一种测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置及方法
【专利摘要】一种测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置及方法，其中光源发出的光经过后向散射光接收透镜后入射到待测悬浮颗粒物上，产生前向散射光和后向散射光，经过前向散射光接收透镜的前向散射光由前向散射光探测模块探测，经过后向散射光接收透镜的后向散射光由后向散射光探测模块探测，由此获得颗粒物的二维光散射角度分布，二维光散射角度分布包括前向散射光探测模块和后向散射光探测模块一起所能够探测到的颗粒物的散射角的覆盖范围，以及对应于不同散射角的方位角的覆盖范围。本发明可在大角度范围内测量悬浮颗粒物的光散射二维角度分布，为获得悬浮颗粒物更多、更全面的信息提供可能。
【专利说明】
一种测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置及方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置及方法。
【背景技术】
[0002]我们生活在悬浮颗粒物的包围之中。在我们赖以生存的环境中，到处悬浮着大大小小的颗粒物。在空气中悬浮着灰尘、花粉、水汽等;在湖泊、海洋水体中悬浮着水藻、细菌、有机或者无机沉积物等。探测悬浮颗粒物与环境监测、生态研究等息息相关。比如，最近困扰我国城市空气质量的雾霾，测量PM2.5(粒径小于2.5微米的颗粒量)的技术为空气质量的检测、污染控制等提供了重要指标。比如，海洋浮游植物占据全球一半以上的初级生产力，研究海洋生态、渔业资源必须测量这些悬浮在海水中的浮游植物。
[0003]光学方法因为其无损、非接触、分辨率高等优势而广泛应用于悬浮颗粒物的检测。光散射方法是一种主动照明的测量方法，它利用了散射强度和偏振的角度、光谱特征与悬浮颗粒物的形态与大小紧密相关的优势，近年来受到越来越多的重视。比如国内中科院南海所的曹文熙团队通过建模和计算海藻的光散射分布，发现了海藻的吸收、散射等固有光学量以及大小、结构等几何特征。美国sequoia公司推出的LISST系列产品，通过测量前向0.08-15°范围内的散射角分布，获得悬浮颗粒1.25-200微米范围内的粒径分布。目前市场上中兴仪器公司开发了气溶胶检测技术，测量气溶胶的多个分立角度的强度，得到气溶胶的大小、吸收系数等指标，从而为溯源提供技术支撑。
[0004]目前的技术，大多只利用小角度范围甚至分立角度的散射光，来获得悬浮颗粒物的单一光学或几何特征。但是这些技术面临的困难在于，根据有限的数据往往造成误判，为数据解读带来困难。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置及方法，能够在大角度范围内测量悬浮颗粒物的光散射二维角度分布，为获得悬浮颗粒物更多、更全面的信息提供了可能性。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0007]—种测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置，包括光源、后向散射光接收透镜、前向散射光接收透镜、后向散射光探测模块、以及前向散射光探测模块，所述光源发出的光经过所述后向散射光接收透镜后入射到样品池中的待测悬浮颗粒物上，产生射向所述前向散射光接收透镜的前向散射光和射向所述后向散射光接收透镜的后向散射光，经过所述前向散射光接收透镜的所述前向散射光由所述前向散射光探测模块探测，经过所述后向散射光接收透镜的所述后向散射光由所述后向散射光探测模块探测，由此获得所述颗粒物的二维光散射角度分布，所述二维光散射角度分布包括所述前向散射光探测模块和所述后向散射光探测模块一起所能够探测到的所述颗粒物的散射角的覆盖范围，以及对应于不同散射角的方位角的覆盖范围。
[0008]进一步地:
[0009 ]所述后向散射光探测模块包括分束镜与后向散射接收器，所述后向散射接收器包括后向散射光会聚透镜和第一探测器，所述分束镜位于所述光源和所述后向散射光接收透镜之间，所述光源发出的光先透射过所述分束镜再入射到所述后向散射光接收透镜，经过所述后向散射光接收透镜的所述后向散射光在所述分束镜上发生反射，反射的所述后向散射光经过所述后向散射光会聚透镜后以离焦方式投射到所述第一探测器。
[0010]所述前向散射光探测模块包括前向散射光会聚透镜和第二探测器，经过所述前向散射光接收透镜的所述前向散射光入射到所述前向散射光会聚透镜，经过所述前向散射光会聚透镜后以离焦方式投射到所述第二探测器。
[0011]还包括设置在所述前向散射光接收透镜与所述前向散射光探测模块之间的光阑，所述光阑遮挡前向散射角小于预定角度Θ0的光以避免其被所述前向散射光探测模块接收到。
[0012]所述后向散射光接收透镜可收集光线的半角为0b，覆盖的后向散射角的范围是[180°-2*0b，180°]，所述前向散射光接收透镜可收集光线的半角为0f，覆盖的前向散射角的范围是[Θ0，2*θ?.]。
[0013]半角0b= 0f = 45°，所述前向散射光探测模块连同所述后向散射光探测模块对所述颗粒物的散射角的覆盖范围为[Θ0，180° ]。
[0014]还包括设置在所述第一探测器前的小孔光路结构，所述小孔光路结构使得处于样品池中的预定位置处的待测悬浮颗粒物对所述第一探测器探测的散射光的贡献不低于预定程度，优选地，所述小孔光路结构包括具有小孔的遮光板以及位于所述遮光板与所述第一探测器之间的小孔光线会聚透镜，所述小孔在所述遮光板上的位置与所述待测悬浮颗粒物所处的位置相对应。
[0015]还包括设置在所述第二探测器前的小孔光路结构，所述小孔光路结构使得处于样品池中的预定位置处的待测悬浮颗粒物对所述第二探测器探测的散射光的贡献不低于预定程度，优选地，所述小孔光路结构包括具有小孔的遮光板以及位于所述遮光板与所述第二探测器之间的小孔光线会聚透镜，所述小孔在所述遮光板上的位置与所述待测悬浮颗粒物所处的位置相对应。
[0016]所述光源为激光光源，所述后向散射光探测模块与所述前向散射光探测模块均采用CCD，至少在所述前向散射光探测模块的CCD前使用分布式衰减片，以增大CCD的动态范围。
[0017]—种测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的方法，使用所述的测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置进行悬浮颗粒物二维光散射角度分布的测量，其中所述光源发出的光经过所述后向散射光接收透镜后入射到样品池中的待测悬浮颗粒物上，产生射向所述前向散射光接收透镜的前向散射光和射向所述后向散射光接收透镜的后向散射光，经过所述前向散射光接收透镜的所述前向散射光由所述前向散射光探测模块探测，经过所述后向散射光接收透镜的所述后向散射光由所述后向散射光探测模块探测，由此获得所述颗粒物的二维光散射角度分布，所述二维光散射角度分布包括所述前向散射光探测模块和所述后向散射光探测模块一起所能够探测到的所述颗粒物的散射角的覆盖范围，以及对应于不同散射角的方位角的覆盖范围。
[0018]本发明的有益效果:
[0019]本发明提出一种测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置及方法，通过后向散射光接收透镜使光线斜入射照明样品，可通过具有预定的大数值孔径的后向散射光接收透镜和前向散射光接收透镜，从而可收集大角度范围的前向散射光和后向散射光，进而能够在大角度范围内测量悬浮颗粒物的光散射二维角度分布，增加测量数据量，从而为获得悬浮颗粒物更多、更全面的信息提供了可能性。本发明的优点是可实现大范围的二维角度分布测量，并且可实现同时测量，尤其是用于单个悬浮颗粒的测量。
【附图说明】
[0020]图1为散射角Θ和方位角φ的定义示意图。
[0021]图2为本发明的原理不意图。
[0022]图3所示为图2所示原理所覆盖的二维角度范围。
[0023]图4为本发明一种实施例的装置结构示意图。
[0024]图5为本发明一种具体实施例的装置结构示意图。
[0025]图6为本发明优选实施例中的小孔光路结构示意图。
[0026]图7a和图7b为利用装置测量5微米大小的高分子球的后向(a)和前向(b)散射图。
【具体实施方式】
[0027]以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0028]参阅图1至图5，在一种实施例中，一种测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置，包括光源1、后向散射光接收透镜L1、前向散射光接收透镜L2、后向散射光探测模块、以及前向散射光探测模块，所述光源I发出的光经过所述后向散射光接收透镜LI后入射到样品池5中的待测悬浮颗粒物上，产生射向所述前向散射光接收透镜L2的前向散射光和射向所述后向散射光接收透镜LI的后向散射光，经过所述前向散射光接收透镜L2的所述前向散射光由所述前向散射光探测模块探测，经过所述后向散射光接收透镜LI的所述后向散射光由所述后向散射光探测模块探测，由此获得所述颗粒物的二维光散射角度分布，所述二维光散射角度分布包括所述前向散射光探测模块和所述后向散射光探测模块一起所能够探测到的所述颗粒物的散射角的覆盖范围，以及对应于不同散射角的方位角的覆盖范围。
[0029]参阅图4和图5，在一种优选实施例中，所述后向散射光探测模块包括分束镜2与后向散射接收器，后向散射接收器包括后向散射光会聚透镜和第一探测器3，所述分束镜2位于所述光源I和所述后向散射光接收透镜LI之间，所述光源I发出的光先透射过所述分束镜2再入射到所述后向散射光接收透镜LI，经过所述后向散射光接收透镜LI的所述后向散射光在所述分束镜2上发生反射，反射的所述后向散射光经过后向散射光会聚透镜后以离焦方式投射到所述第一探测器3，即聚焦的像点在探测器(如相机)的前面或者后面，这样就将二维分布的散射光投射到探测器上。
[0030]参阅图4和图5，在一种优选实施例中，所述前向散射光探测模块包括前向散射光会聚透镜和第二探测器4，经过所述前向散射光接收透镜L2的所述前向散射光入射到所述前向散射光会聚透镜，经过所述前向散射光会聚透镜后以离焦方式投射到所述第二探测器4。
[0031]参阅图5，在一种优选实施例中，装置还包括设置在所述前向散射光接收透镜L2与所述前向散射光探测模块之间的光阑6，所述光阑6遮挡前向散射角小于预定角度Θ0的光以避免其被所述前向散射光探测模块接收到。
[0032]在进一步的实施例中，所述后向散射光接收透镜LI可收集光线的半角为0b，覆盖的后向散射角的范围是[180°-2*0b，180°]，所述前向散射光接收透镜L2可收集光线的半角为时，覆盖的前向散射角的范围是[Θ0，2*0f ]。较佳地，如半角0b = 9f = 45°，所述前向散射光探测模块连同所述后向散射光探测模块对所述颗粒物的散射角的覆盖范围为[Θ0，180°]。
[0033]参阅图6，在一种优选实施例中，装置还包括设置在所述第一探测器3前的小孔光路结构，所述小孔光路结构使得处于样品池5中的预定位置处的待测悬浮颗粒物对所述第一探测器3探测的散射光的贡献不低于预定程度。更优选地，所述小孔光路结构包括具有小孔的遮光板以及位于所述遮光板与所述第一探测器3之间的小孔光线会聚透镜，所述小孔在所述遮光板上的位置与所述待测悬浮颗粒物所处的位置相对应。
[0034]参阅图6，在一种优选实施例中，装置还包括设置在所述第二探测器4前的小孔光路结构，所述小孔光路结构使得处于样品池5中的预定位置处的待测悬浮颗粒物对所述第二探测器4探测的散射光的贡献不低于预定程度。更优选地，所述小孔光路结构包括具有小孔的遮光板7以及位于所述遮光板7与所述第二探测器4之间的小孔光线会聚透镜L6，所述小孔在所述遮光板7上的位置与所述待测悬浮颗粒物所处的位置相对应。
[0035]所述光源I可为激光光源，所述后向散射光探测模块与所述前向散射光探测模块均采用CCD进行探测。光探测模块也可以采用CMOS相机进行探测。
[0036]优选地，至少在所述前向散射光探测模块的CCD前使用分布式衰减片，以增大CCD
的动态范围。
[0037]在另一种实施例中，一种测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的方法，使用所述的测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置进行悬浮颗粒物二维光散射角度分布的测量，其中所述光源I发出的光经过所述后向散射光接收透镜LI后入射到样品池5中的待测悬浮颗粒物上，产生射向所述前向散射光接收透镜L2的前向散射光和射向所述后向散射光接收透镜LI的后向散射光，经过所述前向散射光接收透镜L2的所述前向散射光由所述前向散射光探测模块探测，经过所述后向散射光接收透镜LI的所述后向散射光由所述后向散射光探测模块探测，由此获得所述颗粒物的二维光散射角度分布，所述二维光散射角度分布包括所述前向散射光探测模块和所述后向散射光探测模块一起所能够探测到的所述颗粒物的散射角的覆盖范围，以及对应于不同散射角的方位角的覆盖范围。
[0038]以下结合附图对本发明的具体实施例进行进一步说明。
[0039]如图1所示，散射角Θ为Z向入射光与散射光线A之间的夹角，变化范围从0°到180°，以入射光方向Z按照右手定则形成图1中的XYZ三维空间，散射光在X-Y面内的投影与X方向的夹角为方位角Φ，它的变化范围为0°到360°。
[0040]如图2所示，图中入射光经过后向散射光接收透镜LI后，斜入射到样品池中，照明颗粒物0，后向散射光被后向散射光接收透镜LI收集，前向散射光被前向散射光接收透镜L2收集，最终被面探测器(比如CCD)接收。由于0°散射光与未散射光在同一个方向上，为了消除未散射光的影响，我们利用一个光阑挡住，而只有散射角大于Θ0的光才会被探测器接收至|J。若后向散射光接收透镜LI可以收集光线的半角为0b，那么后向散射角的范围是[180°-2*0b，180°]，同样的，若前向散射光接收透镜L2可以收集光线的半角为0f，那么前向散射角的范围是[Θ0，2*θ?.]。因此，我们可以看到，若0b = 0f = 45°，那么就可以实现散射角在[Θ0，180° ]范围内的接收一一这即是大角度范围。
[0041]若我们假设0b= 0f = 45°，0O = O，则如图3显示了图2装置所覆盖的二维角度(Θ，Φ)的范围。从图3中可以看出，图2装置可以覆盖Θ的全范围，g卩[0，180°];而后向散射光接收透镜LI和前向散射光接收透镜L2同时接收方位角Φ，并且对于前向而言，在θ = 0°时Φ覆盖范围最大，包括[270°，360°]以及[0，90°]，而在0 = 90°时巾的范围趋于0。对于后向而言，后向散射光接收透镜LI可以接收的Φ范围在θ = 180°时，Φ覆盖范围最大，包括[90°，270° ];而在Θ = 180°时Φ范围最小减到O。总而言之，我们利用图2的原理，可以获得(θ，φ )的分布。一一这即获得二维角度分布。
[0042]此外，由于后向散射光接收透镜LI和前向散射光接收透镜L2同时收集散射光，若控制两端的面接收器同步工作，那么就可以同时获得悬浮颗粒O散射光的大范围二维角度分布。一一这即实现同时测量。
[0043]实例
[0044]如图4所不，光源提供有限宽度的平行光，分束镜将后向散射光反射，并与入射光分离。入射光经过后向散射光接收透镜，以斜入射的方式照明样品，前向的散射光被前向散射光接收透镜收集，然后被前向散射光探测模块接收。后向的散射光被后向散射光接收透镜收集，经分束镜反射后，被后向散射接收器接收。可由激光提供光源，后向散射光探测模块与前向散射光探测模块均采用CCD进行探测。
[0045]作为一个例子，我们将5微米的高分子微球悬浮在样品池的水中，利用装置进行测量，得到图7a和图7b，其中图7a是后向散射图，图7b是前向散射图，它们是同一个颗粒的，经过同时测量得到。图7a和图7b中的每一个条纹对应同一个Θ，沿着条纹上不同位置是不同的Φ。图7a中最左边条纹对应的Θ是90°，最右边条纹对应的Θ是180度，而图7b中，最左边条纹对应的Θ是0°，最右边条纹对应的Θ是90° ο图7a和图7b所示散射斑图中，在Θ = 0°和180°时，Φ覆盖180° ;在0 = 45°或135°时，Φ覆盖90° ;在0 = 90°时，Φ的范围趋于O。
[0046]需要说明的是，在图7b上被分成三块区域，是因为在CCD前使用了分布式衰减片，这样可以增大CCD的动态范围。
[0047]以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置，其特征在于，包括光源、后向散射光接收透镜、前向散射光接收透镜、后向散射光探测模块、以及前向散射光探测模块，所述光源发出的光经过所述后向散射光接收透镜后入射到样品池中的待测悬浮颗粒物上，产生射向所述前向散射光接收透镜的前向散射光和射向所述后向散射光接收透镜的后向散射光，经过所述前向散射光接收透镜的所述前向散射光由所述前向散射光探测模块探测，经过所述后向散射光接收透镜的所述后向散射光由所述后向散射光探测模块探测，由此获得所述颗粒物的二维光散射角度分布，所述二维光散射角度分布包括所述前向散射光探测模块和所述后向散射光探测模块一起所能够探测到的所述颗粒物的散射角的覆盖范围，以及对应于不同散射角的方位角的覆盖范围。2.如权利要求1所述的测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置，其特征在于，所述后向散射光探测模块包括分束镜与后向散射接收器，所述后向散射接收器包括后向散射光会聚透镜和第一探测器，所述分束镜位于所述光源和所述后向散射光接收透镜之间，所述光源发出的光先透射过所述分束镜再入射到所述后向散射光接收透镜，经过所述后向散射光接收透镜的所述后向散射光在所述分束镜上发生反射，反射的所述后向散射光经过所述后向散射光会聚透镜后以离焦方式投射到所述第一探测器。3.如权利要求1所述的测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置，其特征在于，所述前向散射光探测模块包括前向散射光会聚透镜和第二探测器，经过所述前向散射光接收透镜的所述前向散射光入射到所述前向散射光会聚透镜，经过所述前向散射光会聚透镜后以离焦方式投射到所述第二探测器。4.如权利要求1至3任一项所述的测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置，其特征在于，还包括设置在所述前向散射光接收透镜与所述前向散射光探测模块之间的光阑，所述光阑遮挡前向散射角小于预定角度Θ0的光以避免其被所述前向散射光探测模块接收到。5.如权利要求4所述的测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置，其特征在于，所述后向散射光接收透镜可收集光线的半角为0b，覆盖的后向散射角的范围是[180°-2*0b，180°]，所述前向散射光接收透镜可收集光线的半角为0f，覆盖的前向散射角的范围是[Θ0，2*0f]o6.如权利要求5所述的测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置，其特征在于，半角0b = 0f = 45°，所述前向散射光探测模块连同所述后向散射光探测模块对所述颗粒物的散射角的覆盖范围为[Θ0，180° ]。7.如权利要求2所述的测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置，其特征在于，还包括设置在所述第一探测器前的小孔光路结构，所述小孔光路结构使得处于样品池中的预定位置处的待测悬浮颗粒物对所述第一探测器探测的散射光的贡献不低于预定程度，优选地，所述小孔光路结构包括具有小孔的遮光板以及位于所述遮光板与所述第一探测器之间的小孔光线会聚透镜，所述小孔在所述遮光板上的位置与所述待测悬浮颗粒物所处的位置相对应。8.如权利要求3所述的测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置，其特征在于，还包括设置在所述第二探测器前的小孔光路结构，所述小孔光路结构使得处于样品池中的预定位置处的待测悬浮颗粒物对所述第二探测器探测的散射光的贡献不低于预定程度，优选地，所述小孔光路结构包括具有小孔的遮光板以及位于所述遮光板与所述第二探测器之间的小孔光线会聚透镜，所述小孔在所述遮光板上的位置与所述待测悬浮颗粒物所处的位置相对应。9.如权利要求1至3任一项所述的测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置，其特征在于，所述光源为激光光源，所述后向散射光探测模块与所述前向散射光探测模块均采用CCD，至少在所述前向散射光探测模块的CCD前使用分布式衰减片，以增大CCD的动态范围。10.—种测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的方法，其特征在于，使用如权利要求1-9任一项中所述的测量悬浮颗粒物的二维光散射角度分布的装置进行悬浮颗粒物二维光散射角度分布的测量，其中所述光源发出的光经过所述后向散射光接收透镜后入射到样品池中的待测悬浮颗粒物上，产生射向所述前向散射光接收透镜的前向散射光和射向所述后向散射光接收透镜的后向散射光，经过所述前向散射光接收透镜的所述前向散射光由所述前向散射光探测模块探测，经过所述后向散射光接收透镜的所述后向散射光由所述后向散射光探测模块探测，由此获得所述颗粒物的二维光散射角度分布，所述二维光散射角度分布包括所述前向散射光探测模块和所述后向散射光探测模块一起所能够探测到的所述颗粒物的散射角的覆盖范围，以及对应于不同散射角的方位角的覆盖范围。
【文档编号】G01N15/02GK105954154SQ201610277996
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】廖然, 欧学桁, 陶益
【申请人】清华大学深圳研究生院