一种基于微透镜阵列的光散射特性测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学测量
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。由上述对本专利技术的描述可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术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
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探本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹兆楼，刘玉柱，李金花，咸冯林，裴世鑫，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32