基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)及方法技術(shù)方案

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)提供了一種基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)及方法，上述旋光色散測(cè)量系統(tǒng)包括：依次設(shè)置的光源(1)、第一透鏡(3)、第二透鏡(4)、刀口濾波器(5)、第三透鏡(6)、起偏器、待測(cè)旋光性物質(zhì)、色散元件、第四透鏡(10)、像素偏振相機(jī)(11)；所述光源(1)、第一透鏡(3)、第二透鏡(4)、刀口濾波器(5)、第三透鏡(6)、起偏器、待測(cè)旋光性物質(zhì)、色散元件、第四透鏡(10)共光軸，所述像素偏振相機(jī)(11)的感光靶面法線與光軸有一個(gè)夾角φ。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)可以實(shí)時(shí)測(cè)量旋光性物質(zhì)的旋光色散光譜。

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

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)及方法
本專(zhuān)利技術(shù)屬于旋光色散測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)及方法。
技術(shù)介紹
旋光現(xiàn)象是指線偏振光通過(guò)某些物質(zhì)時(shí)，線偏振光的振動(dòng)面將以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)一定的角度，這種物質(zhì)稱(chēng)為旋光性物質(zhì)，即旋光性物質(zhì)具有旋轉(zhuǎn)透射的線偏振光的偏振方向的能力。旋轉(zhuǎn)的角度叫做旋光性物質(zhì)的旋光度其與旋光性物質(zhì)的溶液濃度C及偏振光所通過(guò)溶液的光程長(zhǎng)度L成正比。具體公式為:其中比例系數(shù)稱(chēng)為比旋光度。比旋光度(和旋光度)隨著入射線偏振光波長(zhǎng)的改變而變化，旋光色散光譜測(cè)量就是測(cè)定旋光性物質(zhì)的比旋光度(或旋光度)隨著波長(zhǎng)變化的曲線。目前測(cè)量旋光色散光譜的方法主要有基于旋轉(zhuǎn)檢偏器檢偏測(cè)量方法、基于旋轉(zhuǎn)波片檢偏的測(cè)量方法。在中國(guó)專(zhuān)利CN200620140312.3(現(xiàn)有技術(shù)一)中，潘雪豐，陶衛(wèi)東，白貴儒提到在起偏器與高壓汞燈之間設(shè)置濾色片，通過(guò)變換濾色片來(lái)改變檢測(cè)光的波長(zhǎng)，繼而實(shí)現(xiàn)部分譜線(高壓汞燈譜線)的旋光度測(cè)量，如圖1所示。其中，濾色片2放置在高壓汞燈1與起偏器3之間，旋轉(zhuǎn)檢偏器5即可通過(guò)光強(qiáng)隨旋轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律檢測(cè)出樣品管4中旋光性物質(zhì)的旋光度改變?yōu)V色片2，即可分時(shí)、逐一的測(cè)量出部分波長(zhǎng)(高壓汞燈譜線——404.7nm、435.8nm、546.1nm和577.0～579.0nm等)的旋光度。但是這就帶來(lái)以下問(wèn)題：一、由于受到檢偏器5旋轉(zhuǎn)角度的精度與時(shí)間的限制，會(huì)造成一個(gè)波長(zhǎng)的旋光度測(cè)量的系統(tǒng)誤差大、分辨率低，同時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)；二、由于不同波長(zhǎng)的旋光度測(cè)量需要更換不同的濾色片2，因此測(cè)量多光譜的旋光度時(shí)，操作較為繁瑣；三、由于高壓汞燈1光源的限制，只能測(cè)量部分波長(zhǎng)的旋光度。在非專(zhuān)利文獻(xiàn)“一種新型測(cè)量旋光色散的方法”(光學(xué)儀器，Vol.38,No.4August,2016)(現(xiàn)有技術(shù)二)中，李子駿等人提出了一種使用白光LED作為白光光源1，結(jié)合透射光柵7將白光色散分光至線陣CCD9不同的空間位置，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)檢偏器5來(lái)改變接受光強(qiáng)的大小從而同時(shí)測(cè)量不同波長(zhǎng)的旋光度，如圖2所示。其中，旋光管4中包含旋光性物質(zhì)，光闌2、6調(diào)節(jié)通過(guò)光束的孔徑，檢偏器3、5由電腦控制的步進(jìn)電機(jī)來(lái)旋轉(zhuǎn)，由透鏡8會(huì)聚至線陣CCD9的光強(qiáng)制同步采集到電腦上。通過(guò)標(biāo)定不同波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的線陣CCD像素位置來(lái)獲取波長(zhǎng)與像素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)根據(jù)檢偏器的旋轉(zhuǎn)角與光強(qiáng)的變化關(guān)系來(lái)獲取旋轉(zhuǎn)度該方法能夠同時(shí)獲得連續(xù)波長(zhǎng)的旋光度，波長(zhǎng)分辨率較高。然而旋轉(zhuǎn)檢偏器的過(guò)程不可避免造成旋光度測(cè)量的延時(shí)。同時(shí)由于線陣CCD9感光面擺放位置未能同時(shí)獲取不同波長(zhǎng)的焦點(diǎn)成像，其測(cè)量存在一定的系統(tǒng)誤差。因此提出一種能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量樣品旋光色散光譜的檢測(cè)方法，對(duì)于旋光色散儀產(chǎn)業(yè)及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，具有重要意義。在非專(zhuān)利文獻(xiàn)“基于高亮度高純度LED旋光色散儀的研制”(光學(xué)儀器，Vol.27,No.1,February,2005)中，顏飛彪等提出一種基于高亮度高純度LED的旋光色散儀，其本質(zhì)與“中國(guó)專(zhuān)利CN200620140312.3”一致，僅僅只是更換了不同波長(zhǎng)的離散光源(465nm±5nm,520nm±5nm,589nm±3nm,623nm±3nm)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于提供一種基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)及方法，可以實(shí)時(shí)測(cè)量旋光性物質(zhì)的旋光色散光譜，它基于像素偏振相機(jī)動(dòng)態(tài)捕獲線偏振入射光的光強(qiáng)和偏振信息的特性，結(jié)合色散原件(光柵或棱鏡)將白光按波長(zhǎng)分成不同單色光投影到像素偏振相機(jī)的不同成像位置，實(shí)現(xiàn)樣品旋光色散光譜的實(shí)時(shí)測(cè)量。本專(zhuān)利技術(shù)解決了以往測(cè)量方法中不能同時(shí)測(cè)量連續(xù)波長(zhǎng)旋光度的問(wèn)題，同時(shí)省去以往測(cè)量方法中檢偏器的使用及操作中旋轉(zhuǎn)檢偏器的過(guò)程，解決了旋光色散光譜測(cè)量不能實(shí)時(shí)的問(wèn)題。本專(zhuān)利技術(shù)可實(shí)現(xiàn)旋光性物質(zhì)旋光色散光譜、比旋光色散光譜測(cè)量的實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化、精準(zhǔn)化。本專(zhuān)利技術(shù)可廣泛應(yīng)用于化學(xué)研究、制糖與制藥工業(yè)等領(lǐng)域。為了達(dá)到上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)所采取的技術(shù)方案如下：根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的一個(gè)方面，提供了一種基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)，包括：依次設(shè)置的光源、第一透鏡、第二透鏡、刀口濾波器、第三透鏡、起偏器、待測(cè)旋光性物質(zhì)、色散元件、第四透鏡、像素偏振相機(jī)；其中，光源用于提供連續(xù)穩(wěn)定、連續(xù)寬光譜的入射光；第一透鏡用于將位于第一透鏡焦點(diǎn)處的點(diǎn)光源整形為平行光；第二透鏡用于將平行光再次匯聚為點(diǎn)光源；刀口濾波器用于將點(diǎn)光源過(guò)濾為方形光源；第三透鏡用于將方形光源整形為平行光；起偏器用于將非偏振的光過(guò)濾為線偏振光；色散元件用于將連續(xù)寬光譜的白光按波長(zhǎng)分散至像素偏振相機(jī)不同的像素位置；第四透鏡用于將平行光匯聚為點(diǎn)光源；像素偏振相機(jī)用于成像、捕獲線偏振光的偏振信息；光源、第一透鏡、第二透鏡、刀口濾波器、第三透鏡、起偏器、待測(cè)旋光性物質(zhì)、色散元件、第四透鏡共光軸，像素偏振相機(jī)的感光靶面法線與光軸有一個(gè)夾角φ。在本專(zhuān)利技術(shù)的某些實(shí)施例中，上述旋光色散測(cè)量系統(tǒng)還包括積分球，設(shè)置在光源與第一透鏡之間，用于對(duì)入射光進(jìn)行整合；其中，積分球的出口、第一透鏡、第二透鏡、刀口濾波器、第三透鏡、起偏器、待測(cè)旋光性物質(zhì)、色散元件、第四透鏡共光軸，光源與積分球的入口共光軸，像素偏振相機(jī)的感光靶面法線與光軸有一個(gè)夾角φ。在本專(zhuān)利技術(shù)的某些實(shí)施例中，起偏器為偏振片。在本專(zhuān)利技術(shù)的某些實(shí)施例中，色散元件為光柵或者棱鏡。在本專(zhuān)利技術(shù)的某些實(shí)施例中，還包括一支承部件，用于放置待測(cè)旋光性物質(zhì)。根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的另一個(gè)方面，還提供了一種基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量方法，包括以下步驟：S0、搭建旋光散色光譜的測(cè)量光路，形成如上的基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)；S1、測(cè)量旋光色散測(cè)量系統(tǒng)的工作溫度t0；S2、對(duì)基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行波長(zhǎng)標(biāo)定，以明確像素偏振相機(jī)的像素位置與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；S3、對(duì)旋光色散測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行置零，獲得未添加旋光性物質(zhì)的線偏振光的振動(dòng)方位角S4、添加待測(cè)旋光性物質(zhì)，相同的線偏振光穿過(guò)待測(cè)旋光性物質(zhì)，不同波長(zhǎng)的線偏振光的偏振信息被像素偏振相機(jī)實(shí)時(shí)記錄，提取求解所有超像素單元中的偏振信息，得到此時(shí)線偏振光的振動(dòng)方位角S5、得到旋光度值為其中視為固定值，為實(shí)時(shí)拍攝圖像解算得到的值，在一幀圖片中獲得旋光色散光譜。在本專(zhuān)利技術(shù)的某些實(shí)施例中，線偏振光振動(dòng)面的角度的計(jì)算公式為：其中，超像素單元中四個(gè)超像素感光單元的透偏振方向不同，超像素感光單元對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)的成像灰度值也不相同，以順時(shí)針為正向，像素點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)0°、45°、90°、135°透偏振方向，θ為偏振光振動(dòng)面與0°感光單元光透偏振方向的夾角，I0、I45、I90、I135分別為0°、45°、90°、135°對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值。在本專(zhuān)利技術(shù)的某些實(shí)施例中，旋光色散測(cè)量方法還包括以下步驟：采集不開(kāi)啟光源時(shí)的背景光圖像，去除背景光影響。在本專(zhuān)利技術(shù)的某些實(shí)施例中，在步驟S2中，進(jìn)行波長(zhǎng)標(biāo)定時(shí)，使用不同的單色光光源，像素偏振相機(jī)拍攝的圖片出現(xiàn)間隔的窄長(zhǎng)條型條紋，其像素位置分別對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)的線偏振光。在本專(zhuān)利技術(shù)的某些實(shí)施例中，旋光色散測(cè)量系統(tǒng)包括一旋光管，在步驟S3中，旋光管中添加蒸餾水，光源產(chǎn)生的波長(zhǎng)連續(xù)的白光經(jīng)起偏器整形為線偏振光，線偏振光穿過(guò)旋光管中的蒸餾水，并經(jīng)過(guò)色散元件與第四透鏡將不同波長(zhǎng)的線偏振光聚焦到像素偏振相機(jī)的不同像素本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括：依次設(shè)置的光源(1)、第一透鏡(3)、第二透鏡(4)、刀口濾波器(5)、第三透鏡(6)、起偏器、待測(cè)旋光性物質(zhì)、色散元件、第四透鏡(10)、像素偏振相機(jī)(11)；其中，所述光源(1)用于提供穩(wěn)定、連續(xù)寬光譜的入射光；所述第一透鏡(3)用于將位于第一透鏡(3)焦點(diǎn)處的點(diǎn)光源整形為平行光；所述第二透鏡(4)用于將平行光再次匯聚為點(diǎn)光源；所述刀口濾波器(5)用于將點(diǎn)光源過(guò)濾為方形光源；所述第三透鏡(6)用于將方形光源整形為平行光；所述起偏器用于將非偏振的光過(guò)濾為線偏振光；所述色散元件用于將連續(xù)寬光譜的白光按波長(zhǎng)分散至所述像素偏振相機(jī)(11)不同的像素位置；所述第四透鏡(10)用于將平行光匯聚為點(diǎn)光源；所述像素偏振相機(jī)(11)用于成像、捕獲線偏振光的偏振信息；所述光源(1)、第一透鏡(3)、第二透鏡(4)、刀口濾波器(5)、第三透鏡(6)、起偏器、待測(cè)旋光性物質(zhì)、色散元件、第四透鏡(10)共光軸，所述像素偏振相機(jī)(11)的感光靶面法線與光軸有一個(gè)夾角φ。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括：依次設(shè)置的光源(1)、第一透鏡(3)、第二透鏡(4)、刀口濾波器(5)、第三透鏡(6)、起偏器、待測(cè)旋光性物質(zhì)、色散元件、第四透鏡(10)、像素偏振相機(jī)(11)；其中，所述光源(1)用于提供穩(wěn)定、連續(xù)寬光譜的入射光；所述第一透鏡(3)用于將位于第一透鏡(3)焦點(diǎn)處的點(diǎn)光源整形為平行光；所述第二透鏡(4)用于將平行光再次匯聚為點(diǎn)光源；所述刀口濾波器(5)用于將點(diǎn)光源過(guò)濾為方形光源；所述第三透鏡(6)用于將方形光源整形為平行光；所述起偏器用于將非偏振的光過(guò)濾為線偏振光；所述色散元件用于將連續(xù)寬光譜的白光按波長(zhǎng)分散至所述像素偏振相機(jī)(11)不同的像素位置；所述第四透鏡(10)用于將平行光匯聚為點(diǎn)光源；所述像素偏振相機(jī)(11)用于成像、捕獲線偏振光的偏振信息；所述光源(1)、第一透鏡(3)、第二透鏡(4)、刀口濾波器(5)、第三透鏡(6)、起偏器、待測(cè)旋光性物質(zhì)、色散元件、第四透鏡(10)共光軸，所述像素偏振相機(jī)(11)的感光靶面法線與光軸有一個(gè)夾角φ。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，還包括積分球(2)，設(shè)置在所述光源(1)與所述第一透鏡(3)之間，用于對(duì)入射光進(jìn)行整合；其中，所述積分球(2)的出口、第一透鏡(3)、第二透鏡(4)、刀口濾波器(5)、第三透鏡(6)、起偏器、待測(cè)旋光性物質(zhì)、色散元件、第四透鏡(10)共光軸，所述光源(1)與積分球(2)的入口共光軸，所述像素偏振相機(jī)(11)的感光靶面法線與光軸有一個(gè)夾角φ。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述起偏器為偏振片(7)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述色散元件為光柵(9)或者棱鏡。5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，還包括一支承部件，用于放置待測(cè)旋光性物質(zhì)。6.一種基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟：S0、搭建旋光散色光譜的測(cè)量光路，形成如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測(cè)量系統(tǒng)...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張青川，馬宣，姜兆祥，徐探，伍小平，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：安徽,34