CN118190729A - 基于显微***的激光粒度仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粒度测量技术领域，公开了一种基于显微***的激光粒度仪，本发明将激光粒度仪和图像仪集成在一起，激光粒度仪由激光光源、空间滤波器、第一透镜、显微物镜、微流控芯片、分束棱镜、成像物镜、第一探测器构成，图像仪由白光光源、微流控芯片、显微物镜、分束棱镜、成像物镜、第一探测器构成；待测量的样品存放于微流控芯片中，微流控芯片能够控制样品的进样，再配合本发明的光学***，通过两种测量仪进行测量，在需要少量药品的同时能够测量多种类的参数，操作简便并提高测量的精确度。

Description

基于显微***的激光粒度仪

技术领域

本发明涉及粒度测量技术领域，特别涉及一种基于显微***的激光粒度仪。

背景技术

目前在某些应用领域，例如医疗行业等，存在测量贵重微量样品的需求，通常采用激光粒度仪或图像仪进行测量。如果单独采用激光粒度仪进行测量，所需要的样品量较大，才能获取足够的信噪比进行测量，导致测试成本较高。如果单独采用图像仪进行测量，则成像分辨率不足且观察视场小，测量时间较长，增加药品研发时间成本。并且单机测量数据种类少，完成测量需要辗转于多台机器，操作繁琐。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于显微***的激光粒度仪，将激光粒度仪与图像仪集成一体，并在需要少量药品的同时能够测量多种类的参数，提高测量的精确度。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

根据本发明实施例的基于显微***的激光粒度仪，包括激光光源、空间滤波器、第一透镜、显微物镜、微流控芯片、分束棱镜、成像物镜、第一探测器、白光光源；所述激光光源用于发射激光；所述空间滤波器用于过滤所述激光的杂散光；所述第一透镜用于会聚过滤后的所述激光；会聚过滤后的所述激光的聚焦光斑与所述显微物镜的后焦面重合，以使所述激光通过所述显微物镜后以平行光出射；所述微流控芯片用于样品的进样，所述平行光与所述微流控芯片里面的所述样品相互作用后，产生后向散射光和前向散射光；所述后向散射光经过所述显微物镜后，到达所述分束棱镜；所述分束棱镜将所述后向散射光反射给所述成像物镜；所述后向散射光经过所述成像物镜后，在所述第一探测器成像；所述白光光源用于朝所述微流控芯片发出白光，所述白光与所述样品作用后，产生折射光，所述折射光依次经过所述显微物镜、所述分束棱镜、所述成像物镜后到达所述第一探测器，在所述第一探测器成像；其中，所述激光光源、所述空间滤波器、所述第一透镜、所述显微物镜、所述微流控芯片、所述分束棱镜、所述成像物镜、所述第一探测器构成激光粒度仪；所述白光光源、所述微流控芯片、所述显微物镜、所述分束棱镜、所述成像物镜、所述第一探测器构成图像仪。

根据本发明的一些实施例，所述平行光与所述微流控芯片里面的所述样品相互作用后，还产生透射光。

根据本发明的一些实施例，所述激光粒度仪还包括零环光探测器，所述激光的透射光成像于所述零环光探测器，利用消光法，确定样品浓度。

根据本发明的一些实施例，所述激光粒度仪还包括第二透镜和第二探测器，所述前向散射光经过所述第二透镜后成像于所述第二探测器。

根据本发明的一些实施例，所述空间滤波器包括第三透镜与光阑，所述第三透镜设置在所述激光光源与所述第一透镜之间，所述光阑设置在所述第一透镜与所述第三透镜之间。

根据本发明的一些实施例，所述第一探测器活动设置在所述成像物镜远离所述分束棱镜的一侧。

根据本发明的一些实施例，所述显微物镜采用预设孔径的油浸物镜。

根据本发明的一些实施例，所述第一探测器位置与所述显微物镜的后焦面共轭，所述第一探测器的探测范围的横向位置与所述显微物镜的后焦面的中心重合。此时为显微***激光粒度仪。

根据本发明的一些实施例，所述第一探测器位置与所述微流控芯片的样品共轭，此时为图像仪。

根据本发明的一些实施例，所述第一透镜与所述分束棱镜之间设置有反射镜，所述反射镜用于将所述第一透镜会聚后的所述激光反射至所述显微物镜，并使所述激光的聚焦光斑与所述显微物镜的后焦面重合。

根据本发明的一些实施例，所述反射镜采用振镜***或电动可偏转反射镜，通过全反射公式确认所述样品的分散介质的折射率，所述全反射公式为n₁＝n₂sinθ_c，其中，n₁是所述样品的分散介质的折射率，n₂是所述显微物镜镜油的折射率，θ_c是第一探测器接收到的镜面反射光，并通过位置关系反推得到的入射角度。

本发明的一种基于显微***的激光粒度仪，至少具有如下有益效果：通过微流控芯片控制样品的进样，能够在测量时减少所需要的样品的量，进而降低测量成本；通过将激光粒度仪和图像仪集成在一起，测量过程能够测量多种类的数据，减少需要更换不同仪器的繁琐操作，降低了测量的时间成本，并能够提升测量精确度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的基于显微***的激光粒度仪的结构示意图；

图2是平行光作用于微流控芯片中样品后的散射光的光路径的示意图；

图3是无限共轭远光学***的示意图；

图4是出射光在第一探测器的探测范围中成像点与第一探测器的探测范围的中心点的距离关系示意图。

附图标记：激光光源1、第三透镜2、光阑3、第一透镜4、反射镜5、分束棱镜6、显微物镜7、微流控芯片8、成像物镜9、第一探测器10、零环光探测器11、第二透镜12、第二探测器13、白光光源14。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二、第三只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

在本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确认上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1，根据本发明实施例的基于显微***的激光粒度仪，包括激光光源1、空间滤波器、第一透镜4、显微物镜7、微流控芯片8、分束棱镜6、成像物镜9、第一探测器10、白光光源14；激光光源1用于发射激光；空间滤波器用于过滤激光的杂散光，将激光光源1发射的激光的光斑进行匀化处理，减少激光中包含的杂散光对于后续检测结果的干扰；空间滤波器由第三透镜2与光阑3组成；激光在经过空间滤波器后激光光束会扩束，第一透镜4用于会聚过滤后且扩束的激光；会聚过滤后的激光经过分束棱镜6后的聚焦光斑与显微物镜7的后焦面重合，显微物镜7的后焦面在分束棱镜6与显微物镜7之间，以使激光通过显微物镜7后以平行光或近似平行光出射；显微物镜7的后焦面位于远离微流控芯片，且位于显微物镜7与分束棱镜6之间；微流控芯片8用于样品的进样，平行光与微流控芯片8的样品相互作用后，产生后向散射光，后向散射光经过显微物镜7后，到达分束棱镜6，分束棱镜6将后向散射光反射到成像物镜9，后向散射光经过成像物镜9后，在第一探测器10成像；白光光源14用于朝微流控芯片8发出白光，白光与样品作用后，产生折射光，折射光依次经过显微物镜7、分束棱镜6、成像物镜9后到达第一探测器10，在第一探测器10成像；其中，激光光源1、空间滤波器、第一透镜4、显微物镜7、微流控芯片8、分束棱镜6、成像物镜9、第一探测器10构成激光粒度仪；白光光源14、微流控芯片8、显微物镜7、分束棱镜6、成像物镜9、第一探测器10构成图像仪。

进一步的，第一透镜4采用但不限于长焦透镜，激光光源1的种类可以根据实际需要做出调整，激光光源1的激光波段可根据实际需要进行挑选或调整，以满足测量的光源需求。

进一步的，微流控芯片8包括有微通道、微泵、微阀，微通道用于样品的流通，微泵用于驱动样品在微通道内流通，微泵、微阀用于控制样品的流通速度；样品在微流控芯片8中不易发生沉降；平行光与样品作用的区域范围在百微米级别及以下，平行光与样品进行作用后的出射光的强度提升，第一探测器10、第二探测器13、零环光探测器11能够接收的成像信号强度增加，进而增强测量的精确度。

参照图2，根据本发明的一些实施例，平行光与微流控芯片8的样品相互作用后，还产生透射光与前向散射光，透射光沿着平行于平行光的光路前进的方向由微流控芯片8出射；前向散射光由微流控芯片8出射，前向散射光以远离显微物镜7的方向。

参照图2，根据本发明的一些实施例，激光粒度仪还包括零环光探测器11，同向散射光成像于零环光探测器11，零环光探测器11用于测量微流控芯片8中的样品的遮光率，通过获取的遮光率数据可以进一步推断出样品的浓度大小。

参照图2，根据本发明的一些实施例，激光粒度仪还包括第二透镜12和第二探测器13，第二透镜12位于微流控芯片8远离显微物镜7的一侧，第二探测器13位于第二透镜12远离微流控芯片8的一侧且位于第二透镜12的后焦面时，前向散射光经过第二透镜12后由第二探测器13接收；样品流速快或包含有大颗粒，使用第二探测器13能够进行大颗粒测量；第二探测器13采用CCD或CMOS中的任意一种，第二透镜12的焦距与尺寸以及第二探测器13的种类，可以根据实际需要做出选择或调整，以满足需要的成像与测量的需求。当微流控芯片8与第二探测器13互为成像共轭时，微流控芯片8、第二透镜12与第二探测器13也可以构成暗场显微成像，用于成像样品折射率相对分散介质较小的样品，增加图像对比度，提高测量的精确度。

参照图1，根据本发明的一些实施例，第三透镜2设置在激光光源1与第一透镜4之间，光阑3活动设置在第一透镜4与第三透镜2之间，通过调整光阑3在第一透镜4与第三透镜2之间的相对位置，第三透镜2与光阑3构成空间滤波器，可以过滤激光的杂散光并匀化激光光斑，提高测量的精确度。

参照图1，根据本发明的一些实施例，第一探测器10活动设置在成像物镜9远离分束棱镜6的一侧，通过调整第一探测器10相对于成像物镜9的位置，使得第一探测器10与微流控芯片8成像共轭。这样后向散射光在第一探测器10上能够成像，在实际应用中，第一探测器10可以采用CCD或CMOS中的任意一种，成像物镜9的焦距与尺寸以及第一探测器10的种类、第一探测器10相对于成像物镜9的位置，可以根据实际需要做出选择或调整，以满足需要的成像与测量的需求，并能够增强整个光学***的可调节能力。

参照图1和图2，根据本发明的一些实施例，显微物镜7采用大数值孔径的油浸物镜，以减少在样品处存在的界面反光对测量结果造成干扰，同时增加后向散射光的探测角度范围；可以想到的是，根据实际需要，显微物镜7也可以采用功能上与油浸物镜相类似的其他物镜或光学镜组进行替换，以满足需要的成像与测量的需求。

根据本发明的一些实施例，参照图2，由于激光的透射光强一般都比较强，特意设置零环探测器用于接收透射光，并可以利用消光法探测样品的浓度，作为给样的参考。

根据本发明的一些实施例，第一探测器10位于成像物镜9的像面的位置，第一探测器10与显微物镜7的后焦面共轭，第一探测器10的探测范围的中心位于显微物镜7的后焦面的中心，以使得后向散射光能够准确被第一探测器10接收，以满足需要的成像与测量的需求。

进一步的，参照图3和图4，显微物镜7是无限远共轭光学***，散射光的出射角度θ^′与物高h和显微物镜7的等效焦距f之间满足关系为h＝fsinθ^′，等效焦距f可以通过必要的光学手段检测得知，同时，物高h又满足关系为其中，L是显微物镜7的后焦面与成像物镜9的中心的距离，L^′是第一探测器10与成像物镜9的中心的距离，h^′是散射光斑在第一探测器的探测范围中成像点与第一探测器的探测范围的中心点的距离，通过联立上述的两个式子能够得到出射角度θ^′，散射角度为Θ＝π-(θ^′+θ).基于散射角度为Θ与激光粒度仪的基本原理以及反演算法得到样品的粒径分布，以实现高精确度的粒径测量。

根据本发明的一些实施例，第一透镜4与分束棱镜6之间设置有反射镜5，反射镜5用于将第一透镜4会聚后的激光反射至显微物镜7，并使激光的聚焦光斑与显微物镜7的后焦面重合，以实现对激光光路进行调整。对于反射镜5进行调整的方式，可以是手动、振镜控制、其他电动反射镜***中的任意一种，可以根据实际需要作出选择或调整，以满足需要的成像与测量的需求。

参照图3和图4，根据本发明的一些实施例，控制反射镜5移动光斑位置进而改变入射角θ，镜面反射光与入射光关于显微物镜7的中心光轴对称，通过出射的镜面反射光点位置反推入射角θ。当缓慢改变入射角θ，使得入射角θ达到全内反射角θ_c时，出射光斑的强度突变，记录此时的位置h′，并结合H＝fsinθ_c、n₁＝n₂sinθ_c反推样品的分散介质的折射率，其中，n₁是样品的分散介质的折射率，n₂是显微物镜7的镜油的折射率，L是显微物镜7的后焦面与成像物镜9的中心的距离，L^′是第一探测器10与成像物镜9的中心的距离，f是显微物镜7的等效焦距。

本发明的一种基于显微***的激光粒度仪，至少具有如下有益效果：通过微流控芯片8控制样品的进样，样品在微流控芯片8中循环流动进样，不易发生样品的沉降，测量过程所需要的样品量少，进而降低测量成本；通过将激光粒度仪和图像仪集成在一起，测量过程能够测量多种类的数据，减少需要更换不同仪器的繁琐操作，操作简便且降低了测量的时间成本，并能够提升测量精确度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理与宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于显微***的激光粒度仪，其特征在于，包括：

激光光源，用于发射激光；

空间滤波器，用于过滤所述激光的杂散光；

第一透镜，用于会聚过滤后的所述激光；

显微物镜，会聚过滤后的所述激光的聚焦光斑与所述显微物镜的后焦面重合，以使所述激光通过所述显微物镜后以平行光出射；

微流控芯片，用于样品的进样，所述平行光与所述微流控芯片里面的所述样品相互作用后，产生后向散射光和前向散射光；

分束棱镜，所述后向散射光经过所述显微物镜后，到达所述分束棱镜；

成像物镜，所述分束棱镜将所述后向散射光反射给所述成像物镜；

第一探测器，所述后向散射光经过所述成像物镜后，由所述第一探测器接收；

白光光源，用于朝所述微流控芯片发出白光，所述白光与所述样品作用后，产生折射光，所述折射光依次经过所述显微物镜、所述分束棱镜、所述成像物镜后到达所述第一探测器，在所述第一探测器成像；

其中，所述激光光源、所述空间滤波器、所述第一透镜、所述显微物镜、所述微流控芯片、所述分束棱镜、所述成像物镜、所述第一探测器构成激光粒度仪；所述白光光源、所述微流控芯片、所述显微物镜、所述分束棱镜、所述成像物镜、所述第一探测器构成图像仪。

2.根据权利要求1所述的基于显微***的激光粒度仪，其特征在于，所述平行光与所述微流控芯片的所述样品相互作用后，还产生透射光。

3.根据权利要求2所述的基于显微***的激光粒度仪，其特征在于，所述激光粒度仪还包括零环光探测器，所述透射光由所述零环光探测器接收。

4.根据权利要求1所述的基于显微***的激光粒度仪，其特征在于，所述激光粒度仪还包括第二透镜和第二探测器，所述前向散射光经过所述第二透镜后由所述第二探测器接收。

5.根据权利要求1所述的基于显微***的激光粒度仪，其特征在于，所述空间滤波器包括第三透镜与光阑，所述第三透镜设置在所述激光光源与所述第一透镜之间，所述光阑设置在所述第一透镜与所述第三透镜之间。

6.根据权利要求1所述的基于显微***的激光粒度仪，其特征在于，所述第一探测器活动设置在所述成像物镜远离所述分束棱镜的一侧。

7.根据权利要求1所述的基于显微***的激光粒度仪，其特征在于，所述显微物镜采用预设孔径的油浸物镜。

8.根据权利要求1所述的基于显微***的激光粒度仪，其特征在于，所述第一探测器位于所述成像物镜的像面的位置，所述第一探测器与所述显微物镜的后焦面共轭，所述第一探测器的探测范围的横向位置与所述显微物镜的后焦面的中心重合。

9.根据权利要求1所述的基于显微***的激光粒度仪，其特征在于，所述第一透镜与所述分束棱镜之间设置有反射镜，所述反射镜用于将所述第一透镜会聚后的所述激光反射至所述显微物镜，并使所述激光的聚焦光斑与所述显微物镜的后焦面重合。

10.根据权利要求1或9所述的基于显微***的激光粒度仪，其特征在于，所述反射镜采用振镜***或电动可偏转反射镜，通过全反射公式确认所述样品的分散介质的折射率，所述全反射公式为n₁＝n₂sinθ_c，其中，n₁是所述样品的分散介质的折射率，n₂是所述显微物镜镜油的折射率，θ_c是第一探测器接收到的镜面反射光，并通过位置关系反推得到的入射角度。