內(nèi)表面污染物的低相干光干涉檢測法

李振洋，項華中，葛 斌，王 成，鄭 剛

（上海理工大學 上海介入醫(yī)療器械工程研究中心，上海 200093）

引 言

在用透明容器盛放物品或培養(yǎng)細胞時，由于物品本身不潔凈，操作室與外界隔離不嚴或消毒不充分，都很容易造成容器內(nèi)表面污染。即使一些封裝的透明容器也可能在實驗或存放物質(zhì)的過程中混入粒子、油脂、水蒸氣等污染物[1]，而一旦污染，就可能帶來一系列嚴重的后果。比如一些生產(chǎn)食品或高活性藥品的工廠，操作器具都需要絕對干凈，并實現(xiàn)全密閉生產(chǎn)過程，所以在生產(chǎn)中，有必要實時檢測透明容器內(nèi)污染物存在與否，并提前采取合理的補救措施。

目前有關(guān)污染物的檢測方法主要有：利用不同物質(zhì)的相態(tài)進行區(qū)別的氣相色譜法[2]、液相色譜法[3]和液相色譜?質(zhì)譜聯(lián)法[4]；利用基態(tài)原子吸收能量而被激發(fā)至高能態(tài)，而后退激發(fā)過程中以光輻射的形式發(fā)射出特征波長熒光的原子熒光法[5]；將等離子體的高溫電離特性與質(zhì)譜計的快速掃描相結(jié)合而形成的電感耦合等離子體質(zhì)譜法[6]；通過散射并結(jié)合圖形進行傅里葉變化的方法來測定光譜從而鑒定內(nèi)部污染物的散射傅里葉變換技術(shù)[7-8]；使用激光在材料表面形成高強度光斑，使樣品激發(fā)發(fā)光，這些光隨后通過光譜檢測系統(tǒng)進行分析并區(qū)別出物質(zhì)和污染物的激光誘導光譜法[9]。雖然這些方法有的可以定性、定量地測量出目標污染物的類別及含量，但也有各自的局限性。比如設(shè)備昂貴、檢測費用高、便攜性差、測量范圍有限制或檢測過程復雜，需專門技術(shù)人員操作和不能實現(xiàn)在線快速檢測等。

本文根據(jù)光在介質(zhì)分界面處的反射特性，基于改進的邁克爾遜干涉儀光路和低相干光干涉的原理，來獲取容器內(nèi)表面反射光信號，并根據(jù)干涉信號的光強度差別判別透明容器內(nèi)部是否被污染。本文方法操作簡便、快捷，能滿足透明容器或管道內(nèi)污染物的實時在線檢測的要求。

1 實驗裝置及其測量原理

圖1是透明容器內(nèi)表面污染物檢測系統(tǒng)，它是一個改進的并采用會聚光路的邁克爾遜干涉系統(tǒng)。半導體激光器(Laser Diode, LD)發(fā)出中心波長為810 nm的近紅外低相干光，然后此光束依次經(jīng)聚焦鏡(Lens 1)、針孔光闌(Pinhole Aperture)和準直鏡(Collimating Lens)到達半透半反鏡(Beam Splitter, BS)，在半透半反鏡上分成兩束：一束穿過半透半反鏡和補償鏡(Compensator)經(jīng)聚焦鏡(Lens 2)會聚到透明容器(本文所用的比色皿)前壁后表面，被反射之后沿原路返回，構(gòu)成測量臂，形成測量信號光；另一束聚焦到組合鏡(Mirror, M)上(先經(jīng)角鏡(Corner Prism, CP)折反，再經(jīng)聚焦鏡(Lens 3,L3)聚焦到反射鏡(Mirror 1, M1))，被反射后再沿原路返回，構(gòu)成參考臂，形成參考光。這兩束光通過觀察物鏡(Observation Tube Lens)會聚，經(jīng)光闌到達光電探測器(Photo-detector)。在探測器上，當這兩束光滿足干涉條件時就會出現(xiàn)干涉信號[10-12]。M1及L3(兩者之間剛性聯(lián)結(jié))安裝在能夠精確移動的平移臺上，通過調(diào)節(jié)M1，可以改變參考臂的光程。光電探測器將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，并在示波器(Oscilloscope)上顯示和記錄。連續(xù)移動M1，當來自參考臂與測量臂的兩束光的光程相等時，可以觀察到振蕩的干涉交變信號(可理解為干涉條紋的移動引起的信號變化)，再經(jīng)后續(xù)處理和比較即可判別透明容器內(nèi)表面有無污染物或是何種污染物。

設(shè)兩個頻率相同，振動方向也相同的單色光波在P點相遇。故兩光波各自在P點產(chǎn)生的光振動分別為：

式中：a1和a2分別為兩光波在P點的振幅；r1和r2分別為P到兩光源的距離；k為波數(shù)；為角頻率；t為時間。根據(jù)疊加原理，在P點的合振動為

設(shè) α1=kr1，α2=kr2，則式 (3)可化為

圖1 透明容器內(nèi)表面污染物檢測系統(tǒng)Fig. 1 Detection system for inner surface contaminants of transparent vessels

若這兩個單色光波在P點的振幅相等，即a1=a2=a，則P點的光強可表示為[13]

式中：I0為單個光波的強度，并且I0=a2；δ為兩光 波 在 P 點 的 位 相 差 ， 并 且 δ=α2?α1。 當δ=2π的整數(shù)倍時，I=4I0，P點有最大光強值。若這兩束單色光沒有恒定的位相差，即不滿足干涉條件，則P點的平均光強為

即P點的平均光強度恒等于兩疊加光波的強度之和。由此可見，若采用干涉信號，能得到2倍于非干涉信號的光強度，據(jù)此能提高測量系統(tǒng)的檢測靈敏度。

本文采用低相干寬帶LD光源，其中心波長為λ0=810 nm，其光譜振幅的半高全寬(full width half maximum, FWHM)為Δλ=25 nm，根據(jù)相干長度lc的計算公式[14]

可知lc=23.2 μm，即相干長度很短。因此，當實驗中光電探測器出現(xiàn)干涉信號時，可以認為測量臂與參考臂的光程相等，由此能實現(xiàn)來自透明容器內(nèi)壁的反射光與參考光的有效干涉。

實驗過程如下：調(diào)節(jié)平移臺使反射鏡M1緩慢移動，當反射鏡M1反射的光與空比色皿前壁內(nèi)表面反射光的光程相等時，探測器會檢測到干涉信號，在示波器上顯示的是震蕩的電壓信號，同步存儲此干涉信號；隨后對內(nèi)壁被污染的比色皿做同樣處理，對得到的各個干涉信號作數(shù)字信號處理后再進行前后兩組數(shù)據(jù)的比較，根據(jù)其差異即可鑒別透明容器內(nèi)表面是否存在污染物。

2 干涉信號處理及結(jié)果分析

2.1 實驗結(jié)果處理

在實驗時，用水和食用油模擬透明容器內(nèi)的污染物，測得的干涉信號如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 透明容器內(nèi)表面空氣（無污染物）對應(yīng)的干涉信號Fig. 2 The interference signal corresponding to inner surface air (pollution-free) in the transparent vessel

圖3 透明容器內(nèi)表面水膜對應(yīng)的干涉信號Fig. 3 The interference signal corresponding to inner surface water film in the transparent vessel

圖4 透明容器內(nèi)表面葵花油膜對應(yīng)的干涉信號Fig. 4 The interference signal corresponding to inner surface sunflower oil film in the transparent vessel

圖2(a)、圖3(a)、圖4(a)分別對應(yīng)透明容器內(nèi)表面空氣(無污染)、透明容器內(nèi)表面水膜和透明容器內(nèi)表面葵花油膜的原始干涉信號。

原始的干涉信號易受熱噪聲、工頻等干擾，因此在整理信號之前先進行消噪預處理。小波閾值消噪算法[15-17]是根據(jù)信號和閾值選擇標準來確定一個消噪處理過程并采用自適應(yīng)閾值。圖2(b)、圖3(b)、圖4(b)分別是經(jīng)過小波消噪后得到的干涉信號。

根據(jù)傅里葉變換原理，時域中任何非周期信號都可由無限多個振幅不同的簡諧分波疊加獲得，任何兩個“相鄰”分波的頻率相差無窮小。某一時刻，全部簡諧波分量的疊加會產(chǎn)生時域中信號強度的變化，在示波器上以縱坐標電壓的大小來表示。

由傅里葉積分定理給出的函數(shù)變換為[13]

稱為f(x)的傅里葉變換，而

稱為F(k)的傅里葉逆變換。

將上述消噪后的干涉信號在MATLAB中進行傅里葉變換，所得到的傅里葉變換曲線如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 透明容器內(nèi)表面空氣對應(yīng)的干涉信號傅里葉變換曲線Fig. 5 The Fourier transform curve of interference signal corresponding to inner surface air in the transparent vessel

圖6 透明容器內(nèi)表面水膜對應(yīng)的干涉信號傅里葉變換曲線Fig. 6 The Fourier transform curve of interference signal corresponding to inner surface water film in the transparent vessel

圖5、圖6、圖7分別對應(yīng)透明容器內(nèi)表面空氣(無污染)、透明容器內(nèi)表面水膜和透明容器內(nèi)表面葵花油膜的干涉信號傅里葉變換曲線。將此傅里葉變換曲線進行面積積分(積分區(qū)間取峰值附近的一段有效頻率范圍，而非圖中整個橫坐標)，即

圖7 透明容器內(nèi)表面葵花油膜對應(yīng)的干涉信號傅里葉變換曲線Fig. 7 The Fourier transform curve of interference signal corresponding to inner surface sunflower oil film in the transparent vessel

為方便并不失一般性，本文將式(10)的結(jié)果作為干涉信號的光強值，即內(nèi)表面的反射光強值(實際上是與此值成正比)。

2.2 結(jié)果分析

在同一環(huán)境下(溫度、濕度、氣壓基本不變的情況)，分別對透明容器內(nèi)表面為空氣、水膜、葵花油膜、菜籽油膜、橄欖油膜進行干涉信號光強度的重復測量，并取測量的平均值，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 透明容器內(nèi)表面污染的干涉光強度測量表Tab. 1 Interference light intensity measurement for internal surface contamination of transparent containers

由表1實驗結(jié)果可知，內(nèi)表面有、無污染物或不同污染物對應(yīng)的干涉信號光強均不同，據(jù)此可對有、無污染物及其種類加以鑒別及區(qū)分。本實驗干涉信號與環(huán)境中其他電磁信號相比，較弱且易受干擾，所以實驗中應(yīng)注意此問題。

3 結(jié) 論

本文提出了一種測量透明容器內(nèi)表面是否存在污染物的新方法。利用改進的邁克爾遜干涉光路和低相干光干涉的原理，來獲取透明容器內(nèi)表面反射光信號，并根據(jù)干涉信號的光強度差別區(qū)別不同的污染物。由于干涉信號的光強度是單個反射光強度的四倍，因此更易被光學探測器探測和區(qū)分，提高了系統(tǒng)的檢測靈敏度。實驗中采用動態(tài)交流干涉信號(非直流量)，且采用成熟的信號處理方法，提高了測量的準確性。實驗表明，該檢測方法實用快捷、裝置簡單，有望應(yīng)用于生物醫(yī)學及食品生產(chǎn)等領(lǐng)域透明管道或器皿中污染物的實時在線檢測中。