息的复振幅一阶差分，如公式（8）所示：

（8）；

其中，d表示微分，表示光场携带的亮场像信息的复振幅一阶差分。

进一步的，步骤S1中，若携带待测物体亮场像信息的光场为右旋圆偏振光场，最终得到的出射场如公式（9）所示：

（9）；

其中，表示待测物体亮场信息的右旋出射场；

由公式（9）可知，得到的图像为两幅图像相加后的结果，得到的是亮场像。

进一步的，步骤S3中，若电耦合器件采集到的图像为边缘像，则待测物体是左手性物体；若电耦合器件采集到的图像为亮场像，则待测物体是右手性物体。

进一步的，本发明采用另外一种技术方案：基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别装置，应用于基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法，包括依次设置的偏振片、待测物体、物镜、第一透镜、四分之一波相位延迟偏振光栅、检偏器、第二透镜和电耦合器件；偏振片的起始端为入射光；

其中第一透镜、四分之一波相位延迟偏振光栅、检偏器和第二透镜设置在同一光轴上，且第一透镜、四分之一波相位延迟偏振光栅、检偏器和第二透镜的中心是对准的；

其中第一透镜和第二透镜的焦距相同，用于构建4f光学系统，4f光学系统由物平面、第一透镜、第二透镜和像平面构成，其中物平面到第一透镜距离为f,第一透镜和第二透镜间距离为2f,第二透镜到像平面的距离为f；

其中四分之一波相位延迟偏振光栅的相位延迟为四分之一波且调控入射光的相位与偏振态，四分之一波相位延迟偏振光栅位置处于第一透镜的后焦面上；其中快轴是四分之一波相位延迟偏振光栅传播速度快的光矢量方向。

本发明的有益效果：

（1）本发明利用四分之一波相位延迟偏振光栅的圆偏振相关相位调制来实现待测物体手性识别，并通过四分之一波相位延迟偏振光栅的相位梯度周期对圆偏振光相位差进行精确调控；

（2）四分之一波相位延迟偏振光栅是一种基于几何相位的衍射光学元件,具有体积小、重量轻、可编程控制等特点,其通过电控方式改变液晶的取向,从而调控入射光的相位与偏振态,克服了传统光束偏转系统体积大、功耗高、控制系统复杂的缺点；

（3）本发明中圆偏振相关光学差分采用的光学系统相较于传统方案更简单，成本更低，效率更高，精确度也更高。该发明适用于生物学、化学和药学等领域所需化合物的手性识别。

附图说明

图1为本发明基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别装置示意图。

在图1中，1为偏振片，2为待测物体，3为物镜，4为第一透镜，5为四分之一波相位延迟偏振光栅，6为检偏器，7为第二透镜，8为电耦合器件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1是本发明基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别装置示意图，基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法，包括以下步骤：

步骤S1，入射光经过偏振片调制后得到线偏平面光，线偏平面光由左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光场组成，线偏平面光照射到待测物体上，左旋或右旋圆偏振光场被待测物体吸收，得到携带待测物体亮场像信息的右旋或左旋圆偏振光场；

步骤S2，携带待测物体亮场像信息的左旋或右旋圆偏振光场首先经过物镜将携带待测物体亮场信息进行放大，然后放大信息的左旋或右旋圆偏振光场经过第一透镜进行傅里叶变换后，再依次经过四分之一波相位延迟偏振光栅和检偏器，最后经过第二透镜进行逆傅里叶变换；整个过程实现光学差分，其中四分之一波相位延迟偏振光栅实现偏振态和相位差的调控，调控即对圆偏振光场进行调控；

步骤S3，通过电耦合器件对待测物体的图像进行采集，通过采集的图像是亮场像或边缘像来判断待测物体的手性。

进一步的，步骤S1中，若携带待测物体亮场像信息的光场为左旋圆偏振光场，如公式（1）所示：

（1）；

其中，表示携带待测物体亮场像信息的左旋圆偏振光场，表示圆偏 振光场携带的亮场像信息的复振幅，为虚数,、代表实空间横坐标和实空间纵坐标。

进一步的，步骤S2中，四分之一波相位延迟偏振光栅的琼斯矩阵如公式（2）所示：

（2）；

其中，表示四分之一波相位延迟偏振光栅的琼斯矩阵，是四分之一波相位 延迟偏振光栅快轴的方位角，且，exp表示以自然常数e为底的指数函数，是相位延 迟，值为，是四分之一波相位延迟偏振光栅相位梯度周期。

进一步的，步骤S2中，放大信息的左旋圆偏振光场经过第一透镜进行傅里叶变换后，得到的输出场如公式（3）所示：

（3）；

其中，表示傅里叶空间中携带待测物体亮场信息的圆偏振光场， 表示经过傅里叶变换的光场携带的亮场像信息的复振幅，其中， FFT表示傅里叶变换运算；、，分别代表傅里叶平面的横坐标和纵坐标，是傅里叶平面上的实空间横坐标和纵坐标，为入射光波长，为透镜焦距；

傅里叶空间中携带待测物体亮场信息的圆偏振光场再经过四分之一波相 位延迟偏振光栅后的输出场如公式（4）所示：

（4）；

其中，表示待测物体亮场信息的圆偏振光场；

由公式（4）可知，经过四分之一波相位延迟偏振光栅后待测物体亮场信息的圆偏 振光场包含左旋圆偏振光场分量和右旋圆偏振光场分量，右旋圆偏振光场分量附 加一个的相位，左旋圆偏振光场分量没有附加相位；

待测物体亮场信息的圆偏振光场经过第二透镜进行逆傅里叶变换后，得 到的输出场如公式（5）所示：

（5）；

其中，表示待测物体亮场信息的输出场，表示逆傅里叶变换，表示 亮场像的偏移量，；

由公式（5）可知，左旋圆偏振光场分量和右旋圆偏振光场分量携带亮场像完整的复振幅信息，其中右旋圆偏振光场分量携带的亮场像在x方向发生了偏移；

待测物体亮场信息的输出场经过检偏器后的出射场如公式（6）所示：

（6）；

其中，表示待测物体亮场信息的左旋出射场；

检偏器的琼斯矩阵如公式（7）所示：

（7）；

其中， T表示透偏方向为负45度的检偏器；

由公式（6）可知，得到的图像为两幅图像相减后的结果，得到的图像是边缘像；当 亮场像的偏移量小于设定的阈值时（偏移量≤1/100的图像尺寸），左旋出射场的振幅 表示为光场携带的亮场像信息的复振幅一阶差分，如公式（8）所示：

（8）；

其中，d表示微分，表示光场携带的亮场像信息的复振幅一阶差分。

进一步的，步骤S1中，若携带待测物体亮场像信息的光场为右旋圆偏振光场，最终得到的出射场如公式（9）所示：

（9）；

其中，表示待测物体亮场信息的右旋出射场；

由公式（9）可知，得到的图像为两幅图像相加后的结果，得到的是亮场像。

进一步的，步骤S3中，若电耦合器件采集到的图像为边缘像，则待测物体是左手性物体；若电耦合器件采集到的图像为亮场像，则待测物体是右手性物体。

进一步的，本发明还有另外一个技术方案：基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别装置，包括依次设置的偏振片1、待测物体2、物镜3、第一透镜4、四分之一波相位延迟偏振光栅5、检偏器6、第二透镜7和电耦合器件8；偏振片1的起始端为入射光；

其中第一透镜、四分之一波相位延迟偏振光栅、检偏器和第二透镜设置在同一光轴上，且第一透镜、四分之一波相位延迟偏振光栅、检偏器和第二透镜的中心是对准的；

其中第一透镜和第二透镜的焦距相同，用于构建4f光学系统，4f光学系统由物平面、第一透镜、第二透镜和像平面构成，其中物平面到第一透镜距离为f,第一透镜和第二透镜间距离为2f,第二透镜到像平面的距离为f；

其中四分之一波相位延迟偏振光栅的相位延迟为四分之一波且调控入射光的相位与偏振态，四分之一波相位延迟偏振光栅位置处于第一透镜的后焦面上；其中快轴是四分之一波相位延迟偏振光栅传播速度快的光矢量方向。

进一步的，本发明还有另外一个技术方案：基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别装置，包括依次设置的偏振片1、待测物体2、物镜3、第一透镜4、四分之一波相位延迟偏振光栅5、检偏器6、第二透镜7和电耦合器件8；偏振片1的起始端为入射光；

其中第一透镜4、四分之一波相位延迟偏振光栅5、检偏器6和第二透镜7设置在同一光轴上，且第一透镜4、四分之一波相位延迟偏振光栅5、检偏器6和第二透镜7的中心是对准的；

其中第一透镜4和第二透镜7的焦距相同，用于构建4f光学系统，4f光学系统由物平面、第一透镜4、第二透镜7和像平面构成，其中物平面到第一透镜4距离为f,第一透镜4和第二透镜7间距离为2f,第二透镜7到像平面的距离为f；

其中四分之一波相位延迟偏振光栅5的相位延迟为四分之一波且调控入射光的相位与偏振态，四分之一波相位延迟偏振光栅5位置处于第一透镜4的后焦面上；四分之一波相位延迟偏振光栅5是一种基于几何相位的衍射光学元件，其中快轴是四分之一波相位延迟偏振光栅5传播速度快的光矢量方向。

Claims (5)

1.基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1，入射光经过偏振片调制后得到线偏平面光，线偏平面光由左旋圆偏振光场和右旋圆偏振光场组成，线偏平面光照射到待测物体上，左旋或右旋圆偏振光场被待测物体吸收，得到携带待测物体亮场像信息的右旋或左旋圆偏振光场；

步骤S2，携带待测物体亮场像信息的左旋或右旋圆偏振光场首先经过物镜将携带待测物体亮场信息进行放大，然后放大信息的左旋或右旋圆偏振光场经过第一透镜进行傅里叶变换后，再依次经过四分之一波相位延迟偏振光栅和检偏器，最后经过第二透镜进行逆傅里叶变换；其中四分之一波相位延迟偏振光栅实现偏振态和相位差的调控，调控即对圆偏振光场进行调控；

步骤S3，通过电耦合器件对待测物体的图像进行采集，通过采集的图像是亮场像或边缘像来判断待测物体的手性；

步骤S1中，若携带待测物体亮场像信息的光场为左旋圆偏振光场，如公式（1）所示：

（1）；

其中，表示携带待测物体亮场像信息的左旋圆偏振光场，/>表示圆偏振光场携带的亮场像信息的复振幅，/>为虚数,/>、/>代表实空间横坐标和实空间纵坐标；

步骤S2中，四分之一波相位延迟偏振光栅的琼斯矩阵如公式（2）所示：

（2）；

其中，表示四分之一波相位延迟偏振光栅的琼斯矩阵，/>是四分之一波相位延迟偏振光栅快轴的方位角，且/>，exp表示以自然常数e为底的指数函数，/>是相位延迟，值为/>，/>是四分之一波相位延迟偏振光栅相位梯度周期。

2.根据权利要求1所述的基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法，其特征在于：步骤S2中，放大信息的左旋圆偏振光场经过第一透镜进行傅里叶变换后，得到的输出场如公式（3）所示：

（3）；

其中，表示傅里叶空间中携带待测物体亮场信息的圆偏振光场，/>表示经过傅里叶变换的光场携带的亮场像信息的复振幅，其中/>，FFT表示傅里叶变换运算；/>、/>，/>分别代表傅里叶平面的横坐标和纵坐标，是傅里叶平面上的实空间横坐标和纵坐标，/>为入射光波长，/>为透镜焦距；

傅里叶空间中携带待测物体亮场信息的圆偏振光场再经过四分之一波相位延迟偏振光栅后的输出场如公式（4）所示：

（4）；

其中，表示待测物体亮场信息的圆偏振光场；

由公式（4）可知，经过四分之一波相位延迟偏振光栅后待测物体亮场信息的圆偏振光场包含左旋圆偏振光场分量和右旋圆偏振光场分量，右旋圆偏振光场分量附加一个/>的相位，左旋圆偏振光场分量没有附加相位；

待测物体亮场信息的圆偏振光场经过第二透镜进行逆傅里叶变换后，得到的输出场如公式（5）所示：

（5）；

其中，表示待测物体亮场信息的输出场，/>表示逆傅里叶变换，/>表示亮场像的偏移量，/>；

由公式（5）可知，左旋圆偏振光场分量和右旋圆偏振光场分量携带亮场像完整的复振幅信息，其中右旋圆偏振光场分量携带的亮场像在x方向发生了偏移；

待测物体亮场信息的输出场经过检偏器后的出射场如公式（6）所示：

（6）；

其中，表示待测物体亮场信息的左旋出射场；

检偏器的琼斯矩阵如公式（7）所示：

（7）；

其中， T表示透偏方向为负45度的检偏器；

由公式（6）可知，得到的图像为两幅图像相减后的结果，得到的图像是边缘像；当亮场像的偏移量小于设定的阈值时，左旋出射场的振幅表示为光场携带的亮场像信息的复振幅一阶差分，如公式（8）所示：

（8）；

其中，d表示微分，表示光场携带的亮场像信息的复振幅一阶差分。

3.根据权利要求1所述的基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法，其特征在于：步骤S1中，若携带待测物体亮场像信息的光场为右旋圆偏振光场，最终得到的出射场如公式（9）所示：

（9）；

其中，表示待测物体亮场信息的右旋出射场；

由公式（9）可知，得到的图像为两幅图像相加后的结果，得到的是亮场像。

4.根据权利要求2或3所述的基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法，其特征在于：步骤S3中，若电耦合器件采集到的图像为边缘像，则待测物体是左手性物体；若电耦合器件采集到的图像为亮场像，则待测物体是右手性物体。

5.基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别装置，应用于权利要求1所述的基于圆偏振相关光学差分的物体手性识别方法，其特征在于：包括依次设置的偏振片、待测物体、物镜、第一透镜、四分之一波相位延迟偏振光栅、检偏器、第二透镜和电耦合器件；偏振片的起始端为入射光；

其中第一透镜、四分之一波相位延迟偏振光栅、检偏器和第二透镜设置在同一光轴上，且第一透镜、四分之一波相位延迟偏振光栅、检偏器和第二透镜的中心是对准的；

其中第一透镜和第二透镜的焦距相同，用于构建4f光学系统，4f光学系统由物平面、第一透镜、第二透镜和像平面构成，其中物平面到第一透镜距离为f,第一透镜和第二透镜间距离为2f,第二透镜到像平面的距离为f；

其中四分之一波相位延迟偏振光栅的相位延迟为四分之一波且调控入射光的相位与偏振态，四分之一波相位延迟偏振光栅位置处于第一透镜的后焦面上；其中快轴是四分之一波相位延迟偏振光栅传播速度快的光矢量方向。