基于像素偏振相机的旋光色散测量系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术可以实时测量旋光性物质的旋光色散光谱。

Optical Rotation Dispersion Measurement System and Method Based on Pixel Polarization Camera

【技术实现步骤摘要】
基于像素偏振相机的旋光色散测量系统及方法
本专利技术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。
技术介绍
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CCD9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CCD9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)。
技术实现思路
鉴于上述技术问题，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术所采取的技术方案如下：根据本专利技术的一个方面，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。在本专利技术的某些实施例中，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。在本专利技术的某些实施例中，起偏器为偏振片。在本专利技术的某些实施例中，色散元件为光栅或者棱镜。在本专利技术的某些实施例中，还包括一支承部件，用于放置待测旋光性物质。根据本专利技术的另一个方面，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。在本专利技术的某些实施例中，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。在本专利技术的某些实施例中，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。在本专利技术的某些实施例中，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。在本专利技术的某些实施例中，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张青川，马宣，姜兆祥，徐探，伍小平，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34