WO2021088376A1

WO2021088376A1 - 一种利用散射光的偏振差异测量颗粒折射率的方法及系统

Info

Publication number: WO2021088376A1
Application number: PCT/CN2020/096495
Authority: WO
Inventors: 张福根
Original assignee: 珠海真理光学仪器有限公司
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2021-05-14
Also published as: CN110687022A; US20220252497A1; CN110687022B

Abstract

一种利用散射光的偏振差异测量颗粒折射率的方法及系统，方法包括获取垂直偏振散射光能分布Ε_⊥和水平偏振散射光能分布Ε_||，计算散射光能分布偏振差Ε_d；根据Mie理论，计算一个设定的折射率数值n⁽ⁱ⁾下的维数为k×l的垂直偏振散射光能矩阵(aa)和散射光偏振差矩阵（bb）计算被测颗粒的粒度分布W⁽ⁱ⁾，获取散射光的偏振差（cc），计算Ε _d与(cc)的均方差σ⁽ⁱ⁾，改变折射率的数值，重复上述过程，获得均方差最小的折射率，就是颗粒的真实折射率，使用此折射率计算的粒度分布即为颗粒真实的粒度分布。一种实现该方法的系统，在被测颗粒样品的折射率与粒度分布均未知的情况下，可利用激光粒度仪获得的散射光信号本身，求出样品的折射率，进而获得准确的样品粒度分布。

Description

一种利用散射光的偏振差异测量颗粒折射率的方法及系统

技术领域

本发明涉及颗粒表征技术领域，具体涉及一种利用散射光的偏振差测量颗粒折射率的方法及系统。

背景技术

颗粒是指尺寸一般在毫米到纳米之间具有特定形状的几何体，颗粒不仅指固体颗粒,还包括雾滴、气泡等流体颗粒。颗粒在自然界中无处不在，且广泛影响或应用于工业生产和科学研究。颗粒大小是颗粒的最重要的参数之一。近年来各种新型颗粒材料的应用，对颗粒粒径测量有了更高要求。基于静态光散射原理的激光粒度仪得到了越来越广泛的应用。

根据光散射的几何光学近似理论，颗粒直径远大于光波长时在小角范围内其散射光强以衍射光为主，其光能分布主峰出现在前向小角度内。如果只测量远大于光波长的颗粒且测量装置(激光粒度仪)的散射光接收角限制在小角范围内，例如5°以下，那么基于夫琅禾费衍射理论的激光粒度仪可以在不输入折射率的条件下对样品进行粒度分析；但现在商品化的粒度仪测量下限小至0.1μm，为此最大散射角接收范围要达到60°以上，此时任何大小的颗粒的散射光能分布都与折射率有关，相同粒径的颗粒如果折射率不同，光能分布具有明显差异，故在使用基于Mie散射理论的激光粒度仪进行粒度分析时，需提前输入样品准确的折射率，计算相应的散射光能矩阵，然后根据散射光分布反演计算粒度分布。如果输入的折射率数值是错误的，则将导致错误的分析结果。

目前使用激光粒度仪测样时样品折射率值多为查表获得。但是实际样品折射率与入射光波长和杂质含量等因素有关，故很难确定颗粒的准确折射率，这常导致样品的测量结果与实际粒度分布有较大误差。

到目前为止，虽然已经有几种利用散射光信号测量折射率的方法，但都存在这样那样的局限。

发明内容

为了克服以上问题，本发明提出一种利用散射光的偏振差测量颗粒折射率的方法及系统，在被测样品颗粒的折射率和粒度分布均未知的情况下，仅仅利用被测颗粒散射光信号本身，就能计算颗粒的折射率，再利用测得的折射率得出准确的粒度分布。

本发明的技术方案为：

一种利用散射光的偏振差异测量颗粒折射率的方法，包括步骤：

S1，当光波沿Z轴照射到位于坐标原点O的颗粒，被颗粒散射的光被位于XOZ平面的探测器所接收。所述探测器是由多个独立探测单元组成的阵列，所有单元都位于XOZ平面内，每个单元对应不同的散射角。设探测单元总数为k个。当照明光为线偏振光，且偏振方向平行于Y轴时，各探测单元接收到的散射光的偏振方向均垂直于XOZ平面，即散射面。按散射角的大小从里往外排序，记各探测单元接收到的光能分别为E _⊥1，E _⊥2，…,E _⊥k，用矢量E _⊥＝[E _⊥1,E _⊥2,…,E _⊥k] ^T表示，称为垂直偏振的散射光能分布。类似地，用偏振方向平行于X轴的线偏振光照明颗粒时，探测器各单元接收到的光能就组成水平偏振的散射光能分布，用E _||表示，E _||＝[E _||1,E _||2,…,E _||k] ^T。E _⊥和E _||输入至处理器。把垂直偏振散射光能分布和水平偏振散射光能分布之差称为散射光能分布的偏振差，记为E _d。故E _d＝E _⊥-E _||＝[E _d1,E _d2,…,E _dk] ^T，通过处理器的计算获得。

S2，设定一个颗粒折射率n ⁽ⁱ⁾，根据Mie理论，计算维数为k×l的垂直偏振散射光能矩阵

和散射光偏振差矩阵

其中，k为探测器单元的个数，l为颗粒的代表粒径的分段数，i为折射率取值编号；

S3,根据获得的Ε _⊥数值和垂直偏振的散射光能矩阵

反演计算被测颗粒的粒度分布

其中，

表示假设折射率为n ⁽ⁱ⁾时，反演计算得到的粒径处于第j个代表粒径段内的颗粒体积与颗粒总体积的比值；

S4，根据S3所得的粒度分布W ⁽ⁱ⁾和散射光偏振差矩阵

获取散射光的偏振差分布

S5，根据散射光偏振差E _d和

得到均方差

S6，将颗粒折射率变为n ^(j)，重复步骤2-5，计算均方差σ ^(j)，如此往复，找到均方差最小时对应的颗粒折射率即为颗粒的真实折射率，该折射率对应的粒度分布即为真实的粒度分布。

一种利用散射光的偏振差测量颗粒折射率的系统，其特征在于：包括激光光源模组、成阵列式排布的光电探测器和接收并处理来自光电探测器信息的处理器、及存储处理程序的存储器。

进一步地，所述激光光源模组包括线偏振光光源及设置在线偏振光光源出射端的半波片，或者所述激光光源模组包括自然光光源及设置在自然光光源出射端的起偏器。

本发明的有益效果为：在被测颗粒样品的折射率和粒度分布均未知的情况下，可利用激光粒度仪获得的散射光信号本身，求出样品的折射率，进而获得准确的样品粒度分布。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为第一种激光光源模组实现光路示意图；

图3为第二种激光光源模组实现光路示意图；

图4为第三种激光光源模组实现光路示意图。

具体实施方式

S1，当光波沿Z轴照射到位于坐标原点O的颗粒，被颗粒散射的光被位于XOZ平面的探测器所接收。所述探测器是由多个独立探测单元组成的阵列，所有单元都位于XOZ平面内，每个单元对应不同的散射角。设探测单元总数为k个。当照明光为线偏振光，且偏振方向平行于Y轴时，各探测单元接收到的散射光的偏振方向均垂直于XOZ平面，即散射面。按散射角的大小从里往外排序，记各探测单元接收到的光能分别为E _⊥1，E _⊥2，…,E _⊥k，用矢量E _⊥＝[E _⊥1,E _⊥2,…,E _⊥k] ^T表示，称为垂直偏振的散射光能分布。类似地，用偏振方向平行于X轴的线偏振光照明颗粒时，探测器各单元接收到的光能就组成水平偏振的散射光能分布，用表示E _||，E _||＝[E _||1,E _||2,…,E _||k] ^T。E _⊥和E _||输入至计算机。把垂直偏振散射光能分布和水平偏振散射光能分布之差称为散射光能分布的偏振差，记为E _d。故E _d＝E _⊥-E _||＝[E _d1,E _d2,…,E _dk] ^T，通过计算机的计算获得。

S2，假设一个颗粒折射率n ⁽ⁱ⁾，根据Mie理论，计算维数为k×l的垂直偏振散射光能矩阵

和散射光偏振差矩阵

S3,根据获得的Ε _⊥数值和垂直偏振的散射光能矩阵

反演计算被测颗粒的粒度分布

其中，

S4，根据S3所得的粒度分布W ⁽ⁱ⁾和散射光偏振差矩阵

获取散射光的偏振差分布

S5，根据散射光偏振差E _d和

得到均方差

S6，将颗粒折射率变为n ^(j)，重复步骤2-5，计算均方差σ ^(j)。如此往复，找到均方差最小时对应的颗粒折射率即为颗粒的真实折射率，该折射率对应的粒度分布即为真实的粒度分布。

通过本实施例提供的方法，在被测颗粒样品的折射率未知的情况下，可利用激光粒度仪获得的散射光信号本身，求出样品的折射率，进而获得准确的样品粒度分布。

本实施例的利用散射光的偏振差测量颗粒折射率的测量系统包括激光光源模组、成阵列式排布的光电探测器和接收并处理来自光电探测器的信息的处理器、及存储处理程序的存储器。

使用激光粒度仪测量被测样品的散射光能，具体的，如图1所示，入射光1沿着Z轴传播，照射到位于坐标原点O的颗粒7(此处只示意性地画了一个颗粒，现实情况下是多个不同大小颗粒组成的颗粒群)上。光波1遇到颗粒7后，发生散射，如图中散射光线2。激光粒度仪中的一系列探测器5(是多个独立探测器组成的阵列，每个探测器都对应一个散射角6。此处只示意性地画了一个)置于XOZ平面内，沿散射面传播的散射光波的电场矢量可以分解为垂直于XOZ平面振动的分量3(称为“垂直偏振分量”)和平行于XOZ平面振动的分量4(称为“水平偏振分量”)。不同的探测器用于接收不同散射角的散射光。各个探测器接收到的垂直偏振分量按探测器从里到外排布的顺序，分别记为E _⊥1，E _⊥2，…,E _⊥k，称为垂直偏振的散射光能分布，为简洁起见，用矢量E _⊥表示，即E _⊥＝[E _⊥1,E _⊥2,…,E _⊥k] ^T，此处k为探测器独立探测单元的总个数。类似地，这些散射光信号的水平分量称为“水平偏振散射光能分布”，用Ε _||表示，E _||＝[E _||1,E _||2,…,E _||k] ^T。E _⊥和E _||输入至计算机。把垂直偏振散射光能分布和水平偏振散射光能分布之差称为散射光的偏振差，记为E _d。故E _d＝E _⊥-E _||。E _d通过计算机的计算获得。

本实施例的垂直偏振散射光能分布Ε _⊥和水平偏振散射光能分布Ε _||可有以下三种实施方式实现：

一：如图2所示，激光光源8为线偏振光光源，通过转动机构将线偏振光光源绕Z轴转动，先使出射光的偏振方向平行于Y轴，这时探测器5测得的散射光能分布即为垂直偏振散射光分布Ε _⊥。然后将光源绕Z轴转动90°，此时探测器5测得的散射光能分布即为水平偏振散射光能分布Ε _||。

二：如图3所示，激光光源8为线偏振光，且偏振方向平行于Y轴。在出射光路上放置一个半波片9，它可绕Z轴转动。当半波片9的主截面平行于Y轴时，探测器5测得的散射光能分布即为垂直偏振散射光能分布Ε _⊥。然后将半波片9转动45°，此时探测器5测得的散射光能分布即为水平偏振散射光能分布Ε _||。

三：如图4所示，激光光源8为非偏振(自然)光，在出射光路上放置起偏器10，它可绕Z轴转动。当起偏器10的起偏方向平行于Y轴时，探测器5测得的散射光能分布即为垂直偏振散射光能分布Ε _⊥。然后将起偏器转动 90°，此时探测器测得的散射光能分布即为水平偏振散射光能分布Ε _||。

还需要说明的是，存储器存储有计算机可读存储介质，可读存储介质可以是具有数据存储功能的各种存储介质，包括但不限于FIASH、EEPROM等非易失性存储器，当处理器执行计算机程序时，可以实现上述的颗粒折射率的测量方法。

以上所属实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

一种利用散射光的偏振差异测量颗粒折射率的方法，其特征在于，包括步骤：

S1，分别获取光波照射到位于坐标原点O的颗粒样品上后产生的垂直偏振散射光能分布E _⊥＝[E _⊥1,E _⊥2,…,E _⊥k] ^T和水平偏振散射光能分布E _||＝[E _||1,E _||2,…,E _||k] ^T，计算散射光的偏振差E _d＝E _⊥-E _||＝[E _d1,E _d2,…,E _dk] ^T；

S2，根据Mie理论，计算在颗粒的折射率n ⁽ⁱ⁾下的维数为k×l的垂直偏振散射光能矩阵
和散射光偏振差矩阵
其中，k为探测光能的探测器单元的个数，l为颗粒的代表粒径的分段数，i为折射率取值编号；

S3,根据获得的Ε _⊥数值和垂直偏振的散射光能矩阵
反演计算被测颗粒的粒度分布
其中，
表示假设折射率为n ⁽ⁱ⁾时，反演计算得到的粒径处于第j个代表粒径段内的颗粒体积与颗粒总体积的比值；

S4，根据粒度分布W ⁽ⁱ⁾和散射光偏振差矩阵
获取散射光的偏振差分布

S5，根据散射光偏振差E _d和
得到均方差

S6，将S2中的颗粒折射率变为n ^(j)，重复步骤2-5，计算均方差σ ^(j)。找到均方差最小时对应的折射率即为颗粒的真实折射率，该折射率对应的粒度分布即为真实的粒度分布。
如权利要求1所述的散射光的偏振差异测量颗粒折射率的方法，其特征在于，S2中散射光偏振差矩阵
由垂直偏振散射光能矩阵
和水平偏振散射光能矩阵
之差获得，即
如权利要求1所述的散射光的偏振差异测量颗粒折射率的方法，其特征在于，所述S1中垂直偏振散射光能分布Ε _⊥和水平偏振散射光能分布Ε _||分别由成阵列式排布的激光探测器获得。
一种利用散射光的偏振差异测量颗粒折射率的系统，其特征在于：包括激光光源模组、成阵列式排布的多个光电探测器和接收并处理探测器输出的电信号的处理器、及存储处理程序的存储器。
如权利要求4所述的利用散射光的偏振差异测量颗粒折射率的系统，其特征在于：所述激光光源模组包括线偏振激光光源及光源旋转装置，或线偏振光光源与设置在线偏振光光源出射端的可旋转45°或以上的半波片。
如权利要求4所述的利用散射光的偏振差异测量颗粒折射率的系统，其特征在于：所述激光光源模组包括非偏振激光光源及设置在光源出射端的可旋转90°或以上的起偏器。