CN111812000A - 一种悬浮单颗粒的探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种悬浮单颗粒的探测装置及方法，装置包括：照明单元、接收光学单元和会聚光学单元，照明单元，用于发出光经过所述会聚光学单元后聚焦，照亮待探测的悬浮单颗粒物；接收光学单元设置在后向散射角度处，接收所述悬浮单颗粒物经所述会聚光学单元传输回的散射光信号；会聚光学单元用于会聚所述照明单元发出的所述光并将所述悬浮单颗粒物反射回的散射光信号传输给所述接收光学单元，所述照明单元的所述光的会聚区域与所述接收光学单元的探测区域至少部分交叉，交叉的区域为散射体积。通过照明‑接收共享光路，照明和接收光路可以自动对准，更容易实现单颗粒测量，也极大地提高了光路的稳定性和光学仪器的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及悬浮颗粒探测技术领域，尤其涉及一种悬浮单颗粒的探测装置及方法。
背景技术
原位、快速、准确、大量地获得大气、水体中悬浮颗粒的信息，对于生态监测、渔业养殖以及环境管理等方面都具有重要的意义。光学散射方法具有高分辨、非接触、非破坏、信息丰富等优势，已经被广泛用于颗粒物的探测。研究发现，通过测量颗粒散射光的角度、偏振、光谱分布，可以获得水体悬浮颗粒的大小、成分、形态和浓度等信息，用于颗粒物的识别与分类。同时，为了提升仪器光路稳定性和数据准确性，以及适应大气、淡水、海水等不同环境下测量的能力，需要对现有光路进行优化改进。
目前探测悬浮颗粒物的光散射测量方法，有些利用前向散射光角度分布，来获得颗粒物的大小；有些利用散射光的光谱分布，来获得颗粒物的成分、色素含量信息；有些利用散射光的偏振态，来获得颗粒物的形态和内部结构信息。但是，这些方法的大多采用整体(bulk)测量，获得悬浮颗粒物的综合信息。单个测量颗粒物的散射光的角度、偏振、光谱等信息，可以获得颗粒物更多、更丰富、更细致的信息，可以实现精细识别与分类。为此，需要发展新的自对准的方法来解决这个难题。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明为了解决现有的问题，提供一种悬浮单颗粒的探测装置及方法。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种悬浮单颗粒物的探测装置，包括：照明单元、接收光学单元和会聚光学单元，所述照明单元，用于发出光经过所述会聚光学单元后聚焦，照亮待探测的悬浮单颗粒物；所述接收光学单元设置在后向散射角度处，接收所述悬浮单颗粒物经所述会聚光学单元传输回的散射光信号；所述会聚光学单元用于会聚所述照明单元发出的所述光并将所述悬浮单颗粒物反射回的散射光信号传输给所述接收光学单元，所述照明单元的所述光的会聚区域与所述接收光学单元的探测区域至少部分交叉，交叉的区域为散射体积。
优选地，所述照明单元发出的光为平行光，所述会聚光学单元包括第一透镜，所述平行光与所述第一透镜的光轴平行。
优选地，所述接收光学单元包括光阑、针孔和第二透镜，所述悬浮单颗粒物反射的所述散射光经所述会聚光学单元后依序经过所述光阑、所述针孔和所述第二透镜；所述散射光经过所述光阑后到达所述针孔处，通过所述针孔进行空间滤波后形成发散光，再通过所述第二透镜将所述发散光调制成单束平行光。
优选地，所述接收光学单元是可移动的，用于对接收后向散射角度中心角度进行调节。
优选地，所述接收光学单元包括第三透镜，用于采集所述悬浮单颗粒物的平行的所述散射光并会聚所述散射光。
优选地，所述照明单元发出的所述光照向所述会聚光学单元的第一区域；在360°方位角接收区域选择多个方位角设置所述接收光学单元接收所述悬浮单颗粒物的所述散射光。
优选地，所述第一区域在所述会聚光学单元的中心；所述接收光学单元包括针孔和第四透镜，所述散射光在所述针孔处通过所述针孔进行空间滤波后形成发散光，再通过所述第四透镜将所述发散光调制成单束平行光。
优选地，还包括：调制单元，用于接收所述接收光学单元的光束并进行调制；处理单元，用于接收所述调制单元的光束并对所述悬浮单颗粒物进行识别和区分。
优选地，所述探测区域是空气、淡水或海水。
优选地，采用如上任一所述的悬浮单颗粒物的探测装置。
本发明的有益效果为：提供一种悬浮单颗粒的探测装置及方法，通过照明单元、接收光学单元通过同一会聚光学单元，使得照明光路的会聚区域就是接收光路的探测区域，实现照明-接收共享光路，照明和接收光路可以自动对准，省去了繁琐的照明-接收光路对准步骤，更容易实现单颗粒测量，获得悬浮颗粒物散射光信息，实现颗粒物的识别与分类。也极大地提高了光路的稳定性和光学仪器的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例中第一种悬浮单颗粒物的探测装置的示意图。
图2是本发明实施例中第二种悬浮单颗粒物的探测装置的示意图。
图3是本发明实施例中第三种悬浮单颗粒物的探测装置的示意图。
图4(a)是本发明实施例中第四种悬浮单颗粒物的探测装置的示意图。
图4(b)是本发明实施例中第一透镜的横截面示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明发现，测量悬浮单颗粒物的主要挑战是如何调节照明光路和接收光路，使之交叉产生散射体积。然而，在采用现有方法的仪器使用过程中，往往因为装配、温度变化、外界压力等因素导致照明-接收光路没法出现交叉产生散射体积，导致悬浮单颗粒物的实现难度大。
如图1所示，本发明提供一种悬浮单颗粒物的探测装置，包括：照明单元1、接收光学单元2和会聚光学单元3，
所述照明单元1，用于发出光经过所述会聚光学单元3后聚焦，照亮待探测的悬浮单颗粒物4；
所述接收光学单元2设置在后向散射角度处，接收所述悬浮单颗粒物4经所述会聚光学单元2传输回的散射光信号；
所述会聚光学单元3用于会聚所述照明单元1发出的所述光并将所述悬浮单颗粒物4反射回的散射光信号传输给所述接收光学单元2，所述照明单元1的所述光的会聚区域与所述接收光学单元2的探测区域至少部分交叉，交叉的区域为散射体积。
如图1中，悬浮单颗粒物4周围的虚线圆圈区域是所照明单元1的光的会聚区域。
本发明通过照明单元、接收光学单元通过同一会聚光学单元，使得照明光路的会聚区域就是接收光路的探测区域，实现照明-接收共享光路，照明和接收光路可以自动对准，省去了繁琐的照明-接收光路对准步骤，更容易实现单颗粒测量，获得悬浮颗粒物散射光信息，实现颗粒物的识别与分类。也极大地提高了光路的稳定性和光学仪器的可靠性。
现有技术中，常见照明-接收光路分离，则照明光路的会聚区域与接收光路的接收区域难以交叉、重合(对准)，导致信噪比降低，并且不容易实现单个颗粒测量。而本发明的共享光路致使聚焦点与接收区域“自动对准”，免除了上述对准难题。探测区域的光无论是经过空气还是淡水、海水，因为照明光路和接收光路具有同一会聚点，能实现自动对准，从而扩展了该方法的适用环境。微粒的散射光会被接收光学系统接收，利用悬浮微粒的偏振、荧光、光谱等散射信息来识别和区分微粒。
在本发明的一种实施例中，后向散射角度相当于90°到180度的接收角度，不同接收角度的散射光信息是不一样的。
在本发明的一种实施例中，照明单元发出的光为平行光，会聚光学单元包括第一透镜，所述平行光与所述第一透镜的光轴平行。这样会聚光学单元会将照明光聚焦在等效透镜的焦点上。同样的，这个焦点区域里颗粒的散射光被会聚光学单元接收。但是具体的实施方式不限于此。
悬浮颗粒物测量的核心是限制散射体积，为达到测量单个颗粒物散射信号的目的，照明-接收光路要交汇于一个极小区域，只有该区域内的粒子才能被探测到散射信号，该区域被称为散射体积。因此，散射体积要足够小，从而使颗粒物概率上单个穿过探测体积，可以采取让入射端光路变细以及对物像关系的像点进行空间限制(加小孔)的方法。
在本发明的一种实施例中，接收光学单元将散射光收集后聚焦，聚焦处加一个针孔限制通光区域，然后经过第二透镜，将光束转化为平行光。针孔的大小来限制水体中被探测区域的大小。被探测区域与照明光路交叉的区域为散射体积。通过照明光学单元和接收光学单元的设计，可以让散射体积设计在一个较小的范围内，并且在一定水体浓度范围内，可以实现单个悬浮颗粒测量。
如图2所示，接收光学单元包括光阑5、针孔6和第二透镜7，悬浮单颗粒物4反射的散射光经会聚光学单元3后依序经过所述光阑5、针孔6和所述第二透镜7；散射光经过光阑5后到达针孔6处，通过针孔6进行空间滤波后形成发散光，再通过第二透镜7将发散光调制成单束平行光。
本实施例是一种可调接收角度的实现方式，接收角度中心角度可调，而覆盖了小角度范围。照明单元连续照明，通过透镜后照亮悬浮颗粒，后向散射处设有接收装置接收该颗粒物的散射光。照明光和接收光经过第一透镜，能实现光路自对准；接收光学单元的光阑5、针孔6和透镜7实现了单个颗粒测量所需要的小散射体积。同时，光阑5、针孔6和透镜7能够左右移动，对接收后向散射角度中心角度进行调节。然后进行偏振、荧光或者光谱的光测量，最后对接收到的散射光信息进行分析处理，以实现对悬浮颗粒物的探测与分析。
在一种实施例中，第一透镜可以是凸透镜。
在本发明的一种实施例中提供一种大角度探测单颗粒的实现方式。与图2的不同之处在于，接收光学单元将采集大区域散射光，会聚后进行接收和分析处理。大角度探测能获得悬浮颗粒散射光的大散射角度范围内信息，提升对目标颗粒的探测能力。
如图3所示，接收光学单元包括第三透镜10，用于采集所述悬浮单颗粒物的平行的所述散射光并会聚所述散射光。
在本发明的再一种实施例中提供一种中心照射的实现方式。照明光从第一透镜中心入射，照亮颗粒后，可以接收360°方位角的后向散射光。
如图4(a)所示，照明单元1发出的光照向会聚光学单元3的第一区域；在360°方位角接收区域选择多个方位角设置所述接收光学单元接收悬浮单颗粒物的散射光。
在本发明的一种实施例中，第一区域在所述会聚光学单元的中心；接收光学单元包括针孔11和第四透镜12，散射光在针孔11处通过针孔11进行空间滤波后形成发散光，再通过第四透镜123将发散光调制成单束平行光。
如图4(b)所示，中心为第一区域14，外圆环部分为接收光学单元的接收区域13，可以在360°方位角接收区域13选择特定的方位角设置多个接收光学单元进行散射光接收。照明光也可以不在中心位置，而在任意选定区域。
可以理解的是，在现有仪器的操作中分离光路会因为装配、运输、温度、压力等问题导致照明-接收光路不交叉而不能测量到信号。本发明的设计可以有效避免这个问题，大大提高光路系统(以及仪器)的稳定性。
进一步的，本发明的悬浮单颗粒物的探测装置还包括：
调制单元8，用于接收所述接收光学单元的光束并进行调制；
处理单元9，用于接收所述调制单元的光束并对所述悬浮单颗粒物进行识别和区分。
在本发明的一种实施例中，调制单元8包括荧光探测分光通道、所述偏振检偏分光通道、光谱分析通道；具体的，接收光学单元发出的单束平行光进入分光器后将被分为多束光，进入荧光探测分光通道、所述偏振检偏分光通道以及光谱分析通道的多个子通道。照明单元的光路和接收光学单元的光路交汇于一个极小区域使得只有该区域内的悬浮颗粒物才能被探测到其散射信号。
本发明的光路与偏振、荧光或者光谱信息的光路兼容，容易提升探测能力。
在本发明的一种实施例中，提供一种悬浮单颗粒的探测方法，在后向散射角度(比如120度)处设有接收光学单元接收被照亮悬浮单颗粒物的散射光信号，并将发散光调制成平行光。单束平行光进入分光器后将被分为多束光进入荧光探测分光通道、偏振检偏分光通道、光谱分析通道，例如5束光分别进入1个荧光探测分光通道和偏振检偏分光通道的4个子通道，信号通过分光器的荧光探测分光通道和偏振检偏分光通道后进入多个光电转换器中，实现散射信号的收集，再利用悬浮微粒的偏振和荧光性质来解读微粒，从而达到识别微粒的目的。
本发明通过同步测量悬浮颗粒物的偏振散射、激发荧光信号、光谱信息，结合微粒散射光的偏振散射特性和激发荧光特性，来达到区分和识别目标悬浮颗粒物(包括不同类亚微米生物、生物与非生物等)的目的，增加了信息维度，丰富了微粒的特征数据，利用偏振特征了解微粒的结构，通过激发荧光特征了解微粒色素的构成情况，以实现对微粒的进一步解读，由于结合了微粒的结构和色素等因素，能够大大提高微粒识别的准确性。
本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。
本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。
本申请所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，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技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，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 (10)
1.一种悬浮单颗粒物的探测装置，其特征在于，包括：照明单元、接收光学单元和会聚光学单元，
所述照明单元，用于发出光经过所述会聚光学单元后聚焦，照亮待探测的悬浮单颗粒物；
所述接收光学单元设置在后向散射角度处，接收所述悬浮单颗粒物经所述会聚光学单元传输回的散射光信号；
所述会聚光学单元用于会聚所述照明单元发出的所述光并将所述悬浮单颗粒物反射回的散射光信号传输给所述接收光学单元，所述照明单元的所述光的会聚区域与所述接收光学单元的探测区域至少部分交叉，交叉的区域为散射体积。
2.如权利要求1所述的悬浮单颗粒物的探测装置，其特征在于，所述照明单元发出的光为平行光，所述会聚光学单元包括第一透镜，所述平行光与所述第一透镜的光轴平行。
3.如权利要求2所述的悬浮单颗粒物的探测装置，其特征在于，所述接收光学单元包括光阑、针孔和第二透镜，所述悬浮单颗粒物反射的所述散射光经所述会聚光学单元后依序经过所述光阑、所述针孔和所述第二透镜；
所述散射光经过所述光阑后到达所述针孔处，通过所述针孔进行空间滤波后形成发散光，再通过所述第二透镜将所述发散光调制成单束平行光。
4.如权利要求3所述的悬浮单颗粒物的探测装置，其特征在于，所述接收光学单元是可移动的，用于对接收后向散射角度中心角度进行调节。
5.如权利要求2所述的悬浮单颗粒物的探测装置，其特征在于，所述接收光学单元包括第三透镜，用于采集所述悬浮单颗粒物的平行的所述散射光并会聚所述散射光。
6.如权利要求2所述的悬浮单颗粒物的探测装置，其特征在于，所述照明单元发出的所述光照向所述会聚光学单元的第一区域；在360°方位角接收区域选择多个方位角设置所述接收光学单元接收所述悬浮单颗粒物的所述散射光。
7.如权利要求6所述的悬浮单颗粒物的探测装置，其特征在于，所述第一区域在所述会聚光学单元的中心；
所述接收光学单元包括针孔和第四透镜，所述散射光在所述针孔处通过所述针孔进行空间滤波后形成发散光，再通过所述第四透镜将所述发散光调制成单束平行光。
8.如权利要求1-7任一所述的悬浮单颗粒物的探测装置，其特征在于，还包括：
调制单元，用于接收所述接收光学单元的光束并进行调制；
处理单元，用于接收所述调制单元的光束并对所述悬浮单颗粒物进行识别和区分。
9.如权利要求1-7任一所述的悬浮单颗粒物的探测装置，其特征在于，所述探测区域是空气、淡水或海水。
10.一种悬浮单颗粒的探测方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的悬浮单颗粒物的探测装置。
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2020
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