基于像素偏光相机的旋光度实时测量方法及测量装置与流程

本发明涉及旋光仪的技术领域，可以分析确定物质的浓度、含量及纯度等，具体来讲，本发明提出了一种全新的样品旋光度测量方法，它基于像素偏光相机动态提取和分析具有任意偏振状态的入射光的光强和偏振的图像信息的特性，实现样品旋光度的实时测量。

背景技术：

旋光现象是指线偏振光通过某些物质时，其振动面将以光的传播方向为轴发生旋转，这种物质称为旋光物质，使偏振光振动平面旋转的角度叫做该物质的旋光度，旋光物质的旋光度与旋光物质溶液体积百分比浓度C及偏振光所通过的溶液厚度L成正比，其公式为:其比例系数称为比旋光度。旋光仪就是测定物质旋光度的仪器。目前测量物质旋光度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CN102841057 A中，胡再国，汪仕元提到旋转检偏器实现旋光性溶液浓度的测量，如图1所示。其中，光源11选用单波长光源，发出非偏振光；起偏器12将非偏振光过滤为线偏振光，经旋光管14的线偏振光的偏振面旋转一个角度q，操作员在检偏器15端用眼睛观察旋转角q。如图2所示，其中，检偏器视野区域三等分，中间区域为在起偏器后增加波片，两边区域为未另添加任何器件；由于人视觉成像对于对比度的敏感性，b中的零度视场较容易找到；读取添加旋光物质前后检偏器对应的零度视场度数，旋光度为两次得到的角度之差。波片放置在起偏器后面，使振动面变化，在检偏器观察到明暗不同的三部分视场(简称三分视场)。旋转检偏器使三分视场的分界线消失，此时称为零度视场，记录此时的检偏器角度读数q₁。放入样品，出现三分视场，调节检偏器偏振片的方向使三分视场变化成零度视场，记录此时的读数q₂，则旋光度这就带来两个问题：一.由于起偏片和检偏片相对位置人工观察调节的精度关系，会造成系统误差大、精度低；二.由于检偏过程中需旋转检偏片，使旋光度检测不能达到实时效果。

在非专利文献“基于偏振光检测的溶液浓度测量方法研究”(长春理工大学学报(自然科学版)，Vol.38No.1Feb.2015)中，李志刚等人提出了一种基于旋转波片的偏振光检测溶液浓度的测量方法。采用PIN光电二极管对带有溶液浓度信息的偏振光信号进行探测，并将数据通过串口传送到上位机，利用LabVIEW程序进行数据处理与显示；通过旋转波片，采集到正弦变换的曲线，计算加入样品前后两条正弦曲线相位延迟角即可得到旋光度该测量方法能够减小测量误差、提高测量精度，并且用户界面友好、结果显示直观。然而旋转波片过程不可避免造成旋光度测量的延时。因此提出一种能够实时测量样品旋光度的检测方法，对于旋光仪产业及相关应用领域，具有重要意义。

在非专利文献“基于微偏振片阵列的实时偏振和相位信息测量技术”(中国科学技术大学博士学位论文，作者张志刚，导师张青川)中，张志刚提到了基于微偏振片阵列的实时偏振信息测量技术，基于微偏振片阵列的像素偏光相机能够提取计算线偏振光的角度。

技术实现要素：

本发明的目的是：本发明提出了一种基于像素偏振相机的旋光度实时测量方法及测量装置，该像素偏振相机可以实时提取和分析任意偏振态的入射光的光强和偏振信息(原理图如图3所示)，经过旋光物质的平面偏振光的转角可以实时监测，省去以往测量方法中的检偏器及操作中旋转检偏器的过程，解决了旋光度测量不能实时的问题。本方法旋光物质旋光度、比旋光度、溶液浓度的测量可实现实时化、自动化、精准化。

为实现基于像素偏振相机的旋光度实时检测，本发明采用以下方案：

一种基于像素偏光相机的旋光度实时测量装置，包括光源、起偏器、旋光管和像素偏光相机，光源提供单波长光照明，起偏器将光源发出的单波长光过滤为线偏振光，旋光管为盛放旋光物质容器，像素偏光相机接收、记录最终偏振光信息；光源中心与起偏器光学镜面轴心、旋光管轴心、像素偏光相机感光靶面中心在同一条直线上，且侧面平行，保证光路畅通。

其中，光源为单纵模激光光源或低压钠灯

其中，起偏器为高性能标准线偏振片。

其中，旋光管为标准旋光管。

其中，像素偏光相机为可接收处理偏振光偏振信息的相机设备。

本发明还提供一种基于像素偏光相机的旋光度的实时测量方法，该方法包括步骤如下：

步骤(1)、搭建旋光度测量光路图，光源选择单纵模激光光源或低压钠灯，光源发出单一波长光线，以确定此波长条件下的比旋光度旋光物质选用标准旋光管，以及选用高透过率起偏器，待光源发光稳定后进行测量；

步骤(2)、光源产生的单波长光经起偏器变为线偏振光，线偏振光经未添加旋光物质的旋光管照射到像素偏光相机上，每拍摄一帧即记录此时线偏振光的光强信息及偏振信息，计算机经过数据处理即可得到此时经未添加旋光物质的线偏振光振动面的角度

步骤(3)、向旋光管中添加待测旋光物质，相同波长光经过起偏器起偏，透射添加旋光物质的光信息被像素偏光相机实时记录，提取求解同一超像素单元中的不同透偏振方向感光单元光强信息，得到此时线偏振光振动面的角度

步骤(4)、测量旋光物质温度t；

步骤(5)、旋光度值为其中为校准值，在一次测量中可视为固定值，为实时拍摄图片解算得到值，因此旋光度的值可与拍摄的同一帧图片同时获得，由公式输入此时旋光溶液的比旋光度及旋光管长度L，可实时得到溶液浓度C；同理，输入溶液浓度C及旋光管长度L，可得到旋光溶液比旋光度

其中，步骤(5)中，测量变化的旋光溶液浓度C时，将标准旋光管改为带外接接口的石英管，石英管管壁宽为L，偏振光沿石英管宽度方向传播，并实时检测管内溶液温度t。

其中，该方法可测旋光物质的旋光度、比旋光度以及旋光溶液浓度。

本发明的原理在于：

如图3所示，一束线偏振光P入射到像素偏光相机感光靶面成像，由于超像素单元中每个感光单元光的透偏振方向不同，2、3、4、5感光单元对应的像素点灰度值也不相同。以顺时针为正向，2、3、4、5像素点分别对应0°、45°、90°、135°透偏振方向。若偏振光P振动面与0°感光单元光透偏振方向夹角为θ，则对应的像素点灰度值为45°、90°、135°对应像素点灰度值分别为由此四个相应灰度值可解析得到偏振光振动面相对0°感光单元的角度像素偏光相机超像素单元也可采用两种(或多种)偏振单元阵列及相关算法。

本发明基于像素偏光相机的旋光度实时测量方法及测量装置，其优点有：(1)相对于基于旋转波片偏振光检测方法，制成品不需要旋转检偏器，省去检偏环节，可实时测量旋光物质旋光度，提高测量效率；(2)相对于传统旋光仪，本发明基于数字化信息检测，避免人为误差，提高检测精度；(3)该方法可用于变化浓度的旋光溶液的实时测量。

附图说明

图1为胡再国等人提到的传统旋光仪整体部件及光路图，其中，11为光源、12为起偏器、13为波片、14为旋光管、15为检偏器；L表示旋光管长度、P表示线偏振光、q表示偏振光旋转角；

图2为三分视场示意图，其中，A表示空气，Q表示石英；a.表示大于(或小于)零度视场，b.表示零度视场，c.表示小于(或大于)零度视场；

图3为基于像素偏光相机检测光偏振信息原理图；

图4为基于像素偏光相机旋光度实时测量装置图，其中，11为光源，12为起偏器，14为旋光管，16为像素偏光相机；

图5为基于像素偏光相机实时测量偏振光偏振角度图。

具体实施方式

下面结合具体实施例子对本发明在制备微偏振片阵列上做进一步说明，但不限制本发明。

实施例1：基于像素偏光相机实时测量偏振光振动面的偏振角。

如图4所示，一种基于像素偏光相机的旋光度的实时测量装置，包括光源11、起偏器12、旋光管14和像素偏光相机16，光源11提供单波长光照明，起偏器12将光源发出的单波长光过滤为线偏振光，旋光管14为盛放旋光物质容器，像素偏光相机16接收、记录最终偏振光信息；光源中心11与起偏器12光学镜面轴心、旋光管14轴心、像素偏光相机16感光靶面中心在同一条直线上，且侧面平行，保证光路通畅。

本发明实施例1的基于像素偏光相机实时测量偏振光振动面的偏振角的具体流程如下：

步骤1、点亮钠光灯(光路如图4-光源)待4min钠光灯工作稳定无闪光现象，将电动旋转偏振片(位置如图4-起偏器)放置在钠光灯后，在偏振片后放置旋光管。将像素偏光相机上电、连接电脑，放置在旋光管后。旋光管放置纯水，做好采集准备。在图4中，像素偏光相机每个感光单元上都对应一个光偏振方向的金属纳米光栅，金属纳米光栅单元大小与CCD感光靶面大小相同。

步骤2、关闭室内灯光，屏蔽环境光。确保除钠光灯之外的光噪声最小化；

步骤3、旋转电动偏振片，待转速均匀时进行采集，此时偏振光的振动面跟随偏振片做匀速转动。像素偏光相机采用嘉恒OK-AM1160黑白相机与金属纳米光栅集成，采集帧频为20幅/s；连续采集240副图像。

步骤4、数据同步传输电脑端，旋光度实时自动测量软件基于图片信息对旋光度进行实时提取；a.将一幅图像拆分为0°、45°、90°、135°4个偏振方向图片。b.参照图3中提及算法对偏振光振动面角度进行计算。

步骤5、软件实时显示偏振光振动面角度，如图5所示。在图5中，软件实时显示线偏振光振动面角度；横坐标为拍摄图帧数，纵坐标为线偏振光振动面与像素偏光相机0°偏振单元间的夹角。

本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。