CN103018208A - 一种光扫描散射仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光扫描散射仪，其包括可转动的扫描光源系统和与之配套的散射光接收系统，及对所接收散射光进行处理的信号处理系统，所述散射光接收系统还包括配合其进行角度滤波的滤光系统。本发明的光扫描散射仪利用可转动的扫描光源使得发出的光束在二维或者三维方向上做扫描，扫描范围比较大，从而能够扩大探测的范围；又因为扫描光源本身体积重量等均较小，对扫描光源做转动控制比较方便且容易实现精确控制，故该光扫描散射仪可实现较高的角分辨率。

Description

一种光扫描散射仪

技术领域

本发明涉及测试测量领域，尤其涉及一种用于空气和/或水中颗粒物、微生物等测量的大范围、高精度光扫描散射仪。

背景技术

空气与水体中的颗粒物和微生物直接关系人们的健康，空气中的颗粒物和微生物可以通过呼吸道直接被人体所吸收，对人体造成伤害形成疾病，悬浮于水体中的颗粒物，随水进入植物组织内，引起伤害；沉积在蔬菜或饲料植物的重金属颗粒物，通过食物链进入人或动物的身体，海洋中的颗粒物和微生物则关系到海洋生态及海洋资源。对于这些颗粒物和微生物的测量，光学散射仪是一种有用仪器。

测量空气与水体中的颗粒物和微生物有以下特点，样品体积大，所含颗粒物比较稀少。因此，精密测量的一项指标，就是能够探测到尽可能小的浓度或密度。另外，由于要探测多种颗粒物，与颗粒物大小有关的角度分布应尽可能精密。

在传统的测量方法中，为了测量散射光的角分布，一种是采用多个固定的探测系统对固定光源在测量样品中形成的散射光进行测量，但这种方式的角分辨率差，探测的范围有限；另一种则利用一旋转探测臂带动探测系统进行测量，这种仪器角分辨率较第一种方式有一定改善，但仍远未达到精密测量的要求，探测范围仍然很小，且其装置庞大，转动速度慢，耗功率多，不适用于现场探测；还有一种是通过旋转棱镜接收固定光源的光再将其折射出去，旋转棱镜做的较大时重量会很大，转动惯性就大，不能做大角度转动，角分辨率较差，所以棱镜的体积受到限制，但棱镜做的不够大时会限制他的接收面积，使得接收的光也少，同样不利于提高精度。

发明内容

为了解决现有技术中角分辨率差，探测范围有限的缺点，本发明提供了以下的技术方案：

一种光扫描散射仪，其特征是：包括可转动的扫描光源系统和与之配套的散射光接收系统，及对所接收散射光进行处理的信号处理系统，所述散射光接收系统还包括配合其进行角度滤波的滤光系统。

本发明还可以采用以下的优选方式：

所述可转动的扫描光源系统置于设有出射光窗的密封壳内，并对应所述出射光窗设置，所述出射光窗是平面光窗、弧面光窗或球面光窗；所述散射光接收系统包括光电转换器和入射光窗。

所述可转动的扫描光源系统设有光强度调制装置，可使出射光的强度随时间做周期性变化。

所述信号处理系统是用于将所述散射光接收系统接收的信号进行增强放大处理的信号处理器。

所述信号处理器包括依次连接的工频阻隔器、窄带带通滤波器、调制解调器、低通滤波器以及模数转换器，所述调制解调器用于把所接收的电信号转移到高频以减少噪音，所述模数转换器用于将所述电信号转换为数字信号并输出。

所述滤光系统包括用于接收平行光的平行光滤光器，该平行光滤光器包括两个透镜及设置在两者之间的狭缝；或用于接收一定角度范围的光的滤光组件，该滤光组件置于所述球面光窗之后，包括配合所述球面光窗的鱼眼镜头、第一、二、三透镜和狭缝，所述鱼眼镜头、第一透镜、狭缝、第二狭缝和第三狭缝依次设置。

该光扫描散射仪还包括设置在所述扫描光源的光束出射路径上用于确定扫描光束的偏振态的第一偏振变换系统，和设置在所述滤光系统与所述信号处理系统之间的光路上用于确定经所述滤光系统过滤后的光的偏振态的第二偏振变换系统。

在所述光源扫描系统的扫描光束出射的方向上先后设置两个凸透镜，所述两个凸透镜的光轴重合，所述扫描光源系统在所述两个凸透镜的宽度范围内扫描。

所述散射光接收系统有两个以上，根据需要相互间垂直设置、平行设置或其它夹角设置，分别接收不同角度的散射光。

所述可转动的扫描光源系统有两个以上。

所述出射光窗上设置有可避免来自扫描光源系统的扫描光束直射到所述滤光系统的遮光板。

本发明的有益效果是：

本发明的光扫描散射仪利用可转动的扫描光源使得发出的光束在二维或者三维方向上做扫描，扫描范围比较大，从而能够扩大探测的范围；又因为扫描光源本身体积重量等均较小，对扫描光源做转动控制比较方便且容易实现精确控制，故该光扫描散射仪可实现较高的角分辨率。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图。

图2是本发明一实施例的系统框图。

图3是本发明一实施例的可转动的扫描光源示意图。

图4是本发明一实施例的强度调节光源的光强随时间变化图。

图5是本发明出射光窗一种实施方式的示意图。

图6是本发明出射光窗一种实施方式的示意图。

图7是本发明一实施例的遮光板设置方式示意图。

图8是本发明一实施例的扫描光线出射方向的凸透镜布置方式示意图。

图9是本发明一实施例的单角度散射光滤光器结构示意图。

图10是本发明一实施例的多角度散射光滤光器结构示意图。

图11A是本发明一实施例的平面入射光窗侧视图。

图11B是本发明一实施例的平面入射光窗正视图。

图12A是本发明一实施例的球面入射光窗侧视图。

图12B是本发明一实施例的球面入射光窗正视图。

图13是本发明一实施例的锁相放大器结构示意图。

图14是本发明一实施例的计算机处理流程图。

图15是本发明一实施例的可转动的扫描光源扫描角度范围示意图。

图16是本发明可转动的扫描光源和滤光系统一种架构布置方式示意图。

图17是本发明可转动的扫描光源和滤光系统一种架构布置方式示意图。

具体实施方式

以下结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细的说明。

该光扫描散射仪包括可转动的扫描光源系统和与之配套的散射光接收系统，及对所接收散射光进行处理的信号处理系统，所述散射光接收系统还包括配合其进行角度滤波的滤光系统7。其中，所述可转动的扫描光源利用光源转动形成二维或三维方向扫描的光束对待测样品进行的扫描，并形成散射光，所述滤光系统7对所述散射光进行角度滤波，根据所要测量的角度范围接收该范围内的散射光，然后经过所述信号处理系统对光信号进行处理。

如图1和2所示，具体的，所述可转动的扫描光源系统置于设有出射光窗4的密封壳内，并对应所述出射光窗4设置，所述可转动的扫描光源系统包括光源部件2以及驱动所述光源部件2做转动扫描的驱动装置1，所述光源部件2可以选择激光产生装置、光纤头以及LED光源产生装置中的任意一种，只要光源的方向性好即可。所述驱动装置1为旋转电机101，如图3所示，所述光源部件2置于所述旋转电机101上，由所述旋转电机101带动做所需的转动动作。比如，所述可转动的扫描光源可以在二维方向上作一定角度的扫描，也可以在三维方向上做一定范围的扫描。当然，所述驱动装置1也可以是气缸、液压缸等动力提供装置，通过其动力驱动光源部件2做相应的旋转动作即可。

进一步的，如图8所示，还可以在所述光源扫描系统的扫描光束出射的方向上先后设置两个凸透镜102和103，所述凸透镜102和103的光轴重合，所述扫描光源系统在所述凸透镜102和103的宽度范围内扫描，这样可以保证所有扫描光束通过所述透镜后经过同一个交点。这样可以使得不同角度的散射光经过相同的传播距离到达接收窗口，减少传播衰减导致的误差。

进一步的，如图4所示，所述可转动的扫描光源系统设置有光强度调制装置，对所述光源部件2发出的光强度进行调制，使出射光的强度随着时间做周期性的变化，把信号移到高频，因为噪声的强度随着频率的增加而降低，这样可以有效的抑制了1/f噪声，提高了信号检测的灵敏度，优选的，强度调制度100%，频率为1KHz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，具体视所述可转动的扫描光源的扫描方式而定。当所述可转动的扫描光源系统在二维方向上做扫描时，所述出射光窗4如图5所示，可以是圆柱面等弧面光窗；当在三维方向上进行扫描时，所述出射光窗4如图6所示，为球面光窗。当然，其在二维方向上做扫描时，所述出射光窗4也可以是球面光窗或平面光窗。当所述可转动的扫描光源对待测样品做扫描探测时，由于要避免所述扫描光束直射到所述滤光系统7，如图7所示，还在所述出射光窗4上设置有遮光板401，所述遮光板401具体根据所述滤光系统7所处的角度位置布置，只要避免所述扫描光束直射到所述滤光系统7即可。

与所述可转动的扫描光源系统相配套的所述散射光接收系统包括光电转换器9和入射光窗5，所述入射光窗5用于保护所述散射光接收系统内的光电转换器9，同时方便散射光进入光电转换器9。如图11A-B和图12A-B所示，所述入射光窗5可以是用于透过单个角度的平行散射光的平面光窗501，也可以是用于透过一定角度范围的散射光的球面光窗502；而光电转换器9则用于将接收到的所述散射光信号转换成电信号。

所述可转动的扫描光源发出的扫描光束在待测样品中进行一定的角度的扫描并形成散射光，由所述滤光系统7配合所述散射光接收系统对所述散射光进行角度滤波，根据所测量的角度接收该范围内的散射光。本发明的所述滤光系统7为固定式。所述滤光系统7可以是用于接收平行光的平行光滤光器，通过所述平行光滤光器对接收的入射光角度进行限制，只允许平行光通过，利用平行光其立体角小的特点，可以使所述光扫描散射仪得到很高的角分辨率。如图9所示，所述平行光滤光器可以是一个阿贝成像光路，包括同一光轴上的凸透镜701、703以及设置在两者之间的狭缝702组成，所述狭缝702位于所述凸透镜701焦平面的焦点处，这样散射光从所述凸透镜701外侧入射，其中只有平行于所述凸透镜701光轴的光能够通过所述狭缝702，该平行散射光即所需要测量角度的散射光；所述滤光系统7也可以是用于接收一定角度范围的光的滤光组件，所述滤光组件置于所述球面光窗502之后，如图10所示，该滤光组件包括球面光窗502的鱼眼镜头709、位于同一光轴上依次设置的第一凸透镜704、狭缝705、第二凸透镜706以及第三凸透镜707，所述狭缝705位于所述第一凸透镜704的焦点处，不同角度的散射光经过所述入射光窗502入射，并经过所述鱼眼镜头709后变成平行光，然后通过所述第一、第二凸透镜704和706以及所述孔径光阑705构成了对入射散射光的过滤，可以调节所述狭缝705的大小来选择允许通过的散射光的角度范围，所述第三凸透镜707将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的不同点处，然后可以对不同角度的散射光进行分别测量。

在所述滤光系统7前还可以设置干涉滤光片6，用于滤去杂散光。

由于所述滤光系统7为固定式的，无需移动，所以其不受体积的影响，设置平行光滤光器时可以将所述狭缝702的孔径做的更大，以接收更多的散射光提高信号强度，进一步改善测量的分辨率。

所述散射光滤光器7并不局限于上述结构，只要通过利用不同种类以及数量的透镜和狭缝组合，能达到接收所需测量范围的散射光，将非测量范围内的散射光过滤掉的目的即可。

经所述散射光接收系统接收的散射光信号转换成电信号后，由所述信号处理系统进行处理。所述信号处理系统是用于将所述电信号进行增强放大处理的信号处理器10。具体的，本实施例中采用的所述信号处理器10为锁相放大器，优选的，所述锁相放大器结构如图13所示，按照信号处理的流程包括依次连接的工频阻隔器1001、窄带带通滤波器1002、调制解调器1003、低通滤波器1004以及模数转换器1005，所述工频阻隔器1001去除了工频以及其他噪音对信号的影响，所述调制解调器1003用于把所接收的电信号转移到高频以减少噪音，提高了信号的分辨率，最后可以通过所述模数转换器1005将所述电信号转换为数字信号输出到计算机11进行计算并记录，所述计算机11的处理流程如图14所示，先后分别为对所述数字信号进行挑选和归整化，然后运用反演算法进行计算，随后对得出的结果进行误差分析和数据校正，最后记录校正后的结果。

进一步的，本发明的光扫描散射器还设置有第一偏振变换系统3和第二偏振变换系统8，所述第一偏振变换系统3设置在所述可转动的扫描光源光束出射的路径上，其确定扫描光束的偏振态，所述第二偏振变换系统8设置在所述滤光系统7与所述信号处理系统之间的光路上，其确定经所述滤光系统7过滤后的光的偏振态。

本发明采用可转动的扫描光源提供扫描光束对待测样品进行探测，较之现有技术中采用固定的光源，其探测角度以及角分辨率要大大增加；而现有技术中采用旋转探测臂带动测量系统接受散射光进行测量的方式，由于测量系统本身体积庞大，具有一定的接收角度，其接收角度与转动角度共同决定了角分辨率大小，这样造成系统的角分辨率差，不能做到精密测量，且仪器移动慢，功耗大，不适合于现场测量，而采用光源扫描，而接受散射光的所述滤光系统固定的方式测量，避免了上述测量系统自身接收角度对角分辨率的影响，使系统具有很高的角分辨率。

而相对于现有技术中采用了旋转棱镜或反射镜的方式对固定光源的发出的光束进行反射并形成扫描光束，但由于棱镜或反射镜较大较重，旋转起来惯性较大，因此棱镜或反射镜不能做大角度的旋转，限制了扫描的范围，且同样由于惯性的存在，棱镜或反射镜在做小角度的转动时角度定位也不能保证精确，也就使得仪器的角分辨率较差。本发明直接利用光源自身做转动，避免了使用棱镜和反射镜存在的惯性大的问题，这样就能够实现大角度范围的扫描，且小角度转动时能保证较高的角分辨率，并且光源自身转动还能够实现在二维或三维方向上的扫描，更大大增加了扫描的角度范围。

同时本发明采用的所述滤光系统7，对光线进行了过滤，去除了非探测角度范围的散射光的影响，且可以增大孔径光阑的孔径，达到增大角分辨率的目的。对所述光信号进行了强度调制，使其抑制了1/f噪声，提高了信号检测的灵敏度，并通过信号处理系统对信号进行增强处理最后计算，使系统具有较高的信号分辨率。所述光扫描散射器利用所述偏振光进行扫描探测，不但能够检测到待测样品中颗粒物的尺寸和形状，还能检测出透明物质的内部结构。

当所述可转动的扫描光源以及所述滤光系统均为一个时，具体的架构布置可以如图15所示，所述光源1在一个平面内作扫描，所述出射光窗4为半圆柱面，所述光源1位于所述半圆柱面的圆心点O处，其内半径为10mm，所述入射光窗5为平面光窗，位于所述出射光窗4的一侧，所述入射光窗5的长为50mm，直径D为20mm，其中心到所述O点的垂直距离H为40mm，水平距离为L，所述入射光窗5上有一点A，O点与A点的连线OA形成一个夹角α，所述夹角α即为前向散射最小感兴趣的角度，所以tgα=(H+D/2)/L，当L取300mm时，α前向散射角可小到10°，后向散射角可大到170°，即所述光源1可从10°到170°这样一个范围内做连续扫描，大大增加了探测范围。

所述可转动的扫描光源以及所述散射光接收系统的架构布置也不仅仅局限于上述形式，考虑到散射光强度在大角度测量时可能会遇到的大动态范围的问题，可以如图16所示，所述光扫描散射仪包括两个所述散射光接收系统，两个所述散射光接收系统之间相互垂直放置，分别接收不同角度的散射光，当然也可以包括多个所述散射光接收系统，这样扫描范围虽然一定程度缩小，但其探测范围仍然可观，且大大减少了对每个所述滤光系统动态范围的要求，多个所述散射光接收系统的情况下，可以根据实际需要采用相互垂直或平行设置或者其他角度设置。

同样的，其架构布置还可以采用如图17所示所述可转动的扫描光源包括两个光源，所述光源还可以是多个，这样的布置同样一定程度缩小所述光源扫描的范围，大大减少了对所述散射光接收系统动态范围的要求，同时对于大角度散射光，所述可转动的扫描光源和所述散射光接收系统所决定的感兴趣区域离所述散射光接收系统比较近，所以较少了散射光在待测样品中散射而导致的衰减，当然，也可以在两个或多个所述散射光接收系统的基础上布置两个或多个所述可转动的扫描光源系统，这样可以提供探测的精度。

以上内容是结合具体的优选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做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种光扫描散射仪，其特征是：包括可转动的扫描光源系统和与之配套的散射光接收系统，及对所接收散射光进行处理的信号处理系统，所述散射光接收系统还包括配合其进行角度滤波的滤光系统。

2.如权利要求1所述的光扫描散射仪，其特征是：所述可转动的扫描光源系统置于设有出射光窗的密封壳内，并对应所述出射光窗设置，所述出射光窗是平面光窗、弧面光窗或球面光窗；所述散射光接收系统包括光电转换器和入射光窗。

3.如权利要求2所述的光扫描散射仪，其特征是：所述可转动的扫描光源系统设有光强度调制装置，可使出射光的强度随时间做周期性变化。

4.如权利要求1所述的光扫描散射仪，其特征是：所述信号处理系统是用于将所述散射光接收系统接收的信号进行增强放大处理的信号处理器。

5.如权利要求4所述的光扫描散射仪，其特征是：所述信号处理器包括依次连接的工频阻隔器、窄带带通滤波器、调制解调器、低通滤波器以及模数转换器，所述调制解调器用于把所接收的电信号转移到高频以减少噪音，所述模数转换器用于将所述电信号转换为数字信号并输出。

6.如权利要求1所述的光扫描散射仪，其特征是：所述滤光系统包括，

用于接收平行光的平行光滤光器，该平行光滤光器包括两个透镜及设置在两者之间的狭缝；

或用于接收一定角度范围的光的滤光组件，该滤光组件置于所述球面光窗之后，包括配合所述球面光窗的鱼眼镜头、第一、二、三透镜和狭缝，所述鱼眼镜头、第一透镜、狭缝、第二狭缝和第三狭缝依次设置。

7.如权利要求1-6任一所述的光扫描散射仪，其特征是：该光扫描散射仪还包括设置在所述扫描光源的光束出射路径上用于确定扫描光束的偏振态的第一偏振变换系统，和设置在所述滤光系统与所述信号处理系统之间的光路上用于确定经所述滤光系统过滤后的光的偏振态的第二偏振变换系统。

8.如权利要求7所述的光扫描散射仪，其特征是：在所述光源扫描系统的扫描光束出射的方向上先后设置两个凸透镜，所述两个凸透镜的光轴重合，所述扫描光源系统在所述两个凸透镜的宽度范围内扫描。

9.如权利要求7所述的光扫描散射仪，其特征是：所述散射光接收系统有两个以上，根据需要相互间垂直设置、平行设置或以其它夹角设置，分别接收不同角度的散射光。

10.如权利要求9所述的光扫描散射仪，其特征是：所述可转动的扫描光源系统有两个以上。

11.如权利要求2-6任一所述的光扫描散射仪，其特征是：所述出射光窗上设置有可避免来自扫描光源系统的扫描光束直射到所述滤光系统的遮光板。

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