CN117848917A - 测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置及其测量方法，测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置包括光学捕获装置和光学成像装置，光学捕获装置用于形成光阱，以通过光阱来捕获气氛环境中的固体气溶胶，光学成像装置用于采集光阱中固体气溶胶的光学图像。本发明中，光学捕获装置可形成光阱，以通过光阱来捕获气氛环境中的固体气溶胶，光学成像装置可采集该光阱所捕获固体气溶胶的光学图像，且可根据该固体气溶胶的光学图像所占像素数目和成像分辨率，计算得到固体气溶胶的粒径，从而原位测量环境中固体气溶胶的粒径，进而避免检测结果因受机械作用而被影响。

Description

测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置及其测量方法

技术领域

本发明属于环境检测技术领域，尤其涉及测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置及其测量方法。

背景技术

固体气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态颗粒。在人类的生产生活中会产生大量的固体气溶胶，而固体气溶胶悬浮在空中会影响气候和环境，人体也会因吸入固体气溶胶而导致健康受到危害。固体气溶胶的尺寸与其产生方式密切相关，其粒径通常分布在零点几微米至几十微米的范围内。另外，固体气溶胶的粒径越小，其在空气中传播的距离越远，则其越容易进入人体肺部深处而难以被排出，因此，获取固体气溶胶的粒径信息有助于评估其危害。

但传统的气溶胶粒径测量方法通常是在收集足量样品后进行非原位测量，其检测结果可能会因采样和检测过程中引入了机械作用而被影响。

发明内容

本发明为克服现有技术缺陷，提供了一种测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置及其测量方法，能够原位测量气氛环境中固体气溶胶的粒径。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

第一方面，提供了一种测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置，其包括：

光学捕获装置，光学捕获装置用于形成光阱，以通过光阱来捕获气氛环境中的固体气溶胶；

光学成像装置，光学成像装置用于采集光阱中固体气溶胶的光学图像。

在一个实施方式中，光学捕获装置包括对称设置在光学成像装置两侧的第一聚焦物镜和第二聚焦物镜；第一聚焦物镜和第二聚焦物镜用于将两束功率相等的激光光束相向聚焦，以形成光阱。

采用上述技术方案的有益效果为：第一聚焦物镜和第二聚焦物镜将两束功率相等的激光光束相向聚焦，以形成位于光学成像装置光路上的光阱，从而方便光学成像装置采集光阱中固体气溶胶的光学图像；另外，第一聚焦物镜和第二聚焦物镜输出的激光光束可分别以相反的方向照射到固体气溶胶，即第一聚焦物镜和第二聚焦物镜输出的激光光束对固体气溶胶产生的光散射力可相互抵消，从而通过反向传输的光学捕获技术来提高捕获稳定性。

在一个实施方式中，光学捕获装置包括激光器，激光器的输出端依次设置有可调分束镜、扩束镜、半波片、第一锥透镜、第二锥透镜和分光棱镜；激光器用于产生激光光束，可调分束镜用于调节激光光束的功率，扩束镜用于准直扩大激光光束，第一锥透镜和第二锥透镜用于将激光光束的形状转换为环形；分光棱镜用于将环形的激光光束分为两束功率相等的激光光束，以给第一聚焦物镜和第二聚焦物镜提供两束功率相等的激光光束。

采用上述技术方案的有益效果为：激光器产生激光光束，可调分束镜调节激光光束功率，扩束镜准直扩大激光光束，第一锥透镜和第二锥透镜将准直扩大后的激光光束的形状转化为环形，分光棱镜将环形激光光束分为两束功率相等的环形激光光束，以给第一聚焦物镜和第二聚焦物镜提供两束功率相等的环形激光光束，从而通过第一聚焦物镜和第二聚焦物镜来使两束传播方向相反且功率相等的环形激光光束聚焦形成双圆锥空隙光阱，进而有利于通过该双圆锥空隙光阱来捕获气氛环境中的固体气溶胶。

在一个实施方式中，光学捕获装置包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，第一反射镜用于将分光棱镜输出的一束激光光束反射至第一聚焦物镜的输入端，第二反射镜用于将分光棱镜输出的另一束激光光束反射至第三反射镜，第三反射镜用于将第二反射镜反射的激光光束反射至第二聚焦物镜的输入端。

采用上述技术方案的有益效果为：分光棱镜输出的一束激光光束可经第一反射镜反射至第一聚焦物镜的输入端，分光棱镜输出的另一束激光光束可依次经第二反射镜和第三反射镜反射至第二聚焦物镜的输入端，从而将分光棱镜输出的功率相等的激光光束分别传播至第一聚焦物镜和第二聚焦物镜，且可使传播至第一聚焦物镜和第二聚焦物镜的激光光束的传播方向相反。

在一个实施方式中，扩束镜为凹透镜与凸透镜组成的透镜组、激光扩束镜和变倍扩束镜中的一种。

在一个实施方式中，半波片的波长与激光器的波长相匹配。

采用上述技术方案的有益效果为：半波片的波长与激光器的波长相匹配，以有利于改变激光偏振态。

在一个实施方式中，分光棱镜为偏振分光棱镜或用于使反射光与透射光等分的分光棱镜。

在一个实施方式中，光学成像装置包括照明光光源，照明光光源的输出端依次设置有成像物镜、滤光片、透镜和相机，光阱位于照明光光源与成像物镜之间；照明光光源用于输出照明光，成像物镜用于光学聚焦于固体气溶胶并收集透过的照明光，滤光片用于衰减光强度，透镜用于聚焦固体气溶胶处的透射光至相机，相机用于对固体气溶胶进行光学成像。

采用上述技术方案的有益效果为：照明光光源照射在固体气溶胶上的透射光通过成像物镜收集，并依次经滤光片衰减和透镜聚焦后进入相机，从而通过相机拍摄被捕获固体气溶胶的光学图像。

第二方面，提供了一种测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置的测量方法，其包括以下步骤：

光学捕获装置形成光阱，并通过光阱来捕获固体气溶胶；

光学成像装置采集光阱中固体气溶胶的光学图像。

在一个实施方式中，测量方法还包括以下步骤：

根据固体气溶胶的光学图像所占像素数目和相机的成像分辨率，计算得到固体气溶胶的粒径。

本发明的有益效果在于：

光学捕获装置可形成光阱，以通过光阱来捕获气氛环境中的固体气溶胶，光学成像装置可采集该光阱所捕获固体气溶胶的光学图像，且可根据该固体气溶胶的光学图像所占像素数目和成像分辨率，计算得到固体气溶胶的粒径，从而原位测量环境中固体气溶胶的粒径，进而避免检测结果因受机械作用而被影响。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明中测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置的结构示意图；

图2显示了本发明中测量方法获得的碳粉气溶胶粒径分布图；

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

附图标记：

1-激光器，2-可调分束镜，3-扩束镜，4-半波片，5-第一锥透镜，6-第二锥透镜，7-分光棱镜，8-第一反射镜，9-第一聚焦物镜，10-第二反射镜，11-第三反射镜，12-第二聚焦物镜，13-照明光光源，14-固体气溶胶，15-成像物镜，16-滤光片，17-透镜，18-相机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置，如图1所示，其包括：

光学捕获装置，光学捕获装置用于形成光阱，以通过光阱来捕获气氛环境中的固体气溶胶14，光学捕获装置可捕获的固体气溶胶14的粒径范围为500nm～100um；

光学成像装置，光学成像装置用于采集光阱中固体气溶胶14的光学图像。

可以理解的是，光学捕获装置可形成光阱，以通过光阱来捕获气氛环境中的固体气溶胶14，光学成像装置可采集该光阱所捕获固体气溶胶14的光学图像，且可根据该固体气溶胶14的光学图像所占像素数目和成像分辨率，计算得到固体气溶胶14的粒径，从而原位测量环境中固体气溶胶14的粒径，进而避免检测结果因受机械作用而被影响。

在一个实施例中，光学捕获装置包括对称设置在光学成像装置两侧的第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12；第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12用于将两束功率相等的激光光束相向聚焦，以形成光阱。

可以理解的是，第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12将两束功率相等的激光光束相向聚焦，以形成位于光学成像装置光路上的光阱，从而方便光学成像装置采集光阱中固体气溶胶14的光学图像；另外，第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12输出的激光光束可分别以相反的方向照射到固体气溶胶14，即第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12输出的激光光束对固体气溶胶14产生的光散射力可相互抵消，从而通过反向传输的光学捕获技术来提高捕获稳定性。

需要说明的是，第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12的焦点距离可调，且焦点距离在-500～500um这一范围内。

在一个实施例中，光学捕获装置包括激光器1，激光器1的输出端依次设置有可调分束镜2、扩束镜3、半波片4、第一锥透镜5、第二锥透镜6和分光棱镜7；激光器1用于产生激光光束，可调分束镜2用于调节激光光束的功率，扩束镜3用于准直扩大激光光束，第一锥透镜5和第二锥透镜6用于将激光光束的形状转换为环形；分光棱镜7用于将环形的激光光束分为两束功率相等的激光光束，以给第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12提供两束功率相等的激光光束。

可以理解的是，激光器1产生激光光束，可调分束镜2调节激光光束的功率，扩束镜3准直扩大激光光束，第一锥透镜5和第二锥透镜6将准直扩大后的激光光束的形状转化为环形，分光棱镜7将环形激光光束分为两束功率相等的环形激光光束，以给第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12提供两束功率相等的环形激光光束，从而通过第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12来使两束传播方向相反且功率相等的环形激光光束聚焦形成双圆锥空隙光阱，进而有利于通过该双圆锥空隙光阱来捕获气氛环境中的固体气溶胶14。

需要说明的是，固体气溶胶14进入该双圆锥空隙光阱中便被捕获，且需要较大的力才能脱离。

在一个实施例中，光学捕获装置包括第一反射镜8、第二反射镜10和第三反射镜11，第一反射镜8用于将分光棱镜7输出的一束激光光束反射至第一聚焦物镜9的输入端，第二反射镜10用于将分光棱镜7输出的另一束激光光束反射至第三反射镜11，第三反射镜11用于将第二反射镜10反射的激光光束反射至第二聚焦物镜12的输入端。

可以理解的是，分光棱镜7输出的一束激光光束可经第一反射镜8反射至第一聚焦物镜9的输入端，分光棱镜7输出的另一束激光光束可依次经第二反射镜10和第三反射镜11反射至第二聚焦物镜12的输入端，从而将分光棱镜7输出的功率相等的激光光束分别传播至第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12，且可使传播至第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12的激光光束的传播方向相反。

需要说明的是，激光器1、可调分束镜2、扩束镜3、半波片4、第一锥透镜5、第二锥透镜6和分光棱镜7的轴线均重合，第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12的轴线重合且与分光棱镜7的轴线垂直，分光棱镜7可分出一束轴线与分光棱镜7轴线重合的环形激光光束，分光棱镜7还可分出一束轴线与分光棱镜7轴线垂直的环形激光光束；其中，轴线与分光棱镜7轴线重合的环形激光光束可经第一反射镜8来90°反射至第一聚焦物镜9的下端；轴线与分光棱镜7轴线垂直的环形激光光束可经第二反射镜10来90°反射，再经第三反射镜11来90°反射至第二聚焦物镜12的上端，从而使传播至第一聚焦物镜9和第二聚焦物镜12的激光光束方向相反。

在一个实施例中，扩束镜3为凹透镜与凸透镜组成的透镜组、激光扩束镜和变倍扩束镜中的一种。

在一个实施例中，半波片4的波长与激光器1的波长相匹配。

可以理解的是，半波片4的波长与激光器1的波长相匹配，以有利于改变激光偏振态。

在一个实施例中，分光棱镜7为偏振分光棱镜或用于使反射光与透射光等分的分光棱镜。

在一个实施例中，第一锥透镜5与第二锥透镜6的规格参数相同，经第一锥透镜5和第二锥透镜6转换成的环形激光光束，其外环直径小于第一聚焦物镜9与第二聚焦物镜12的后瞳直径。

在一个实施例中，光学成像装置包括照明光光源13，照明光光源13的输出端依次设置有成像物镜15、滤光片16、透镜17和相机18，光阱位于照明光光源13与成像物镜15之间；照明光光源13用于输出照明光，成像物镜15用于光学聚焦于固体气溶胶14并收集透过的照明光，滤光片16用于衰减光强度，透镜17用于聚焦固体气溶胶14处的透射光至相机18，相机18用于对固体气溶胶14进行光学成像。

可以理解的是，照明光光源13照射在固体气溶胶14上的透射光通过成像物镜15收集，并依次经滤光片16衰减和透镜17聚焦后进入相机18，从而通过相机18拍摄被捕获固体气溶胶14的光学图像。

本发明还提供了一种测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置的测量方法，其包括以下步骤：

光学捕获装置形成光阱，并通过光阱来捕获固体气溶胶14；

光学成像装置采集光阱中固体气溶胶14的光学图像；

根据固体气溶胶14的光学图像所占像素数目和相机18的成像分辨率，计算得到固体气溶胶14的粒径。

具体地，在计算固体气溶胶14的粒径时，可选择成像放大率合适的成像物镜15，并使用标准显微镜标定载玻片对相机18的像素分辨率进行标定，标定后通过将固体气溶胶14图像所占像素数目与相机18的像素分辨率相乘来计算。

另外，按照此测量方法对气氛环境中大量固体气溶胶14进行粒径测量后，即可得到固体气溶胶14的粒径分布。

图2为利用此测量方法获得的碳粉气溶胶粒径分布图，测量到的碳粉气溶胶粒径分布符合正态分布，证明了该测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置能够原位测量气氛环境中固体气溶胶14的粒径。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”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。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置，其特征在于，包括：

光学捕获装置，所述光学捕获装置用于形成光阱，以通过光阱来捕获气氛环境中的固体气溶胶(14)；

光学成像装置，所述光学成像装置用于采集光阱中固体气溶胶(14)的光学图像。

2.根据权利要求1所述的测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置，其特征在于，所述光学捕获装置包括对称设置在所述光学成像装置两侧的第一聚焦物镜(9)和第二聚焦物镜(12)；所述第一聚焦物镜(9)和所述第二聚焦物镜(12)用于将两束功率相等的激光光束相向聚焦，以形成光阱。

3.根据权利要求2所述的测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置，其特征在于，所述光学捕获装置包括激光器(1)，所述激光器(1)的输出端依次设置有可调分束镜(2)、扩束镜(3)、半波片(4)、第一锥透镜(5)、第二锥透镜(6)和分光棱镜(7)；所述激光器(1)用于产生激光光束，所述可调分束镜(2)用于调节激光光束的功率，所述扩束镜(3)用于准直扩大激光光束，所述第一锥透镜(5)和第二锥透镜(6)用于将激光光束的形状转换为环形；所述分光棱镜(7)用于将环形的激光光束分为两束功率相等的激光光束，以给所述第一聚焦物镜(9)和所述第二聚焦物镜(12)提供两束功率相等的激光光束。

4.根据权利要求3所述的测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置，其特征在于，所述光学捕获装置包括第一反射镜(8)、第二反射镜(10)和第三反射镜(11)，所述第一反射镜(8)用于将所述分光棱镜(7)输出的一束激光光束反射至所述第一聚焦物镜(9)的输入端，所述第二反射镜(10)用于将所述分光棱镜(7)输出的另一束激光光束反射至所述第三反射镜(11)，所述第三反射镜(11)用于将所述第二反射镜(10)反射的激光光束反射至所述第二聚焦物镜(12)的输入端。

5.根据权利要求3所述的测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置，其特征在于，所述扩束镜(3)为凹透镜与凸透镜组成的透镜组、激光扩束镜和变倍扩束镜中的一种。

6.根据权利要求3所述的测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置，其特征在于，所述半波片(4)的波长与所述激光器(1)的波长相匹配。

7.根据权利要求3所述的测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置，其特征在于，所述分光棱镜(7)为偏振分光棱镜或用于使反射光与透射光等分的分光棱镜。

8.根据权利要求1所述的测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置，其特征在于，所述光学成像装置包括照明光光源(13)，所述照明光光源(13)的输出端依次设置有成像物镜(15)、滤光片(16)、透镜(17)和相机(18)，所述光阱位于所述照明光光源(13)与所述成像物镜(15)之间；所述照明光光源(13)用于输出照明光，所述成像物镜(15)用于光学聚焦于固体气溶胶(14)并收集透过的照明光，所述滤光片(16)用于衰减光强度，所述透镜(17)用于聚焦固体气溶胶(14)处的透射光至所述相机(18)，所述相机(18)用于对固体气溶胶(14)进行光学成像。

9.一种权利要求1-8任一项所述的测量固体气溶胶粒径的光学捕获成像装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

光学捕获装置形成光阱，并通过光阱来捕获气氛环境中的固体气溶胶(14)；

光学成像装置采集光阱中固体气溶胶(14)的光学图像。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据固体气溶胶(14)的光学图像所占像素数目和相机(18)的成像分辨率，计算得到固体气溶胶(14)的粒径。