可垂直校准像面与光轴的变倍显微颗粒轨迹方法与装置与流程

本发明属于纳米颗粒粒径测量领域，主要涉及一种实现纳米颗粒轨迹跟踪的方法与装置。

背景技术：

纳米材料在材料、生物、医药、环保、化工、冶金及建筑等领域中所表现出的特性与其颗粒浓度及粒径分布情况密切相关。纳米颗粒的测量技术受到越来越多的重视，对改进材料产品质量、生物医药及控制环境污染等领域有着重大的经济意义和深远的社会意义。纳米颗粒跟踪分析法（nta法）是2006年刚刚商业化的颗粒粒径测量方法，该方法基于激光照明显微技术，通过固定波长激光照明和一定放大倍率电耦合元件（ccd）摄像头显微成像颗粒散射光实时影像，跟踪和分析检测区域内每个颗粒的布朗运动轨迹，再利用stokes-einstein公式计算每个颗粒的颗粒粒径。目前，已有超过150个国外实验室采用此法开展纳米颗粒测量的相关研究。

使用固定放大倍率的nta法进行纳米颗粒粒径测量时，如果材料的颗粒粒径小折光率小，较小的放大倍率，会造成成像光点小，不易进行成像颗粒质心定位和轨迹跟踪，因此需要增大显微成像，而当材料的颗粒粒径大折光率大时，较大的放大倍率会使获得的成像颗粒数目较少，观察跟踪的样本量少，而且轨迹跟踪的范围小，使颗粒粒径分布的测量统计结果不准确。因此，变放大倍率的nta法是进行纳米颗粒粒径测量的一种必要的方式。显微成像时要求透镜光轴与像面垂直，在nta法进行纳米颗粒粒径测量时，如果光轴与像面不垂直不仅会造成轨迹跟踪时的几何误差，而且会影响颗粒成像质量导致颗粒成像质心提取不准确，从而增大轨迹跟踪误差。

目前显微成像时变放大倍率的实现主要是通过对变焦透镜组进行移动，在实现变焦的同时实现变倍，透镜组在镜筒内沿导槽进行往返运动以实现变焦过程，移动过程中光轴的俯仰偏摆，即透镜组的俯仰偏摆只能依靠导槽的机械加工精度对其进行抑制，一般可认为透镜组在镜筒内沿导槽进行往返运动不会引起光轴的变动，但随着使用时间的增长，往返运动必然会导致导槽磨损，从而引起光轴的俯仰偏摆无法得到有效抑制。

技术实现要素：

针对上述显微成像时光轴改变和放大倍率不准确的问题，本发明提出和研发了可垂直校准像面与光轴的变倍显微颗粒轨迹方法与装置，该发明保证光轴与ccd探测器成像面垂直的同时，还能得到在不同位移位置时的显微放大倍率。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种可垂直校准像面与光轴的变倍显微颗粒轨迹方法，该方法步骤如下：

（1）光纤式激光头输出高斯光束，该高斯光束入射第一块分光镜，被第一块分光镜反射的高斯光束经与第一块分光镜等厚的镜块后入射到光斑位置探测器ⅰ上，透射过第一块分光镜的高斯光束，入射进空心角锥内，经空心角锥反射后，入射第二块分光镜，被第二块分光镜反射的高斯光束入射到光斑位置探测器ⅱ上，透射过第二块分光镜的高斯光束，经凸透镜后入射进与凸透镜光轴垂直相交的ccd探测器成像面上；

（2）上述分光镜、与第一块分光镜等厚的镜块、光斑位置探测器以及空心角锥都固定在长方体基板上，从而构成了可以探测入射光束方向向量的双光斑位置探测单元，因此可以得到双光斑位置探测单元所决定坐标系内入射其中的高斯光束单位方向向量(，，)，该单位方向向量测量表达式为，，，其中，和为光斑在光斑位置探测器ⅰ和ⅱ探测面上的位置值，而、和为已知的参数常量，(compensationoferrorsduetoincidentbeamdriftina3dofmeasurementsystemforlinearguidemotion.opticsexpress,2015,23(22))；

（3）通过光纤式激光头的姿态调节台调节光纤式激光头的俯仰和偏摆，使其出射的高斯光束单位方向向量为(-1，0，0)，然后，将光纤式激光头及其姿态调节台、ccd探测器和转接固定板组成的成像端单元从长方体基板侧面拆下，安装到与位移运动台连接的六自由度微动调节台上，并且使光纤式激光头出射的高斯光束重新入射进双光斑位置探测单元并被探测到其单位方向向量，根据测量得到的单位方向向量，调节六自由度微动调节台，从而使光纤式激光头出射的高斯光束单位方向向量重新为(-1，0，0)，并且使ccd探测器成像面上入射光斑的中心位置与拆装前相同，位移运动台可以沿x坐标轴方向做往返运动，在每次位移运动后，因位移运动造成的成像端单元俯仰偏摆以及偏移引起的高斯光束单位方向向量和ccd探测器成像面上入射光斑中心位置的改变，都通过该六自由度微动调节台的调节对其进行回位补偿，位移运动台的运动位移范围内能实现凸透镜中心与ccd探测器成像面距离小于等于凸透镜的焦距，也能实现凸透镜中心与ccd探测器成像面距离大于，位移运动台到达某位移位置后，ccd探测器成像面上入射光斑的半径记为，并记其最小值为；

（4）由高斯光束束腰定义可知为经过凸透镜后高斯光束的束腰半径，ccd探测器成像面与凸透镜中心距离为像距，它与、关系式为，其中，为高斯光束波长，因此，当位移运动台运动到某位置后，通过该位置得到的，便可以计算得到像距；

（5）位移运动台运动到像距大于某位置，将盛有纳米颗粒的样品池放置在凸透镜下方，为了能显微成像样品池中纳米颗粒，根据透镜显微成像时透镜焦距、像距和物距关系式，需要实现样品池上端水平面与凸透镜中心距离小于，即物距位置点处于样品池上端水平面下方，然后，在样品池下方放置折光平面镜组，使高斯光束从样品池侧面入射进样品池中照射其中的纳米颗粒，并保证透射出样品池的高斯光束不与凸透镜和ccd探测器成像面发生光学作用，最后，便可以通过凸透镜与ccd探测器在放大倍率下显微成像观察和测量样品池中距离凸透镜中心位置处的纳米颗粒运动轨迹，位移运动台位移运动至像距大于的不同位置对应不同的放大倍率，从而实现了变倍显微颗粒轨迹跟踪分析。

一种可垂直校准像面与光轴的变倍显微颗粒轨迹装置，第一块分光镜、与第一块分光镜等厚的镜块、光斑位置探测器ⅰ、空心角锥、第二块分光镜和光斑位置探测器ⅱ都固定在长方体基板上构成了双光斑位置探测单元，光斑位置探测器ⅰ和光斑位置探测器ⅱ分别与长方体基板两对称侧面固定，光斑位置探测器成像面与两对称侧面平行，长方体基板另外两对称侧面分别固定空心角锥和成像端单元，第一块分光镜与第二块分光镜的光学分光面共面，并且两分光镜奇对称固定，两分光镜的光学分光面与长方体基板的水平面垂直，与第一块分光镜等厚的镜块位于第一块分光镜与光斑位置探测器ⅰ之间，与第一块分光镜等厚的镜块参与光学作用的光学面与长方体基板的水平面垂直，双光斑位置探测单元所决定的右手坐标系原点为空心角锥角点，其x坐标轴与长方体基板水平面平行并指向成像端单元；位于姿态调节台上的光纤式激光头所输出的高斯光束，可入射进双光斑位置探测单元，可被探测其光束方向向量；凸透镜在长方体基板上靠近成像端单元位置固定，其光轴与长方体基板水平面平行；光纤式激光头旁边配置ccd探测器，ccd探测器不干涉光纤式激光头的姿态调节，并且姿态调节台和ccd探测器固定在转接固定板上，姿态调节台、光纤式激光头、ccd探测器和转接固定板组成了成像端单元，该成像端单元通过转接固定板可固定在长方体基板侧面，也可固定在六自由度微动调节台上；当成像端单元固定在长方体基板上时ccd探测器成像面与凸透镜光轴垂直相交，并且ccd探测器成像面与凸透镜中心距离小于等于凸透镜的焦距；六自由度微动调节台连接在可沿双光斑位置探测单元所决定的x坐标轴方向运动的位移运动台上；纳米颗粒的样品池放置在凸透镜下方，在样品池下方放置折光平面镜组，使高斯光束从样品池侧面入射进样品池中，并保证透射出样品池的高斯光束不与凸透镜和ccd探测器成像面发生光学作用。

本发明具有以下特点及良好效果：

位移台运动至不同位置，凸透镜与ccd探测器可在不同放大倍率下观察和测量纳米颗粒运动轨迹，通过得到的光束方向向量指导六自由度微动调节台对位移引起的成像端单元姿态改变进行姿态回位调节，保证光轴与ccd探测器成像面垂直的同时，还能得到在不同位移位置时的显微放大倍率。

附图说明

图1为可垂直校准像面与光轴的变倍显微颗粒轨迹装置固定状态时的示意图

图2为可垂直校准像面与光轴的变倍显微颗粒轨迹装置运行状态时的示意图

图中：1第一块分光镜、2与第一块分光镜等厚的镜块、3光斑位置探测器ⅰ、4空心角锥、5第二块分光镜、6光斑位置探测器ⅱ、7长方体基板、8姿态调节台、9光纤式激光头、10凸透镜、11ccd探测器、12转接固定板、13六自由度微动调节台、14位移运动台、15样品池、16折光平面镜组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

一种可垂直校准像面与光轴的变倍显微颗粒轨迹装置，第一块分光镜1、与第一块分光镜等厚的镜块2、光斑位置探测器ⅰ3、空心角锥4、第二块分光镜5和光斑位置探测器ⅱ6都固定在长方体基板7上构成了双光斑位置探测单元，光斑位置探测器ⅰ3和光斑位置探测器ⅱ6分别与长方体基板7两对称侧面固定，光斑位置探测器成像面与两对称侧面平行，长方体基板7另外两对称侧面分别固定空心角锥4和成像端单元，第一块分光镜1与第二块分光镜5的光学分光面共面，并且两分光镜奇对称固定，两分光镜的光学分光面与长方体基板7的水平面垂直，与第一块分光镜等厚的镜块2位于第一块分光镜1与光斑位置探测器ⅰ3之间，与第一块分光镜等厚的镜块2参与光学作用的光学面与长方体基板7的水平面垂直，双光斑位置探测单元所决定的右手坐标系原点为空心角锥4角点，其x坐标轴与长方体基板7水平面平行并指向成像端单元；位于姿态调节台8上的光纤式激光头9所输出的高斯光束，可入射进双光斑位置探测单元，可被探测其光束方向向量；凸透镜10在长方体基板7上靠近成像端单元位置固定，其光轴与长方体基板7水平面平行；光纤式激光头9旁边配置ccd探测器11，ccd探测器11不干涉光纤式激光头9的姿态调节，并且姿态调节台8和ccd探测器11固定在转接固定板12上，姿态调节台8、光纤式激光头9、ccd探测器11和转接固定板12组成了成像端单元，该成像端单元通过转接固定板12可固定在长方体基板7侧面，也可固定在六自由度微动调节台13上；当成像端单元固定在长方体基板7上时ccd探测器11成像面与凸透镜10光轴垂直相交，并且ccd探测器11成像面与凸透镜（10）中心距离小于等于凸透镜10的焦距；六自由度微动调节台13连接在可沿双光斑位置探测单元所决定的x坐标轴方向运动的位移运动台14上；纳米颗粒的样品池15放置在凸透镜10下方，在样品池下方放置折光平面镜组16，使高斯光束从样品池15侧面入射进样品池15中，并保证透射出样品池15的高斯光束不与凸透镜10和ccd探测器11成像面发生光学作用。

所述的凸透镜10可以是任意焦距的凸透镜。

所述的折光平面镜组16可以是能使高斯光束从样品池15侧面入射进样品池15中，并保证透射出样品池15的高斯光束不与凸透镜10和ccd探测器11成像面发生光学作用的任意光学元件。

一种可垂直校准像面与光轴的变倍显微颗粒轨迹方法，该方法步骤如下：

（1）光纤式激光头9输出高斯光束，该高斯光束入射第一块分光镜1，被第一块分光镜1反射的高斯光束经与第一块分光镜等厚的镜块2后入射到光斑位置探测器ⅰ3上，透射过第一块分光镜1的高斯光束，入射进空心角锥4内，经空心角锥4反射后，入射第二块分光镜5，被第二块分光镜5反射的高斯光束入射到光斑位置探测器ⅱ6上，透射过第二块分光镜5的高斯光束，经凸透镜10后入射进与凸透镜10光轴垂直相交的ccd探测器11成像面上；

（2）上述分光镜1、2、5、与第一块分光镜等厚的镜块2、光斑位置探测器3、6以及空心角锥4都固定在长方体基板7上，从而构成了可以探测入射光束方向向量的双光斑位置探测单元，因此可以得到双光斑位置探测单元所决定坐标系内入射其中的高斯光束单位方向向量(，，)，该单位方向向量测量表达式为，，，其中，和为光斑在光斑位置探测器ⅰ3和ⅱ6探测面上的位置值，而、和为已知的参数常量，；

（3）通过光纤式激光头9的姿态调节台8调节光纤式激光头9的俯仰和偏摆，使其出射的高斯光束单位方向向量为(-1，0，0)，然后，将光纤式激光头9及其姿态调节台8、ccd探测器11和转接固定板12组成的成像端单元从长方体基板7侧面拆下，安装到与位移运动台14连接的六自由度微动调节台13上，并且使光纤式激光头9出射的高斯光束重新入射进双光斑位置探测单元并被探测到其单位方向向量，根据测量得到的单位方向向量，调节六自由度微动调节台13，从而使光纤式激光头9出射的高斯光束单位方向向量重新为(-1，0，0)，并且使ccd探测器11成像面上入射光斑的中心位置与拆装前相同，位移运动台14可以沿x坐标轴方向做往返运动，在每次位移运动后，因位移运动造成的成像端单元俯仰偏摆以及偏移引起的高斯光束单位方向向量和ccd探测器11成像面上入射光斑中心位置的改变，都通过该六自由度微动调节台13的调节对其进行回位补偿，位移运动台14的运动位移范围内能实现凸透镜10中心与ccd探测器11成像面距离小于等于凸透镜10的焦距，也能实现凸透镜10中心与ccd探测器11成像面距离大于，位移运动台到达某位移位置后，ccd探测器成像面上入射光斑的半径记为，并记其最小值为；

（4）由高斯光束束腰定义可知为经过凸透镜10后高斯光束的束腰半径，ccd探测器11成像面与凸透镜10中心距离为像距，它与、关系式为，其中，为高斯光束波长，因此，当位移运动台14运动到某位置后，通过该位置得到的，便可以计算得到像距；

（5）位移运动台14运动到像距大于某位置，将盛有纳米颗粒的样品池15放置在凸透镜10下方，为了能显微成像样品池15中纳米颗粒，根据透镜显微成像时透镜焦距、像距和物距关系式，需要实现样品池15上端水平面与凸透镜10中心距离小于，即物距位置点处于样品池15上端水平面下方，然后，在样品池15下方放置折光平面镜组16，使高斯光束从样品池15侧面入射进样品池15中照射其中的纳米颗粒，并保证透射出样品池15的高斯光束不与凸透镜10和ccd探测器11成像面发生光学作用，最后，便可以通过凸透镜10与ccd探测器11在放大倍率下显微成像观察和测量样品池15中距离凸透镜10中心位置处的纳米颗粒运动轨迹，位移运动台14位移运动至像距大于的不同位置对应不同的放大倍率，从而实现了变倍显微颗粒轨迹跟踪分析。