CN205844136U - 一种颗粒形态的光学检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种颗粒形态的光学检测装置。包括一颗粒分散装置、低相干干涉测量和显微成像相结合的成像测量装置。本实用新型操作简单有效，能够用于采集获得颗粒三维空间的分布位置信息，可避免基于图像显微的粒度测量中不同深度的颗粒在两维图像中重叠效应，可用于工业生产和科学研究中对颗粒形态的高精度测量。

Description

一种颗粒形态的光学检测装置

技术领域

本实用新型属于光学测量技术领域，尤其涉及一种结合低相干干涉测量和显微成像技术的颗粒形态的光学检测装置，可用于工业生产中对颗粒进行测试，获取颗粒的形态信息。

技术背景

在自然环境、工农业生产制造及人类日常生活等方方面面，各种各样的颗粒无处不在。这些细小的分散物质，以固体、气体和液体等状态形式存在着，比如像空气中的尘埃和水滴，海滩上的沙粒，工厂排放的气体中的烟尘等。对颗粒的认识和研究逐渐渗透到化工、冶炼、制药等诸多的领域。颗粒的粒度和粒形与产品的性能和质量密切相关。例如，在涉及燃料燃烧的技术中，燃料的雾化程度(由燃料颗粒的大小和浓度表征)的好坏，会直接影响其燃烧的性能；在建筑工程中使用到的混凝土，其凝结速率和力学性质与所使用的胶凝材料的粒度在很大程度上有关联。因此，能够准确检测并获取颗粒的形态(包括粒度和粒形)信息，对与之密切相关的工业生产和科学研究等领域具有重要的意义。

现有的颗粒形态检测装置主要包括：基于Mie散射原理的激光粒度仪、基于动态光散射技术的粒度仪和基于光学显微成像的图像粒度仪等。我们知道，当光束在传播过程中碰到颗粒障碍物时，会相互作用发生散射现象。理论分析和实验表明：散射光束同入射光束之间的夹角(散射角)与颗粒的粒度有关，颗粒尺寸越大，散射角度越小。同时散射光的强度在一定程度上反映了颗粒的密集程度。根据这样的规律，通过测量散射光强的空间分布，利用Mie散射理论能够反演计算出颗粒粒度和分布情况。然而反演计算中需要知道被测颗粒相对于分散介质的折射率值。通常对于分布较复杂的颗粒样品，折射率的大小难以准确获悉，这给测量带来了困难。基于动态光散射技术的粒度仪，通过测量由于颗粒的布朗运动引起散射光的光强随时间的波动变化，并通过相关方程检测最终获得颗粒的粒度和尺寸分布信息。该仪器可用于对纳米量级的颗粒粒度的测量。

基于光学显微成像的图像粒度仪，将经过显微放大后的颗粒图像，通过图像采集单元传输至计算机，并处理得到颗粒的粒度和粒形。然而显微成像仅能观察到二维平面的颗粒投影图像，其深度不能够被表征，从而无法获取颗粒样品深度方向的粒度和分布信息。空间的颗粒在二维投影面上会发生重叠，影响测量的准确性。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有图像粒度仪技术的不足，提出了一种颗粒形态的光学检测装置。

本实用新型采用以下技术方案：

包括一颗粒的分散装置，用于将单个颗粒分散到空间中；

包括采用低相干干涉测量和显微成像相结合的成像测量装置，用于采集分散到空间中的颗粒图像；

所述的成像测量装置包括低相干干涉测量装置和显微成像装置，低相干干涉测量装置和显微成像装置的照明光源采用同一个。

所述的成像测量装置是采用以下的其中一种：

包括低相干光源、干涉仪、显微装置和探测器；

或者包括低相干光源、干涉仪、显微装置和光谱仪；

或者包括扫频宽光谱光源、干涉仪、显微装置和探测器。

本实用新型相比现有技术具有以下有益效果和优势：

本实用新型能够用于重构出颗粒三维的空间分布，并提取颗粒形态信息，避免了二维投影图像中颗粒的重叠。

附图说明

图1为本实用新型装置的示意图；

图2为本实用新型实施例的示意图；

图中：11-颗粒分散；12-显微成像；13-低相干干涉测量；14-三维空间分布重构；15-分析与特征提取；21-光源；22-分光束器件；23-第一准直透镜；24-平面反射镜；25-第二准直透镜；26-扫描装置；27-显微物镜；28-分散装置；29-探测单元；31-宽带低相干光源；32-光环形器；33-50:50光纤耦合器；34-参考臂光纤准直器；35-会聚透镜；36-平面反射镜；37-样品臂光纤准直器；38-X-Y正交扫描装置；39-显微物镜；40-样品分散装置；41-光纤准直器；42-衍射光栅；43-傅里叶透镜；44-高速线阵相机。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明，附图形成本文的一部分。需要注意的是，这些说明及示例仅仅为示例性的，不能被理解为限制了本实用新型的范围，本实用新型的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本实用新型权利要求基础上的改动都是本实用新型的保护范围。

为了便于理解本实用新型的实施例，将各操作描述成多个离散的操作，但是，描述的顺序不代表实施操作的顺序。

本实用新型装置如图1所示，包括分散装置28、低相干干涉测量装置和显微成像装置，显微成像装置包括扫描装置26和显微物镜27，低相干干涉测量装置是主要由光源21、分光束器件22、第一准直透镜23、平面反射镜24、第二准直透镜25和探测单元29构成的干涉仪。

该装置的低相干干涉测量的主体结构为一干涉仪，其中在干涉仪的样品臂中引入了显微成像装置，包括扫描装置26和显微物镜27，同时保证显微成像的照明光来自于低相干干涉测量中所使用的宽光谱光源。光源21的出射光线通过分光束器件22后分成两束光：一束光进入参考臂，通过第一准直透镜23照射于平面反射镜24上；另一束光进入样品臂，照射到待测样品上，其中利用分散装置28对样品进行分散后，样品置于显微成像装置的聚焦位置，光经过第二准直透镜25、扫描装置26照射到显微物镜27的聚焦位置。两臂中各自反射回的光发生干涉后经分光器件22由探测单元29接收，再从中提取获得颗粒的三维分布信息。

依据低相干干涉测量的不同方式，并结合不同的显微成像方式，图1所示的光学检测颗粒形态的装置具体包括：

1)时间域测量装置。光源21采用宽带低相干光，平面反射镜24可沿光轴方向移动，探测单元29为点探测器。显微成像方式采用逐点扫描或宽场成像方式。通过移动平面反射镜24改变参考臂光程，两臂的干涉信号有电探测器29探测，实现深度z方向的低相干干涉探测。结合显微成像装置中利用逐点扫描或逐条线扫描或宽场成像方式，获得三维的分散颗粒空间信息。

2)谱域测量装置。光源21采用宽带低相干光，平面反射镜24固定不动，探测单元29采用光谱仪。

3)扫频测量装置。光源21采用扫频光源，平面反射镜24固定不动，探测单元29采用点探测器。

本实用新型的实施例如下：

图2示出的是本实用新型所公开的一个示例性实施例。针对测量颗粒形态的一种光学检测装置，包括宽带低相干光源31、光环形器32、50:50光纤耦合器33、参考臂光纤准直器34、会聚透镜35、平面反射镜36、样品臂光纤准直器37、X-Y正交扫描装置38、物镜39、样品分散装置40、光纤准直器41、衍射光栅42、傅里叶透镜43和高速线阵相机44，其中宽带低相干光源31采用中心波长为1300nm、带宽为100nm的超发光二极管，物镜39采用焦距为30mm的消色差透镜，高速线阵相机44采用InGaAs 2048像素的线扫相机；其中本实用新型装置的低相干宽带光源31出射的光线光经过光环行器32后进入到50:50光纤耦合器33，光纤耦合器33的出射光被分成两束：一束光通过光纤连接至参考臂光纤准直器34，经过准直和聚焦后照射到平面反射镜36；另一束光通过光纤连接至样品臂光纤准直器37，经过准直、扫描和聚焦后照射到被测样品上。样品分散装置40采用湿法分散原理提供空间分散的颗粒溶液作为待测样品。样品臂中的正交扫描装置38结合显微物镜39实现对待测样品的三维扫描成像；由参考臂中平面反射镜36反射回的光与样品臂中被测样品后向散射回的光在光纤耦合器33处发生干涉，干涉信号光束经过光谱仪探测并被记录(该部分包括装置中的器件41～44)。

由此可见，本实用新型提取出颗粒的形态信息相比于现有技术能够快速地重构出颗粒三维的空间分布，避免了二维投影图像中颗粒的重叠，极大地减小了测量误差，具有其突出显著的技术效果。

Claims (5)

1.一种颗粒形态的光学检测装置，包括：

一颗粒的分散装置，用于将单个颗粒分散到空间中；

低相干干涉测量和显微成像相结合的成像测量装置，用于采集分散到空间中的颗粒图像。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒形态的光学检测装置，其特征在于：

所述的成像测量装置包括低相干干涉测量装置和显微成像装置，低相干干涉测量装置和显微成像装置的照明光源采用同一个。

3.根据权利要求1所述的一种颗粒形态的光学检测装置，其特征在于：所述的成像测量装置包括低相干光源、干涉仪、显微装置和探测器。

4.根据权利要求1所述的一种颗粒形态的光学检测装置，其特征在于：所述的成像测量装置包括低相干光源、干涉仪、显微装置和光谱仪。

5.根据权利要求1所述的一种颗粒形态的光学检测装置，其特征在于：所述的成像测量装置包括扫频宽光谱光源、干涉仪、显微装置和探测器。