CN215414896U - 一种气溶胶粒子探测光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种气溶胶粒子探测光学系统，包括激光光源，用于发射激光束；散射光探测单元，用于检测散射光信号，以及根据散射光信号得到两路散射光偏振散射信号并输出传送至信号处理单元；荧光探测单元，用于检测荧光信号，以及根据该荧光信号得到两路荧光信号并输出至信号处理单元；信号处理单元，同步接收信号，根据粒子的两路荧光信号和两路偏振散射信号判定粒子性质。本实用新型设计了一种气溶胶粒子探测光学系统，为单粒子多参数同步探测的光学系统，可以同时探测单个气溶胶粒子的二个方向的偏振散射光和二个不同波长的荧光，通过粒子的偏振散射信号和两个波长的荧光信号进行生物粒子的在线检测，可以明显提升对生物粒子识别的准确率。
Description
技术领域
本实用新型属于生物气溶胶监测技术领域，特别涉及一种气溶胶粒子探测光学系统。
背景技术
气溶胶是指由固体或液态微粒分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，微粒中含有微生物或生物大分子等生物物质的气溶胶称为生物气溶胶。生物气溶胶主要包括细菌、病毒、真菌、孢子等，能或多或少影响人体健康。生物气溶胶颗粒易通过呼吸传播，引发感染、急性毒性反应、过敏以及炎症反应等。由于生物气溶胶的流动性很大，若空气中存在致病微生物，则极易造成严重的传染性疾病，如流感、SARS、COVID-19等，从而引发重大的公共卫生问题。因此，实现对生物气溶胶的实时快速监测对环境的卫生学监督与保护具有重要意义。
目前对生物气溶胶在线监测主要基于激光诱导荧光技术原理，一方面通过单粒子散射光判定粒子大小，另一方面通过粒子内生物性物质荧光识别粒子的生物性。2009年公开的实用新型专利“气溶胶粒子激光分析仪”专利公开号：CN101398367A，公开了一种气溶胶监测方法，内置2个激光源，散射光发射光源采用连续红外光源，荧光发射光源采用紫外脉冲光源，是最早的技术方案。2011年公开的“单光源生物气溶胶粒子检测装置”(公开号：102297824A)，提出了单光源的方案，结构集成度和可靠性得到了提升。但由于自然源性气溶胶的过于复杂，单纯利用散射光和单通道生物荧光，准备识别生物气溶胶的准确度仍不理想。
实用新型内容
本实用新型提出了一种气溶胶粒子探测光学系统，包括：
激光光源，所述激光光源用于发射激光束，所述激光束与气流中气溶胶粒子作用产生散射光和荧光；
散射光探测单元，所述散射光探测单元用于检测散射光信号，以及根据散射光信号得到两路散射光偏振散射信号并输出传送至信号处理单元；
所述散射光探测单元包括第一聚光透镜、第二聚光透镜、第一偏振镜、第二偏振镜、第一光电探测器和第二光电探测器；
所述第一聚光透镜、第二聚光透镜与激光束对称倾斜放置；
所述第一光电探测器位于第一聚光透镜的聚焦焦点上；
所述第二光电探测器位于第二聚光透镜的聚焦焦点上；
所述第一偏振镜设置在第一聚光透镜与第一光电探测器之间；
所述第二偏振镜设置在第二聚光透镜与第二光电探测器之间；
荧光探测单元，所述荧光探测单元用于检测荧光信号，以及根据该荧光信号得到两路荧光信号并输出至信号处理单元；
荧光探测单元包括反射镜、第三聚光透镜、分光片、第一荧光滤光片、第二荧光滤光片、第四聚光透镜、第五聚光透镜、第三光电探测器和第四光电探测器；
所述反射镜为球面反射镜，球心位于激光束与气流交汇处；反射镜主轴方向与激光束垂直；
所述第三聚光透镜光轴与反射镜光轴重合；当激光束与气流中气溶胶粒子作用产生荧光后，所述第三聚光透镜能够接收气溶胶粒子产生的荧光和反射镜反射的荧光，并折射为平行荧光光束；
所述分光片为二向色分光片，位于第三聚光透镜的折射光路上，用于对经过的荧光光束按波长进行透射/反射；
所述第二荧光滤光片、第四聚光透镜位于所述分光片的透射光路上；
所述第一荧光滤光片、第五聚光透镜位于所述分光片的反射光路上；
所述第四光电探测器位于第五聚光透镜的聚焦焦点上；
所述第三光电探测器位于第四聚光透镜的聚焦焦点上；
所述第三光电探测器和第四光电探测器分别输出荧光信号至信号处理单元；
信号处理单元，所述信号处理单元同步接收第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器的信号，根据粒子的两路荧光信号和两路偏振散射信号判定粒子性质。
进一步地，所述激光光源为连续型激光源，发射光为线偏振光，波长小于410nm；激光束传播方向与气流方向垂直相交；
激光束与气流相交处，激光束截面为一字线形，激光束厚度小于50μm，激光束宽度为气流直径1.2-1.4倍。
进一步地，所述激光束厚度小于30μm。
进一步地，所述第一聚光透镜、第二聚光透镜的轴线与激光束夹角为15°-30°；所探测散射光为前向散射光。
进一步地，所述第一偏振镜的偏振方向与激光束的偏振方向平行，第二偏振镜的偏振方向与激光束的偏振方向垂直；或
所述第一偏振镜的偏振方向与激光束的偏振方向垂直，第二偏振镜的偏振方向与激光束的偏振方向平行。
进一步地，所述第三聚光透镜的前焦点与反射镜球心重合。
进一步地，所述分光片中心波长490-510nm；
所述分光片与荧光光束夹角为45度。
进一步地，荧光光束中波长大于510nm的光由分光片透射，再经过第二荧光滤光片和第四聚光透镜汇聚到第三光电探测器；荧光中波长小于510nm的光由分光片反射，再经过荧光滤光片第一荧光滤光片和第五聚光透镜汇聚到第四光电探测器中；
所述第二荧光滤光片滤除波长小于510nm的光；
所述第一荧光滤光片滤除波长小于450nm或大于510nm的光。
进一步地，荧光光束中波长小于510nm的光由分光片透射，再经过第二荧光滤光片和第四聚光透镜汇聚到第三光电探测器；荧光中波长大于510nm的光由分光片反射，再经过荧光滤光片第一荧光滤光片和第五聚光透镜汇聚到第四光电探测器中；
所述第二荧光滤光片滤除波长小于450nm或大于510nm的光；
所述第一荧光滤光片滤除波长小于510nm的光。
进一步地，所述气溶胶粒子探测光学系统还包括光陷阱；
所述光陷阱为单方向开口的空腔结构，腔体内径大于开口直径，腔体内部均匀喷涂黑色光吸收材料。
本实用新型所设计的一种气溶胶粒子探测光学系统，本实用新型设计了一种单粒子多参数同步探测的光学系统，可以同时探测单个气溶胶粒子的二个方向的偏振散射光和二个不同波长的荧光，通过粒子的偏振散射信号和两个波长的荧光信号进行生物粒子的在线检测，可以明显提升对生物粒子识别的准确率。
附图说明
图1示出了本实用新型实施例的一种气溶胶粒子探测光学系统示意图。
图中：1、激光光源；21、第一聚光透镜；22、第二聚光透镜；23、第一偏振镜；24、第二偏振镜；25、第一光电探测器；26、第二光电探测器；31、反射镜；32、第三聚光透镜；33、分光片；34、第一荧光滤光片；35、第二荧光滤光片；36、第四聚光透镜；37、第五聚光透镜；38、第三光电探测器；39、第四光电探测器；4、光陷阱；5、气溶胶粒子。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本实用新型中，被测气溶胶粒子由气流驱动设备产生气流，由气流带动气溶胶粒子流向本实用新型的检测光路中。本实用新型中，气流方向即为气溶胶粒子运动方向。如图1，气溶胶粒子探测光学系统各部件处于同一平面，气流方向垂直于该平面，即气溶胶粒子运动方向为垂直纸面方向。图1中，被测气溶胶粒子5流动时，恰好被激光束照射，产生荧光和散射光。
本实用新型中，激光光源1、被测气溶胶粒子和光陷阱布置在一条直线上，荧光探测单元包括反射镜、聚光透镜、分光片、荧光滤光片和光电探测器，可以探测两个不同波长的荧光；散射光探测单元包括聚光透镜、偏振镜和光电探测器，可以同时探测两个不同偏振方向的散射光强度。荧光探测器和散射光探测器与信号处理单元连接，由信号处理单元完成光电信号采集和处理。
所述激光光源1为连续型激光源，发射光为线偏振光，波长小于410nm；激光束传播方向与气流方向垂直相交；激光束与气流相交处，激光束截面为一字线形，激光束厚度小于50μm，优选的，激光束厚度小于30μm；激光束宽度为气流直径1.2-1.4倍，从而保证气溶胶粒子能够可靠的被激光束照射激发。激光能量密度尽量大。
所述散射光探测单元包括第一聚光透镜21、第二聚光透镜22、第一偏振镜23、第二偏振镜24、第一光电探测器25和第二光电探测器26。
所述第一聚光透镜21、第二聚光透镜22用于分别对经过的散射光聚光至第一光电探测器25、第二光电探测器26。
所述第一聚光透镜21、第二聚光透镜22处于激光光源1与被测气溶胶粒子连线延长线方向，与激光束对称倾斜放置；所述第一聚光透镜21、第二聚光透镜22的光轴与激光束夹角为15°-30°；即所探测散射光为前向散射光，前向散射光对于粒径分辨能力更好。
所述第一光电探测器25位于第一聚光透镜21的聚焦焦点上；所述第二光电探测器26位于第二聚光透镜22的聚焦焦点上；所述第一偏振镜23设置在第一聚光透镜21与第一光电探测器25之间；所述第二偏振镜24设置在第二聚光透镜22与第二光电探测器26之间。
当激光束与气流中待测气溶胶粒子作用产生散射光后，部分散射光由第一聚光透镜21聚焦后，经由第一偏振镜23进入第一光电探测器25；部分散射光由第二聚光透镜22聚焦后，经由第二偏振镜24进入第二光电探测器26。第一光电探测器25、第二光电探测器26用于分别接收过滤后的散射光并输出散射光偏振散射信号至信号处理单元；第一光电探测器25和第二光电探测器26分别输出偏振散射信号至信号处理单元。
所述第一偏振镜23、第二偏振镜24用于分别对经过的散射光过滤。所述第一偏振镜23的偏振方向与激光束的偏振方向平行，第二偏振镜24的偏振方向与激光束的偏振方向垂直；或所述第一偏振镜23的偏振方向与激光束的偏振方向垂直，第二偏振镜24的偏振方向与激光束的偏振方向平行。即所述第一偏振镜23对经过的散射光过滤后得到平行偏振散射光，第二偏振镜24对经过的散射光过滤后得到垂直偏振散射光；或所述第一偏振镜23对经过的散射光过滤后得到垂直偏振散射光，第二偏振镜24对经过的散射光过滤后得到平行偏振散射光。
因此，第一光电探测器25测得的为粒子产生的平行偏振散射光，第二光电探测器26测得的为粒子产生的垂直偏振散射光；或第一光电探测器25测得的为粒子产生的垂直偏振散射光，第二光电探测器26测得的为粒子产生的平行偏振散射光。
荧光探测单元包括反射镜31、第三聚光透镜32、分光片33、第一荧光滤光片34、第二荧光滤光片35、第四聚光透镜36、第五聚光透镜37、第三光电探测器38和第四光电探测器39。
所述反射镜31用于反射荧光，为球面反射镜，球心位于激光束与气流交汇处；反射镜31主轴方向与激光束垂直；当激光束与气流中气溶胶粒子作用产生荧光后，其反射方向为荧光入射方向。
所述第三聚光透镜32用于对经过的荧光折射为平行荧光光束；其主轴方向与反射镜31主轴方向重合。所述第三聚光透镜32的光轴与反射镜31光轴重合。反射镜31与第三聚光透镜32相结合，能够使光束准直。
当激光束与气流中气溶胶粒子作用产生荧光，荧光向四处发散，其向反射镜31方向的荧光被反射镜31反射，反射的荧光原路返回，经过反射镜31球心；其向第三聚光透镜32方向的荧光与被反射的荧光经过第三聚光透镜32，折射为平行荧光光束。
所述分光片33为二向色分光片，位于第三聚光透镜32的折射光路上，用于对经过的荧光光束按波长进行透射/反射；所述分光片33中心波长490-510nm。所述分光片33与荧光光束夹角为45度。
所述第一荧光滤光片34、第二荧光滤光片35分别用于对经过的荧光光束过滤；第五聚光透镜37、第四聚光透镜36分别对经过的过滤后的荧光光束聚光至第四光电探测器39、第三光电探测器38。
所述第二荧光滤光片35、第四聚光透镜36位于所述分光片33的透射光路上；所述第一荧光滤光片34、第五聚光透镜37位于所述分光片33的反射光路上。
所述第三光电探测器38和第四光电探测器39分别接收过滤后的荧光并输出荧光信号至信号处理单元；所述第四光电探测器39位于第五聚光透镜37的聚焦焦点上；所述第三光电探测器38位于第四聚光透镜36的聚焦焦点上。
本实用新型中分光片33为一种镀膜镜片，使用不同的镀膜的镜片效果不同，有的可以对超过某一波长的光进行透射，小于某一波长的光进行反射；有的正好相反，对超过某一波长的光进行反射，小于某一波长的光进行透射。
实施例一，荧光光束中波长大于510nm的光由分光片33透射，再经过第二荧光滤光片35和第四聚光透镜36汇聚到第三光电探测器38；荧光中波长小于510nm的光由分光片33反射，再经过荧光滤光片第一荧光滤光片34和第五聚光透镜37汇聚到第四光电探测器39中；此时，所述第二荧光滤光片35用于过滤波长小于510nm的光；所述第一荧光滤光片34用于滤除波长大于510nm的光，或滤除波长小于450nm的光。
实施例二，荧光光束中波长小于510nm的光由分光片33透射，再经过第二荧光滤光片35和第四聚光透镜36汇聚到第三光电探测器38；荧光中波长大于510nm的光由分光片33反射，再经过荧光滤光片第一荧光滤光片34和第五聚光透镜37汇聚到第四光电探测器39中；此时，所述第二荧光滤光片35滤除波长大于510nm或波长小于450nm的光；所述第一荧光滤光片34滤除波长小于510nm的光。
信号处理单元同步接收第一光电探测器25、第二光电探测器26、第三光电探测器38和第四光电探测器39的信号，根据粒子的两路荧光信号和两路偏振散射信号判定气溶胶粒子性质。
本实用新型中，信号处理单元也能够接收第一光电探测器25、第二光电探测器26、第三光电探测器38、第四光电探测器39中部分信号，对气溶胶粒子性质进行判定。由于只接收部分信号，这种判定准确率较低。
信号处理单元可以通过数据库对气溶胶粒子进行离线检测，也可以通过在线数据、大数据等方式对气溶胶粒子进行在线检测，可以明显提升对生物粒子识别的准确率。
本实用新型所设计的一种气溶胶粒子探测光学系统，本实用新型设计了一种单粒子多参数同步探测的光学系统，可以同时探测单个气溶胶粒子的二个方向的偏振散射光和二个不同波长的荧光，通过粒子的偏振散射信号和两个波长的荧光信号进行生物粒子的在线检测，可以明显提升对生物粒子识别的准确率。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种气溶胶粒子探测光学系统，其特征在于，所述气溶胶粒子探测光学系统包括：
激光光源(1)，所述激光光源(1)用于发射激光束，所述激光束与气流中气溶胶粒子作用产生散射光和荧光；
散射光探测单元，所述散射光探测单元用于检测散射光信号，以及根据散射光信号得到两路散射光偏振散射信号并输出传送至信号处理单元；
所述散射光探测单元包括第一聚光透镜(21)、第二聚光透镜(22)、第一偏振镜(23)、第二偏振镜(24)、第一光电探测器(25)和第二光电探测器(26)；
所述第一聚光透镜(21)、第二聚光透镜(22)与激光束对称倾斜放置；
所述第一光电探测器(25)位于第一聚光透镜(21)的聚焦焦点上；
所述第二光电探测器(26)位于第二聚光透镜(22)的聚焦焦点上；
所述第一偏振镜(23)设置在第一聚光透镜(21)与第一光电探测器(25)之间；
所述第二偏振镜(24)设置在第二聚光透镜(22)与第二光电探测器(26)之间；
荧光探测单元，所述荧光探测单元用于检测荧光信号，以及根据该荧光信号得到两路荧光信号并输出至信号处理单元；
荧光探测单元包括反射镜(31)、第三聚光透镜(32)、分光片(33)、第一荧光滤光片(34)、第二荧光滤光片(35)、第四聚光透镜(36)、第五聚光透镜(37)、第三光电探测器(38)和第四光电探测器(39)；
所述反射镜(31)为球面反射镜，球心位于激光束与气流交汇处；反射镜(31)主轴方向与激光束垂直；
所述第三聚光透镜(32)光轴与反射镜(31)光轴重合；当激光束与气流中气溶胶粒子作用产生荧光后，所述第三聚光透镜(32)能够接收气溶胶粒子产生的荧光和反射镜(31)反射的荧光，并折射为平行荧光光束；
所述分光片(33)为二向色分光片，位于第三聚光透镜(32)的折射光路上，用于对经过的荧光光束按波长进行透射/反射；
所述第二荧光滤光片(35)、第四聚光透镜(36)位于所述分光片(33)的透射光路上；
所述第一荧光滤光片(34)、第五聚光透镜(37)位于所述分光片(33)的反射光路上；
所述第四光电探测器(39)位于第五聚光透镜(37)的聚焦焦点上；
所述第三光电探测器(38)位于第四聚光透镜(36)的聚焦焦点上；
所述第三光电探测器(38)和第四光电探测器(39)分别输出荧光信号至信号处理单元；
信号处理单元，所述信号处理单元同步接收第一光电探测器(25)、第二光电探测器(26)、第三光电探测器(38)和第四光电探测器(39)的信号，根据粒子的两路荧光信号和两路偏振散射信号判定粒子性质。
2.根据权利要求1所述的气溶胶粒子探测光学系统，其特征在于，
所述激光光源(1)为连续型激光源，发射光为线偏振光，波长小于410nm；激光束传播方向与气流方向垂直相交；
激光束与气流相交处，激光束截面为一字线形，激光束厚度小于50μm，激光束宽度为气流直径1.2-1.4倍。
3.根据权利要求1所述的气溶胶粒子探测光学系统，其特征在于，
所述激光束厚度小于30μm。
4.根据权利要求1所述的气溶胶粒子探测光学系统，其特征在于，
所述第一聚光透镜(21)、第二聚光透镜(22)的轴线与激光束夹角为15°-30°；所探测散射光为前向散射光。
5.根据权利要求1所述的气溶胶粒子探测光学系统，其特征在于，
所述第一偏振镜(23)的偏振方向与激光束的偏振方向平行，第二偏振镜(24)的偏振方向与激光束的偏振方向垂直；或
所述第一偏振镜(23)的偏振方向与激光束的偏振方向垂直，第二偏振镜(24)的偏振方向与激光束的偏振方向平行。
6.根据权利要求1所述的气溶胶粒子探测光学系统，其特征在于，
所述第三聚光透镜(32)的前焦点与反射镜(31)球心重合。
7.根据权利要求6所述的气溶胶粒子探测光学系统，其特征在于，
所述分光片(33)中心波长490-510nm；
所述分光片(33)与荧光光束夹角为45度。
8.根据权利要求7所述的气溶胶粒子探测光学系统，其特征在于，
荧光光束中波长大于510nm的光由分光片(33)透射，再经过第二荧光滤光片(35)和第四聚光透镜(36)汇聚到第三光电探测器(38)；荧光中波长小于510nm的光由分光片(33)反射，再经过荧光滤光片第一荧光滤光片(34)和第五聚光透镜(37)汇聚到第四光电探测器(39)中；
所述第二荧光滤光片(35)滤除波长小于510nm的光；
所述第一荧光滤光片(34)滤除波长小于450nm或大于510nm的光。
9.根据权利要求7所述的气溶胶粒子探测光学系统，其特征在于，
荧光光束中波长小于510nm的光由分光片(33)透射，再经过第二荧光滤光片(35)和第四聚光透镜(36)汇聚到第三光电探测器(38)；荧光中波长大于510nm的光由分光片(33)反射，再经过荧光滤光片第一荧光滤光片(34)和第五聚光透镜(37)汇聚到第四光电探测器(39)中；
所述第二荧光滤光片(35)滤除波长小于450nm或大于510nm的光；
所述第一荧光滤光片(34)滤除波长小于510nm的光。
10.根据权利要求1所述的气溶胶粒子探测光学系统，其特征在于，
所述气溶胶粒子探测光学系统还包括光陷阱(4)；
所述光陷阱(4)为单方向开口的空腔结构，腔体内径大于开口直径，腔体内部均匀喷涂黑色光吸收材料。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202122139333.0U CN215414896U (zh) | 2021-09-06 | 2021-09-06 | 一种气溶胶粒子探测光学系统 |
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| CN202122139333.0U CN215414896U (zh) | 2021-09-06 | 2021-09-06 | 一种气溶胶粒子探测光学系统 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113588499A (zh) * | 2021-09-06 | 2021-11-02 | 军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所 | 一种气溶胶粒子探测光学系统 |
| CN115266646A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-11-01 | 浙江大学湖州研究院 | 一种基于光散射的锂枝晶生长原位检测装置及其检测方法 |
| CN118294428A (zh) * | 2024-06-06 | 2024-07-05 | 浙江泰林分析仪器有限公司 | 一种基于激光诱导荧光技术的微生物检测光路 |
-
2021
- 2021-09-06 CN CN202122139333.0U patent/CN215414896U/zh active Active
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