本發(fā)明所提出的光譜測(cè)量及分析方法屬于微小顆粒的彈性散射光譜研究及實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。目前已有的光譜獲取方式各有不同，但光譜分析方法基本一致即通過(guò)比較測(cè)量光譜與理論計(jì)算的米氏散射光譜來(lái)獲知顆粒的大小和折射率信息。同類相關(guān)技術(shù)可以用于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)顆粒的質(zhì)檢，對(duì)生物細(xì)胞內(nèi)顆粒結(jié)構(gòu)的研究，以及對(duì)水溶液中顆粒污染物的檢測(cè)等。

背景技術(shù)：

微小球形介質(zhì)顆粒的光彈性散射光譜具有解析解形式即米氏散射公式，其由通行的計(jì)算程序可以獲得精確的數(shù)值結(jié)果，因此將測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相比對(duì)，往往可以在十納米級(jí)別準(zhǔn)確地獲知顆粒的尺寸，相關(guān)技術(shù)近年來(lái)在生物細(xì)胞檢測(cè)方面得到了重要應(yīng)用(N.N.Boustany et al.,Microscopic imaging and spectroscopy with scattered light,Annu.Rev.Biomed.Eng.2010,12:285-314)。

相關(guān)技術(shù)主要可以分成兩個(gè)大類，其中一類是結(jié)合顯微成像來(lái)測(cè)量研究單個(gè)顆粒，為了對(duì)大量顆粒進(jìn)行快速測(cè)量可以結(jié)合流式細(xì)胞儀的方法(C.Greiner et al.,Confocal backscattering spectroscopy for leukemic and normal blood cell discrimination,Cytometry Part A.2011,79A:866-873)。另外一類是一次測(cè)量懸浮液中的大量顆粒并通過(guò)分析來(lái)獲知顆粒的尺度分布，相對(duì)于前一類技術(shù)在檢測(cè)速度上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

在懸浮顆粒溶液的光譜測(cè)量方法上，目前主要有兩種方法，一種是用光纖探頭的直接測(cè)量法(H.Fang et al.,Noninvasive sizing of subcellular organelles with light scattering spectroscopy,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.2003,9:267-276)，另外一種是基于分離準(zhǔn)直透鏡構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)的方法(V.Backman et al.,Polarized light scattering spectroscopy for quantitative measurement of epithelial cellular structures in situ,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.1999,5:1019-1026)。前一種方法具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但由于沒(méi)有準(zhǔn)直照明導(dǎo)致背向散射角分布較大且不容易得到準(zhǔn)確描述，造成不容易得到理論計(jì)算光譜，也就因此影響了獲取顆粒尺度信息的準(zhǔn)確度。用后一種方法時(shí)背向散射角有明確的取值，但其光學(xué)系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜致使在校準(zhǔn)定標(biāo)時(shí)比較費(fèi)時(shí)，而且不利于構(gòu)建小型化的實(shí)用系統(tǒng)。

在背向散射光譜分析獲取顆粒大小分布方面，目前既有普遍采用的直接與理論光譜比對(duì)的數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算搜索方法，也有將光譜進(jìn)行傅里葉變換后來(lái)比對(duì)頻譜的方法(A.F.Videla et al.,Sizing particles by backscattering spectroscopy and Fourier analysis,Optical Engineering 2006,45:048001-048009)。這些方法都需要建立以顆粒平均大小和分布方差為變量的數(shù)據(jù)庫(kù)，由于數(shù)據(jù)庫(kù)較大計(jì)算分析時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此難以達(dá)到實(shí)時(shí)分析測(cè)量的目的。另外，這些分析方法因?yàn)橛行┕庾V形狀及頻譜分布相似，提取顆粒尺寸時(shí)會(huì)出現(xiàn)有較大偏差的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明針對(duì)目前光譜測(cè)量系統(tǒng)的局限性提出在光纖探頭基礎(chǔ)上增加一個(gè)離軸拋物面鏡來(lái)對(duì)入射光和背向散射光進(jìn)行準(zhǔn)直，這樣的系統(tǒng)構(gòu)建在保持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的同時(shí)又保證了收集到的散射光譜對(duì)應(yīng)明確的散射角。另外，本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有光譜分析方法的局限性，提出了一種基于小波變換多層分解光譜來(lái)進(jìn)行構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)以及分析顆粒尺寸分布的快速分析方法。將所提出的測(cè)量系統(tǒng)和光譜分析方法相結(jié)合，可以構(gòu)建一種在線檢測(cè)和分析顆粒尺寸分布的實(shí)用方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種在線檢測(cè)懸浮液中微小顆粒大小分布的背向彈性散射光譜測(cè)量分析系統(tǒng)：連續(xù)譜光源激光器，線列光纖探頭，離軸拋物面反射鏡，光譜儀，計(jì)算機(jī)，另外有兩個(gè)平移臺(tái)上安置的兩個(gè)角度偏轉(zhuǎn)器分別與線列光纖探頭和離軸拋物面反射鏡固定，線列光纖探頭探測(cè)端由若干根光纖構(gòu)成，成線列排布，其中第一根光纖位于離軸拋物面反射鏡的焦點(diǎn)位置，光纖排布方向垂直于離軸拋物面反射鏡的光軸，使到達(dá)樣品顆粒的入射光為平行光，而沿著某一方向的散射光能匯聚于焦面的收集光纖，從而得到明確的散射角。

上述線列光纖探頭探測(cè)端第一根為出射光纖，其它為收集光纖。另一端分成兩部分，一根光纖接入光源，其它光纖接入光譜儀。

進(jìn)一步地，通過(guò)平移臺(tái)和角度偏轉(zhuǎn)器的調(diào)節(jié)，在離軸拋物面反射鏡和線列光纖探頭相對(duì)位置明確且固定之后，同時(shí)沿豎直方向偏轉(zhuǎn)一定角度β，以排除由樣品溶液引起的反射光干擾。

一種在線檢測(cè)懸浮液中微小顆粒大小分布的背向彈性散射光譜測(cè)量分析方法包括以下步驟：

1)在小波多尺度分析下，將某個(gè)背向散射角下的測(cè)量光譜分解為n個(gè)級(jí)次上的有著不同頻率范圍的n個(gè)獨(dú)立分量,包含由尺度函數(shù)得到的最低頻分量以及由小波函數(shù)得到的各個(gè)級(jí)次上的高頻分量；

2)構(gòu)建獲取顆粒平均大小的理論光譜數(shù)據(jù)庫(kù)M：基于米氏散射理論，計(jì)算不同大小單個(gè)顆粒在上述散射角下的理論光譜，也同樣按照步驟1中方法進(jìn)行小波多尺度分解；

3)以顆粒大小為變量，在每個(gè)級(jí)次上，將測(cè)量光譜的分量逐一與數(shù)據(jù)庫(kù)M中不同光譜的對(duì)應(yīng)分量進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，然后將各級(jí)次上的相關(guān)結(jié)果累計(jì)相乘(為了避免噪聲的影響，一般避免高頻率范圍的幾個(gè)分量參與運(yùn)算)，最大值位置處對(duì)應(yīng)的顆粒大小即為所測(cè)顆粒分布的平均值；

4)接著來(lái)計(jì)算顆粒尺度分布的標(biāo)準(zhǔn)方差，這時(shí)需要構(gòu)建已獲知顆粒平均值的不同標(biāo)準(zhǔn)方差的理論光譜數(shù)據(jù)庫(kù)Q：計(jì)算出具有不同分布方差的顆粒在上述散射角下的理論光譜，且均按照步驟1中方法進(jìn)行小波多尺度分解；

5)計(jì)算出測(cè)量光譜相鄰頻率范圍的分量間的幅度比(高頻分量易受到影響，應(yīng)選擇合適的分量)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)Q中各光譜作同樣的處理，以分布標(biāo)準(zhǔn)方差為變量，將測(cè)量光譜的比值結(jié)果逐一與數(shù)據(jù)庫(kù)中各光譜的比值結(jié)果比對(duì)，找出所測(cè)顆粒的分布標(biāo)準(zhǔn)方差。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：1.本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)中，提出在光纖探頭基礎(chǔ)上增加一個(gè)離軸拋物面鏡來(lái)對(duì)入射光和背向散射光進(jìn)行準(zhǔn)直，該方法綜合了光纖探頭直接測(cè)量方法和透鏡測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，散射角定義準(zhǔn)確，并且消除了色差從而保證測(cè)量光譜具有較高的信噪比。

2.本發(fā)明中光譜的分析中，引入小波多尺度分析，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)測(cè)量光譜與理論光譜在不同頻率范圍上的分量分別相關(guān)運(yùn)算后累計(jì)相乘的方法，有效地利用了光譜的頻率信息，從而提高了結(jié)果的精確度。

3.本發(fā)明中獲取微小顆粒大小分布的背向彈性散射光譜處理分析方法創(chuàng)新性在于，只需先構(gòu)建合適的用于計(jì)算顆粒分布平均大小的單個(gè)顆粒的理論光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，然后在獲取的平均大小結(jié)果下輔以動(dòng)態(tài)小容量的以分布標(biāo)準(zhǔn)方差為變量的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)求得標(biāo)準(zhǔn)方差。這避免了以往需要建立的同時(shí)以顆粒平均大小和分布標(biāo)準(zhǔn)方差為變量的龐大數(shù)據(jù)庫(kù)，顯著減少了分析時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析測(cè)量的目的。

附圖說(shuō)明

圖1為獲取微小顆粒多角度背向彈性散射光譜測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

圖2為線列光纖探頭端面示意圖。

圖3為散射角分析示意圖。

圖4為所測(cè)的聚苯乙烯顆粒在散射角θ₂下的背向散射光譜以及其在7個(gè)級(jí)次上的小波多尺度分解結(jié)果。

圖5為測(cè)量光譜各分量逐一與數(shù)據(jù)庫(kù)M中不同光譜的對(duì)應(yīng)分量相關(guān)運(yùn)算結(jié)果。

圖6為圖5中各級(jí)次上的相關(guān)結(jié)果從低頻到高頻依次累計(jì)相乘結(jié)果。

圖7為測(cè)量光譜分量之間的強(qiáng)度比與數(shù)據(jù)庫(kù)Q中各光譜對(duì)應(yīng)分量間強(qiáng)度比的比對(duì)圖。

圖8測(cè)量光譜與分析結(jié)果的理論光譜對(duì)照。

圖中：1：連續(xù)譜光源激光器，2：線列光纖探頭，3：三維平移臺(tái)，4：角度偏轉(zhuǎn)器，5：離軸拋物面反射鏡，6：二維平移臺(tái)，7：角度偏轉(zhuǎn)器，8：顆粒樣品溶液，9：光譜儀，10：計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

如附圖1所示，為本發(fā)明所述背向彈性散射光譜測(cè)量分析系統(tǒng)，包括連續(xù)譜光源激光器1，線列光纖探頭2，三維平移臺(tái)3，角度偏轉(zhuǎn)器4，離軸拋物面反射鏡5，二維平移臺(tái)6，角度偏轉(zhuǎn)器7，光譜儀9，計(jì)算機(jī)10。線列光纖探頭2探測(cè)端第一根為出射光纖，其它為收集光纖。另一端分成兩部分，一根光纖接入光源，其它光纖接入光譜儀9。光譜儀9與計(jì)算機(jī)10相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算。線列光纖探頭2中一號(hào)光纖位于離軸拋物面反射鏡5的焦點(diǎn)位置，且光纖排布方向垂直于其光軸，使得到達(dá)樣品顆粒8的入射光為平行光，而沿同一方向的散射光能匯聚于焦面的收集光纖，從而得到明確的散射角。三維平移臺(tái)3和二維平移臺(tái)6以及角度偏轉(zhuǎn)器4和7可以保證上述光纖探頭2和反射鏡5相對(duì)位置的正確性，以及使得整體沿豎直方向偏轉(zhuǎn)角度β，以排除由樣品溶液引起的反射光干擾。本發(fā)明中離軸拋物面反射鏡5，焦距為f,最大的光學(xué)特征在于良好的聚焦特性和準(zhǔn)直特性，相對(duì)于透鏡來(lái)說(shuō)可以消除色差，采用特殊的入射方式也可消除球差；相對(duì)于其他非球面反射鏡，它可以解決中心遮攔問(wèn)題。

參見(jiàn)附圖2和附圖3，分別為線列光纖探頭2探測(cè)端面示意圖和散射角分析示意圖，纖芯直徑為ρ，纖芯間距為η，L₁、L₂、l₂為入射光線，L₃、L₄、l₃為散射光線，l₁為輔助線，k為離軸拋物面反射鏡的光軸，根據(jù)反射定律和幾何關(guān)系可明確n號(hào)光纖對(duì)應(yīng)的散射角為

${\mathrm{\θ}}_n=\mathrm{\π}-(n-1)*\frac{\mathrm{\ρ}+\mathrm{\η}}{f}$

下面以2號(hào)光纖收集到的聚苯乙烯微球顆粒在背向散射角為θ₂處的彈性散射光譜為實(shí)例，介紹獲取微小顆粒大小分布的背向彈性散射光譜處理分析方法，具體步驟如下

1)參見(jiàn)附圖4，在小波多尺度分析下，將背向散射角為θ₂下的測(cè)量光譜S在7個(gè)級(jí)次上多尺度分解，包含由尺度函數(shù)得到的最低頻分量[AS]₇以及由小波函數(shù)得到的各個(gè)級(jí)次上的高頻分量分別為[DS]₇、[DS]₆、[DS]₅、[DS]₄、[DS]₃、[DS]₂和[DS]₁；

2)構(gòu)建獲取顆粒平均大小的理論光譜數(shù)據(jù)庫(kù)M：基于米氏散射理論，計(jì)算出大小分別為3502nm、3504nm、……、6500nm(間隔為2nm)的顆粒在散射角θ₂下的理論光譜，且均按照步驟1中方法在7個(gè)級(jí)次上分解；

3)參見(jiàn)附圖5和附圖6，以顆粒大小為變量，在每個(gè)級(jí)次上，測(cè)量光譜的各分量逐一與數(shù)據(jù)庫(kù)M中不同光譜的對(duì)應(yīng)分量相關(guān)計(jì)算，結(jié)果分別為由尺度函數(shù)得到的最低頻分量的相關(guān)結(jié)果c_d7以及由小波函數(shù)得到的各個(gè)級(jí)次上的高頻分量相關(guān)結(jié)果c_d7、c_d6、c_d5、c_d4、c_d3、c_d2和c_d1，然后將各級(jí)次上的相關(guān)結(jié)果從低頻到高頻依次累計(jì)相乘得到結(jié)果c_a7、c_a7c_d7、c_a7c_d7c_d6、c_a7c_d7c_d6c_d5、c_a7c_d7c_d6c_d5c_d4、c_a7c_d7c_d6c_d5c_d4c_d3、c_a7c_d7c_d6c_d5c_d4c_d3c_d2、c_a7c_d7c_d6c_d5c_d4c_d3c_d2c_d1。參見(jiàn)附圖4易知[DS]₃、[DS]₂和[DS]₁分量中主要為噪聲，所以選擇c_a7c_d7c_d6c_d5c_d4作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，最大值對(duì)應(yīng)的顆粒大小為4842nm，即得到所測(cè)顆粒分布平均大小為4842nm；

4)構(gòu)建獲取顆粒分布標(biāo)準(zhǔn)方差的理論光譜數(shù)據(jù)庫(kù)Q：在獲取的顆粒平均大小4842nm處，計(jì)算出分布標(biāo)準(zhǔn)方差分別為1nm、2nm、……、30nm(間隔為1nm)的顆粒在散射角θ₂下的理論光譜，且均按照步驟1中方法在7個(gè)級(jí)次上分解；

5)參照附圖7，考慮到結(jié)果的準(zhǔn)確性，計(jì)算出測(cè)量光譜的分量[DS]₇、[DS]₆、[DS]₅間的強(qiáng)度比值[DQ]₆/[DQ]₇和[DQ]_５/[DQ]_６，同樣地通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)Q中各光譜作同樣的處理，得到以標(biāo)準(zhǔn)方差為變量的[DQ]₆/[DQ]₇和[DQ]_５/[DQ]_６強(qiáng)度比值曲線，比對(duì)得到對(duì)應(yīng)的分布標(biāo)準(zhǔn)方差分別為17nm和23nm，所以所測(cè)顆粒的分布標(biāo)準(zhǔn)方差為平均結(jié)果20nm。

附圖8為實(shí)測(cè)光譜與上述分析結(jié)果的顆粒(分布平均大小為4842nm、標(biāo)準(zhǔn)方差為20nm)的理論光譜對(duì)照，可以看出分析結(jié)果與實(shí)測(cè)光譜吻合完好。

應(yīng)當(dāng)明確的是，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，按本發(fā)明構(gòu)思所做出的顯而易見(jiàn)的改進(jìn)和修飾都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。