專利名稱：動態散斑法測量渾濁介質微粒運動的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量渾濁介質微粒運動的裝置，具體的說是涉及一種用動態散斑法測量渾濁介質微粒運動的裝置。
背景技術：
渾濁介質指能同時產生散射和吸收且主要由散射造成的折射率非均勻性介質；多數生物組織(汁液)中含有大量散射微粒，均為典型的渾濁介質。因此，研究渾濁介質微粒的運動特性對醫學、生物學及生命科學等領域具有重要的學術價值和科學意義，是現代科學研究的前沿熱點。散斑是指相干光被粗糙表面或不均勻介質散射后形成的明暗相間的隨機光強分布，當被照射介質隨時間動態變化時，形成的散斑場也隨之變化，稱為動態散斑。動態散斑攜帶了被測樣品的信息，可因散斑解析被測樣品的內部信息。在渾濁介質微粒運動特性的研究中，動態散斑方法是一種有力的表征手段。經文獻檢索，美國專利“渾濁介質中半透明物體的二維成像”(授權號為 US5644429A，授權日為1997. 07. 01)，提供了一種利用4F傅里葉光學成像系統實現對渾濁介質溶液中半透明物體的成像方法，該方法能實現半透明物體的成像，缺點是不能對渾濁溶液中大量微粒的運動過程進行檢測；美國專利“清澈和渾濁介質中微粒表征方法及裝置”(授權號為US75^384B2，授權日為2009. 05. 05)，能實現熒光微粒的尺寸、形狀及濃度等的檢測，但測量精度較低、不能實現實時測量，限制了其應用范圍；專利“渾濁介質微粒尺寸、濃度變化的動態散斑測量方法”(公開號為CN101788448A，
公開日為2010. 07.觀)，該方法能夠通過對渾濁介質中微粒尺寸及濃度的變化可分析微粒的運動特性，其不足之處是沒有考慮激光束光強分布的非均勻性，致使測量結果的精度較低。分析可知，在對渾濁介質微粒運動特性的測量中，已有技術存在的主要問題是沒有考慮高斯激光束光強非均勻性的影響，沒有實現對渾濁介質微粒運動狀態的動態、實時、 準確檢測。
發明內容本實用新型要解決的技術問題提供一種動態散斑法測量渾濁介質微粒運動的裝置，能消除光強非均勻性的影響，具有動態、實時、準確的特點。本實用新型提出的動態散斑法測量渾濁介質微粒運動的裝置，包括一連續波激光器，在該連續波激光器的光束前進方向依次設有激光光束整形器、縮束鏡、光闌、起偏器、樣品池；激光束經樣品池中渾濁介質微粒散射后，在前向散射光場中以特定角度偏離主光軸的方向依次設有會聚鏡、檢偏器、CCD相機；在后向散射光場中以特定角度偏離主光軸的方向依次設有會聚鏡、檢偏器、CCD相機；所述的前向散射光場中CCD相機與后向散射光場中 CCD相機的輸出端與同一臺計算機的輸入端相連；所述的連續波激光器發出的激光束經過激光光束整形器后變為均勻光束，然后經過縮束鏡將光斑平行縮束，再通過光闌和起偏器后變為強度較高的均勻線偏振光束，照射在樣品池上；所述的前向散射光路中會聚鏡與樣品池和CCD相機的距離均為該會聚鏡焦距的二倍；所述的后向散射光路中會聚鏡與樣品池和CCD相機的距離均為該會聚鏡焦距的二倍。本實用新型的工作過程為(1)用前向散射光路中CXD相機連續記錄下渾濁介質微粒運動過程中產生的前向散射散斑場存入計算機；同時，用后向散射光路中CXD相機連續記錄下渾濁介質微粒運動過程中產生的后向散射散斑場存入計算機；(2)根據微粒光散射理論分析，當渾濁介質中微粒線度小于入射光波長時，前向散射占主導地位，此時以前向散射光路CCD相機采集的數據為主進行分析，后向散射光路CCD 相機采集的數據起信息補充功能；根據瑞利散射理論，以散斑圖對比度作為特征值對微粒
的凝聚、絮結等運動特性進行表征；散斑圖對比度值公式為少二 V〈/2〉一〈/〉2/〈/〉’其中，V
表示對比度值，I表示散斑圖的光強分布，〈…〉表示空間平均；(3)當微粒線度大于入射光波長時，后向散射占主導地位，此時應以后向散射光路 CCD相機采集的數據為主，前向散射光路CCD相機采集的數據則起信息補充功能；此時散射規律由Mie散射理論描述，以散斑尺寸大小及信息小波熵作為特征值對微粒的移動、絮結、 凝聚及平均自由程等運動特性進行表征；散斑尺寸由規范化自協方差函數C1(Xjy)=爐^…打！“，又)]!2]-。“，。〉2}/!。“，。2〉-。“，。〉2]計算得出； 其中，I(x, y)為在坐標點(χ，y)處的光強，I··· I表示取絕對值，〈…〉表示空間平均，FT， Fr1分別表示傅里葉變換與傅里葉反變換；當y = O時，通過C1(^O) = 0. 5計算在χ方向散斑大小的變化；(4)通過旋轉檢偏器偏振角來探測微粒不同偏振方向的散斑場，利用散斑圖像的偏振度信息來獲取微粒的旋轉取向特性。與以往技術相比，本實用新型的優點消除了高斯激光束光強非均勻性對測量精度的影響，實現了對渾濁介質微粒運動狀態的動態、實時、準確測量。
附圖為本實用新型的結構圖示。其中，110-連續波激光器，120-激光光束整形器， 130-縮束鏡，140-光闌，151-起偏器，160-樣品池，171-會聚鏡，152-檢偏器，181-CCD相機，190-計算機，172-會聚鏡，153-檢偏器，182-CCD相機。
具體實施方式
下面結合實施例對本實用新型作進一步說明。由附圖可見，本實用新型動態散斑法測量渾濁介質微粒運動的裝置，包括一連續波激光器110，在該連續波激光器110的光束前進方向依次設有激光光束整形器120、縮束鏡130、光闌140、起偏器151、樣品池160 ；激光束經樣品池160中渾濁介質微粒散射后， 在前向散射光場中以特定角度偏離主光軸的方向依次設有會聚鏡171、檢偏器152、CCD相機181 ；在后向散射光場中以特定角度偏離主光軸的方向依次設有會聚鏡172、檢偏器153、CXD相機182 ；所述的前向散射光場中CXD相機181與后向散射光場中CXD相機182的輸出端與同一臺計算機190的輸入端相連；CXD相機181用于記錄前向散射散斑場，CXD相機 182用于記錄后向散射散斑場，計算機190用于數據處理；所述的連續波激光器110發出的激光束經過激光光束整形器120后變為均勻光束，然后經過縮束鏡130將光斑平行縮束，再通過光闌140和起偏器151后變為強度較高的均勻線偏振光束，照射在樣品池160上；縮束鏡130用于增強照射在樣品池160中渾濁介質被測區域的光強，提高散斑圖的對比度和清晰度；光闌140用于消除縮束鏡130導致的光束邊緣的非均勻性的影響，以保證光束的均勻性；所述的前向散射光路中會聚鏡171與樣品池160和CXD相機181的距離均為會聚鏡171焦距的二倍；所述的后向散射光路中會聚鏡172與樣品池160和CXD相機182的距離均為會聚鏡172焦距的二倍。將上述裝置用于測量渾濁介質微粒的運動，具體工作過程為(1)建立動態散斑法測量渾濁介質微粒運動的裝置；(2)用前向散射光路中CXD相機181連續記錄下渾濁介質微粒運動過程中產生的前向散射散斑場存入計算機190 ；同時，用后向散射光路中C⑶相機182連續記錄下渾濁介質微粒運動過程中產生的后向散射散斑場存入計算機190 ；(3)根據微粒光散射理論分析，當渾濁介質中微粒線度小于入射光波長時，前向散射占主導地位，此時以前向散射光路CCD相機181采集的數據為主進行分析，后向散射光路 CCD相機182采集的數據起信息補充功能；根據瑞利散射理論，以散斑圖對比度作為特征值
對微粒的凝聚、絮結等運動特性進行表征；散斑圖對比度值公式為P2)-{I)2/{I)淇
中，V表示對比度值，I表示散斑圖的光強分布，〈…〉表示空間平均；(4)當微粒線度大于入射光波長時，后向散射占主導地位，此時應以后向散射光路 CCD相機182采集的數據為主，前向散射光路CCD相機181采集的數據則起信息補充功能； 此時散射規律由Mie散射理論描述，以散斑尺寸大小及信息小波熵作為特征值對微粒的移動、絮結、凝聚及平均自由程等運動特性進行表征；散斑尺寸由規范化自協方差函數C1(Xjy) = {FTHFTElO^yUn-aO^yDl/KlO^yryaO^y)〉2]計算得出， 其中，I(x, y)為在坐標點(χ，y)處的光強，I··· I表示取絕對值，〈…〉表示空間平均，FT， Fr1分別表示傅里葉變換與傅里葉反變換；當y = O時，通過C1(^O) = 0. 5計算在χ方向散斑大小的變化；(5)當渾濁介質中微粒線度小于入射光波長時，通過旋轉前向散射光路中的檢偏器152的偏振角來探測微粒不同偏振方向的前向散射散斑場，利用散斑圖像的偏振度信息來獲取微粒的旋轉取向特性；當微粒線度大于入射光波長時，通過旋轉后向散射光路中的檢偏器153的偏振角來探測微粒不同偏振方向的后散射散斑場，利用散斑圖像的偏振度信息來獲取微粒的旋轉取向特性。經實驗表明本實用新型消除了高斯激光束光強非均勻性對測量精度的影響，實現了對渾濁介質微粒運動狀態的動態、實時、準確檢測。
權利要求1. 一種用動態散斑法測量渾濁介質微粒運動的裝置，其特征在于包括一連續波激光器，在該連續波激光器的光束前進方向依次設有激光光束整形器、縮束鏡、光闌、起偏器、樣品池；激光束經樣品池中渾濁介質微粒散射后，在前向散射光場中以特定角度偏離主光軸的方向依次設有會聚鏡、檢偏器、CCD相機；在后向散射光場中以特定角度偏離主光軸的方向依次設有會聚鏡、檢偏器、CCD相機；所述的前向散射光場中CCD相機與后向散射光場中 CCD相機的輸出端與同一臺計算機的輸入端相連；所述的連續波激光器發出的激光束經過激光光束整形器后變為均勻光束，然后經過縮束鏡將光斑平行縮束，再通過光闌和起偏器后變為強度較高的均勻線偏振光束，照射在樣品池上；所述的前向散射光路中會聚鏡與樣品池和CCD相機的距離均為該會聚鏡焦距的二倍；所述的后向散射光路中會聚鏡與樣品池和CCD相機的距離均為該會聚鏡焦距的二倍。
專利摘要一種利用動態散斑法測量渾濁介質微粒運動的裝置。裝置構成主要包括激光束整形縮束部分、前向散射散斑場測量部分、后向散射散斑場測量部分和計算機控制及處理系統，工作過程為利用該裝置將渾濁介質微粒運動產生的前向散射散斑場和后向散射散斑場記錄下來并存儲于計算機中，根據微粒光散射理論，選擇前向散斑場或后向散斑場數據，利用散斑圖特征值解析出微粒的運動特性。該方法具有實時、動態、準確的特點，可廣泛應用于醫學、生物學及生命科學等領域。
文檔編號G01N15/00GK202024946SQ20112004725
公開日2011年11月2日 申請日期2011年2月21日 優先權日2011年2月21日
發明者臺玉萍, 李新忠, 李立本, 杜凱, 楊傳徑, 聶兆剛 申請人:河南科技大學, 聶兆剛