一種基于動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)的懸浮顆粒粒徑測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算攝像學(xué)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種基于動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)的 懸浮顆粒粒徑測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常來說，當(dāng)被測(cè)顆粒的某種物理特性或物理行為與某一直徑的同質(zhì)球體（或其 組合）最相近時(shí)，就是把該球體的直徑（或其組合）作為被測(cè)顆粒的等效粒徑（或粒度分 布）。不同原理的儀器選擇不同的物理特性或物理行為作為比較的參考量來測(cè)量粒徑，例 如：沉降儀選用沉降速度、激光粒度儀選用散射光能分布、篩分法選用顆粒能否通過篩孔等 等。而對(duì)于懸浮顆粒（例如水中懸浮的固體顆粒狀物質(zhì)）的粒徑，現(xiàn)有技術(shù)中通常采用動(dòng) 態(tài)光散射（DLS，dynamiclightscattering)技術(shù)來檢測(cè)。
[0003]根據(jù)Stokes-Einstein等式：
[0005]其中，
[0006]cKH)表示粒徑，
[0007]D表示傳輸擴(kuò)散系數(shù)（單位是m2/s)，該系數(shù)需要通過測(cè)量和計(jì)算得出，
[0008]k表示波耳茲曼常數(shù)（1. 3807*10 23J/K)，
[0009]T表示絕對(duì)溫度（室溫=298K)，
[0010]n表示粘稠度（水的粘稠度=8. 94*10 4kgAm*s))。
[0011] 而動(dòng)態(tài)光散射光強(qiáng)的變化與布朗運(yùn)動(dòng)具有如下關(guān)系：當(dāng)相干光從粗糙表面反射或 從含有散射物質(zhì)的介質(zhì)內(nèi)部后向散射或透射時(shí)，會(huì)形成不規(guī)則的強(qiáng)度分布，出現(xiàn)隨機(jī)分布 的斑點(diǎn)。粗糙表面和介質(zhì)中散射子可以看作是由不規(guī)則分布的大量面元構(gòu)成，相干光照射 時(shí)，不同的面元對(duì)入射相干光的反射或散射會(huì)引起不同的光程差，反射或散射的光在遠(yuǎn)場(chǎng) 發(fā)生相消或相長(zhǎng)干涉。當(dāng)數(shù)目很多的面元不規(guī)則分布時(shí)，可以觀察到隨機(jī)分布的顆粒狀結(jié) 構(gòu)的圖案，這就是光通過散射介質(zhì)和自由空間傳播時(shí)形成的散斑（顆粒狀結(jié)構(gòu)斑點(diǎn)稱為激 光散斑）。對(duì)于靜止不動(dòng)的粗糙表面或散射物質(zhì)，光強(qiáng)的分布是不變的。由于懸浮顆粒在溶 液中做布朗運(yùn)動(dòng)，散射體之間的距離總是隨時(shí)間變化的，發(fā)生相消或相長(zhǎng)干涉空間位置也 因而隨時(shí)間變化，因此，照射到溶液中的相干光形成的不規(guī)則的強(qiáng)度則是隨機(jī)變化的，而該 變化的相干光的相關(guān)系數(shù)與顆粒的粒徑之間的關(guān)系是可以量化的。因而利用該量化關(guān)系， 可以反過來求得懸浮顆粒的粒徑。
[0012] 基于DSL技術(shù)，所測(cè)得的散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化的函數(shù)的自相關(guān)如下式表示：
[0014]其中，
[0015] g2(q;T)表示波矢量q在時(shí)延T下的二階自相關(guān)，
[0016] I表不光強(qiáng)，
[0017] 尖括號(hào)表示期望。
[0018] 隨著時(shí)延T的增大，自相關(guān)呈指數(shù)衰減。換言之，經(jīng)過一段較長(zhǎng)的時(shí)間，初始狀態(tài) 和最終狀態(tài)的散射光強(qiáng)度并不相關(guān)。因此，假設(shè)探測(cè)光在介質(zhì)中只發(fā)生單次散射，則有：
[0019] g2(q; ^ ) = 1+P[gi(q; ^ )]2 (3)
[0020] gl(q；I) =exp(-T x)(4)
[0021] r=q2D(5)
[0023] 其中，
[0024] gjq;T)表示波矢量q在時(shí)延t下的一階自相關(guān)，
[0025] P表示比例系數(shù)（由入射光線和場(chǎng)景的設(shè)置決定），
[0026] 入表不入射光波長(zhǎng)，
[0027] n。表示介質(zhì)的折射率，
[0028] 0表示探測(cè)器相對(duì)于樣本的角度。
[0029] 根據(jù)上述等式（2)~（6)，可得到D，代入（1)式則可得到粒徑。因此理論上說，根 據(jù)上述（1)~（6)式，在一個(gè)給定方向上測(cè)量光強(qiáng)的變化，即可求解顆粒的粒徑。
[0030] 然而，以上的計(jì)算都是假設(shè)在介質(zhì)中只發(fā)生單次散射，也就是說每個(gè)被傳感器探 測(cè)到的光子都只被微粒散射一次。而在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)研究中，多次散射總是存在 的，光子在到達(dá)傳感器之前往往會(huì)被散射了多次。因此，傳統(tǒng)的DSL算法被局限在相當(dāng)?shù)蜐?度的樣本，這是因?yàn)橹挥性跐舛茸銐虻偷臉颖局?，光的多次散射現(xiàn)象才不明顯，才能保證測(cè) 量結(jié)果基本準(zhǔn)確。
[0031] 為克服上述多次散射現(xiàn)象帶來的局限，Schaetzel提出了在不同的（但通 常相當(dāng)靠近的）空間位置放置探測(cè)器，然后利用信號(hào)的互相關(guān)來抑制多次散射對(duì) 測(cè)量結(jié)果的負(fù)面影響。該方法的主要思想是提取單次散射并抑制多次散射（參考 文南犬Schaetzel,K. (1991). "Suppressionofmultiple-scatteringbyphoton ross-correlationtechniques" .J.Mod.Opt. 38 ： 1849.Bibcode： 1990JPCM. . . . 2. . 393S.doi:10.1088/0953-8984/2/S/062.Retrieved2014-04-07.)。后來的研究者也提 出了互相關(guān)方法的不同實(shí)現(xiàn)方案，目前被廣泛應(yīng)用的策略是三維動(dòng)態(tài)光散射方法， 艮P3D-dynamiclightscattering算法（參考文南犬Urban，C. ；Schurtenberger, P. (1998). "CharacterizationofturbidcolIoidalsuspensionsusinglight scatteringtechniquescombinedwithcross-correlationmethods" .J.Colloid InterfaceSci. 207(1) :150-158.doi:10. 1006/jcis. 1998. 5769?以及Block，I.;Scheffold,F. (2010). "Modulated3Dcross-correlationlightscattering： Improvingturbidsamplecharacterization" .Rev.Sci.Instruments81 (12) :123107.arXiv:1008.0615.Bibcode:2010RScI. ?? 8113107B.doi:10.1063/1. 3518961.)。
[0032] 為便于理解，下面對(duì)Schaetzel提出的利用互相關(guān)抑制多次散射偏差的方案做簡(jiǎn) 要地介紹。Schaetzel的主要思想是在不同的（但通常相當(dāng)靠近的）空間位置放置探測(cè)器， 利用不同位置光強(qiáng)的互相關(guān)信息，提取單次散射并抑制多次散射，從而獲得更加準(zhǔn)確的測(cè) 量結(jié)果。其原理如下：
[0033] 讓探測(cè)光（即入射光）入射樣本（如具有懸浮顆粒物的液體），使用兩個(gè)位置 靠近的雪崩二極管（avalanchephotodiode)接收出射光（即散射光），用數(shù)字相關(guān)器 (digitalcorrelator)求兩個(gè)雪崩二極管（avalanchephotodiode)測(cè)量結(jié)果的互相關(guān) Gab(T ) =〈nA(t+T)nB(t)> = <nA(t)nB(t+T)>。其中，nA(t)和nB(t)是雪崩二極管記錄 下的光子的個(gè)數(shù)隨時(shí)間變化的函數(shù)，兩個(gè)雪崩二極管測(cè)量結(jié)果的互相關(guān)GAB( 〇滿足公式 (7)，
[0035] 公式（7)中，參數(shù)A，K，B均可以通過標(biāo)定得到。從公式（7)中可以看出，數(shù)字相關(guān) 器所測(cè)得的兩個(gè)雪崩二極管測(cè)量結(jié)果的互相關(guān)gab(〇中，含有參數(shù)r的信息。
[0036] 上述方案理論上能夠抑制多次散射造成的測(cè)量結(jié)果偏差，將DSL算法擴(kuò)展到了濃 度較高的樣本測(cè)量中。然而，在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的引入互相關(guān)的DSL測(cè)量方案仍然存 在較大的誤差，因此對(duì)粒徑的DSL測(cè)量尚存提高空間。另外，現(xiàn)有方案對(duì)兩個(gè)雪崩二極管的 位置精度要求高，不便于操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0037] 本發(fā)明的任務(wù)是提供一種能夠克服上述現(xiàn)有技術(shù)缺陷的基于DSL技術(shù)的懸浮顆 粒粒徑測(cè)量解決方案。
[0038] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)的懸浮顆粒粒徑測(cè)量裝 置，包括：
[0039] 調(diào)制單元，用于產(chǎn)生周期性的調(diào)制信號(hào)；
[0040] 光源單元，用于生成被所述調(diào)制信號(hào)進(jìn)行振幅調(diào)制的入射光，并用所述入射光照 射待測(cè)懸浮顆粒溶液中的目標(biāo)點(diǎn)；
[0041] 樣品容納單元，用于容納待測(cè)懸浮顆粒溶液；
[0042] TOF傳感器陣列，用于接收來自于所述待測(cè)懸浮顆粒溶液中的目標(biāo)點(diǎn)的出射光，進(jìn) 行光電轉(zhuǎn)換后輸出相應(yīng)的電信號(hào)；
[0043] 解調(diào)單元，用于對(duì)TOF傳感器陣列輸出的電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到對(duì)應(yīng)于TOF傳感器 陣列各個(gè)像素的測(cè)量信號(hào)；以及
[0044] 計(jì)算單元，用于根據(jù)TOF傳感器陣列的各個(gè)像素的位置和對(duì)應(yīng)的測(cè)量信號(hào)，得出 不同像素所接收的所述出射光的時(shí)域信號(hào)的時(shí)延以及這些像素所接收的所述出射光的時(shí) 域信號(hào)的互相關(guān)結(jié)果，進(jìn)而基于Schaetzel算法和動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)計(jì)算出待測(cè)懸浮顆粒粒 徑。
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