專利名稱：一種三維體散射函數(shù)的測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光學(xué)測量領(lǐng)域，具體涉及一種水中微小顆粒三維體散射函數(shù)的測量系統(tǒng)及應(yīng)用該系統(tǒng)的測量方法。
背景技術(shù)：
海洋是人類賴以生存和發(fā)展的空間，蘊藏著極其豐富的自然資源，研究并良好地利用海洋將成為人類生存發(fā)展的必然選擇。尺寸分布在IOOnm 1000 μ m的浮游植物屬于懸浮粒子，是海洋生物鏈和海水水體的重要組成部分，地球50%的氧氣有浮游植物光合作用產(chǎn)生，它的種類，尺寸分布等對水質(zhì)及生態(tài)平衡具有重要意義。水體中懸浮顆粒的體散射函數(shù)(VSF)是水體的固有光學(xué)特性，它描述了水體中光散射的方向性，是了解水體光輻射傳輸?shù)幕A(chǔ)。通過測定海水中微小顆粒的體散射函數(shù),就可得到其體散射系數(shù)及散射相函 數(shù)等光學(xué)特性參數(shù)。這些參數(shù)對于海洋浮游生物檢測及環(huán)境監(jiān)測十分重要，同時，可依據(jù)散射理論，推算和反演相應(yīng)顆粒的粒徑。目前，對水體，特別是水下顆粒的體散射函數(shù)實際可行的測量方法還很少，這主要是由于無法直接對其進(jìn)行測量。同時，由于水下顆粒體散射具有很強的方向性，其散射主要集中在前向散射角度上，對單一顆粒而言，在0° 180°散射角度范圍內(nèi)，顆粒散射強度分布跨度很大，強度量級差可達(dá)到5 6個數(shù)量級以上，此外，由于顆粒粒徑與散射特性的關(guān)系，對不同粒徑顆粒，同一散射角度上的散射強度也會有較大變化，這對所使用到的探測器的動態(tài)范圍和靈敏度提出了很高的要求。要實現(xiàn)對一定粒徑范圍下的顆粒進(jìn)行大散射角度范圍的體散射函數(shù)測量必須解決上述問題。已有的水中顆粒體散射函數(shù)的測量方法，一種以03年研制成功的多譜體散射函數(shù)測量儀(MVSM)為例，它通過針對不同散射角度范圍水體體散射的特點和測量困難點采用多種方案，特點是將樣品池部分架設(shè)在一旋轉(zhuǎn)平臺之上，并同一探測器繞平臺360°旋轉(zhuǎn)的方式工作，可實現(xiàn)對平臺平面內(nèi)任一角度上體散射函數(shù)的測量，但由此無法保證測量的同步性，即對不同角度的同時測量，同時測量周期過長，無法滿足于實際環(huán)境快速測量的要求。另如由WETLabs研發(fā)的多角度散射光學(xué)儀(MASCOT)，通過在同一圓周多個方向上分別設(shè)置探測器進(jìn)行探測，可實現(xiàn)同時對多個分離的單一角度散射光的體散射函數(shù)測量，但此方法測量精確度取決于所選擇的各探測器的實際性能，不同探測器探測效果的差異對計算結(jié)果的影響無法避免。同時，考慮到顆粒的形狀對其散射特性的影響，僅實現(xiàn)對平面內(nèi)一維體散射函數(shù)進(jìn)行測量無法準(zhǔn)確表征顆粒的散射特性，因此，有必要提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)同步完成空間中顆粒的三維體散射函數(shù)測量的方法和實際系統(tǒng)。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種水中顆粒的三維體散射函數(shù)測量系統(tǒng)，該方法測量速度快，可測樣品顆粒的粒徑范圍大。本實用新型還提供了一種基于該光學(xué)測量系統(tǒng)的測
量方法。[0005]本實用新型所提出的三維體散射函數(shù)測量系統(tǒng)，包括拋物球面反射鏡，樣品池，望遠(yuǎn)透鏡組，光電探測器和計算處理單元，所述樣品池設(shè)置于拋物球面反射鏡的鏡腔內(nèi)，其中心部分位于拋物球面反射鏡鏡腔的拋物球面焦點處，入射光經(jīng)整形和功率調(diào)整后會聚于拋物球面反射鏡的鏡腔焦點位置，經(jīng)樣品池內(nèi)進(jìn)行顆粒散射后入射到的拋物球面，變換為平行散射光，再通過所述望遠(yuǎn)透鏡組調(diào)整束寬后，由光電探測器接收，并將接收的散射光光強信息轉(zhuǎn)換為電信號傳遞至計算處理單元進(jìn)行處理后，即可測量得到顆粒的三維體散射函數(shù)。所述的激光器,可提供單模連續(xù)輸出功率穩(wěn)定的激光。所述的拋物球面反射鏡，內(nèi)腔為向上開口的拋物球面，材料為反射率很高的金屬材料，側(cè)端壁上有兩通孔與球面焦點共線，盛有顆粒的樣品池豎直固定于內(nèi)腔內(nèi)，中心部分位于拋物球面焦點處，激光通過一端壁上通孔入射內(nèi)腔和樣品池，池內(nèi)顆粒發(fā)生散射后，未發(fā)生散射的入射光通過另一端通孔出射反射鏡內(nèi)腔，由池中心呈發(fā)散式的射向拋物球面的散射光經(jīng)過反射，變換為向內(nèi)腔開口方向傳播的平行光束。 所述的光電探測器為面陣CXD或CMOS圖像傳感器，該傳感器具有一定動態(tài)范圍。在本實用新型測量系統(tǒng)中，探測器接收的是平行散射光，因此面陣光電探測器是作為能量采集單元而非成像單元，面陣光電探測器可通過其驅(qū)動電路將散射光信息轉(zhuǎn)化為散射圖案，由計算機做相關(guān)處理。由于探測器動態(tài)范圍固定，在水平光路上加入非線性衰減片可手動調(diào)整入射光的強度，使探測器可工作在線性區(qū)，避免飽和。對樣品池，當(dāng)溶液中顆粒濃度足夠小時，顆粒之間的多次散射可忽略不計，而受光源光束照射的溶液液體的散射可視為顆粒的單次散射線性之和，由此實際出射樣品池的散射光可以體現(xiàn)單一顆粒的散射特性。由于所使用的光電探測器截面積遠(yuǎn)小于上述平行散射光束的橫截面積，如果直接接收光束，大部分散射光信息將無法接收，因此，在面陣光電探測器與拋物球面鏡之間加入所設(shè)計的望遠(yuǎn)透鏡組，使原平行光束束寬壓縮至能由光電探測器完全接收。同時，考慮到未經(jīng)拋物面鏡反射的散射光及其他雜光的存在，在鏡組的共焦平面上加入孔徑很小的光闌，可濾去這些非平行入射的雜光。本實用新型的有益效果是克服以往探測方法和裝置只能進(jìn)行顆粒在平面內(nèi)一維測量的局限性，實現(xiàn)了對水中顆粒體散射函數(shù)的三維測量，避免了使用多個探測器探測不同角度體散射函數(shù)時存在的探測偏差問題，獲取的圖像及數(shù)據(jù)唯一性好，可對比度高，同時，本實用新型涉及的測量裝置工作過程中可完全固定，基本無任何移動，測量穩(wěn)定性好，測速快。

圖I是本實用新型的光路結(jié)構(gòu)示意圖。其中1.激光器2.會聚透鏡3.非線性衰減片4.拋物球面反射鏡5.樣品池6.望遠(yuǎn)透鏡組-物鏡7.光闌8.望遠(yuǎn)透鏡組-目鏡9.濾光片10.光電探測器11.計算機
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。[0015]本實用新型三維體散射函數(shù)測量系統(tǒng)主要包括入射光路,接收光路,散射光強信號采集及處理模塊，所述入射光路包括激光器光源1，會聚透鏡2，非線性衰減片3，拋物球面反射鏡4，樣品池5，接收光路包括拋物球面反射鏡4，望遠(yuǎn)透鏡組6，8，光闌7，窄帶濾光片9，散射光強信號采集及處理模塊包括光電探測器10和計算機11，所述入射光路各元件由光具座承載，并調(diào)整使各元件共軸線，激光器I輸出激光經(jīng)整形和功率調(diào)整后會聚于拋物球面反射鏡4鏡腔焦點位置，經(jīng)顆粒散射，由反射鏡變換后的平行散射光通過望遠(yuǎn)透鏡組6，8調(diào)整束寬，由光電探測器10接收，所得散射光光強信息通過其驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為電信號傳遞至計算機11分析，處理。所述的激光器I,可提供單模連續(xù)輸出功率穩(wěn)定的激光。所述的拋物球面反射鏡4，內(nèi)腔為向上開口的拋物球面，材料為反射率很高的金屬材料，側(cè)端壁上有兩通孔與球面焦點共線，盛有顆粒的樣品池5豎直固定于內(nèi)腔內(nèi)，中心部分位于拋物球面焦點處，激光通過一端壁上通孔入射內(nèi)腔和樣品池5，池內(nèi)顆粒發(fā)生散射后，未發(fā)生散射的入射光通過另一端通孔出射反射鏡4內(nèi)腔，由池中心呈發(fā)散式的射向拋物球面的散射光經(jīng)過反射，變換為向內(nèi)腔開口方向傳播的平行光束。所述的光電探測器10為CXD或CMOS圖像傳感器，該傳感器具有一定動態(tài)范圍。本實用新型方法如圖I和圖2所示，在配制含樣品顆粒的試液，調(diào)整光路完成后，測量步驟為(I)開啟激光器I及光電探測器10，預(yù)熱激光器I至輸出功率穩(wěn)定輸出。通過調(diào)整衰減片3調(diào)整顆粒入射光強度，在避免光電探測器飽和的前提下充分利用其動態(tài)響應(yīng)范圍。(2)將含樣品顆粒溶液的樣品池5置入拋物鏡，散射中心與拋物鏡焦點重合，關(guān)閉實驗環(huán)境所有光源，在全黑環(huán)境下測量樣品散射光，獲取圖像，重復(fù)獲取多幀樣品散射光圖像。(3)取出樣品池5，清洗后注入去離子水，在與步驟(2)中的同等條件下獲取去離子水發(fā)生散射的散射光圖案(即背景圖案)。(4)通過計算機處理，對步驟(2)獲取的多幀圖像取強度平均值作為結(jié)果R，步驟
(3)得到的背景圖案設(shè)為D，由背景圖案D修正散射光圖案R，獲得修正后的散射光圖案C，由修正圖案分析顆粒散射光強度分布的變化。(5)根據(jù)拋物球面鏡反射原理，可得到光電探測器10每個單元所對應(yīng)的拋物球面鏡上的面積元，利用面積元的幾何對應(yīng)關(guān)系，由修正圖案C獲得拋物球面鏡上每單位面積所搜集到的散射光，從而進(jìn)一步獲取水中顆粒的三維體散射函數(shù)分布。顆粒的體散射函數(shù)是其固有光學(xué)特性，獨立于周圍的光場。在顆粒入射光和散射光構(gòu)成的一維平面內(nèi)，對于單色入射光而言，其定義式表達(dá)如下
「 π小 T dW(6)=
a UaV其中，W為單個顆粒在單位時間內(nèi)散射的全部光能量，Ii為入射光強，Θ為散射光方向與入射光的夾角，稱為散射角。從定義可知，體散射函數(shù)的物理含義即單位入射輻照度在每單位體積的散射強度(單色光入射)。β ( Θ )隨Θ在[0，2 ]范圍內(nèi)變化，其單位為HT1sr'而在空間中，需對體散射函數(shù)重新定義。[0028]如圖I所示，以顆粒所在位置為原點建立三維坐標(biāo)系，入射光為沿Z軸正方向的平行光，照射顆粒后發(fā)生散射，某方向上的散射光矢量記為卩，散射光與入射光的夾角即與Z軸夾角Θ，為散射角，在由X軸，Y軸確定的XOY平面內(nèi)的投影與X軸夾角為Φ，那么，該方向上散射光矢量可表示為角Θ與角Φ的函數(shù)。具有方向性的三維體散射函數(shù)也為角Θ與角Φ的函數(shù)β ( θ，Φ)，此外，體散射函數(shù)還是顆粒距探測點的距離r的函數(shù)，考慮本實用新型中實際各探測點到顆粒探測距離相同且保持不變，故可忽略r的影響。按上述步驟，由計算機對得到的散射圖案進(jìn)行處理，可得樣品顆粒的三維散射分布圖案，該圖案上單個點對應(yīng)CCD —個像素，該像素接收到的是拋物球面上某個面元dS上的散射光，假設(shè)該面兀上光強均勻分布，面兀中心位于(Θ ave，Φ3ν6)處，散射光光強為
β (η Φ，則CCD單個像素采集光強為
權(quán)利要求1.一種三維體散射函數(shù)測量系統(tǒng)，包括拋物球面反射鏡(4)，樣品池(5)，望遠(yuǎn)透鏡組(6，8)，光電探測器(10)和計算處理單元(11)，所述樣品池(5)設(shè)置于拋物球面反射鏡(4)的鏡腔內(nèi)，其中心部分位于拋物球面反射鏡(4)鏡腔的拋物球面焦點處，入射光經(jīng)整形和功率調(diào)整后會聚于拋物球面反射鏡(4)的鏡腔焦點位置，經(jīng)樣品池(5)內(nèi)進(jìn)行顆粒散射后入射到(4)的拋物球面，變換為平行散射光，再通過所述望遠(yuǎn)透鏡組(6，8)調(diào)整束寬后，由光電探測器(10)接收，并將接收的散射光光強信息轉(zhuǎn)換為電信號傳遞至計算處理單元(11)進(jìn)行處理后，即可測量得到顆粒的三維體散射函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三維體散射函數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括會聚透鏡(2)和非線性衰減片(3)，所述入射光經(jīng)該會聚透鏡(2)和非線性衰減片(3)實現(xiàn)整形和功率調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的三維體散射函數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述望遠(yuǎn)透鏡組(6，8)之間還設(shè)置有光闌(7)，用于濾除非平行入射光。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的三維體散射函數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，在所述望遠(yuǎn)透鏡組(6，8)和光電探測器(10)之間還設(shè)置有窄帶濾光片(9)，用于濾除寬光譜范圍里的雜光。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的三維體散射函數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述拋物球面反射鏡(4)側(cè)端壁上開有貫通鏡腔的通孔，該通孔中心軸與球面焦點共線，入射光通過該通孔入射到拋物球面反射鏡(4)的拋物球面焦點處。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的三維體散射函數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括激光器(I )，所述入射光由該激光器(I)發(fā)出。
專利摘要本實用新型公開了一種水中顆粒的三維體散射函數(shù)測量系統(tǒng)，包括拋物球面反射鏡，樣品池，望遠(yuǎn)透鏡組，光電探測器和計算處理單元，樣品池設(shè)置于拋物球面反射鏡的鏡腔內(nèi)，其中心部分位于拋物球面反射鏡鏡腔的拋物球面焦點處，入射光會聚于鏡腔焦點位置，經(jīng)樣品池內(nèi)進(jìn)行顆粒散射后入射到的拋物球面，變換為平行散射光，再通過望遠(yuǎn)透鏡組后由光電探測器接收，并傳遞至計算處理單元進(jìn)行處理后，即可測量得到顆粒的三維體散射函數(shù)。本實用新型還公開了利用上述系統(tǒng)進(jìn)行測量的方法。本實用新型避免了使用多個探測器探測不同角度體散射函數(shù)時存在的探測偏差問題，獲取的圖像唯一性好，可對比度高，工作過程中可完全固定，測量穩(wěn)定性好，測速快。
文檔編號G01N21/49GK202486052SQ201120526480
公開日2012年10月10日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者夏珉, 李微, 楊克成, 韓晨 申請人:華中科技大學(xué)