一種光掃描散射儀的製作方法
2023-06-13 12:45:11 2
專利名稱：一種光掃描散射儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及測試測量領域，尤其涉及一種用於空氣和/或水中顆粒物、微生物等測量的大範圍、高精度光掃描散射儀。
背景技術：
空氣與水體中的顆粒物和微生物直接關係人們的健康，空氣中的顆粒物和微生物可以通過呼吸道直接被人體所吸收，對人體造成傷害形成疾病，懸浮於水體中的顆粒物，隨水進入植物組織內，引起傷害；沉積在蔬菜或飼料植物的重金屬顆粒物，通過食物鏈進入人或動物的身體，海洋中的顆粒物和微生物則關係到海洋生態及海洋資源。對於這些顆粒物和微生物的測量，光學散射儀是一種有用儀器。測量空氣與水體中的顆粒物和微生物有以下特點，樣品體積大，所含顆粒物比較稀少。因此，精密測量的一項指標，就是能夠探測到儘可能小的濃度或密度。另外，由於要探測多種顆粒物，與顆粒物大小有關的角度分布應儘可能精密。在傳統的測量方法中，為了測量散射光的角分布，一種是採用多個固定的探測系統對固定光源在測量樣品中形成的散射光進行測量，但這種方式的角解析度差，探測的範圍有限；另一種則利用一旋轉探測臂帶動探測系統進行測量，這種儀器角解析度較第一種方式有一定改善，但仍遠未達到精密測量的要求，探測範圍仍然很小，且其裝置龐大，轉動速度慢，耗功率多，不適用於現場探測；還有一種是通過旋轉稜鏡接收固定光源的光再將其折射出去，旋轉稜鏡做的較大時重量會很大，轉動慣性就大，不能做大角度轉動，角解析度較差，所以稜鏡的體積受到限制，但稜鏡做的不夠大時會限制他的接收面積，使得接收的光也少，同樣不利於提聞精度。
發明內容
為了解決現有技術中角解析度差，探測範圍有限的缺點，本發明提供了以下的技術方案—種光掃描散射儀，其特徵是包括可轉動的掃描光源系統和與之配套的散射光接收系統，及對所接收散射光進行處理的信號處理系統，所述散射光接收系統還包括配合其進行角度濾波的濾光系統。本發明還可以採用以下的優選方式所述可轉動的掃描光源系統置於設有出射光窗的密封殼內，並對應所述出射光窗設置，所述出射光窗是平面光窗、弧面光窗或球面光窗；所述散射光接收系統包括光電轉換器和入射光窗。所述可轉動的掃描光源系統設有光強度調製裝置，可使出射光的強度隨時間做周期性變化。所述信號處理系統是用於將所述散射光接收系統接收的信號進行增強放大處理的信號處理器。
所述信號處理器包括依次連接的工頻阻隔器、窄帶帶通濾波器、數據機、低通濾波器以及模數轉換器，所述數據機用於把所接收的電信號轉移到高頻以減少噪音，所述模數轉換器用於將所述電信號轉換為數位訊號並輸出。所述濾光系統包括用於接收平行光的平行光濾光器，該平行光濾光器包括兩個透鏡及設置在兩者之間的狹縫；或用於接收一定角度範圍的光的濾光組件，該濾光組件置於所述球面光窗之後，包括配合所述球面光窗的魚眼鏡頭、第一、二、三透鏡和狹縫，所述魚眼鏡頭、第一透鏡、狹縫、第二狹縫和第三狹縫依次設置。該光掃描散射儀還包括設置在所述掃描光源的光束出射路徑上用於確定掃描光束的偏振態的第一偏振變換系統，和設置在所述濾光系統與所述信號處理系統之間的光路上用於確定經所述濾光系統過濾後的光的偏振態的第二偏振變換系統。在所述光源掃描系統的掃描光束出射的方向上先後設置兩個凸透鏡，所述兩個凸透鏡的光軸重合，所述掃描光源系統在所述兩個凸透鏡的寬度範圍內掃描。所述散射光接收系統有兩個以上，根據需要相互間垂直設置、平行設置或其它夾角設置，分別接收不同角度的散射光。所述可轉動的掃描光源系統有兩個以上。所述出射光窗上設置有可避免來自掃描光源系統的掃描光束直射到所述濾光系統的遮光板。本發明的有益效果是本發明的光掃描散射儀利用可轉動的掃描光源使得發出的光束在二維或者三維方向上做掃描，掃描範圍比較大，從而能夠擴大探測的範圍；又因為掃描光源本身體積重量等均較小，對掃描光源做轉動控制比較方便且容易實現精確控制，故該光掃描散射儀可實現較高的角解析度。
圖1是本發明一實施例的結構示意圖。圖2是本發明一實施例的系統框圖。圖3是本發明一實施例的可轉動的掃描光源示意圖。圖4是本發明一實施例的強度調節光源的光強隨時間變化圖。圖5是本發明出射光窗一種實施方式的不意圖。圖6是本發明出射光窗一種實施方式的示意圖。圖7是本發明一實施例的遮光板設置方式不意圖。圖8是本發明一實施例的掃描光線出射方向的凸透鏡布置方式示意圖。圖9是本發明一實施例的單角度散射光濾光器結構示意圖。圖10是本發明一實施例的多角度散射光濾光器結構示意圖。圖1lA是本發明一實施例的平面入射光窗側視圖。圖1lB是本發明一實施例的平面入射光窗正視圖。圖12A是本發明一實施例的球面入射光窗側視圖。圖12B是本發明一實施例的球面入射光窗正視圖。圖13是本發明一實施例的鎖相放大器結構示意圖。
圖14是本發明一實施例的計算機處理流程圖。圖15是本發明一實施例的可轉動的掃描光源掃描角度範圍不意圖。圖16是本發明可轉動的掃描光源和濾光系統一種架構布置方式示意圖。圖17是本發明可轉動的掃描光源和濾光系統一種架構布置方式示意圖。
具體實施例方式以下結合實施例並對照附圖對本發明作進一步詳細的說明。該光掃描散射儀包括可轉動的掃描光源系統和與之配套的散射光接收系統，及對所接收散射光進行處理的信號處理系統，所述散射光接收系統還包括配合其進行角度濾波的濾光系統7。其中,所述可轉動的掃描光源利用光源轉動形成二維或三維方向掃描的光束對待測樣品進行的掃描，並形成散射光，所述濾光系統7對所述散射光進行角度濾波，根據所要測量的角度範圍接收該範圍內的散射光，然後經過所述信號處理系統對光信號進行處理。如圖1和2所示，具體的，所述可轉動的掃描光源系統置於設有出射光窗4的密封殼內，並對應所述出射光窗4設置，所述可轉動的掃描光源系統包括光源部件2以及驅動所述光源部件2做轉動掃描的驅動裝置1，所述光源部件2可以選擇雷射產生裝置、光纖頭以及LED光源產生裝置中的任意一種，只要光源的方向性好即可。所述驅動裝置I為旋轉電機101，如圖3所示，所述光源部件2置於所述旋轉電機101上，由所述旋轉電機101帶動做所需的轉動動作。比如，所述可轉動的掃描光源可以在二維方向上作一定角度的掃描，也可以在三維方向上做一定範圍的掃描。當然，所述驅動裝置I也可以是氣缸、液壓缸等動力提供裝置，通過其動力驅動光源部件2做相應的旋轉動作即可。進一步的，如圖8所示，還可以在所述光源掃描系統的掃描光束出射的方向上先後設置兩個凸透鏡102和103，所述凸透鏡102和103的光軸重合，所述掃描光源系統在所述凸透鏡102和103的寬度範圍內掃描，這樣可以保證所有掃描光束通過所述透鏡後經過同一個交點。這樣可以使得不同角度的散射光經過相同的傳播距離到達接收窗口，減少傳播衰減導致的誤差。進一步的，如圖4所示，所述可轉動的掃描光源系統設置有光強度調製裝置，對所述光源部件2發出的光強度進行調製，使出射光的強度隨著時間做周期性的變化，把信號移到高頻，因為噪聲的強度隨著頻率的增加而降低，這樣可以有效的抑制了 Ι/f噪聲，提高了信號檢測的靈敏度，優選的，強度調製度100%，頻率為IKHz左右。所述出射光窗4可以是平面光窗、弧面光窗或球面光窗,具體視所述可轉動的掃描光源的掃描方式而定。當所述可轉動的掃描光源系統在二維方向上做掃描時，所述出射光窗4如圖5所示，可以是圓柱面等弧面光窗；當在三維方向上進行掃描時，所述出射光窗4如圖6所示，為球面光窗。當然，其在二維方向上做掃描時，所述出射光窗4也可以是球面光窗或平面光窗。當所述可轉動的掃描光源對待測樣品做掃描探測時，由於要避免所述掃描光束直射到所述濾光系統7，如圖7所示，還在所述出射光窗4上設置有遮光板401，所述遮光板401具體根據所述濾光系統7所處的角度位置布置，只要避免所述掃描光束直射到所述濾光系統7即可。與所述可轉動的掃描光源系統相配套的所述散射光接收系統包括光電轉換器9和入射光窗5,所述入射光窗5用於保護所述散射光接收系統內的光電轉換器9,同時方便散射光進入光電轉換器9。如圖1lA-B和圖12A-B所示，所述入射光窗5可以是用於透過單個角度的平行散射光的平面光窗501，也可以是用於透過一定角度範圍的散射光的球面光窗502 ;而光電轉換器9則用於將接收到的所述散射光信號轉換成電信號。所述可轉動的掃描光源發出的掃描光束在待測樣品中進行一定的角度的掃描並形成散射光，由所述濾光系統7配合所述散射光接收系統對所述散射光進行角度濾波，根據所測量的角度接收該範圍內的散射光。本發明的所述濾光系統7為固定式。所述濾光系統7可以是用於接收平行光的平行光濾光器，通過所述平行光濾光器對接收的入射光角度進行限制，只允許平行光通過，利用平行光其立體角小的特點，可以使所述光掃描散射儀得到很高的角解析度。如圖9所示，所述平行光濾光器可以是一個阿貝成像光路，包括同一光軸上的凸透鏡701、703以及設置在兩者之間的狹縫702組成，所述狹縫702位於所述凸透鏡701焦平面的焦點處，這樣散射光從所述凸透鏡701外側入射，其中只有平行於所述凸透鏡701光軸的光能夠通過所述狹縫702，該平行散射光即所需要測量角度的散射光；所述濾光系統7也可以是用於接收一定角度範圍的光的濾光組件，所述濾光組件置於所述球面光窗502之後,如圖10所不,該濾光組件包括球面光窗502的魚眼鏡頭709、位於同一光軸上依次設置的第一凸透鏡704、狹縫705、第二凸透鏡706以及第三凸透鏡707，所述狹縫705位於所述第一凸透鏡704的焦點處，不同角度的散射光經過所述入射光窗502入射，並經過所述魚眼鏡頭709後變成平行光，然後通過所述第一、第二凸透鏡704和706以及所述孔徑光闌705構成了對入射散射光的過濾，可以調節所述狹縫705的大小來選擇允許通過的散射光的角度範圍，所述第三凸透鏡707將不同角度的散射光投射在其焦平面708上，且不同角度的散射光投射在所述焦平面708的不同點處，然後可以對不同角度的散射光進行分別測量。在所述濾光系統7前還可以設置幹涉濾光片6，用於濾去雜散光。由於所述濾光系統7為固定式的，無需移動，所以其不受體積的影響，設置平行光濾光器時可以將所述狹縫702的孔徑做的更大，以接收更多的散射光提高信號強度，進一步改善測量的解析度。所述散射光濾光器7並不局限於上述結構，只要通過利用不同種類以及數量的透鏡和狹縫組合，能達到接收所需測量範圍的散射光，將非測量範圍內的散射光過濾掉的目的即可。經所述散射光接收系統接收的散射光信號轉換成電信號後，由所述信號處理系統進行處理。所述信號處理系統是用於將所述電信號進行增強放大處理的信號處理器10。具體的，本實施例中採用的所述信號處理器10為鎖相放大器，優選的，所述鎖相放大器結構如圖13所示，按照信號處理的流程包括依次連接的工頻阻隔器1001、窄帶帶通濾波器1002、數據機1003、低通濾波器1004以及模數轉換器1005，所述工頻阻隔器1001去除了工頻以及其他噪音對信號的影響，所述數據機1003用於把所接收的電信號轉移到高頻以減少噪音，提高了信號的解析度，最後可以通過所述模數轉換器1005將所述電信號轉換為數位訊號輸出到計算機11進行計算並記錄，所述計算機11的處理流程如圖14所示，先後分別為對所述數位訊號進行挑選和歸整化，然後運用反演算法進行計算，隨後對得出的結果進行誤差分析和數據校正，最後記錄校正後的結果。
進一步的，本發明的光掃描散射器還設置有第一偏振變換系統3和第二偏振變換系統8，所述第一偏振變換系統3設置在所述可轉動的掃描光源光束出射的路徑上，其確定掃描光束的偏振態，所述第二偏振變換系統8設置在所述濾光系統7與所述信號處理系統之間的光路上，其確定經所述濾光系統7過濾後的光的偏振態。本發明採用可轉動的掃描光源提供掃描光束對待測樣品進行探測，較之現有技術中採用固定的光源，其探測角度以及角解析度要大大增加；而現有技術中採用旋轉探測臂帶動測量系統接受散射光進行測量的方式，由於測量系統本身體積龐大，具有一定的接收角度，其接收角度與轉動角度共同決定了角解析度大小，這樣造成系統的角解析度差，不能做到精密測量，且儀器移動慢，功耗大，不適合於現場測量，而採用光源掃描，而接受散射光的所述濾光系統固定的方式測量，避免了上述測量系統自身接收角度對角解析度的影響，使系統具有很高的角解析度。而相對於現有技術中採用了旋轉稜鏡或反射鏡的方式對固定光源的發出的光束 進行反射並形成掃描光束，但由於稜鏡或反射鏡較大較重，旋轉起來慣性較大，因此稜鏡或反射鏡不能做大角度的旋轉，限制了掃描的範圍，且同樣由於慣性的存在，稜鏡或反射鏡在做小角度的轉動時角度定位也不能保證精確，也就使得儀器的角解析度較差。本發明直接利用光源自身做轉動，避免了使用稜鏡和反射鏡存在的慣性大的問題，這樣就能夠實現大角度範圍的掃描，且小角度轉動時能保證較高的角解析度，並且光源自身轉動還能夠實現在二維或三維方向上的掃描，更大大增加了掃描的角度範圍。同時本發明採用的所述濾光系統7，對光線進行了過濾，去除了非探測角度範圍的散射光的影響，且可以增大孔徑光闌的孔徑，達到增大角解析度的目的。對所述光信號進行了強度調製，使其抑制了 Ι/f噪聲，提高了信號檢測的靈敏度，並通過信號處理系統對信號進行增強處理最後計算，使系統具有較高的信號解析度。所述光掃描散射器利用所述偏振光進行掃描探測，不但能夠檢測到待測樣品中顆粒物的尺寸和形狀，還能檢測出透明物質的內部結構。當所述可轉動的掃描光源以及所述濾光系統均為一個時，具體的架構布置可以如圖15所示，所述光源I在一個平面內作掃描，所述出射光窗4為半圓柱面，所述光源I位於所述半圓柱面的圓心點O處,其內半徑為IOmm,所述入射光窗5為平面光窗,位於所述出射光窗4的一側,所述入射光窗5的長為50mm,直徑D為20mm,其中心到所述O點的垂直距離H為40mm，水平距離為L，所述入射光窗5上有一點A，O點與A點的連線OA形成一個夾角α，所述夾角α即為前向散射最小感興趣的角度，所以tga=(H+D/2)/L，當L取300mm時，a前向散射角可小到10°，後向散射角可大到170°，即所述光源I可從10°到170°這樣一個範圍內做連續掃描，大大增加了探測範圍。所述可轉動的掃描光源以及所述散射光接收系統的架構布置也不僅僅局限於上述形式，考慮到散射光強度在大角度測量時可能會遇到的大動態範圍的問題，可以如圖16所示，所述光掃描散射儀包括兩個所述散射光接收系統，兩個所述散射光接收系統之間相互垂直放置，分別接收不同角度的散射光，當然也可以包括多個所述散射光接收系統，這樣掃描範圍雖然一定程度縮小，但其探測範圍仍然可觀，且大大減少了對每個所述濾光系統動態範圍的要求，多個所述散射光接收系統的情況下，可以根據實際需要採用相互垂直或平行設置或者其他角度設置。
同樣的，其架構布置還可以採用如圖17所示所述可轉動的掃描光源包括兩個光源，所述光源還可以是多個，這樣的布置同樣一定程度縮小所述光源掃描的範圍，大大減少了對所述散射光接收系統動態範圍的要求，同時對於大角度散射光，所述可轉動的掃描光源和所述散射光接收系統所決定的感興趣區域離所述散射光接收系統比較近，所以較少了散射光在待測樣品中散射而導致的衰減，當然，也可以在兩個或多個所述散射光接收系統的基礎上布置兩個或多個所述可轉動的掃描光源系統，這樣可以提供探測的精度。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下做出若干替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種光掃描散射儀，其特徵是包括可轉動的掃描光源系統和與之配套的散射光接收系統，及對所接收散射光進行處理的信號處理系統，所述散射光接收系統還包括配合其進行角度濾波的濾光系統。
2.如權利要求1所述的光掃描散射儀，其特徵是所述可轉動的掃描光源系統置於設有出射光窗的密封殼內，並對應所述出射光窗設置，所述出射光窗是平面光窗、弧面光窗或球面光窗；所述散射光接收系統包括光電轉換器和入射光窗。
3.如權利要求2所述的光掃描散射儀，其特徵是所述可轉動的掃描光源系統設有光強度調製裝置，可使出射光的強度隨時間做周期性變化。
4.如權利要求1所述的光掃描散射儀，其特徵是所述信號處理系統是用於將所述散射光接收系統接收的信號進行增強放大處理的信號處理器。
5.如權利要求4所述的光掃描散射儀，其特徵是所述信號處理器包括依次連接的工頻阻隔器、窄帶帶通濾波器、數據機、低通濾波器以及模數轉換器，所述數據機用於把所接收的電信號轉移到高頻以減少噪音，所述模數轉換器用於將所述電信號轉換為數位訊號並輸出。
6.如權利要求1所述的光掃描散射儀，其特徵是所述濾光系統包括，用於接收平行光的平行光濾光器，該平行光濾光器包括兩個透鏡及設置在兩者之間的狹縫；或用於接收一定角度範圍的光的濾光組件，該濾光組件置於所述球面光窗之後，包括配合所述球面光窗的魚眼鏡頭、第一、二、三透鏡和狹縫，所述魚眼鏡頭、第一透鏡、狹縫、第二狹縫和第三狹縫依次設置。
7.如權利要求1-6任一所述的光掃描散射儀，其特徵是該光掃描散射儀還包括設置在所述掃描光源的光束出射路徑上用於確定掃描光束的偏振態的第一偏振變換系統，和設置在所述濾光系統與所述信號處理系統之間的光路上用於確定經所述濾光系統過濾後的光的偏振態的第二偏振變換系統。
8.如權利要求7所述的光掃描散射儀，其特徵是在所述光源掃描系統的掃描光束出射的方向上先後設置兩個凸透鏡，所述兩個凸透鏡的光軸重合，所述掃描光源系統在所述兩個凸透鏡的寬度範圍內掃描。
9.如權利要求7所述的光掃描散射儀，其特徵是所述散射光接收系統有兩個以上，根據需要相互間垂直設置、平行設置或以其它夾角設置，分別接收不同角度的散射光。
10.如權利要求9所述的光掃描散射儀，其特徵是所述可轉動的掃描光源系統有兩個以上。
11.如權利要求2-6任一所述的光掃描散射儀,其特徵是所述出射光窗上設置有可避免來自掃描光源系統的掃描光束直射到所述濾光系統的遮光板。
全文摘要
本發明公開了一種光掃描散射儀，其包括可轉動的掃描光源系統和與之配套的散射光接收系統，及對所接收散射光進行處理的信號處理系統，所述散射光接收系統還包括配合其進行角度濾波的濾光系統。本發明的光掃描散射儀利用可轉動的掃描光源使得發出的光束在二維或者三維方向上做掃描，掃描範圍比較大，從而能夠擴大探測的範圍；又因為掃描光源本身體積重量等均較小，對掃描光源做轉動控制比較方便且容易實現精確控制，故該光掃描散射儀可實現較高的角解析度。
文檔編號G01N21/01GK103018208SQ20121052480
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月7日 優先權日2012年12月7日
發明者郭繼華, 廖然, 曾楠, 馬輝, 何宏輝 申請人:清華大學深圳研究生院