CN106596354A - 一种基于微透镜阵列的光散射特性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微透镜阵列的光散射特性测量装置及方法，其中，所述装置包括照明模块、探测模块、半透半反棱镜、激光强度模块、升降机构、物镜、待测颗粒、样品池、上位机及运动控制器，其中，所述照明模块产生的激光通过所述半透半反棱镜进入所述物镜，并根据所述照明模块和所述物镜的位置关系，生成对应类型的光束；所述光束作用于位于所述样品池中的所述待测颗粒，生成后向散射光；所述后向散射光依次通过所述物镜和所述半透半反棱镜后进入所述探测模块；所述探测模块根据接收所述后向散射光的微透镜孔径，确定所述后向散射光对应的散射角度。本发明提供的一种基于微透镜阵列的光散射特性测量装置及方法，能够提高光散射特性测量的精度。

Description

一种基于微透镜阵列的光散射特性测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于微透镜阵列的光散射特性测量装置及方法。

背景技术

颗粒性质如形状参数、折射率等的测量在环境监测、生物医药、化工、科研等众多领域有广泛的需求。传统测量方法如直接观察法、沉降法、筛分法等难以测量微米级颗粒且难以实现在线测量。随着激光技术的发展，光散射法由于具有测量范围广，速度快，可在线测量的优点受到了众多的关注。

目前光散射法可分为动态光散射和静态光散射两类。前者通过高灵敏度探测器测量颗粒在聚焦光束照射下的散射光强，由于散射光强反映了颗粒的布朗运动，而布朗运动的参数与颗粒尺寸密切相关，因此通过对散射光强进行相关运算可以得到颗粒尺寸，广泛应用于大分子蛋白子分子量的测定。但动态光散射法只能获得颗粒等效的流体力学尺寸，无法确定颗粒实际的形状，且难以测量颗粒的折射率等信息，且动态光散射法只能获得颗粒群的统计性质，无法测量单个颗粒，因此其应用受到了限制。相比之下，静态光散射法直接测量激光被颗粒散射后不同角度的强度分布，进一步根据电磁散射理论可解得颗粒的特性，适合深入分析颗粒群或单个不规则形状颗粒的性质。一般使用放置在不同角度的探测器或者沿导轨旋转探测器来测量角度分辨的光强分布，但前者很难保证每个探测器放大倍数、噪声特性的一致性，后者速度慢、实时性较差。

现有技术中公开了一种光散射颗粒测量的装置和方法，通过使用接收透镜收集散射光与透射光，实现了前向散射光和透射光的同时测量，解决了测量区与探测器过近所引起的信号干扰问题。但此装置能够测量的前向散射角较小，且一般难以测量单个颗粒的特性只能获得颗粒群的平均特性。

现有技术中还公开了一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统，使用抛物面反射镜收集单个颗粒不同角度的散射光，经过共焦处理滤除杂散光后，照射至ICCD上，记录ICCD上图案可获得颗粒散射光的分布。虽然通过使用ICCD克服了需使用多个探测器的缺点，但由于使用共焦处理，当颗粒偏离抛物镜焦点时，易导致颗粒部分的散射光被滤除，从而引入了附加的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微透镜阵列的光散射特性测量装置及方法，能够提高光散射特性测量的精度。

为实现上述目的，本发明提供一种基于微透镜阵列的光散射特性测量装置，所述装置包括照明模块、探测模块、半透半反棱镜、激光强度模块、升降机构、物镜、待测颗粒、样品池、上位机及运动控制器，其中，所述照明模块产生的激光通过所述半透半反棱镜进入所述物镜，并根据所述照明模块和所述物镜的位置关系，生成对应类型的光束；所述光束作用于位于所述样品池中的所述待测颗粒，生成后向散射光；所述后向散射光依次通过所述物镜和所述半透半反棱镜后进入所述探测模块；所述探测模块根据接收所述后向散射光的微透镜孔径，确定所述后向散射光对应的散射角度。

进一步地，所述照明模块中包括固体激光器、整形透镜以及起偏器，其中，所述整形透镜用于改变进入所述物镜的激光的发散角度并控制所述物镜出射光的发散角度；所述起偏器受控于所述运动控制器，以调整旋转角度。

进一步地，所述探测模块包括ICCD探测器、微透镜阵列以及检偏器，其中，所述检偏器受控于所述运动控制器，以调整旋转角度；所述微透镜阵列用于分割所述物镜的孔径，其中每个微透镜对应一个散射角度区间。

进一步地，所述激光强度模块包括光电二极管、放大电路、模数转换电路以及通信串口，其中，所述光电二极管用于将经过所述半透半反棱镜的激光转换为电信号，所述电信号经过所述放大电路和所述模数转换电路后通过所述通信串口与所述上位机相连。

进一步地，所述上位机包括用于获取ICCD探测器图像的图像采集模块、用于读取所述激光强度模块读数的通信模块、用于与所述运动控制器相连的运动控制模块、用于分割待测颗粒图像并确定待测颗粒三维位置的定位模块、用于反演待测颗粒的散射特性的散射匹配模块以及用于保存数据及配置参数的文件模块。

进一步地，所述照明模块中的起偏器、所述探测模块中的检偏器以及所述升降机构均包括步进电机，所述运动控制器包括与各个步进电机相对应的步进电机驱动器。

为实现上述目的，本申请另一方面还提供一种基于微透镜阵列的光散射特性测量方法，所述方法包括：照明模块产生的激光通过半透半反棱镜进入物镜，并根据所述照明模块和所述物镜的位置关系，生成对应类型的光束；所述光束作用于位于样品池中的待测颗粒，生成后向散射光；所述后向散射光依次通过所述物镜和所述半透半反棱镜后进入探测模块；所述探测模块根据接收所述后向散射光的微透镜孔径，确定所述后向散射光对应的散射角度。

进一步地，所述方法还包括：若待测颗粒位于空气中，使用风扇加速空气流动；若所述待测颗粒位于液体中，将所述物镜浸入所述液体中。

进一步地，所述方法还包括：获取无任何颗粒散射光时的背景图案的光强；当ICCD探测器采集的图像的光强大于预设阈值时，将大于预设阈值的光强减去背景图案的光强，得到光强差；使用激光强度模块的绝对光强对所述光强差进行归一化，获得与所述待测颗粒的散射光相对应的实际图案。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明采用微透镜阵列分割孔径，不同微透镜对应于不同角度的散射光，可以测量任意一个或多个非球形颗粒的散射特性。微透镜阵列可以准确定位颗粒的三维位置，修正因位置不同引起的角度变化，无需使用共焦探测，同时通过微透镜聚焦散射光对颗粒成像，可以在ICCD成像平面上区分不同的颗粒，克服了测量区内有两个或多个颗粒引起反演错误的缺陷。

此外，成像部分使用ICCD作为探测器，克服了使用多个点探测器时难以保证一致性的缺陷，速度快，能够在线测量。同时，通过使用高数值孔径物镜的方式可以收集大角度后向散射光，提高了散射反演的精度。

附图说明

图1为光散射特性测量装置的示意图；

图2为准直、聚焦及发散激光照射颗粒示意图；

图3为光散射特性测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

请参阅图1，本申请实施方式提供一种基于微透镜阵列的光散射特性测量装置，所述装置包括照明模块1、探测模块2、半透半反棱镜3、激光强度模块4、升降机构5、物镜6、待测颗粒7、样品池8、上位机9及运动控制器30，其中，所述照明模块1产生的激光通过所述半透半反棱镜3进入所述物镜6，并根据所述照明模块1和所述半透半反棱镜3的位置关系，生成对应类型的光束；所述光束作用于位于所述样品池8中的所述待测颗粒7，生成后向散射光；所述后向散射光依次通过所述物镜6和所述半透半反棱镜3后进入所述探测模块2；所述探测模块2根据接收所述后向散射光的微透镜孔径，确定所述后向散射光对应的散射角度。

在本实施方式中，所述照明模块中包括固体激光器10、整形透镜11以及起偏器12，其中，所述整形透镜11用于改变进入所述物镜6的激光的发散角度并控制所述物镜6出射光的发散角度；所述起偏器12受控于所述运动控制器30，以调整旋转角度。

在本实施方式中，所述探测模块2包括ICCD探测器20、微透镜阵列21以及检偏器22，其中，所述检偏器22受控于所述运动控制器30，以调整旋转角度；所述微透镜阵列21用于分割所述物镜6的孔径，其中每个微透镜对应一个散射角度区间。

在本实施方式中，所述激光强度模块4包括光电二极管、放大电路、模数转换电路以及通信串口，其中，所述光电二极管用于将经过所述半透半反棱镜的激光转换为电信号，所述电信号经过所述放大电路和所述模数转换电路后通过所述通信串口与所述上位机相连。

在本实施方式中，所述上位机9包括用于获取ICCD探测器图像的图像采集模块、用于读取所述激光强度模块读数的通信模块、用于与所述运动控制器相连的运动控制模块、用于分割待测颗粒图像并确定待测颗粒三维位置的定位模块、用于反演待测颗粒的散射特性的散射匹配模块以及用于保存数据及配置参数的文件模块。

在本实施方式中，所述照明模块1中的起偏器12、所述探测模块2中的检偏器22以及所述升降机构5均包括步进电机，所述运动控制器30包括与各个步进电机相对应的步进电机驱动器。

请参阅图2，根据所述物镜6与所述照明模块的之间的距离，可以对应准直光束、聚焦光束以及发散光束。从图2中可以看出，当所述物镜的底部位于虚线上时，产生的是准直光束；当所述物镜的底部位于虚线右侧时，产生的是聚焦光束；当所述物镜的底部位于虚线左侧时，产生的是发散光束。

由于颗粒不同角度的散射光经过物镜后位于孔径的不同位置，因此在微透镜阵列21处位于不同的微透镜孔径内，即不同的微透镜收集了不同角度的散射光，实现了具有角度分辨能力的光散射测量。单个颗粒的散射光被微透镜阵列聚焦后形成了点像，若多个颗粒位于视场内，此装置可分辨不同颗粒的散射光，相比传统静态光散射测量更加准确。探测模块2只能测量归一化的光散射强度分布，通过激光强度模块4可测量入射激光绝对强度，获得散射光强与入射光强之间关系。

所述照明模块1可以产生颗粒散射用连续激光，使用单色性较好的固体激光器10作为光源，波长为532nm，使用电流可调电源，可手动或计算机控制电流。

所述照明模块1在光路中加入起偏器12，用于调节入射光偏振态以测量颗粒散射的偏振特性，可手动或由运动控制器30自动调整旋转角度。

所述照明模块1在光路中加入整形透镜11，改变进入物镜的发散角度，控制物镜出射光的发散角度。

所述半透半反棱镜3的透射率与反射率之比为50:50，对偏振态不敏感，便于使用同一物镜同时实现照明和测量。

所述探测模块2包括检偏器22、微透镜阵列21及探测器20。所述检偏器22用于选择设定的偏振态进入探测器20，其旋转角度可手动或由运动控制器30设定。所述微透镜阵列21用于分割物镜孔径，每个微透镜都对应一定的散射角度，其中单个微透镜的尺寸约为100μm×100μm。所述探测器20使用ICCD，用于测量微弱散射信号。

所述激光强度模块4包含PIN光电二极管、放大电路、AD转换及与上位机通信串口，用于测量激光器出射的绝对光强，使用AD转换芯片获得光强数字信号，通过串口发送至上位机。

所述物镜6需要具有高数值孔径，测量空气中颗粒时，使用普通物镜，而测量液体中颗粒时，需根据液体折射率选择浸油或浸水物镜，由于使用单色光测量，无需选择昂贵的消色差物镜。

所述升降机构5可以粗调及细调物镜的上下位置，可手动及自动调节，细调分辨率达到1μm。

所述待测颗粒7可悬浮在空气中或者溶解在液体内，颗粒本身可以具有任意折射率及几何形状，尺度为微米级及亚微米级。

请参阅图3，本发明还提供一种基于微透镜阵列的光散射特性测量方法，所述方法包括：

S1：照明模块产生的激光通过半透半反棱镜进入物镜，并根据所述照明模块和所述物镜的位置关系，生成对应类型的光束；

S2：所述光束作用于位于样品池中的待测颗粒，生成后向散射光；

S3：所述后向散射光依次通过所述物镜和所述半透半反棱镜后进入探测模块；

S4：所述探测模块根据接收所述后向散射光的微透镜孔径，确定所述后向散射光对应的散射角度。

在本实施方式中，所述方法还包括：

若待测颗粒位于空气中，使用风扇加速空气流动；若所述待测颗粒位于液体中，将所述物镜浸入所述液体中。

在本实施方式中，所述方法还包括：

获取无任何颗粒散射光时的背景图案的光强；

当ICCD探测器采集的图像的光强大于预设阈值时，将大于预设阈值的光强减去背景图案的光强，得到光强差；

使用激光强度模块的绝对光强对所述光强差进行归一化，获得与所述待测颗粒的散射光相对应的实际图案。

在一个具体应用场景中，激光器10为固体激光器，产生单色性较好的连续激光，激光强度可通过改变电源电流调节，当颗粒散射光较弱时，加大激光强度，而当散射光较强时，可减小激光强度，通过此种控制方式，保证了散射光在ICCD测量平面的强度位于ICCD的动态范围内，能够提高反演的准确性。整形透镜11为普通平凸透镜，选择较小的凸面曲率减小可能引入的像差，通过改变激光出射的角度来调节进入物镜6后的光束角度，在物镜物面附近构成测量区，测量区的体积由物镜视场及景深决定。物镜视场较大处可能产生较为严重的渐晕现象，影响散射光测量，因此选择中心视场附近的小范围视场，具体视场范围通过观察标准球形粒子在平行激光照明时散射光是否仍然为对称形状决定。一般而言大数值孔径物镜的景深有限，但本装置中通过引入具有大景深的微透镜阵列，能够显著增加物镜景深，具体景深范围需观察在ICCD上微透镜阵列的聚焦光斑尺寸决定。连续激光经过物镜后形成准直、聚焦或发散三种光束，可分别测量颗粒在这三种光束中的散射特性。起偏器12结合检偏器22用于测量颗粒散射的偏振特性，调整起偏器角度后固定，然后旋转检偏器，记录下不同角度时ICCD图案，可获得不同偏振态的散射光强度，更有利于散射的反演。

当测量空气中气溶胶等颗粒散射特性时，选择无需浸水或浸油的高数值孔径物镜，可任由气溶胶漂浮在空气中，使用小型风扇加速空气流动，使得不同的气溶胶能够通过测量区，其后向散射光被物镜收集。当颗粒需在液体中测量时，选择与液体折射率相近的浸水或浸油物镜，使用样品池8，颗粒分散在样品池中，物镜浸入在液体中，收集颗粒散射光。

ICCD探测器20用于测量微弱散射光，带有像增强功能，可连续采集图像，每采集一帧图像，计算图像总强度，若大于设定阈值，则进行下一步散射反演操作。由于微透镜阵列已将散射光聚焦，增加了像面处的光强，提高了测量的信噪比。微透镜阵列21尺寸需大于物镜孔径以收集全部散射光，阵列中微透镜数目由散射光角度分辨率决定。检偏器可以手动或者电动旋转。上位机通过串口向单片机发送命令，单片机发送脉冲给步进电机驱动器，驱动电机旋转。

半透半反棱镜3为非偏振分光棱镜，安装时基座需可以微调角度，使光路按照设计进入激光强度模块4和探测模块2。

激光强度模块4用于测量激光器出射的绝对光强，上位机每采集一幅ICCD图案，向激光强度模块4通过串口发送命令，激光强度模块4返回测量的光强信息，上位机进一步根据光强信息归一化ICCD图案。若测量光强超出实际测量所需，则通过激光器电源来调节光强。

升降机构5可手动或由运动控制器30电动调节，当光路完成调整后，测量出射光束分别为准直、聚焦及发散时升降机构的绝对位置并保存。实际测量中按照需求调整升降机构至相应位置。

高数值孔径物镜6，收集颗粒的后向散射光，调节光路时需保证物镜中心视场成像在ICCD中心处，以尽可能增加测量的视场范围。

由于物镜及微透镜阵列对不同角度光的透过率不同，需要对此加以标定。标定时使用不同尺寸的标准球形粒子，通过比较Mie散射理论结果及ICCD测量图案标定不同角度系统参数。

本发明在完成光路调节后，测量流程为：

关闭外部光源，打开激光器，开展预热，通过激光强度模块观察激光器输出是否达到稳定，稳定后可以开展测量；

若待测颗粒位于空气中，使用小型风扇加速空气流动；若位于液体中，将物镜浸入液体；

连续采集ICCD图案，首先获得无任何颗粒散射光时的背景图案，当图案总强度大于一定阈值时，表明有颗粒经过测量区，将其减去背景图案并使用激光强度模块的绝对光强进行归一化可获得颗粒散射光的实际图案，并对其进一步处理；

为了减少计算时间，通过将颗粒散射光图案与数据库中已知颗粒的图案进行比对，若两者相似度最高，则认为待测颗粒具有与已知颗粒一致的几何参数和光学参数。其中已知颗粒的数据库可通过使用Mie散射理论，T矩阵法或者时域有限差分法(FDTD)计算并使用照射光强归一化获得。由于待测颗粒散射光已经归一化，相似度可通过直接相减已知与待测颗粒图案，当减后图案每个像素强度差的平方和最小时认为相似度最高。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明采用微透镜阵列分割孔径，不同微透镜对应于不同角度的散射光，可以测量任意一个或多个非球形颗粒的散射特性。微透镜阵列可以准确定位颗粒的三维位置，修正因位置不同引起的角度变化，无需使用共焦探测，同时通过微透镜聚焦散射光对颗粒成像，可以在ICCD成像平面上区分不同的颗粒，克服了测量区内有两个或多个颗粒引起反演错误的缺陷。

此外，成像部分使用ICCD作为探测器，克服了使用多个点探测器时难以保证一致性的缺陷，速度快，能够在线测量。同时，通过使用高数值孔径物镜的方式可以收集大角度后向散射光，提高了散射反演的精度。

上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本申请限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本申请的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (9)

1.一种基于微透镜阵列的光散射特性测量装置，其特征在于，所述装置包括照明模块、探测模块、半透半反棱镜、激光强度模块、升降机构、物镜、待测颗粒、样品池、上位机及运动控制器，其中，所述照明模块产生的激光通过所述半透半反棱镜进入所述物镜，并根据所述照明模块和所述物镜的位置关系，生成对应类型的光束；所述光束作用于位于所述样品池中的所述待测颗粒，生成后向散射光；所述后向散射光依次通过所述物镜和所述半透半反棱镜后进入所述探测模块；所述探测模块根据接收所述后向散射光的微透镜孔径，确定所述后向散射光对应的散射角度。

2.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的光散射特性测量装置，其特征在于，所述照明模块中包括固体激光器、整形透镜以及起偏器，其中，所述整形透镜用于改变进入所述物镜的激光的发散角度并控制所述物镜出射光的发散角度；所述起偏器受控于所述运动控制器，以调整旋转角度。

3.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的光散射特性测量装置，其特征在于，所述探测模块包括ICCD探测器、微透镜阵列以及检偏器，其中，所述检偏器受控于所述运动控制器，以调整旋转角度；所述微透镜阵列用于分割所述物镜的孔径，其中每个微透镜对应一个散射角度区间。

4.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的光散射特性测量装置，其特征在于，所述激光强度模块包括光电二极管、放大电路、模数转换电路以及通信串口，其中，所述光电二极管用于将经过所述半透半反棱镜的激光转换为电信号，所述电信号经过所述放大电路和所述模数转换电路后通过所述通信串口与所述上位机相连。

5.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的光散射特性测量装置，其特征在于，所述上位机包括用于获取ICCD探测器图像的图像采集模块、用于读取所述激光强度模块读数的通信模块、用于与所述运动控制器相连的运动控制模块、用于分割待测颗粒图像并确定待测颗粒三维位置的定位模块、用于反演待测颗粒的散射特性的散射匹配模块以及用于保存数据及配置参数的文件模块。

6.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的光散射特性测量装置，其特征在于，所述照明模块中的起偏器、所述探测模块中的检偏器以及所述升降机构均包括步进电机，所述运动控制器包括与各个步进电机相对应的步进电机驱动器。

7.一种基于微透镜阵列的光散射特性测量方法，其特征在于，所述方法包括：

照明模块产生的激光通过半透半反棱镜进入物镜，并根据所述照明模块和所述物镜的位置关系，生成对应类型的光束；

所述光束作用于位于样品池中的待测颗粒，生成后向散射光；

所述后向散射光依次通过所述物镜和所述半透半反棱镜后进入探测模块；

所述探测模块根据接收所述后向散射光的微透镜孔径，确定所述后向散射光对应的散射角度。

8.根据权利要求7所述的基于微透镜阵列的光散射特性测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

若待测颗粒位于空气中，使用风扇加速空气流动；若所述待测颗粒位于液体中，将所述物镜浸入所述液体中。

9.根据权利要求7所述的基于微透镜阵列的光散射特性测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取无任何颗粒散射光时的背景图案的光强；

当ICCD探测器采集的图像的光强大于预设阈值时，将大于预设阈值的光强减去背景图案的光强，得到光强差；

使用激光强度模块的绝对光强对所述光强差进行归一化，获得与所述待测颗粒的散射光相对应的实际图案。