CN107478550A - 实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，包括激光束、柱面镜组、反射镜、分束片、变焦物镜、待测微粒、滤光片、透镜、激光照相机、光纤、拉曼光谱仪和荧光光谱仪，所述激光束经反射与聚焦后与待测微粒发生碰撞，碰撞引起激光散射，并产生被激发的拉曼光和荧光，形成散射激光、拉曼光和荧光三条通道；所述散射激光、拉曼光和荧光等三种光都从同一目标产生，它们的信号是相关的，并且融合在一起，既可检测微粒大小也可检测微粒性质。本发明提供的三通道融合系统具有检测速度快、距离远、灵敏度高以及测量范围广等优点，可以进行多种微粒的实时检测。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统。
背景技术
随着经济社会的不断发展，人们对生活的质量要求越来越高，经常需要对微粒进行一定的检测，包括其大小和性质。比如生活用水，通过检测可以得知水质的好坏，另外，大气中的烟尘问题，包括近些年来日益严重的雾霾问题，都在严重影响着人们的生活。如果能够对这些微粒进行检测，分析其大小和性质，也就可以找到相应的解决办法，大力提升人们的生活质量。
检测微粒大小的方法有很多，包括筛分法、沉降法、透气法、图像法、激光法、电阻法、电镜法以及超声波法等，大多数方法都采用物理原理，需要取样作预处理再观察，手续复杂，速度较慢。其中，光学方法尤其是激光散射法，因其不需制备样品，且速度快、距离远、灵敏度高、测量范围大，越来越受到人们的重视。但是，它的缺点是受环境光的干扰较大，因此限制了它的应用范围。另外，激光散射法虽能测粒子大小但不能测出是什么物质，这也使它的应用受到很大的限制。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种在激光散射系统中加入拉曼通道和荧光通道并把三通道融合在一起的系统，该系统既可以测微粒大小也可以测微粒性质。
本发明公开了一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，包括激光束、柱面镜组、反射镜、分束片若干、变焦物镜、待测微粒、滤光片若干、透镜若干、激光照相机、光纤、拉曼光谱仪和荧光光谱仪；所述激光束经柱面镜组扩束准直后被反射镜反射，反射后的激光被变焦物镜聚焦在待测微粒上，与待测微粒发生碰撞，碰撞引起激光散射，并产生被激发的拉曼光和荧光；通过分束片反射激光、透射拉曼光和荧光，分别形成散射激光、拉曼光和荧光三条通道；在散射激光通道中，被分束片反射的激光经过滤光片和透镜后被激光照相机收集起来，用于测量粒子的大小和浓度；在拉曼光通道中，被分束片透过的拉曼光再次通过另一分束片被反射，被反射的拉曼光经滤光片滤去残余的激光后再经透镜和光纤进入拉曼光谱仪，用于测量目标粒子的性质；在荧光通道中，被分束片透过的荧光再次通过另一分束片被透射，被透射的荧光经滤光片和透镜以及光纤后进入荧光光谱仪，用于进一步测定粒子的物质性质。
进一步地，所述三通道融合系统还包括笔记本，所述散射激光、拉曼光和荧光等三种光都从同一目标产生，它们的信号是相关的，将它们融合在一起用笔记本进行判读。
进一步地，所述激光束为紫外激光束，所述紫外激光束的直径为2.5mm，波长为266nm。
进一步地，所述柱面镜组为2个，所述分束片为4个，所述滤光片为3个，所述透镜为3个。
进一步地，其中一个分束片的中心一小部分涂有全反激光但透拉曼光和荧光的窄带介质膜，该分束片的其它区域则为涂有增透膜的石英玻璃。
作为一种具体方案，所述待测微粒为水中微粒，水中微粒位于经过玻璃容器的流水中。
作为另一种具体方案，所述待测微粒为雾霾、烟囱排放物等。
本发明还公开了一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，该系统通过分束片透射激光、反射拉曼光和荧光，分别形成透射激光、拉曼光和荧光三条通道；在透射激光通道中，透射过的激光再次经过透镜后被激光照相机收集起来，用于测量粒子的大小和浓度；在拉曼光通道中，被分束片反射的拉曼光再次通过另一分束片被反射，被反射的拉曼光经滤光片滤去残余的激光后再经透镜和光纤进入拉曼光谱仪，用于测量目标粒子的性质；在荧光通道中，被分束片反射的荧光再次通过另一分束片被透射，被透射的荧光经滤光片和透镜以及光纤后进入荧光光谱仪，用于进一步测定粒子的物质性质。
进一步地，所述激光束为波长532nm的绿色激光，所述待测微粒为水中微粒，水中微粒位于经过玻璃容器的流水中。
进一步地，所述柱面镜为1个，所述分束片为2个，所述滤光片为2个，所述透镜为5个。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)检测速度快。采用本系统检测水质的时间只要几秒，而使用传统的方法需要超过12小时。
(2)不需要取样，也不需要接触，也不添加任何试剂，因此不会造成二次污染。
(3)既能检测微粒的大小，也能检测微粒的性质。
(4)不受环境光和太阳光的干扰。
(5)测量距离远，灵敏度高。
(6)测量范围大。可测的粒子大小从0.02μm到2000μm，动态范围特别大。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的散射光、拉曼光、荧光三通道水质测量系统。
图2是本发明实施例所提供的光阻法、拉曼光、荧光三通道水质测量系统。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明的一个具体实施例提供了一种散射光、拉曼光、荧光三通道水质测量系统。在该具体实施例中，公开了一种实时检测水质微粒大小和性质的三通道融合系统，包括激光束10、柱面镜组20、反射镜30、分束片50、变焦物镜60、流水70、目标水粒子80、玻璃容器90、分束片100、滤光片110、透镜120、激光照相机130、分束片140、长通滤光片150、透镜160、光纤170、拉曼光谱仪180、滤光片190、透镜200、光纤210、荧光光谱仪220和笔记本230，所述激光束10经柱面镜组20扩束准直后被反射镜30反射，反射后的激光经分束片50中心全反射，再次反射后的激光被变焦物镜60聚焦在有流水70的玻璃容器90上，与其中的目标水粒子80发生碰撞，碰撞引起激光散射，并产生被激发的拉曼光和荧光；通过分束片100反射激光、透射拉曼光和荧光，分别形成散射激光、拉曼光和荧光三条通道；在散射激光通道中，被分束片反射的激光经过滤光片110和透镜120后被激光照相机130收集起来，用于测量粒子的大小和浓度；被分束片100透过的拉曼光和荧光再次通过分束片140进行分离，拉曼光被反射，荧光被透射；在拉曼通道中，被反射的拉曼光经透镜160和光纤170进入拉曼光谱仪180，用于测量目标粒子的性质；在荧光通道中，被透射的荧光经滤光片190和透镜200以及光纤210后进入荧光光谱仪220，用于进一步测定粒子的物质性质；所述散射激光、拉曼光和荧光等三种光都从同一目标产生，它们的信号是相关的，将它们融合在一起用笔记本进行正确的判读。
图1所示实施例的具体工作方式如下：直径为2.5mm的266nm紫外激光束10经二个柱面镜组20扩束准直后被反射镜30反射后碰到分束片50的中心一小部分40被全反射，因为此区域涂有全反激光但透波长较长的拉曼光和荧光的窄带介质膜，分束片的其它区域则为涂增透膜的石英玻璃，可以让激光、拉曼光和荧光几乎100％全通过，这种前所未有的特殊设计既能让激光几乎100％反射，也能让激光95％以上通过。激光被变焦物镜60聚焦在有流水70的玻璃容器90中的目标水粒子80上并与之发生碰撞，因紫外激光很强，聚焦光束的直径在1-2mm左右也能激发拉曼，因此它可包含不少直径为0.02μm到2000μm的粒子。碰撞除引起后向散射外，也产生被激发的拉曼光和荧光。它们通过分束片50后碰到分束片100，此分束片反射266nm激光，透射较长的拉曼光和荧光。被分束片100反射的由粒子散射产生的266nm激光通过滤光片110和透鏡120后被CCD激光照相机130收集去测量粒子的大小和浓度，因为粒子的大小和多少与散射的强度和角度有关。透射过的拉曼光和荧光碰到分束片140后，波谱宽度为268nm-325nm的拉曼光被反射，经长通滤光片150滤去残余的激光后经透镜160和光纤170进入拉曼光谱仪180去测出目标粒子是什么物质。透过的波长大于325nm的荧光(一般在短波可见光区域)经滤光片190和透镜200及光纤210后进入荧光光谱仪220去进一步测定目标是什么物质。水中物质尤其是有机物，它们的荧光比拉曼光强几个数量级，并且不同的有机物会产生不同波长的荧光很容易把它们区别开来。因为这三种光都从同一目标产生，因此它们的信号是相关的，可以融合在一起用笔记本230作正确的判读。
另外，拉曼信号与波长的4次方成反比，6.5mw的266nm激光或2.7mw的213nm激光相当于500mw的785nm激光，因此75mw的266nm激光产生的拉曼至少比500mw的785nm激光产生的拉曼强10倍，再加上紫外拉曼不受环境光干拢，与荧光分开，有预共振效应，信噪比还可再增强至少10倍，总的至少强100倍，因此我们可不用玻璃容器而直接把激光打入水中作野外测量，因为紫外通道没有太阳光的干扰。
用三通道系统检测水质的时间只要几秒，而使用传统的方法需要超过12小时，并且还要使用成本相对较高的生化试剂，生化试剂会造成二次污染，因此不取样、不接触、不加生物试剂、只几秒钟就能现场测出水中粒子的大小与分布以及粒子的性质和浓度的三通道光学法无疑是最好的方法，这种方法也可以用来分层实测雾霾粒子的大小和性质以及大烟囱的排放。
这种三通道融合系统的另一大优点是激光散射法可测的粒子大小从0.02μm到2000μm，动态范围特别大，它不但能测粒子大小和分布也能用拉曼和荧光测出粒子性质。由于激光直接与固体粒子碰撞，不但紫外拉曼散射的信号很强，而且不受环境光和太阳光的干扰。也正因为是紫外激光，不仅不受环境光干扰，而且对不同有机物会产生不同的荧光，因此很容易把它们区别开来。因为三种信号来自同一目标，由它们一起作出的判断就会十分正确。此外，这种三通道融合系统可作不取样不接触的远距离(例如几米到几百米)直接测量，这也是别的方法无法做到的。
除用激光散射法测粒子大小外，也常用图象法和光阻法进行这样的工作，如图2所示，本发明提供了另一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统。由532nm绿色激光10(这种激光在水中透过率较高)发出的激光经柱面镜20扩束准直成平行光照到分束片30上，它透激光反波长较长的拉曼光和荧光(也可以改成图1那样反激光透拉曼和荧光)，激光经聚焦透镜40照射到有流水50的玻璃容器60中，水中有大小不同的粒子，因激光束有1-2mm，可包含不少0.02μm到2000μm的粒子。粒子会挡光，小粒子挡(阻)光少，经透镜70后照相机80接收的信号强，但在图象中所占的象元数少，因此可直观而正确的测出粒子的大小和分布，只是动态范围有限并且不能测出粒子的性质，为此我们把它加上拉曼和荧光成为三通道。如图2所示，激光碰撞粒子后产生的拉曼和荧光被散射回分束片30并反射到第二块分束片90，波长较短的拉曼光被反射，经长通滤光片100扼制剩余激光后由中继透镜110会聚到狭缝120上，然后由第一成谱透镜130准直成平行光射到光栅140作色散，最后由第二成谱透镜150收集到背照CCD或CMOS线阵或面阵探测器160上出拉曼光谱。透过分束片90的荧光经滤光片170和透镜180进入荧光光谱仪190。在这里我们不用光纤耦合狭缝而是直接耦合，光能损失大大减少，我们对光栅也不用F/4的反射镜而用F/2的透镜，光通量增加4倍，这种新的设计使总增益至少可提高10倍。其它原理和作用上面已有叙述这里不再重复。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，包括激光束、柱面镜组、反射镜、分束片若干、变焦物镜、待测微粒、滤光片若干、透镜若干、激光照相机、光纤、拉曼光谱仪和荧光光谱仪，其特征在于：所述激光束经柱面镜组扩束准直后被反射镜反射，反射后的激光被变焦物镜聚焦在待测微粒上，与待测微粒发生碰撞，碰撞引起激光散射，并产生被激发的拉曼光和荧光；通过分束片反射激光、透射拉曼光和荧光，分别形成散射激光、拉曼光和荧光三条通道；在散射激光通道中，被分束片反射的激光经过滤光片和透镜后被激光照相机收集起来，用于测量粒子的大小和浓度；在拉曼光通道中，被分束片透过的拉曼光再次通过另一分束片被反射，被反射的拉曼光经滤光片滤去残余的激光后再经透镜和光纤进入拉曼光谱仪，用于测量目标粒子的性质；在荧光通道中，被分束片透过的荧光再次通过另一分束片被透射，被透射的荧光经滤光片和透镜以及光纤后进入荧光光谱仪，用于进一步测定粒子的物质性质。
2.根据权利要求1所述的一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，其特征在于：还包括笔记本，所述散射激光、拉曼光和荧光等三种光都从同一目标产生，它们的信号是相关的，将它们融合在一起用笔记本进行判读。
3.根据权利要求2所述的一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，其特征在于：所述激光束为紫外激光束，所述紫外激光束的直径为2.5mm，波长为266nm。
4.根据权利要求3所述的一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，其特征在于：所述柱面镜组为2个，所述分束片为4个，所述滤光片为3个，所述透镜为3个。
5.根据权利要求4所述的一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，其特征在于：其中一个分束片的中心一小部分涂有全反激光但透拉曼光和荧光的窄带介质膜，该分束片的其它区域则为涂有增透膜的石英玻璃。
6.根据权利要求5所述的一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，其特征在于：所述待测微粒为水中微粒，水中微粒位于经过玻璃容器的流水中。
7.根据权利要求5所述的一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，其特征在于：所述待测微粒为雾霾、烟囱排放物等。
8.根据权利要求1所述的一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，其特征在于：通过分束片透射激光、反射拉曼光和荧光，分别形成透射激光、拉曼光和荧光三条通道；在透射激光通道中，透射过的激光再次经过透镜后被激光照相机收集起来，用于测量粒子的大小和浓度；在拉曼光通道中，被分束片反射的拉曼光再次通过另一分束片被反射，被反射的拉曼光经滤光片滤去残余的激光后再经透镜和光纤进入拉曼光谱仪，用于测量目标粒子的性质；在荧光通道中，被分束片反射的荧光再次通过另一分束片被透射，被透射的荧光经滤光片和透镜以及光纤后进入荧光光谱仪，用于进一步测定粒子的物质性质。
9.根据权利要求8所述的一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，其特征在于：所述激光束为波长532nm的绿色激光，所述待测微粒为水中微粒，水中微粒位于经过玻璃容器的流水中。
10.根据权利要求9所述的一种实时检测微粒大小和性质的三通道融合系统，其特征在于：所述柱面镜为1个，所述分束片为2个，所述滤光片为2个，所述透镜为5个。
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