CN114018766A - 一种多波长散射偏振荧光测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多波长散射偏振荧光测量装置，包括光源、偏振调制系统、入射光路、接收光路、第一分光系统、第二分光系统和数据处理端，其中，光源发出的多波长光，经过偏振调制系统后产生第一偏振光，经过入射光路照射在水样中的悬浮颗粒物，接收光路接收来自被照射的悬浮颗粒物的散射光信号并传送至第一分光系统，散射光信号由第一分光系统分成多束不同的平行散射光，其中多束平行散射光中的一束平行散射光由第二分光系统分成多束不同偏振态的第二偏振光，多束第二偏振光分别通过光电转换器传输至数据处理端，多束平行散射光中的其余平行散射光分别通过荧光探测器传输至数据处理端。本发明能够提高对悬浮颗粒物识别的准确性。

Description

一种多波长散射偏振荧光测量装置

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种多波长散射偏振荧光测量装置。

背景技术

快速、准确、大量的获得水体悬浮颗粒物的信息，是生态研究、环境监测的重要手段。偏振光对样品的细微结构比较敏感，可以快速有效的获得水样中悬浮颗粒物的信息，是研究水体特性重要工具，对生态研究、环境评估以及水产养殖具有重大意义。光学方法因为高分辨率、非接触、信息丰富等优势广泛用于微粒的检测中，目前主要有散射、荧光等方法。然而传统光学方法并不能很好的获得悬浮颗粒物的信息，荧光方法通过对获取水体中的悬浮颗粒物整体的色素信息，散射方法通过光强角分布获得水体悬浮颗粒物整体的粒径分布和浓度等信息，对悬浮颗粒物的识别与分类能力有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多波长散射偏振荧光测量装置，提高对悬浮颗粒物识别的准确性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多波长散射偏振荧光测量装置，包括光源、偏振调制系统、入射光路、接收光路、第一分光系统、第二分光系统和数据处理端，其中，光源发出的多波长光，经过偏振调制系统后产生第一偏振光，经过入射光路照射在水样中的悬浮颗粒物，接收光路接收来自被照射的悬浮颗粒物的散射光信号并传送至第一分光系统，散射光信号由第一分光系统分成多束不同的平行散射光，其中多束平行散射光中的一束平行散射光由第二分光系统分成多束不同偏振态的第二偏振光，多束第二偏振光分别通过光电转换器传输至数据处理端，多束平行散射光中的其余平行散射光分别通过荧光探测器传输至数据处理端。

进一步地，偏振调制系统包括转动设置的若干第一齿轮和分别与若干第一齿轮连接用于驱动第一齿轮转动的若干驱动组件，若干第一齿轮间隔设置，且若干第一齿轮的中心均位于同一直线上，第一齿轮中心开设有通孔，通孔内设有波片。

进一步地，第一齿轮的数量为两个以上。

进一步地，入射光路包括用于将第一偏振光汇聚在悬浮颗粒物处的凸透镜。

进一步地，接收光路包括用于将散射光信号调制为单束平行光的准直系统。

进一步地，第一分光系统包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片，第一分光棱镜设置在接收光路远离悬浮颗粒物的一侧，第二分光棱镜设置在第一分光棱镜的透射光路上，第一滤光片设置在第一分光棱镜的反射光路上，第二滤光片设置在第二分光棱镜的反射光路上，第三滤光片设置在第二分光棱镜的透射光路上，荧光探测器的数量为二，两个荧光探测器分别设置在第一滤光片和第二滤光片的出射光路上。

进一步地，光源包括第一激光器、若干第二激光器和若干二向色镜，若干二向色镜依次设置在第一激光器的发射光路上，若干第二激光器与若干二向色镜的数量相同且一一对应，第二激光器设置在对应的二向色镜的反射光路上。

进一步地，光电转换器为光电倍增管。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：通过多波长光入射，对水样中的悬浮颗粒物的偏振散射信号与荧光信号进行同步测量，结合悬浮颗粒物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的目的；同时接收悬浮颗粒物散射光的偏振信号和荧光信号，充分利用了悬浮颗粒物的荧光特性，增加了信息维度，丰富了悬浮颗粒物的特征数据，利用偏振特性了解悬浮颗粒物的结构，通过激发荧光特性了解悬浮颗粒物色素的构成情况，以实现识别和区分水样中的悬浮颗粒物，由于结合了悬浮颗粒物的结构和色素等因素，能够大大提高微粒识别的准确性。

附图说明

图1为本发明多波长散射偏振荧光测量装置的结构示意图；

图2为本发明多波长散射偏振荧光测量装置中偏振调制系统的结构示意图；

图3为本发明多波长散射偏振荧光测量装置中光源的结构示意图。

图中，1-光源，11-第一激光器，12-第二激光器，13-二向色镜，2-偏振调制系统，21-第一齿轮，22-驱动组件，23-波片，3-入射光路，4-接收光路，5-第一分光系统，51-第一分光棱镜，52-第二分光棱镜，53-第一滤光片，54-第二滤光片，55-第三滤光片，6-第二分光系统，7-数据处理端，8-光电转换器，9-荧光探测器，10-悬浮颗粒物。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。

请参阅图1，图1为本发明多波长散射偏振荧光测量装置的结构示意图。一种多波长散射偏振荧光测量装置，包括光源1、偏振调制系统2、入射光路3、接收光路4、第一分光系统5、第二分光系统6、光电转换器8、荧光探测器9和数据处理端7，其中，光源1发出的多波长光依次通过偏振调制系统2、入射光路3投射到水样中的悬浮颗粒物10上，被照射的悬浮颗粒物10的散射光信号依次通过第一分光系统5、荧光探测器9传输到数据处理端7，以及被照射的悬浮颗粒物10的散射光信号依次第一分光系统5、第二分光系统6、光电转换其传输到数据处理端7。通过光源1发出多波长光并入射到水样中的悬浮颗粒物10上，对水样中的悬浮颗粒物10的偏振散射信号和多种激发荧光信号进行同步测量，通过散射光中含有的水样中悬浮颗粒物10的偏振特性和多种荧光特性，来识别与区分水样中的悬浮颗粒物10。

具体地，偏振调制系统2和入射光路3设置在光源1的发射光路上，并位于光源1与水样中的悬浮颗粒物10之间，接收光路4相对于入射光路3设置在悬浮颗粒物10的后向散射角度处，第一分光系统5设置在接收光路4的出射光路上，第一分光系统5具有多个出射光路，其中，第一分光系统5的多个出射光路中的一个出射光路上设置有第二分光系统6，第一分光系统5的多个出射光路中的剩余出射光路上设有荧光探测器9，第二分光系统6具有多个出射光路，第二分光系统6的多个出射光路上分别设有光电转换器8，荧光探测器9与光电转换器8均与数据处理端7连接。其中，光源1发出的多波长光，经过偏振调制系统2后产生特定偏振态的第一偏振光，经过入射光路3照射在水样中的悬浮颗粒物10，接收光路4接收来自被照射的悬浮颗粒物10的散射光信号并传送至第一分光系统5，散射光信号由第一分光系统5分成多束不同的平行散射光，其中多束平行散射光中的一束平行散射光由第二分光系统6分成多束不同偏振态的第二偏振光，多束第二偏振光分别通过光电转换器8传输至数据处理端7，多束平行散射光中的其余平行散射光分别通过荧光探测器9传输至数据处理端7。

请结合参阅图3，图3为本发明多波长散射偏振荧光测量装置中光源的结构示意图。在一实施例中，光源1包括第一激光器11、若干第二激光器12和若干二向色镜13，若干二向色镜13依次设置在第一激光器11的发射光路上，若干第二激光器12与若干二向色镜13的数量相同且一一对应，第二激光器12设置在对应的二向色镜13的反射光路上。第一激光器11和若干第二激光器12的波长均不相同，第一激光器11和若干第二激光器12的波长可以根据需要测量水样的悬浮颗粒物10的种类来决定，通过将第一激光器11设置在二向色镜13的透射光路上，将第二激光器12设置在对应二向色镜13的反射光路上，从而第一激光器11和若干第二激光器12发射的光分别经过二向色镜13透射和反射之后重合成一条光线，形成多波长光。从而实现光源1发出多波长光。若干第二激光器12的数量根据需要的多波长光的波长数量来决定，如悬浮颗粒物10为藻类，采用两个第二激光器12，则第一激光器11可以采用440nm激光器，两个第二激光器12分别采用530nm激光器和650nm激光器。

请结合参阅图2，图2为本发明多波长散射偏振荧光测量装置中偏振调制系统的结构示意图。在一实施例中，偏振调制系统2包括转动设置的若干第一齿轮21和分别与若干第一齿轮21连接用于驱动第一齿轮21转动的若干驱动组件22，若干第一齿轮21间隔设置，且若干第一齿轮21的中心均位于同一直线上，第一齿轮21中心开设有通孔，通孔内设有波片23。通过驱动组件22驱动相应的第一齿轮21旋转，以控制第一齿轮21中心的波片23的角度，以借助波片23改变入射光的偏振态，从而光源1发出的多波长光经过若干波片23时，可以调制出任意偏振态的第一偏振光。波片23可以采用1/2波片。在一实施例中，第一齿轮21的数量为两个以上。光源1发出的多波长光经过两个以上的波片23，以制出任意偏振态的第一偏振光。在一实施例中，驱动组件22包括电机和设置在电机驱动端上的第二齿轮，第二齿轮与第一齿轮21啮合传动。电机通过第二齿轮带动第一齿轮21旋转，以控制第一齿轮21中心的波片23的角度。

在一实施例中，入射光路3包括用于将第一偏振光汇聚在悬浮颗粒物10处的凸透镜。第一偏振光经凸透镜汇聚成一个焦点，水样中的悬浮颗粒物10经过焦点产生散射光信号。

在一实施例中，接收光路4包括用于将散射光信号调制为单束平行光的准直系统。准直系统接收来自被照射的悬浮颗粒物10的散射光信号，并将接收到的散射光信号调制为单束平行光后发射到第一分光系统5。

在一实施例中，第一分光系统5包括第一分光棱镜51、第二分光棱镜52、第一滤光片53、第二滤光片54和第三滤光片55，第一分光棱镜51设置在接收光路4的远离悬浮颗粒物10的一侧，第二分光棱镜52设置在第一分光棱镜51的透射光路上，第一滤光片53设置在第一分光棱镜51的反射光路上，第二滤光片54设置在第二分光棱镜52的反射光路上，第三滤光片55设置在第二分光棱镜52的透射光路上，荧光探测器9的数量为二，两个荧光探测器9分别设置在第一滤光片53和第二滤光片54的出射光路上。第一分光棱镜51设置在接收光路4的出射光路上，接收光路4将接收到的散射光信号调制为一束平行光，该平行光入射到第一分光棱镜51，经第一分光棱镜51反射后形成第一平行散射光，该第一平行散射光经过第一滤光片53过滤后进入荧光探测器9，同时该平行光经第一分光棱镜51透射后形成第二平行散射光，该第二平行散射光入射到第二分光棱镜52，经第二分光棱镜52反射后形成第三平行散射光，该第三平行散射光经第二滤光片54过滤后进入荧光探测器9，同时第二平行散射光经第二分光棱镜52透射后形成第四平行散射光，该第四平行散射光经第三滤光片55后进入第二分光系统6。从而第一分光系统5将接收到的平行光分为三束不同的平行散射光，一束平行散射光进入第二分光系统6，另外两束平行散射光分别通过两个荧光探测器9进入数据处理端7。优选地，第一滤光片53、第二滤光片54和第二滤光片54为不同波长的滤光片，如第一滤光片53可以采用685nm带通滤光片，第二滤光片54可以采用600nm带通滤光片，第三滤光片55可以采用440nm带通滤光片。

在一实施例中，第二分光系统6包括第三分光棱镜、第四分光棱镜、第五分光棱镜、第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片和第四偏振片，第三分光棱镜设置在第一分光系统远离接收光路的一侧，第四分光棱镜设置在第三分光棱镜的透射光路上，第一偏振片设置在第三分光棱镜的反射光路上，第二偏振片设置在第四分光棱镜的反射光路上，第五分光棱镜设置在第四分光棱镜的透射光路上，第三偏振片设置在第五分光棱镜的反射光路上，第四偏振片设置在第五分光棱镜的透射光路上，光电转换器8的数量为四个，四个光电转换器8分别设置在第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片的出射光路上。第二分光系统6采用分振幅的方法，经第三滤光片过滤后的平行散射光入射到第三分光棱镜，经第三分光棱镜、第四分光棱镜、第五分光棱镜的透射和反射后分成四束出射光，四束出射光分别经过第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片和第四偏振片检偏后形成四束不同偏振态的第二偏振光，四束第二偏振光分别经过四个光电转换器8转换后传输到数据处理端。第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片和第四偏振片为不同角度的检偏片。检偏片种类可以根据实际情况选择，如在四束出射光的光路上分别加水平偏振片、135度偏振片、45度偏振片，以及左旋偏振片，左旋偏振片即90°偏振片加上1/4波片，从而实现出射光的检偏，得到四束不同偏振态的第二偏振光。在一实施例中，光电转换器8为光电倍增管。第二分光系统6分成多束不同偏振态的第二偏振光经过光电倍增管转换放大后传送到数据处理端7。

以下说明本发明多波长散射偏振荧光测量装置的实现过程：

第一激光器11和若干第二激光器12发射的光分别经过二向色镜13透射和反射之后重合成多波长光，多波长光入射到偏振调制系统2，通过旋转第一齿轮21调整波片23的角度，使得多波长光经过若干波片23后调制为特定偏振态的第一偏振光，第一偏振光经凸透镜汇聚成一个焦点，水样中的悬浮颗粒物10经过焦点产生散射光信号，准直系统接收来自被照射的悬浮颗粒物10的散射光信号，并将接收到的散射光信号调制为单束平行光，该平行光入射到第一分光系统5，通过第一分光棱镜51和第二分光棱镜52分成三束平行散射光，其中两束平行散射光分别经过特定波长的第一滤光片53和第二滤光片54过滤形成不同波长的平行散射光，并分别入射到荧光探测器9，荧光探测器9采集荧光信号并将采集到的荧光信号传输至数据处理端7；剩余一束平行散射光经过特定波长的第三滤光片55形成特定波长的平行散射光并入射到第二分光系统6，第二分光系统6可采用分振幅的方法，即将该接收到的平行散射光分成四份出射光，每个出射光的光路上分别加不同角度的检偏片，从而实现出射光的检偏，四份出射光间检偏后形成四束不同偏振态的第二偏振光，四束第二偏振光分别经过四个光电倍增管转换放大传输之后数据处理端7。从而数据处理端7同时获得水样中的悬浮颗粒物10的偏振特性与多个荧光特性，数据处理端7根据预设程序和多个荧光特性，算出激发荧光光强，以实现对悬浮颗粒物10的荧光特性解读，同时数据处理端7根据预设程序和偏振特性，算出Stokes向量，以实现对悬浮颗粒物10的偏振特性解读。某一入射偏振态下，由于悬浮颗粒物10内部色素构成的不同，激发荧光的波长和强度都会因为悬浮颗粒物10的不同而有特异性的表现，同时，Stokes向量的某些组合可以很好的表征悬浮颗粒物10的特性，该特异性的偏振性质为特异性参数。可以通过入射光的类型、偏振分量的选择、偏振分量之间的运算、组合等，来提取悬浮颗粒物10的偏振参数，实现悬浮颗粒物10的识别。因此数据处理端7利用激发荧光强度和Stokes向量的数据，结合了悬浮颗粒物10的结构和色素等因素，将大大提高对悬浮颗粒物10识别和区分的准确性。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：通过多波长光入射，对水样中的悬浮颗粒物10的偏振散射信号与荧光信号进行同步测量，结合悬浮颗粒物10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10的目的；同时接收悬浮颗粒物10散射光的偏振信号和荧光信号，充分利用了悬浮颗粒物10的荧光特性，增加了信息维度，丰富了悬浮颗粒物10的特征数据，利用偏振特性了解悬浮颗粒物10的结构，通过激发荧光特性了解悬浮颗粒物10色素的构成情况，以实现识别和区分水样中的悬浮颗粒物10，由于结合了悬浮颗粒物10的结构和色素等因素，能够大大提高微粒识别的准确性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种多波长散射偏振荧光测量装置，其特征在于，包括光源、偏振调制系统、入射光路、接收光路、第一分光系统、第二分光系统和数据处理端，其中，所述光源发出的多波长光，经过所述偏振调制系统后产生第一偏振光，经过所述入射光路照射在水样中的悬浮颗粒物，所述接收光路接收来自被照射的悬浮颗粒物的散射光信号并传送至第一分光系统，所述散射光信号由第一分光系统分成多束不同的平行散射光，其中多束所述平行散射光中的一束平行散射光由第二分光系统分成多束不同偏振态的第二偏振光，多束所述第二偏振光分别通过光电转换器传输至数据处理端，多束所述平行散射光中的其余平行散射光分别通过荧光探测器传输至数据处理端。

2.根据权利要求1所述的多波长散射偏振荧光测量装置，其特征在于，所述偏振调制系统包括转动设置的若干第一齿轮和分别与若干第一齿轮连接用于驱动第一齿轮转动的若干驱动组件，若干所述第一齿轮间隔设置，且若干所述第一齿轮的中心均位于同一直线上，所述第一齿轮中心开设有通孔，所述通孔内设有波片。

3.根据权利要求2所述的多波长散射偏振荧光测量装置，其特征在于，所述第一齿轮的数量为两个以上。

4.根据权利要求1所述的多波长散射偏振荧光测量装置，其特征在于，所述光源包括第一激光器、若干第二激光器和若干二向色镜，若干所述二向色镜依次设置在第一激光器的发射光路上，若干所述第二激光器与若干二向色镜的数量相同且一一对应，所述第二激光器设置在对应的二向色镜的反射光路上。

5.根据权利要求1所述的多波长散射偏振荧光测量装置，其特征在于，所述第一分光系统包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片，所述第一分光棱镜设置在接收光路远离悬浮颗粒物的一侧，所述第二分光棱镜设置在第一分光棱镜的透射光路上，所述第一滤光片设置在第一分光棱镜的反射光路上，所述第二滤光片设置在第二分光棱镜的反射光路上，所述第三滤光片设置在第二分光棱镜的透射光路上，所述荧光探测器的数量为二，两个所述荧光探测器分别设置在第一滤光片和第二滤光片的出射光路上。

6.根据权利要求1所述的多波长散射偏振荧光测量装置，其特征在于，所述入射光路包括用于将第一偏振光汇聚在悬浮颗粒物处的凸透镜。

7.根据权利要求1所述的多波长散射偏振荧光测量装置，其特征在于，所述接收光路包括用于将散射光信号调制为单束平行光的准直系统。

8.根据权利要求1所述的多波长散射偏振荧光测量装置，其特征在于，所述光电转换器为光电倍增管。

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