基于角向偏振片的旋光色散曲线测量系统及方法

1.本发明涉及旋光色散曲线测量技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于角向偏振片的旋光色散曲线测量系统及方法。


背景技术：

2.旋光现象是指偏振光在通过具有旋光性的晶体或溶液时，其振动面以光传播方向为轴发生旋转的现象。旋转的角度称为旋光物质的旋光度旋光度与偏振光在旋光物质中通过的光程长度l、溶液浓度c以及比旋光度有关，其中比旋光度与旋光物质种类、温度以及通过旋光物质的光波长有关，其关系为旋光色散曲线反映旋光物质的旋光度或比旋光度随波长的变化规律，目前测量旋光色散曲线的方法主要有零点法、比值法以及借助偏振相机的测量方法。零点法通常是指旋转光学器件(偏振片、波片)或加入各种调制器件(电光、磁光、液晶等)改变偏振状态，并在不同波长下依次获得各偏振态下光强的测量方法，该方法原理简单，计算方便，但缺点是实时性较差，且需要机械旋转，降低了系统的精确度和稳定性；比值法是指通过计算，提取出探测光强与旋光角之间的关系，进行多次测量得到不同波长下的旋光角，并进一步得到旋光色散曲线的方法，该方法理论精度较高，但存在系统误差，且计算和操作过程复杂，容易引入新的测量误差；借助偏振相机是指利用偏振相机不同像素点分别测量不同波长下的旋光角，并进一步得到旋光色散曲线的检测方法，该方法测量速度快，实时性较好，但系统结构复杂，成本较高。
3.近年来广泛研究的旋光色散曲线测量方法，基本可以归为以上三类。一是零点法，如非专利文献“一种新型测量旋光色散的方法”(光学仪器，vol.38,no.4august,2016)中，李子骏等人提出利用白光led作为光源，经起偏器、样品管、检偏器后由衍射光栅分光，线阵ccd不同像素点采集不同波长偏振光，采集检偏器旋转一周过程中的光强即可得到不同波长下的旋光角，该方法可以同时测量不同波长下的光强，但需要旋转检偏器一周得到偏振角，机械旋转引入了新的误差。二是比值法，如非专利文献“new spectroscopic method for the determination of optical rotatory dispersion”(chinese optics letters，vol.12,no.8august,2014)中，韩志刚等人提出三步相移算法，通过探测光强与旋光角之间的比值关系得到蔗糖、葡萄糖、果糖溶液的旋光色散曲线。通过改进计算方法，消除了杂散光以及残余透射光等各种因素的影响，极大地减小了比值法固有的系统误差。但装置结构及计算函数关系复杂，且移动“起偏器-样品-检偏器”结构容易引入新的误差。三是借助偏振相机测量法，如中国专利cn 201910289692.9中，张青川等人利用光栅将宽谱光分为准单色光，不同波长线偏光的偏振信息被像素偏振相机不同像素实时记录，可以在一帧图片中获得旋光色散光谱，实现了旋光色散曲线的实时测量，但系统结构较为复杂，且使用偏振相机，成本较高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于角向偏振片的旋光色散曲线测量系统及方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
5.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.基于角向偏振片的旋光色散曲线测量系统，包括起偏器和角向偏振片，所述起偏器用于将非偏振光起偏为线性偏振光，所述角向偏振片用于将线性偏振光转化为楔形偏振图像以捕获线性偏振光的偏振信息，还包括：
7.光源，用于提供稳定的单色光；
8.积分球，用于整合光源发出的单色光并发出光强均匀的发散光；
9.小孔光阑，用于调节积分球出射光的孔径大小；
10.准直透镜，用于将积分球发出的发散光准直为平行光；
11.相机，用于采集角向偏振片呈现的楔形偏振图像；
12.计算机，用于对相机采集图像进行处理计算以得到待检测样品不同波长下的旋光角和旋光色散曲线；
13.所述光源、积分球、小孔光阑、准直透镜、起偏器、待检测样品、角向偏振片和相机依次设置，所述计算机与相机连接；
14.所述积分球输出端、小孔光阑、准直透镜、起偏器、待检测样品、角向偏振片、相机感光面法线共光轴。
15.进一步地，所述光源为单色光源。
16.进一步地，所述起偏器为线性偏振片。
17.进一步地，若待检测样品为溶液，该待检测样品放置于比色皿内；若待检测样品为晶体，该待检测样品放置于样品池内。
18.本发明还提供一种根据上述的基于角向偏振片的旋光色散曲线测量系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
19.s1、控制所述基于角向偏振片的旋光色散曲线测量系统的工作温度在设定范围内；
20.s2、对光源的波长进行校准；
21.s3、在不添加待检测样品的条件下采集不同波长下角向偏振片呈现的楔形偏振图像；
22.s4、在添加待检测样品的条件下采集不同波长下角向偏振片呈现的楔形偏振图像；
23.s5、将步骤s3、s4采集得到的图像进行图像处理，得到不同波长下不添加待检测样品的线偏光振动方位角θ0，以及添加待检测样品后的线偏光振动方位角θ1；
24.s6、得到不同波长下待检测样品对应的旋光度并代入旋光色散曲线公式进行系数拟合，得到旋光色散曲线。
25.进一步地，所述旋光色散曲线公式为：
[0026][0027]
其中，ρ为待检测样品的比旋光度，abcd均为已知量系数，λ为光的波长。
[0028]
进一步地，将步骤s3替换为：在放置对照物的条件下采集不同波长下角向偏振片呈现的楔形偏振图像。
[0029]
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用角向偏振片进行偏振态测量，可以直观显示待检测样品的偏振方向，且工作波长范围大，对光源波长以及功率变化敏感性低；基于数字化信息检测，检测结果精度高，避免引入人为误差；系统结构简单，且无任何机械运动部件，稳定性强。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。
[0031]
图1是本发明基于角向偏振片的旋光色散曲线测量系统示意图。
[0032]
图2是本发明实施例中采集的偏振可视化图像及计算结果。图2(a)为线性偏振光通过蒸馏水后的角向偏振片呈现的图像，图2(b)为线性偏振光通过200mg/ml葡萄糖溶液后的角向偏振片呈现的图像。
[0033]
图3为本发明实施例中200mg/ml葡萄糖溶液旋光色散曲线测量结果。
[0034]
图4为本发明实施例中200mg/ml葡萄糖溶液测量旋光角所用波长的平方反比与旋光角测量值的线性回归拟合曲线。
[0035]
图5为本发明实施例中左旋石英晶体和右旋石英晶体旋光色散曲线测量结果与理论曲线对比图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0037]
参阅图1所示，本实施例公开了一种基于角向偏振片的旋光色散曲线测量系统，包括起偏器和角向偏振片，起偏器用于将非偏振光起偏为线性偏振光，角向偏振片用于将线性偏振光转化为楔形偏振图像以捕获线性偏振光的偏振信息，本发明还包括：
[0038]
光源1，用于提供稳定的单色光，例如，以氙灯为光源的单色仪。
[0039]
积分球2，用于整合光源发出的单色光并发出光强均匀的发散光。
[0040]
小孔光阑3，用于调节积分球出射光的孔径大小。
[0041]
准直透镜4，用于将积分球发出的发散光准直为平行光，可以采用双胶合消色差凸透镜。
[0042]
相机8，用于采集角向偏振片呈现的楔形偏振图像。
[0043]
计算机9，用于对相机采集图像进行处理计算以得到待检测样品不同波长下的旋光角和旋光色散曲线。相机采集角向偏振片呈现的楔形偏振图像，并导入计算机进行数字图像处理，得到待检测样品在不同波长下的旋光角，并进一步计算出旋光色散曲线。
[0044]
其中，所述的光源1、积分球2、小孔光阑3、准直透镜4、起偏器5、待检测样品6、角向偏振片7和相机8依次设置，计算机9与相机8连接；
[0045]
其中，所述的积分球2输出端、小孔光阑3、准直透镜4、起偏器5、待检测样品6、角向偏振片7、相机8感光面法线共光轴。
[0046]
本实施例中，所述的起偏器5为线性偏振片，用于将单色平行光起偏为线性偏振光，需要说明的是，线性偏振片只是一种获取线性偏振光的方式，其它起偏器也可以用于本发明中。
[0047]
本实施例中，若待检测样品6为溶液，该待检测样品放置于比色皿内，此时比色皿用于盛放蒸馏水和待测溶液；若待检测样品为晶体，该待检测样品放置于样品池内，起到固定作用。
[0048]
本实施例中，角向偏振片使通过比色皿后的线性偏振光呈现出亮暗交替分布的楔形偏振图像。
[0049]
本实施例中，积分球2、小孔光阑3、准直透镜4、起偏器5、比色皿(或样品池)、相机8等都是标准器件，可以直接外购，无需专门的设计。
[0050]
本发明还提供一种根据上述的基于角向偏振片的旋光色散曲线测量系统的方法，包括以下步骤：
[0051]
s0、搭建旋光色散曲线测量光路，形成上述基于角向偏振片的旋光色散曲线测量系统。
[0052]
s1、控制所述基于角向偏振片的旋光色散曲线测量系统的工作温度t0在设定范围内。s2、对光源的波长进行校准，以单色仪为例，具体为：以光谱仪探测单色仪发出的光，得到单色仪设置参数与发出单色光波长之间的对应关系。
[0053]
s3、在不添加待检测样品的条件下采集不同波长下角向偏振片呈现的楔形偏振图像。
[0054]
其中，若待检测样品为溶液，则比色皿中加入蒸馏水，若待检测样品为晶体，则样品池上不放置待检测样品。
[0055]
s4、在添加待检测样品的条件下采集不同波长下角向偏振片呈现的楔形偏振图像。
[0056]
其中，若待检测样品为溶液，则比色皿中加入待测溶液，若待检测样品为晶体，则样品池上放置待检测样品。
[0057]
s5、将步骤s3、s4采集得到的图像进行图像处理，得到不同波长下不添加待检测样品的线偏光振动方位角θ0，以及添加待检测样品后的线偏光振动方位角θ1。该步骤中的图像处理算法为现有技术，例如期刊方面ao期刊文献“spatially polarization-modulated ellipsometry based on the vectorial optical field and image processing”、ol期刊文献“efficient polarization direction measurement by utilizing the polarization axis finder and digital image processing”等所用算法均与本算法基本一致。
[0058]
s6、得到不同波长下待检测样品对应的旋光度并代入旋光色散曲线公式进行系数拟合，得到旋光色散曲线。
[0059]
由于旋光色散曲线通常在宽波段内满足公式其中，ρ为待检测样品的比旋光度。在得到待检测样品不同波长下的旋光角后，只需带入上述公式
进行系数拟合，即可得到待检测样品的旋光色散曲线。
[0060]
为检验本发明所提供技术方案的实际检测效果，依据图1所示系统结构图实际搭建了基于角向偏振片的200mg/ml葡萄糖溶液旋光色散曲线检测系统。所用光源为digikrom公司的cm110型单色仪，透镜为大恒新纪元科技股份有限公司f＝75mm双胶合消色差透镜，起偏器为thorlabs公司lpvise100-a线性起偏器，所用葡萄糖溶液由比克曼生物分析纯葡萄糖配置，相机为flir公司“grassshopper3”工业相机，单色仪校准所用光谱仪为“ocean optics”公司usb2000+光谱仪。
[0061]
测量室温t0＝23.1℃。图2为本发明实施例中采集的可视化图像及计算结果，图2(a)为线性偏振光通过蒸馏水后的角向偏振片呈现的图像，图2(b)为线性偏振光通过200mg/ml葡萄糖溶液后的角向偏振片呈现的图像。如图2所示，相机采集的图像光强呈楔形亮暗对称分布，亮区中心线与暗区中心线相互垂直，暗区中心线所在方向即为入射线性偏振光的起偏方向，经优化设置图像处理参数，运行程序计算出亮区中心线与水平方向的夹角，即可得到葡萄糖溶液在某一波长下的旋光角。200mg/ml葡萄糖溶液拟合出的旋光色散曲线如图3所示。
[0062]
由图3可得，200mg/ml葡萄糖溶液的旋光角测量值与旋光色散拟合曲线重合度较高，测量值基本可以落到拟合曲线上，由于葡萄糖溶液影响因素较多，暂未找到比较权威的理论公式，现阶段发表的大部分相关文献对葡萄糖溶液旋光色散曲线拟合结果判断依据都是看波长平方反比与旋光角之间的线性关系。对测量旋光角所用波长的平方反比与测得的旋光角进行线性回归拟合，拟合曲线如图4所示。线性回归拟合的r2＝0.9994，测量误差小于1
‰
。
[0063]
为检验本发明所提供技术方案检测结果的精确度，分别对左旋石英晶体和右旋石英晶体进行旋光色散曲线测量。所用石英晶体为上海米青科实业有限公司的
“±5°
标准石英管”。检测结果与理论曲线的对比如图5所示。图5中，“*”为不同波长下左/右旋石英晶体旋光度的测量值，虚线为根据测量值拟合得到的左/右旋晶体旋光色散拟合曲线，实线为左/右旋石英晶体的旋光色散理论曲线。
[0064]
由图5可得，左/右旋石英晶体旋光角测量值与旋光色散拟合曲线重合度较高，测量值基本可以落到拟合曲线上。石英晶体旋光色散曲线在宽波段内满足公式其中，最关键的系数为a，对拟合结果影响最大，也是测量误差的主要观察对象；次关键的系数为b，在较大范围内改变会对拟合结果产生一定的影响；系数c和系数d在较大范围内改变均不会对拟合结果产生明显影响，暂不考虑。对于左旋石英晶体，旋光色散曲线系数的理论值a＝-7.0607
×
10-6
，b＝1.6854
×
10-13
，利用测量值进行旋光色散曲线拟合，拟合系数为a＝7.0615
×
10-6
，b＝1.8658
×
10-13
。对于右旋石英晶体，旋光色散曲线系数的理论值a＝-7.0607
×
10-6
，b＝-1.6854
×
10-13
，利用测量值进行旋光色散曲线拟合，拟合系数为a＝-7.0612
×
10-6
，b＝-1.7955
×
10-13
，λ为光的波长。对比左/右旋石英晶体旋光色散曲线的拟合值与理论值可得，最关键的系数a测量误差可以稳定控制在1％以内，次关键的系数b测量误差也可以控制在可接受范围内，不会影响拟合结果。
[0065]
本发明采用角向偏振片生成楔形偏振图像，直观显示偏振方向，利用楔形偏振图像及数字图像处理算法实现旋光色散曲线测量。这是一种从原理上完全不同于传统旋光色
散曲线测量方案的新技术，采用本发明所述方法实现的旋光色散曲线测量系统，目前已经实现了石英晶体和葡萄糖溶液旋光色散曲线的精确测量，测量系数误差可以控制在1％以内。具有检测结果直观，测量精度高，对波长和光源功率变化不敏感，系统结构简单，且无机械运动部件，检测结果稳定等优点。
[0066]
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。