多光束單鏡頭激光粒度儀

1、引言

激 光粒度儀是一種利用顆粒使激光發生散射的原理來測量粉體粒度的一種儀器，它已經成為國內外粒度測試的主要手段。目前，激光粒度測試技術發展迅速，新技術不 斷涌現，新產品層出不窮，所追求的目標是高精度、高品質、寬量程、智能化。丹東百特儀器有限公司開發的三光束單鏡頭激光粒度儀，采用不同波長激光束、* 的傅立葉鏡頭、*的光學結構和光電探測器，使前向、側向和后向的散射光都通過一個鏡頭匯聚到光電探測器上，簡化了光學系統，降低了成本，擴大了量程。這 種新型激光粒度儀的研制成功，標志著丹東百特多光束激光粒度測試技術進入了實用化的階段。

2、歷史回顧

激 光粒度儀經過近50年的發展，國內外已經有很多規格和型號的產品。如果按光束和鏡頭數量來分類，大體可分為四種類型：一是“單光束單鏡頭"激光粒度儀，這 種類型的激光粒度儀有很多品牌和型號，產銷量多，應用領域廣泛，現有的國產和進口的經濟型激光粒度儀大多屬于這種類型。二是“單光束多鏡頭"激光粒度 儀，這種產品是在“單光束單鏡頭"基礎上發展起來的，目的是為了接收大角度散射光，擴程。三是“多光束多鏡頭"激光粒度儀，這是國外高性能激光粒度儀 的標志性技術，通過多束激光和多個鏡頭位置變化，更有效地接收大角度的散射光，從而達到擴程的目的。四是丹東百特研制的 “多光束單鏡頭"激光粒度儀，這種儀器通過巧妙的光路設計，使多個激光器產生的散射光都通過一個鏡頭來接收，了不同激光器的散射光接收的一致性，簡化 了結構，降低了成本，同時擴大了量程，提高了測試精度。

3、多光束單鏡頭光路系統的基本組成與量程

本文多光束系統主要指三光束。采用前向、前側向和后側向排列方式，其中后向激光器采用了波長更短的藍光激光器。通過對激光器位置的有效排列，配合廣角鏡頭和大尺寸光電探測器，使散射光的有效探測角度范圍為0.08-156°，極*程可達0.01—2000微米，光路系統基本組成如圖1所示。  

圖1、三光束單鏡頭光路系統示意圖

那么，這樣的系統的量程究竟能不能達到0.01—2000微米呢？

首先，采用短波長的激光器有利于拓展測試下限。測試下限能不能達到0.01微米，關鍵要設法使0.01微米附近的散射光能分布有明顯的區分。通過對米氏散射理論研究，可以得到在短波長激光照射下，一些亞微米甚至納米級顆粒的后向散射光能分布圖譜，如圖2。也可以得到在普通激光照射下同樣粒徑顆粒后向散射光能分布圖譜，如圖3。從兩種光束對相同顆粒照射產生的后向散射圖譜可以看出，短波長激光能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區別，普通波長的激光則不能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區別。可見，采用波長短的藍色激光可提高量程下限的分辨率，對拓展量程下限極為有利，如果在實踐中各個環節處理好，量程下限極限就可能夠達到0.01微米。

	圖2  短波長激光大角度散射光分布		圖3  普通激光大角度散射光分布

其次，高性能的鏡頭是實現擴展量程的關鍵。經過上述分析，我們知道在理論上短波長激光能使0.01微米附近的散射圖譜有明顯區別，但與微米粒徑區段的散射 信號相比，這個區域的散射信號的區別的幅度仍然較小。分辨這種較小差別信號的一個重要條件是要有一個高性能的廣角小相差鏡頭。要求該鏡頭應具備良好的平場 特性，有較小的場曲特性，有較小的球差特性和廣角特性等等，為達到這些光學要求，我們設計了一個由四個透鏡組成的鏡頭，如圖4，其中透鏡2和透鏡3膠合在 一起，組成一個負焦距透鏡，與透鏡1和透鏡3兩個正焦距透鏡組合正焦距透鏡組合形成一個高性能的鏡頭，這樣的設計大視場角散射光的不失真地匯聚到光電 探測器上，使系統的測試下限達到0.01微米。同時，該鏡頭還要中心視場角散射光(軸上) 的成像的質量達到衍射極限，從而測試上限達到2000微米。

第三，*的光路結構有利于匯聚各個角度的散射光。本系統所采用的三光束光路架構如圖5所示。

前 向紅激光光束是沿著水平方向照射，穿過樣品池和匯聚鏡頭后入射到光電探測器中心孔中，所產生的散射光角度0.08-47°；側向綠激光光束沿著與水平光束 成35°角方向照射，所產生的散射光角度為35-83°；后向藍激光光束放置在鏡頭后面，發出的是一束發散光束，經過鏡頭后變成平行光，所產生的散射光的 角度為109-156°。上述三個光束所產生的散射光經過同一個鏡頭匯聚到同一個探測器上，使數據處理具有連續性和一致性。

第四，光電探測器的性 能是擴程的重要前提。本系統所采用的光電探測器陣列是由交叉排列的扇形和矩形光電探測器組合排列而成，具有靈敏度高、尺寸大和中心孔小等特點，同時具 備接收大角度的和小角度的散射光。其中小探測角度為0.08°，大探測角度達到了156°，能夠同時滿足量程上限下限的要求。加探測器的結構如圖6所 示。

圖4、組合鏡頭結構示意圖	圖5、光路架構示意圖	圖6、光電探測器基本結構示意圖