專利名稱：一種光學駐波納米顆粒尺寸測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測量裝置，特別是一種光學駐波納米顆粒尺寸測量裝置，主要用于納米微小顆粒尺寸的測量。
背景技術(shù)：
納米科學技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，納米技術(shù)極大地推動了工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、生命科學、環(huán)境安全等多領(lǐng)域的發(fā)展，成為社會發(fā)展的主要推動力之一。目前，納米材料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，已經(jīng)初步形成了規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)。納米材料的顆粒尺寸對納米材料有著重要的影響，如何快速準確地測量納米材料的顆粒尺寸一直是納米材料研究中最為關(guān)心的問題，受到人們的普遍重視，己經(jīng)逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代測量學和納米技術(shù)中的一個十分重要分支。在先技術(shù)中，存在幾種納米顆粒尺寸測量技術(shù)，主要包括，1)篩分法將顆粒樣品通過一系列具有不同篩孔直徑的標準篩，分離成若干個粒級，再分別稱重，然后求得以質(zhì)量分數(shù)表示的顆粒粒度分布。此方法嚴重不足是此測量原理決定了納米顆粒尺寸精度低，無法實現(xiàn)高精度測量。2)顯微鏡法利用電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、磁力顯微鏡、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡、掃描熱顯微鏡等對納米顆粒進行形貌掃描顯微成像，從而得到納米顆粒尺寸，參見《微納電子技術(shù)》2005年第1期的期刊論文《納米顆粒的測量與表征》。此方法嚴重不足是容易對被測納米顆粒造成損傷，并且對測量環(huán)境要求苛刻。3)光散射法光散射法是近年來發(fā)展最快，應(yīng)用最廣泛的一種顆粒測量方法，光束通過存在顆粒的純凈介質(zhì)時，光束將向周圍空間散射，散射光強度和光強度波動與顆粒尺寸密切相關(guān)，通過檢測散射光強度或光強度波動得到顆粒尺寸信息，參見王剛博士的吉林大學博士論文《用于納米顆粒粒度測量的模擬探測動態(tài)光散射技術(shù)研究》。此方法雖然具有一定優(yōu)點，但仍然存在原理性不足，采用光束為遠場光行波光束，檢測精度受光束特性參數(shù)影響大，影響測量精度；散射光強度和光強度波動均與顆粒材料特
性(例如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率，電導(dǎo)率等參數(shù))直接關(guān)聯(lián)，根本無法消除顆粒
4材料特性對在先技術(shù)中的光散射法測量精度的影響，并且測量方法和系統(tǒng)構(gòu)
成復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光學駐波納米顆粒尺寸測量裝置，該裝置操作簡單、實現(xiàn)方便、無顆粒材料和光束參數(shù)干擾、測量精度高、對測量環(huán)境要求低。
本發(fā)明裝置包括激光光源、擴束準直器、等腰三棱鏡、第一反射鏡、第一聚焦透鏡、相位調(diào)節(jié)器、第二反射鏡、第二聚焦透鏡、平凸透鏡、匯聚物鏡、光電傳感器。
擴束準直器和等腰三棱鏡依次設(shè)置在激光光源的出射光束光路上，擴束準直器的入瞳對應(yīng)激光光源設(shè)置，擴束準直器的出瞳對應(yīng)等腰三棱鏡的頂棱設(shè)置，激光光源出射光束經(jīng)過擴束準直器后形成擴束準直激光光束。等腰三棱鏡的底面背向擴束準直器設(shè)置，兩個腰平面即第一腰平面和第二腰平面均
鍍有反射膜形成光束反射面，等腰三棱鏡底角為20。 80° 。擴束準直激光光束傳播方向與等腰三棱鏡的底面垂直，擴束準直激光光束射向等腰三棱鏡后，被第一腰平面和第二腰平面反射形成兩束準直激光光束。
被第一腰平面反射后的準直激光光束的光路上設(shè)置有第一反射鏡，第一聚焦透鏡設(shè)置在第一反射鏡的反射光路上，準直激光光束經(jīng)過第一反射鏡反射后被第一聚焦透鏡聚焦。
被第二腰平面反射后的準直激光光束的光路依次設(shè)置有相位調(diào)節(jié)器和第二反射鏡，第二聚焦透鏡設(shè)置在第二反射鏡的反射光路上，準直激光光束經(jīng)過第二反射鏡反射后被第二聚焦透鏡聚焦。
第一反射鏡和第二反射鏡的反射面與等腰三棱鏡的底面的夾角均大于等腰三棱鏡的底角，第一聚焦透鏡的出射聚焦光束和第二聚焦透鏡的出射聚焦光束相交，形成光束干涉區(qū)域；平凸透鏡設(shè)置在第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡的上方，所述的平凸透鏡的一面為平面，另一面為球面，其中球面朝向第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡，平面設(shè)置在第一聚焦透鏡的出射聚焦光束和第二聚焦透鏡的聚焦光束相交區(qū)域；被測量納米金屬顆粒設(shè)置在平凸透鏡的平面上，位于光束干涉區(qū)域。平凸透鏡的平面上方依次設(shè)置有匯聚物鏡和光電傳感器，光電傳感器的光電傳感面位于被測量納米金屬顆粒散光經(jīng)過匯聚物鏡后的焦點區(qū)域。
所述的激光光源為半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器、液體激光器中的一種。
所述的擴束準直器為開普勒型擴束準直器、伽利略型擴束準直器中的一種。
所述的相位調(diào)節(jié)器為液晶型相位調(diào)節(jié)器、反射式相位調(diào)節(jié)器、微光柵相位調(diào)節(jié)器、波片式相位調(diào)節(jié)器中的一種。
所述的光電傳感器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管、光子計數(shù)器中的一種。
本發(fā)明裝置中的相位調(diào)節(jié)器對激光光束進行相位調(diào)節(jié)，以及光電傳感器探測到光電信號之后對光電信信號進行信號處理分析，這些都是成熟技術(shù)。本發(fā)明的發(fā)明點在于提供一種光學駐波納米顆粒尺寸測量方法及其裝置光路結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的工作過程為激光光源出射光束經(jīng)過擴束準直器的擴束準直后射向等腰三棱鏡，被第一腰平面和第二要平面反射；被等腰三棱鏡的第一腰平面反射后形成的光束依次經(jīng)過第一反射鏡和第一聚焦透鏡，被第一聚焦透鏡匯聚，由于第一反射鏡的反射面與等腰三棱鏡底面所在平面的夾角大于等腰三棱鏡的底角，光束被第一反射鏡反射后偏折向激光光源出射光束光路方
向；被等腰三棱鏡的第二腰平面反射后形成的光束依次經(jīng)過相位調(diào)節(jié)器、第二反射鏡、第二聚焦透鏡，被第二聚焦透鏡匯聚，第二反射鏡的反射面與等腰三棱鏡底面所在平面的夾角大于等腰三棱鏡的底角，光束被第二反射鏡反射后偏折向激光光源出射光束光路方向。第一聚焦透鏡的出射聚焦光束和第二聚焦透鏡的出射聚焦光束相交，形成光束干涉區(qū)域；平凸透鏡設(shè)置在光束相交處，平凸透鏡的球面朝向第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡，平凸透鏡的平面設(shè)置在第一聚焦透鏡的出射聚焦光束和第二聚焦透鏡的聚焦光束相交區(qū)域；被測量納米顆粒設(shè)置在平凸透鏡的平面上，位于光束干涉區(qū)域；通過相位調(diào)節(jié)器連續(xù)改變第二腰平面反射后形成的準直激光光束的相位，相位調(diào)節(jié)范圍大于2:n，相位變化導(dǎo)致平凸透鏡的平面上光束干涉條紋移動，納米顆粒散射光強同步發(fā)生強弱變化；設(shè)置在平凸透鏡平面上方的匯聚物鏡將納米顆粒散射光匯聚到光電傳感器，光電傳感器探測到納米顆粒散射光強，計算納米顆粒散光強度變化的光強對比度，實現(xiàn)納米顆粒尺寸測試。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和效果
1) 提供一種光學駐波納米顆粒尺寸測量方法，具有實現(xiàn)步驟簡單、實 現(xiàn)和調(diào)節(jié)方便、納米尺寸測量精度高、對測量環(huán)境要求低、應(yīng)用廣泛等特點；
2) 本發(fā)明是基于光束干涉形成光學駐波構(gòu)成測量區(qū)域，消除了在先測 量技術(shù)中使用行波光束時光束參數(shù)測量影響；
3) 通過光路相位改變實現(xiàn)調(diào)節(jié)光學駐波位置，光學駐波移動過程中， 檢測納米顆粒散光強度變化的光強對比度，實現(xiàn)納米顆粒尺寸測試，由于計 算光強對比度時納米顆粒材料特性參數(shù)相除己經(jīng)消掉，所以本發(fā)明消除了納 米顆粒材料特性對測量的干擾；
4) 本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、實現(xiàn)費用低、操作便利、對測量環(huán)境要求低、 測量精度高、并且消除了光束參數(shù)和納米顆粒材料特性對測量的影響。


圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
如圖1所示， 一種光學駐波納米顆粒尺寸測量裝置包括激光光源l、擴 束準直器2、等腰三棱鏡3、第一反射鏡4、第一聚焦透鏡5、相位調(diào)節(jié)器9、 第二反射鏡IO、第二聚焦透鏡ll、平凸透鏡6、匯聚物鏡7、光電傳感器8。
擴束準直器2和等腰三棱鏡3依次設(shè)置在激光光源1的出射光束光路上， 擴束準直器2的入瞳對應(yīng)激光光源1設(shè)置，擴束準直器2的出瞳對應(yīng)等腰三 棱鏡3的頂棱設(shè)置，激光光源1出射光束經(jīng)過擴束準直器2后形成擴束準直 激光光束。等腰三棱鏡3的底面303背向擴束準直器2設(shè)置，兩個腰平面即 第一腰平面301和第二腰平面302均鍍有反射膜形成光束反射面，等腰三棱 鏡3底角為20。 80。。擴束準直激光光束傳播方向與等腰三棱鏡3的底面 303垂直，擴束準直激光光束射向等腰三棱鏡3后，被第一腰平面和第二腰 平面反射形成兩束準直激光光束。
被第一腰平面301反射后的準直激光光束的光路上設(shè)置有第一反射鏡 4，第一聚焦透鏡5設(shè)置在第一反射鏡4的反射光路上，準直激光光束經(jīng)過 第一反射鏡4反射后被第一聚焦透鏡5聚焦。
7被第二腰平面302反射后的準直激光光束的光路依次設(shè)置有相位調(diào)節(jié)器 9和第二反射鏡10，第二聚焦透鏡11設(shè)置在第二反射鏡10的反射光路上， 準直激光光束經(jīng)過第二反射鏡10反射后被第二聚焦透鏡11聚焦。
第一反射鏡4和第二反射鏡10的反射面與等腰三棱鏡3的底面303的 夾角均大于等腰三棱鏡3的底角，第一聚焦透鏡5的出射聚焦光束和第二聚 焦透鏡11的出射聚焦光束相交，形成光束干涉區(qū)域；平凸透鏡6設(shè)置在第 一聚焦透鏡5和第二聚焦透鏡11的上方，所述的平凸透鏡6的一面為平面 602，另一面為球面601，其中球面601朝向第一聚焦透鏡5和第二聚焦透鏡 11，平面602設(shè)置在第一聚焦透鏡5的出射聚焦光束和第二聚焦透鏡11的 聚焦光束相交區(qū)域；被測量納米金屬顆粒設(shè)置在平凸透鏡6的平面602上， 位于光束干涉區(qū)域；平凸透鏡6的平面602上方依次設(shè)置有匯聚物鏡7和光 電傳感器8，光電傳感器8的光電傳感面位于被測量納米金屬顆粒散光經(jīng)過 匯聚物鏡7后的焦點區(qū)域。
激光光源1為氦氖氣體激光器，波長為632.8nm;擴束準直器2為開普 勒型擴束準直器；相位調(diào)節(jié)器為液晶型相位調(diào)節(jié)器；光電傳感器8為光電倍 增管。
本發(fā)明裝置的工作過程為激光光源1出射光束經(jīng)過擴束準直器2的擴束 準直后射向等腰三棱鏡3，被第一腰平面301和第二要平面302反射；被等 腰三棱鏡3的第一腰平面301反射后形成的光束依次經(jīng)過第一反射鏡4和第 一聚焦透鏡5，被第一聚焦透鏡5匯聚，由于第一反射鏡4的反射面與等腰 三棱鏡3底面303所在平面的夾角大于等腰三棱鏡3的底角，光束被第一反 射鏡4反射后偏折向激光光源1出射光束光路方向；被等腰三棱鏡3的第二 腰平面303反射后形成的光束依次經(jīng)過相位調(diào)節(jié)器9、第二反射鏡IO、第二 聚焦透鏡11，被第二聚焦透鏡11匯聚，第二反射鏡10的反射面與等腰三棱 鏡3底面303所在平面的夾角大于等腰三棱鏡3的底角，光束被第二反射鏡 10反射后偏折向激光光源1出射光束光路方向。
第一聚焦透鏡5的出射聚焦光束和第二聚焦透鏡11的出射聚焦光束相 交，形成光束干涉區(qū)域；平凸透鏡6設(shè)置在光束相交處，平凸透鏡6的球面 601朝向第一聚焦透鏡5和第二聚焦透鏡11，平凸透鏡6的平面602設(shè)置在 第一聚焦透鏡5的出射聚焦光束和第二聚焦透鏡11的聚焦光束相交區(qū)域；被測量納米顆粒設(shè)置在平凸透鏡6的平面602上，位于光束干涉區(qū)域；通過
相位調(diào)節(jié)器9連續(xù)改變第二腰平面302反射后形成的準直激光光束的相位， 相位調(diào)節(jié)范圍大于2 :i ，相位變化導(dǎo)致平凸透鏡6的平面602上光束干涉條 紋移動，納米顆粒散射光強同步發(fā)生強弱變化；設(shè)置在平凸透鏡6平面602 上方的匯聚物鏡7將納米顆粒散射光匯聚到光電傳感器8，光電傳感器8探 測到納米顆粒散射光強，計算納米顆粒散光強度變化的光強對比度，實現(xiàn)納 米顆粒尺寸測試。
本發(fā)明提供了一種光學駐波納米顆粒尺寸測量裝置，實現(xiàn)了步驟簡單、 實現(xiàn)方便、無顆粒材料和光束參數(shù)干擾、測量精度高、對測量環(huán)境要求低、 應(yīng)用廣泛的納米顆粒尺寸測量。
權(quán)利要求
1、一種光學駐波納米顆粒尺寸測量裝置，包括激光光源、擴束準直器、等腰三棱鏡、第一反射鏡、第一聚焦透鏡、相位調(diào)節(jié)器、第二反射鏡、第二聚焦透鏡、平凸透鏡、匯聚物鏡、光電傳感器，其特征在于擴束準直器和等腰三棱鏡依次設(shè)置在激光光源的出射光束光路上，擴束準直器的入瞳對應(yīng)激光光源設(shè)置，擴束準直器的出瞳對應(yīng)等腰三棱鏡的頂棱設(shè)置，激光光源出射光束經(jīng)過擴束準直器后形成擴束準直激光光束；等腰三棱鏡的底面背向擴束準直器設(shè)置，兩個腰平面即第一腰平面和第二腰平面均鍍有反射膜形成光束反射面，等腰三棱鏡底角為20°～80°；擴束準直激光光束傳播方向與等腰三棱鏡的底面垂直，擴束準直激光光束射向等腰三棱鏡后，被第一腰平面和第二腰平面反射形成兩束準直激光光束；被第一腰平面反射后的準直激光光束的光路上設(shè)置有第一反射鏡，第一聚焦透鏡設(shè)置在第一反射鏡的反射光路上，準直激光光束經(jīng)過第一反射鏡反射后被第一聚焦透鏡聚焦；被第二腰平面反射后的準直激光光束的光路依次設(shè)置有相位調(diào)節(jié)器和第二反射鏡，第二聚焦透鏡設(shè)置在第二反射鏡的反射光路上，準直激光光束經(jīng)過第二反射鏡反射后被第二聚焦透鏡聚焦；第一反射鏡和第二反射鏡的反射面與等腰三棱鏡的底面的夾角均大于等腰三棱鏡的底角，第一聚焦透鏡的出射聚焦光束和第二聚焦透鏡的出射聚焦光束相交，形成光束干涉區(qū)域；平凸透鏡設(shè)置在第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡的上方，所述的平凸透鏡的一面為平面，另一面為球面，其中球面朝向第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡，平面設(shè)置在第一聚焦透鏡的出射聚焦光束和第二聚焦透鏡的聚焦光束相交區(qū)域；被測量納米金屬顆粒設(shè)置在平凸透鏡的平面上，位于光束干涉區(qū)域；平凸透鏡的平面上方依次設(shè)置有匯聚物鏡和光電傳感器，光電傳感器的光電傳感面位于被測量納米金屬顆粒散光經(jīng)過匯聚物鏡后的焦點區(qū)域。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種光學駐波納米顆粒尺寸測量裝置，其特征 在于所述的激光光源為半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器、液體激 光器中的一種。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種光學駐波納米顆粒尺寸測量裝置，其特征 在于所述的擴束準直器為開普勒型擴束準直器、伽利略型擴束準直器中的 一種。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種光學駐波納米顆粒尺寸測量裝置，其特征 在于所述的相位調(diào)節(jié)器為液晶型相位調(diào)節(jié)器、反射式相位調(diào)節(jié)器、微光柵 相位調(diào)節(jié)器、波片式相位調(diào)節(jié)器中的一種。
5、 如權(quán)利要求1所述的一種光學駐波納米顆粒尺寸測量裝置，其特征 在于所述的光電傳感器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管、光子計數(shù)器 中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學駐波納米顆粒尺寸測量裝置?，F(xiàn)有技術(shù)測量精度低，對測量環(huán)境要求高。本發(fā)明包括激光光源、擴束準直器、等腰三棱鏡、第一、二反射鏡、第一、二聚焦透鏡、相位調(diào)節(jié)器、平凸透鏡、匯聚物鏡、光電傳感器。激光束被等腰三棱鏡兩個等腰面反射的兩個光束分別經(jīng)過反射鏡和聚焦透鏡后光束相交，形成干涉區(qū)域；設(shè)置在光束相交處的平凸透鏡的平面位于干涉區(qū)域，納米顆粒設(shè)置在平面上；通過相位調(diào)節(jié)器改變一個光束的相位，導(dǎo)致干涉條紋移動，納米顆粒散射光強同步發(fā)生強弱變化；光電傳感器探測到納米顆粒散射光強，通過計算光強對比度測量納米顆粒尺寸。本發(fā)明裝置具有無顆粒材料干擾、測量精度高、對測量環(huán)境要求低、應(yīng)用廣泛等特點。
文檔編號G02B27/09GK101603813SQ20091010061
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者高秀敏 申請人:杭州電子科技大學