CN205607811U - 基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及颗粒分析技术领域，公开了一种基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置。所述装置包括激光器、显微镜头、光阑、透明观测件和图像传感器，其中，所述透明观测件中开有流体出入孔道。利用激光全息成像法直接对待测流体中的颗粒进行经干涉作用而产生的全息成像信息，然后对全息成像信息进行数据反演处理，即可得到反映颗粒形状的空间成像信息，由此无需使用滤膜，可避免样品受到污染，进而可以减小测量误差和耗材费用，简化设备的操作过程。此外，所述装置还具有实时性强、颗粒分辨率高和检测对象广的优点，便于实际应用和推广。

Description

基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置

技术领域

本实用新型涉及颗粒分析技术领域，具体地，涉及一种基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置。

背景技术

目前，为了应对、解决工业生产和人居生活方式所造成的环境污染问题，尤其是危害严重的雾霾问题，需要对大气中的颗粒物质特性进行连续、精确和广泛的监测，例如进行PM2.5和PM10的测量工作。现有针对空气中颗粒物质特性的测量方法，主要有重量法、震荡天平法和Beta射线法等。其中，所述重量法的原理是分别通过一定切割特征的采样器，以恒速抽取定量体积空气，使环境空气中的PM2.5和PM10被截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜的质量差和采样体积，计算出PM2.5和PM10的浓度；所述震荡天平法的原理是在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管，并在其振荡端安装可更换的滤膜(振荡频率取决于锥形管特征和其质量)，当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜的质量变化导致振荡频率的变化，通过振荡频率变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据流量、现场环境温度和气压计算出该时段颗粒物标志的质量浓度；所述Beta射线法的原理是利用Beta射线衰减的原理，环境空气由采样泵吸入采样管，经过滤膜后排出，颗粒物沉淀在滤膜上，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，Beta射线的能量衰减，通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物的浓度。

但是这几种方式都需要采用滤膜预先对空气中的颗粒进行过滤筛选，因此进行的是有损检测，容易使样品受到污染，例如受到空气湿度的影响，因而存在测量误差大、耗材费用高、仪器需要经常校准和操作复杂的问题。

实用新型内容

针对上述目前现有几种方法存在测量误差大、耗材费用高、仪器需要经常校准和操作复杂的问题，本实用新型提供了一种基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，可以利用激光全息成像法直接对待测流体中的颗粒进行经干涉作用而产生的全息成像信息，然后对全息成像信息进行数据反演处理，即可得到反映颗粒形状的空间成像信息，由此无需使用滤膜，可避免样品受到污染，进而可以减小测量误差和耗材费用，简化设备的操作过程。此外，所述装置还具有实时性强、颗粒分辨率高和检测对象广的优点，便于实际应用和推广。

本实用新型采用的技术方案提供了一种基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，包括激光器、显微镜头、光阑、透明观测件和图像传感器，其中，所述透明观测件中开有流体出入孔道；所述激光器、所述显微镜头、所述光阑、所述透明观测件和所述图像传感器依次同轴心线设置，且所述显微镜头的光学焦点位于所述光阑的轴心孔中，所述光阑的端面与所述透明观测件的第一端面相抵，所述透明观测件的第二端面与所述图像传感器的感应面相抵。

具体的，所述激光器为激光波长介于355～635纳米之间的脉冲激光器；或者，所述激光器为激光波长介于355～635纳米之间的可调制连续激光器。

具体的，所述光阑的端面与所述透明观测件的第一端面之间嵌有抗反射涂层；和/或，所述透明观测件的第二端面与所述图像传感器的感应面之间嵌有抗反射涂层。进一步具体的，所述抗反射涂层为光学胶层或浸油层。

具体的，所述光阑至所述流体出入孔道的距离设为L₁，所述流体出入孔道至所述图像传感器的距离设为L₂，则所述两段距离L₁和L₂满足如下关系：

$L_1\≥\frac{0.61{\mathrm{\λ}}_0{L}_2}{\left(2\mathrm{\η}d\sin \right(a\tan \left(\frac{D}{2L_2}\right))-0.61{\mathrm{\λ}}_0)}$

式中，λ₀为激光波长，η为所述透明观测件的折射率，d为所述图像传感器的像素尺寸大小，D为所述图像传感器的有效感应区尺寸大小。

具体的，所述透明观测件由折射率大于1.5的透明材质制成。

具体的，所述光阑的轴心孔直径为1.22λ₀，式中，λ₀为激光波长。

具体的，所述图像传感器为CCD传感器或CMOS传感器。

综上，采用本实用新型所提供的基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，具有如下有益效果：(1)可以利用激光全息成像法直接对待测流体中的颗粒进行经干涉作用而产生的全息成像信息，然后对全息成像信息进行数据反演处理，即可得到反映颗粒形状的空间成像信息，由此无需使用滤膜，可避免样品受到污染，进而可以减小测量误差和耗材费用，简化设备的操作过程；(2)便于利用计算机系统对感应成像信息进行在线的数据反演处理，方便即时得到测量结果，实时性强；(3)可以达到0.2微米甚至更高的分辨率，可以解决现有基于显微镜方法且其分辨率受到光学极限限制的问题，对于大气颗粒物质测量具有重要意义；(4)所述装置不但可以对气体中的颗粒进行成像检测，还可以对液体中的颗粒进行成像检测，待测对象更广，便于实际应用和推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型提供的基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置的结构示意图。

图2是本实用新型提供的该装置的工作流程示意图。

上述附图中：1、激光器2、显微镜头3、光阑4、透明观测件401、流体出入孔道5、图像传感器6、计算机7、抗反射涂层。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本实用新型提供的基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。

本文中描述的各种技术可以用于但不限于颗粒分析技术领域，还可以用于其它类似领域。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

实施例一

图1示出了本实用新型提供的基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置的结构示意图，图2示出了本实用新型提供的该装置的工作流程示意图。本实施例提供的所述基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，包括激光器1、显微镜头2、光阑3、透明观测件4和图像传感器5，其中，所述透明观测件4中开有流体出入孔道401；所述激光器1、所述显微镜头2、所述光阑3、所述透明观测件4和所述图像传感器5依次同轴心线设置，且所述显微镜头2的光学焦点位于所述光阑3的轴心孔中，所述光阑3的端面与所述透明观测件4的第一端面相抵，所述透明观测件4的第二端面与所述图像传感器5的感应面相抵。

如图1所示，在所述装置的结构中，还包括通信连接所述图像传感器5的计算机6。所述激光器1用于沿轴心线向所述图像传感器5方向间断地发射脉冲式激光，所述脉冲式激光的频率要求与所述图像传感器5的图像采集频率相匹配，所述脉冲式激光的脉冲宽度要求大于所述图像传感器5的最低曝光时间，从而以便所述图像传感器5能够产生较佳的感应图像；所述显微镜头2用于对激光进行进一步的聚光作用，以便在所述光阑3的轴心孔处衍射形成点源球面波；所述透明观测件4用于提供颗粒衍射场所，使点源球面波在穿过所述流体出入孔道时，能够与所述待测流体中的颗粒相互作用形成颗粒衍射波，同时以便产生的颗粒衍射波与点源球面波相互干涉，并投射到所述图像传感器5的感应面上，形成全息感应图像，其中的所述流体出入孔道401用于导入及导出待侧流体；所述图像传感器5用于进行光波感应成像，并经过光电转换得到与全息感应图像对应的全息成像信息；所述计算机6用于利用现有的数据反演处理技术，对来自所述图像传感器5的所述全息成像信息进行数学反演处理，得到反映颗粒形状的空间成像信息，例如颗粒的三维图像信息等。由此可以利用激光全息成像法直接对待测流体中的颗粒进行经干涉作用而产生的全息成像信息，然后对全息成像信息进行数据反演处理，即可得到反映颗粒形状的空间成像信息，在应用时无需使用滤膜，可避免样品受到污染，进而可以减小测量误差和耗材费用，简化设备的操作过程，此外所述装置还具有实时性强和检测对象广的优点，便于实际应用和推广。

具体的，所述激光器1可以但不限于为激光波长介于355～635纳米之间(例如波长为355纳米的激光、波长为375纳米的激光、波长为405纳米的激光、波长为473纳米的激光、波长为488纳米的激光、波长为532纳米的激光和波长为635纳米的激光等)的脉冲激光器；或者，所述激光器1可以但不限于为激光波长介于355～635纳米之间(例如波长为355纳米的激光、波长为375纳米的激光、波长为405纳米的激光、波长为473纳米的激光、波长为488纳米的激光、波长为532纳米的激光和波长为635纳米的激光等)的可调制连续激光器，其中，所述可调制连续激光器的调制方式可以但不限于为声光调制方式(即在连续激光器的发射端配置一个声光调制器)或电光调制方式(即在连续激光器的发射端配置一个电光调制器)。根据光学理论中瑞利判据(两个像点间能够分辨的最短距离约等于艾里斑的半径)，可知所述装置的最大光学分辨率σ_Max为：

${\mathrm{\σ}}_{Max}=\frac{1.22{\mathrm{\λ}}_0}{2\mathrm{\η}\left(NA\right)}=\frac{0.61{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\η}\left(NA\right)}$

式中，λ₀为激光波长，η为所述透明观测件4的折射率(指相对真空的绝对折射率，全文相同)，NA为数值孔径。因此所述装置的最大光学分辨率σ_Max的数值大小直接与激光波长λ₀成正比：即激光波长越短，σ_Max的数值越小，反映的分辨率越高。由此通过对所述激光器1进行所述激光的限定，可以确保所述装置具有较高的光学分辨率。

具体的，所述光阑3的端面与所述透明观测件4的第一端面之间嵌有抗反射涂层7；和/或，所述透明观测件4的第二端面与所述图像传感器5的感应面之间嵌有抗反射涂层7。如图1所示，通过设置所述抗反射涂层7，可以缓解光波在所述透明观测件4的对应端面处产生反射，从可以减少光波能量损失，保障光波在所述图像传感器5的感应效果。进一步具体的，所述抗反射涂层7可以是但不限于为光学胶层或浸油层。作为优化的，在本实施例中，所述抗反射涂层7采用浸油层，可以在确保抗反射效果的基础上，还便于所述透明观测件4的更换及清洗。

具体的，所述光阑3至所述流体出入孔道401的距离设为L₁，所述流体出入孔道401至所述图像传感器5的距离设为L₂，则所述两段距离L₁和L₂满足如下关系：

$L_1\≥\frac{0.61{\mathrm{\λ}}_0{L}_2}{\left(2\mathrm{\η}dsin\right(atan\left(\frac{D}{2L_2}\right))-0.61{\mathrm{\λ}}_0)}$

式中，λ₀为激光波长，η为所述透明观测件4的折射率，d为所述图像传感器5的像素尺寸大小，D为所述图像传感器5的有效感应区尺寸大小。如图1所示，在所述装置的结构中，所述图像传感器5的有效感应区位于所述图像感应器5的感应面上，其可以但不限于为所述透明观测件4的第二端面与所述图像传感器5的感应面相抵的圆形区域或正方形区域，当该区域为圆形时，对应的有效感应区尺寸大小D为圆形直径，当该区域为正方形时，对应的有效感应区尺寸大小D为正方形边长。为了便于后续进行数据反演处理(例如在FFT处理时为了便于确定成像范围)，所述有效感应区优选为正方形，同时要求所述有效感应区中的单列或单行像素个数为2ⁿ个(n为自然数)，例如当所述有效感应区为512×512像素大小时，对应的有效感应区尺寸大小D＝512d；或者当所述有效感应区为1024×1024像素大小时，对应的有效感应区尺寸大小D＝1024d；或者当所述有效感应区为2048×2048像素大小时，对应的有效感应区尺寸大小D＝2048d。

同时如图1所示，在所述透明观测件4的结构中,由于可根据光学理论得到其对应的数值孔径NA'为：

${\mathrm{NA}}^{\′}=sin\left(\mathrm{\θ}\right)=sin\left(atan\right(\frac{D}{2L_2}\left)\right)$

，则所述透明观测件4的最大光学分辨率σ'_Max为：

${{\mathrm{\σ}}^{\′}}_{Max}=\frac{1.22{\mathrm{\λ}}_0}{2\mathrm{\η}\left({\mathrm{NA}}^{\′}\right)}=\frac{0.61{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\η}\left({\mathrm{NA}}^{\′}\right)}=\frac{0.61{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\η}sin\left(atan\right(\frac{D}{2L_2}))}$

，则进一步地，可得到在所述图像床感器5上的最大像素分辨率为：

${\mathrm{\σ}}_{Max}^p=\frac{{{\mathrm{\σ}}^{\′}}_{Max}}{2}=\frac{0.61{\mathrm{\λ}}_0}{2\mathrm{\η}sin\left(atan\right(\frac{D}{2L_2}))}$

，同时为了使所述图像感应器5上的最小感应单元能够与所述最大像素分辨

率相匹配，需要满足如下关系：

${\mathrm{\σ}}_{Max}^p\≤\left(\frac{L_1}{L_1+L_2}\right)d$

，由此通过有限次公式推导，可得到所述两段距离L₁和L₂的如下关系限定：

$L_1\≥\frac{0.61{\mathrm{\λ}}_0{L}_2}{\left(2\mathrm{\η}dsin\right(atan\left(\frac{D}{2L_2}\right))-0.61{\mathrm{\λ}}_0)}$

，根据所述关系限定对所述透明观测件4进行设置，可以使所述整个装置得到一个合理的光学系统设计，并在所述图像床感器5上得到较高的像素分辨率。

下面以一个实例来说明在所述图像床感器5上可得到的最大像素分辨率：所述激光器1为发射波长为405纳米激光的脉冲激光器，所述显微镜头2为放大倍数为40倍且数值孔径为0.75的镜头；所述光阑3至所述流体出入孔道401的距离L₁＝0.6mm，所述流体出入孔道401至所述图像传感器5的距离L₂＝9.3mm，所述流体出入孔道401的孔道宽度为0.1mm(在计算最大像素分辨率时忽略)，所述透明观测件4的折射率为1.74(所述透明观测件4可以但不限于由折射率为1.74的树脂材质制成)，所述图像传感器5的像素尺寸d＝3.45um，感应面上的有效感应区尺寸大小D＝2048d＝7.0656mm，则在满足所述两段距离L₁和L₂的所述关系限定基础上，可得到的最大像数分辨率为(此时可以达到0.2微米的级别。如果采用激光波长更短的激光发射器，还可以进一步使最大像数分辨率的数值更低。

具体的，所述透明观测件4可以但不限于由折射率大于1.5的透明材质制成。根据前述的所述装置的最大光学分辨率σ_Max：

${\mathrm{\σ}}_{Max}=\frac{1.22{\mathrm{\λ}}_0}{2\mathrm{\η}\left(NA\right)}=\frac{0.61{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\η}\left(NA\right)}$

可知，所述装置的最大光学分辨率σ_Max的数值大小直接与折射率η成反比：即折射率η越高，σ_Max的数值越小，反映的分辨率越高。由此通过对所述透明观测件4进行所述材质的限定，可以确保所述装置具有较高的光学分辨率。

具体的，所述光阑3的轴心孔直径可以但不限于为1.22λ₀，式中，λ₀为激光波长。所述光阑3的轴心孔直径虽然也可以小于1.22λ₀，但是这样会造成激光光能损失，因此在本实施例中，所述光阑3的轴心孔直径优选为1.22λ₀。

具体的，所述图像传感器5可以但不限于为CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)传感器或CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体)传感器。作为优化的，本实施例中，所述图像传感器5采用CMOS传感器，在可得到高质量的全息图像及全息成像信息的基础上，还可使所述装置具有功耗小和价格低等优点。

如图2所示，前述基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置的工作机制，可以但不限于包括如下步骤：S101.向透明观测件中的流体出入孔道导入待测流体；S102.启动激光器，发射脉冲式激光；S103.使所述激光穿过显微镜头，并聚焦在光阑的轴心孔中，然后衍射形成点源球面波；S104.所述点源球面波穿过透明观测件，并在穿过所述流体出入孔道时与所述待测流体中的颗粒相互作用形成颗粒衍射波；S105.所述点源球面波和所述颗粒衍射波相互干涉，并投射在图像传感器的感应面上，生成全息成像信息；S106.将所述全息成像信息传送至计算机，进行数据反演处理，最终得到反映颗粒形状的空间成像信息。

在所述步骤S101中，所述待测流体可以但不限于为液体或气体，例如环境大气或者自来水。在所述步骤S106中，所述数据反演处理(也称为图像再现处理)的方式为现有数据处理技术，其可以但不限于为如下处理方式：

I_r＝iFFT(FFT(I_h)·FFT(I_psf))

式中，FFT()为傅立叶变换函数，iFFT()为反傅立叶变换函数，I_r为空间成像信息，I_h为全息成像信息，I_psf为点源图像信息。在数据反演处理过程中，由于所述流体出入孔道401具有一定的宽度(例如0.1mm),而颗粒的尺寸相对而言要小得多(大约在um级)，因此先需要进行自动聚焦，反演锁定颗粒在所述流体出入孔道401中的横向位置，再反演得到反映颗粒形状的空间成像信息。最后通过所述计算机对颗粒的实体空间图像进行展示和分析，例如灰度分析或颗粒检测分析，就可以得到诸如颗粒的大小或形状等观测结果。

本实施例提供的所述基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，具有如下技术效果：(1)可以利用激光全息成像法直接对待测流体中的颗粒进行经干涉作用而产生的全息成像信息，然后对全息成像信息进行数据反演处理，即可得到反映颗粒形状的空间成像信息，由此无需使用滤膜，可避免样品受到污染，进而可以减小测量误差和耗材费用，简化设备的操作过程；(2)便于利用计算机系统对感应成像信息进行在线的数据反演处理，方便即时得到测量结果，实时性强；(3)可以达到0.2微米甚至更高的分辨率，可以解决现有基于显微镜方法且其分辨率受到光学极限限制的问题，对于大气颗粒物质测量具有重要意义；(4)所述装置不但可以对气体中的颗粒进行成像检测，还可以对液体中的颗粒进行成像检测，待测对象更广，便于实际应用和推广。

如上所述，可较好的实现本实用新型。对于本领域的技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出不同形式的基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置并不需要创造性的劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，其特征在于，包括激光器(1)、显微镜头(2)、光阑(3)、透明观测件(4)和图像传感器(5)，其中，所述透明观测件(4)中开有流体出入孔道(401)；

所述激光器(1)、所述显微镜头(2)、所述光阑(3)、所述透明观测件(4)和所述图像传感器(5)依次同轴心线设置，且所述显微镜头(2)的光学焦点位于所述光阑(3)的轴心孔中，所述光阑(3)的端面与所述透明观测件(4)的第一端面相抵，所述透明观测件(4)的第二端面与所述图像传感器(5)的感应面相抵。

2.如权利要求1所述的基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，其特征在于，所述激光器(1)为激光波长介于355～635纳米之间的脉冲激光器；

或者，所述激光器(1)为激光波长介于355～635纳米之间的可调制连续激光器。

3.如权利要求1所述的基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，其特征在于，所述光阑(3)的端面与所述透明观测件(4)的第一端面之间嵌有抗反射涂层(7)；

和/或，所述透明观测件(4)的第二端面与所述图像传感器(5)的感应面之间嵌有抗反射涂层(7)。

4.如权利要求3所述的基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，其特征在于，所述抗反射涂层(7)为光学胶层或浸油层。

5.如权利要求1所述的基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，其特征在于，所述光阑(3)至所述流体出入孔道(401)的距离设为L₁，所述流体出入孔道(401)至所述图像传感器(5)的距离设为L2，则所述两段距离L₁和L₂满足如下关系：

$L_1\≥\frac{0.61{\mathrm{\λ}}_0{L}_2}{\left(2\mathrm{\η}dsin\right(atan\left(\frac{D}{2L_2}\right))-0.61{\mathrm{\λ}}_0)}$

式中，λ₀为激光波长，η为所述透明观测件(4)的折射率，d为所述图像传感器(5)的像素尺寸大小，D为所述图像传感器(5)的有效感应区尺寸大小。

6.如权利要求1所述的基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，其特征在于，所述透明观测件(4)由折射率大于1.5的透明材质制成。

7.如权利要求1所述的基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，其特征在于，所述光阑(3)的轴心孔直径为1.22λ₀，式中，λ₀为激光波长。

8.如权利要求1所述的基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置，其特征在于，所述图像传感器(5)为CCD传感器或CMOS传感器。