CN108844866B - 纳米颗粒追踪装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种纳米颗粒追踪装置，包括：激光器，用于发射第一激光束；光学整形单元，用于将第一激光束整形成光强均匀分布的激光束，光学整形单元包括：扫描单元和会聚单元；扫描单元，用于调整第一激光束的方向得到第二激光束，将第二激光束反射到会聚单元；会聚单元，用于将第二激光束会聚为第三激光束，并出射到样品池；图像采集单元，用于采集样品池中纳米颗粒的图像；图像处理单元，与图像采集单元连接，用于分析图像以得到样品池中样品的参数。通过在激光器的出射光路上设置光学整形单元，光学整形单元能够将激光器发射的激光束整形成光强均匀的激光束，提高了纳米颗粒测量的准确度，降低了校准过程的复杂程度。

Description

纳米颗粒追踪装置

技术领域

本公开涉及测量技术领域，尤其涉及一种纳米颗粒追踪装置。

背景技术

目前常用的分析纳米颗粒粒径分布的技术有：静态光散射法，动态光散射法，电子显微镜法，流式细胞检测技术和纳米颗粒追踪技术。

纳米颗粒追踪技术基于颗粒的布朗运动，颗粒的布朗运动程度(扩散系数)与温度、粘度和颗粒的粒径等因素有关。

纳米颗粒追踪技术直接追踪每个颗粒的运动情况，通过分析各个颗粒的相对位移，进而计算出每个颗粒的粒径。通过统计大量颗粒的粒径，再得到颗粒的粒径分布。

如图1所示，激光器6发射的激光入射到纳米颗粒样品池4中的颗粒样品5上，纳米颗粒样品池4中的每个颗粒样品5均散射激光，形成散射激光，散射激光被光路接收装置3接收并在图像传感器2上成像，在图像传感器2上可以得到每个颗粒样品5在每个时刻的位置，通过数学分析可以得到每个颗粒的扩散系数，并通过斯托克斯-爱因斯坦方程(Stokes-Einstein equation)得到各个颗粒的粒径。

如图2所示，未经整形的激光束一般为光强呈类似高斯分布的高斯光束。高斯光束照射到颗粒位置时形成照明光斑，位于照明光斑中不同位置的颗粒，因入射光的强度不同，其散射激光的强度也不同。如图3A所示，位于高斯光束边缘处的颗粒接收到的入射光强较弱，其散射激光的光强也较弱；如图3B所示，位于接近高斯光束中心位置附近的颗粒接收到的入射光强较强，其散射激光的光强相对于高斯光束边缘处的颗粒的光强要强。

因此，在纳米颗粒追踪技术后续的图像处理中，根据预设的散射激光的光强阈值对图像进行处理，识别超过上述光强阈值的纳米颗粒，得到纳米颗粒的位置分布图。例如，假设光强阈值为0.2，位于接近高斯光束中心位置的颗粒，如图3B所示的纳米颗粒的散射激光的光强的值为0.3，能够超过光强阈值，而位于高斯光束边缘处的颗粒，如图3A所示的纳米颗粒的散射激光的光强的值为0.1，不能超过光强阈值。

针对粒径相同的纳米颗粒，只有相对接近高斯光束中心位置的部分颗粒，能够通过光强阈值检测，被识别为纳米颗粒，将接近高斯光束中心位置的区域称为纳米颗粒的有效散射体积。根据纳米追踪装置分析得到的颗粒的粒径分布，可知每个颗粒的粒径，将超过阈值的颗粒个数除以有效散射体积即可得到单位体积内的颗粒浓度，再通过统计各种粒径的颗粒个数，并进而可以得到粒度分布曲线。

假设超过阈值的粒径在d1至d2之间的颗粒个数是N(d1,d2)，有效散射体积为V，从实验数据中计算粒度分布曲线ρ(d)的表达式为：

其中ρ(d)是粒径为d的粒度分布曲线，d＝(d₂-d₁)/2。

单个纳米颗粒的散射激光的强度与纳米颗粒的粒径有关，在纳米颗粒粒径较小时，纳米颗粒的散射激光的强度与纳米颗粒的粒径的关系式(瑞利散射的公式)如下：

其中，I是散射激光的强度，I₀是入射激光的强度，d是纳米颗粒的直径，λ是入射激光的波长，n是纳米颗粒的有效折射率，C是由光路几何关系决定的常数。

可见，纳米颗粒的散射激光的强度与纳米颗粒的粒径有关，对于在瑞利散射范围内的颗粒，粒径大的纳米颗粒散射激光的光强较强，有效散射体积较大，粒径小的纳米颗粒散射激光的光强较弱，有效散射体积较小。对于超出瑞利散射范围的颗粒，散射激光的强度随粒径变化。因为散射体积在计算纳米颗粒的浓度中是算式的分母，导致计算得到的纳米颗粒的颗粒浓度不准确，由此导致了纳米颗粒粒度的测量结果不准确。

为了校正纳米颗粒的有效散射体积的差异，需使用不同粒径大小的、具有标准浓度的标准纳米颗粒溶液做校准。因为纳米颗粒的散射光强不仅与粒径有关，还与纳米颗粒的折射率有关，因此，对于不同折射率的纳米颗粒需要分别做相应的校准曲线。

但是，具有所需折射率和粒径大小，且具有标准浓度的标准尺寸纳米颗粒溶液很难被提供，导致校准过程不仅困难，有时甚至不可实现。因此，对于因照射到样品池的激光束的光强不均匀带来的测量结果的不准确的校准过程难以实现，难以获得准确的纳米颗粒测量结果。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种纳米颗粒追踪装置，能够将激光束整形成光强均匀的激光束，提高了纳米颗粒测量的准确度。

根据本公开的一方面，提供了一种纳米颗粒追踪装置，包括：激光器、光学整形单元、图像采集单元以及图像处理单元；

激光器，用于发射第一激光束；

光学整形单元，用于将第一激光束整形成光强均匀分布的激光束，光学整形单元包括：扫描单元和会聚单元；

扫描单元，用于调整所述第一激光束的方向得到第二激光束，将所述第二激光束反射到所述会聚单元，所述第二激光束包括多条在空间上连续分布的、被反射的第一激光束；

会聚单元，用于将所述第二激光束会聚为第三激光束，并出射到样品池，其中，所述第三激光束中的每条激光束互相平行；

图像采集单元，用于采集样品池中纳米颗粒的图像；

图像处理单元，与所述图像采集单元连接，用于分析所述图像以得到样品池中样品的参数；

其中，所述扫描单元的主光轴与会聚单元的主光轴在同一直线上。

在一种可能的实现方式中，所述纳米颗粒追踪装置还包括：

截取单元，用于截取所述第三激光束中光强平坦的部分，并将截取的激光束出射到所述样品池。

在一种可能的实现方式中，所述光学扫描单元为扫描振镜或转镜。

在一种可能的实现方式中，所述会聚单元为会聚透镜。

在一种可能的实现方式中，所述光学扫描单元与会聚单元之间的距离为会聚单元的焦距的0.5倍至两倍。

在一种可能的实现方式中，所述截取单元为光阑。

在一种可能的实现方式中，所述样品的参数包括样品的粒径分布。

在一种可能的实现方式中，所述纳米颗粒追踪装置还包括：

反射单元，设置于激光器的输出光路上，用于将激光器发射的第一激光束反射到所述扫描单元的表面。

通过在激光器的出射光路上设置光学整形单元，光学整形单元能够将激光器发射的激光束整形成光强均匀的激光束，解决了纳米颗粒测量技术中光强不均匀导致的校准过程繁琐的问题，提高了纳米颗粒测量的准确度。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出相关技术中纳米颗粒追踪装置的结构示意图。

图2示出一示例的高斯光束的光强分布示意图。

图3A和图3B分别示出本公开一示例的高斯光束上的颗粒的散射激光的光强分布的示意图。

图4示出根据本公开一实施例的纳米颗粒追踪装置的结构框图。

图5示出根据本公开一实施例的经过整形后的第三激光束的一个截面的光强示意图。

图6示出根据本公开一实施例的纳米颗粒追踪装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图4示出根据本公开一实施例的纳米颗粒追踪装置的结构框图。如图4所示，该装置可以包括：激光器、光学整形单元、图像采集单元以及图像处理单元；

激光器，用于发射第一激光束；其中，第一激光束可以为点状激光束或线状激光束(例如非扫描方向的线状激光束)，激光器可以为光纤耦合的激光器、自由空间耦合的激光器等。

光学整形单元，用于将第一激光束整形成光强均匀分布的激光束。举例来说，光学整形单元可以固定在第一激光束的传输光路上，用于接收激光器发射的第一激光束，并对接收的第一激光束进行整形形成光强均匀的激光束。

在一种可能的实现方式中，光学整形单元可以包括：扫描单元和会聚单元。

其中，扫描单元用于调整所述第一激光束的方向得到第二激光束，将所述第二激光束反射到所述会聚单元，所述第二激光束可以包括多条在空间上连续分布的、被反射的第一激光束。

在一种可能的实现方式中，扫描单元可以匀速的转动，在转动过程中扫描单元能够使入射的第一激光束进行反射，实现第一激光束的偏转，从而将第一激光束反射到各个不同的方向。扫描单元可以为扫描振镜、转镜等，这样，在不同的时刻，扫描单元转动到不同的位置，能够对入射的第一激光束在不同的角度进行反射，得到不同方向的第二激光束，实现了第一激光束方向的调整。

可选的，所述第二激光束可以为外轮廓为三维立体形状，例如第二激光束的外轮廓可以为圆锥形、或者长方体等。以圆锥形为例，第二激光束可以以从扫描单元出射的位置为圆锥形的顶点发散开来。

假设第一激光束为点状激光束，以扫描振镜为例，在扫描振镜的一个扫描周期内，扫描振镜对第一激光束在X轴和Y轴两个方向上进行方向的调整，从而形成外轮廓为长方体的第二激光束。假设第一激光束为线状激光束，以转镜为例，线状激光束的线延伸方向可以与转镜的扫描方向垂直，这样，经过转镜的扫描也可以形成外轮廓为长方体的第二激光束。

会聚单元，用于将所述第二激光束会聚为第三激光束，并出射到样品池，其中，所述第三激光束中的每条激光束互相平行。

会聚单元能够将入射的不同角度的激光束会聚为平行于会聚单元主光轴的激光束。会聚单元可以是会聚透镜，例如，平凸透镜、由平凸透镜和柱面透镜构成的透镜组等。上述第二激光束经过会聚单元后会聚为第三激光束，然后出射到样品池。其中，第三激光束中的每条激光束可以平行于会聚单元的主光轴。

在一种可能的实现方式中，扫描单元可以固定在激光器的出射光路上，用于接收激光器发射的第一激光束，能够实时接收第一激光束并进行反射，会聚单元可以固定在扫描单元出射光的光路上，用于接收扫描单元转换后的第二激光束，将第二激光束会聚为第三激光束，并将第三激光束出射到样品池(样品池中可以为纳米颗粒样品)中，为样品池中的纳米颗粒提供照明光源。

在一种可能的实现方式中，扫描单元的主光轴与会聚单元的主光轴可以在同一直线上，这样，经扫描单元、会聚单元整形形成的平行激光束从会聚单元的整个平面射出。

图5示出了根据本公开一实施例的经过整形后的第三激光束的一个截面的光强示意图。

上述截面可以是第三激光束的不在边缘上的截面，如图5所示，该截面上的激光束照射到样品池中为一条直线，在该直线上，上述第三激光束出射到直线上不同位置的每条激光束的光强如图5中的s2所示。

在扫描振镜的一个扫描周期内，每一个位置上照射的光强可以为不同时刻照射到该位置的所有激光束的光强的总和，经过叠加后，每一个位置的光强分布如图5中的s1所示。

此种方法相当于将原始的激光束的光强分布人为设定一个曲线卷积函数(例如图5中为矩形函数，给扫描振镜输入三角波信号)，即使入射激光束的光束质量较差，不是标准的高斯光束，最终的结果也可以实现累加光强的均匀化。

以上一个截面仅仅是第三激光束的截面的一个示例，通过以上分析可知，第一激光束经过光学整形单元的整形可以形成光强均匀分布的第三激光束。

图像采集单元，用于采集样品池中纳米颗粒的图像。

在一种可能的实现方式中，图像采集单元可以获取光学图像，例如，图像采集单元可以为如图1中所示的图像传感器2或者工业相机。

图像处理单元，与所述图像采集单元连接，用于分析所述图像以得到样品池中样品的参数。

其中，样品的参数可以包括样品的粒径分布等，具体得到样品的参数的过程可以参见相关的现有技术，不再赘述。图像处理单元可以为图形处理器GPU(英语：GraphicsProcessing Unit)、计算机等。

由于第三激光束是光强均匀的激光束，因此在测量之前，不需要获得相应的校准曲线。

通过在激光器的出射光路上设置光学整形单元，光学整形单元能够将激光器发射的第一激光束整形成光强均匀的激光束，解决了纳米颗粒测量技术中光强不均匀导致的校准过程繁琐的问题，提高了纳米颗粒测量的准确度。

在一示例中，光学整形单元可以直接固定在激光器发射的激光束的出射光路上，直接接收激光器发射的激光束。

在另一示例中，可以在激光器和光学整形单元之间设置有反射单元，反射单元可以将接收的激光器发射的第一激光束反射至光学整形单元。其中，反射单元可以是反射镜。

图6是示出根据本公开一实施例的纳米颗粒追踪装置的结构示意图。

例如，如图6所示，在激光器6和光学整形单元之间设置有反射镜7，反射镜7接收激光器发射的第一激光束并反射，反射的第一激光束照射至光学整形单元。

如图6所示，激光器6发射第一激光束出射到与水平面成45度放置的反射镜7上，并在反射镜7上全反射至扫描振镜8，扫描振镜8能够调整第一激光束的方向得到第二激光束。

通过在激光器的输出光路上设置反射单元可以灵活设置激光器的位置。

在激光器和光学整形单元之间设置反射单元的形式不限于图6所示的方式，只要能使接收的第一激光束发生反射，并反射到光学整形单元上即可，在此不作一一限定。

在一种可能的实现方式中，还可以在样品池附近设置所述反射单元和光陷阱12，这样通过反射单元可以将样品池中散射的激光束反射到光陷阱12，消除杂散光，防止眩光，进一步提高测量的准确度。

在一种可能的实现方式中，所述纳米颗粒追踪装置还可以包括：截取单元，用于截取所述第三激光束中光强平坦的部分，并将截取的激光束出射到所述样品池。

如图5所示，在第三激光束的边缘部分的部分光强小于光强均匀部分的光强，因此，可以通过设置截取单元截取第三激光束中光强平坦的部分，进一步消除光强不均匀带来的影响，提高测量的准确度。

在一个示例中，所述截取单元可以为光阑。

在一种可能的实现方式中，如6所示，可以在会聚单元10和样品池5之间的光路上设置光阑11，截取第三激光束，将截取的激光束照射到样品池5中。

如图5所示，通过选取合理的参数，光阑11能够截取S1曲线中的平坦部分，使得入射到样品池5中的光强更加均匀化。

如图6所示，在一种可能的实现方式中，本公开的纳米颗粒追踪装置还可以包括振镜控制电路9和计算机1，振镜控制电路9分别与扫描振镜8和计算机相1连接，计算机1能够通过振镜控制电路9控制扫描振镜8的偏转角，计算机1还可以包括上述图像处理单元。振镜控制电路9可以是摆动电机，扫描振镜8可以是一种由摆动电机控制其偏转角的反射镜，因此，扫描振镜8在不同的偏转角下，其反射的激光束的方向也不同，反射的激光束经会聚单元10会聚为平行于会聚单元10主光轴的激光束，并照射至样品池5中。不同反射方向的激光束照射到样品池5中的位置也不同，使得样品池5中同一个颗粒在不同时刻的光强不同。但是，在扫描振镜8的一个扫描周期内，每一个位置上照射的光强可以为不同时刻照射到该位置的所有激光束的光强的总和，经过叠加后，每一个位置的光强相同。

如图6所示，在一种可能的实现方式中，扫描单元与会聚单元之间的距离可以为会聚单元的焦距的0.5倍至两倍。例如，扫描单元可以位于会聚单元的焦点处，可以使第三激光束中的各个时刻的每条激光束以平行于会聚单元的主光轴的方向照射到样品池中，提高第三激光束单位面积上的光照强度的均匀性，配合光阑11截取第三激光束的平坦部分，能够进一步地提高照射到样品池中激光束的光照度的均匀性。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (7)

1.一种纳米颗粒追踪装置，其特征在于，包括：激光器、光学整形单元、图像采集单元以及图像处理单元；

激光器，用于发射第一激光束；

光学整形单元，用于将第一激光束整形成光强均匀分布的激光束，光学整形单元包括：扫描单元和会聚单元；

扫描单元，用于调整所述第一激光束的方向得到第二激光束，将所述第二激光束反射到所述会聚单元，所述第二激光束包括多条在空间上连续分布的、被反射的第一激光束；

会聚单元，用于将所述第二激光束会聚为第三激光束，并出射到样品池，其中，所述第三激光束中的每条激光束互相平行；

其中，在所述扫描单元的一个扫描周期内，照射到样品池的每一个位置的光强相同；

图像采集单元，用于采集样品池中纳米颗粒的图像；

图像处理单元，与所述图像采集单元连接，用于分析所述图像以得到样品池中每个颗粒的粒径，以及根据每个颗粒的粒径，得到样品池中颗粒的粒径分布；

其中，所述扫描单元的主光轴与会聚单元的主光轴在同一直线上。

2.根据权利要求1所述的纳米颗粒追踪装置，其特征在于，所述纳米颗粒追踪装置还包括：

截取单元，用于截取所述第三激光束中光强平坦的部分，并将截取的激光束出射到所述样品池。

3.根据权利要求1或2所述的纳米颗粒追踪装置，其特征在于，

所述扫描单元为扫描振镜或转镜。

4.根据权利要求1或2所述的纳米颗粒追踪装置，其特征在于，

所述会聚单元为会聚透镜。

5.根据权利要求1或2所述的纳米颗粒追踪装置，其特征在于，

所述扫描单元与会聚单元之间的距离为会聚单元的焦距的0.5倍至两倍。

6.根据权利要求2所述的纳米颗粒追踪装置，其特征在于，

所述截取单元为光阑。

7.根据权利要求1或2所述的纳米颗粒追踪装置，其特征在于，所述装置还包括：

反射单元，设置于激光器的输出光路上，用于将激光器发射的第一激光束反射到所述扫描单元的表面。

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