李振洋，項(xiàng)華中，葛 斌，王 成，鄭 剛

（上海理工大學(xué) 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(xì)胞時(shí)，由于物品本身不潔凈，操作室與外界隔離不嚴(yán)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(shí)驗(yàn)或存放物質(zhì)的過(guò)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(lái)一系列嚴(yán)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(duì)干凈，并實(shí)現(xiàn)全密閉生產(chǎn)過(guò)程，所以在生產(chǎn)中，有必要實(shí)時(shí)檢測(cè)透明容器內(nèi)污染物存在與否，并提前采取合理的補(bǔ)救措施。

目前有關(guān)污染物的檢測(cè)方法主要有：利用不同物質(zhì)的相態(tài)進(jìn)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(guò)程中以光輻射的形式發(fā)射出特征波長(zhǎng)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(jì)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(guò)散射并結(jié)合圖形進(jìn)行傅里葉變化的方法來(lái)測(cè)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(qiáng)度光斑，使樣品激發(fā)發(fā)光，這些光隨后通過(guò)光譜檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析并區(qū)別出物質(zhì)和污染物的激光誘導(dǎo)光譜法[9]。雖然這些方法有的可以定性、定量地測(cè)量出目標(biāo)污染物的類(lèi)別及含量，但也有各自的局限性。比如設(shè)備昂貴、檢測(cè)費(fèi)用高、便攜性差、測(cè)量范圍有限制或檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜，需專(zhuān)門(mén)技術(shù)人員操作和不能實(shí)現(xiàn)在線快速檢測(cè)等。

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

1 實(shí)驗(yàn)裝置及其測(cè)量原理

圖1是透明容器內(nèi)表面污染物檢測(cè)系統(tǒng)，它是一個(gè)改進(jìn)的并采用會(huì)聚光路的邁克爾遜干涉系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光器(Laser Diode, LD)發(fā)出中心波長(zhǎng)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(zhǔn)直鏡(Collimating Lens)到達(dá)半透半反鏡(Beam Splitter, BS)，在半透半反鏡上分成兩束：一束穿過(guò)半透半反鏡和補(bǔ)償鏡(Compensator)經(jīng)聚焦鏡(Lens 2)會(huì)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(cè)量臂，形成測(cè)量信號(hào)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(guò)觀察物鏡(Observation Tube Lens)會(huì)聚，經(jīng)光闌到達(dá)光電探測(cè)器(Photo-detector)。在探測(cè)器上，當(dāng)這兩束光滿(mǎn)足干涉條件時(shí)就會(huì)出現(xiàn)干涉信號(hào)[10-12]。M1及L3(兩者之間剛性聯(lián)結(jié))安裝在能夠精確移動(dòng)的平移臺(tái)上，通過(guò)調(diào)節(jié)M1，可以改變參考臂的光程。光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并在示波器(Oscilloscope)上顯示和記錄。連續(xù)移動(dòng)M1，當(dāng)來(lái)自參考臂與測(cè)量臂的兩束光的光程相等時(shí)，可以觀察到振蕩的干涉交變信號(hào)(可理解為干涉條紋的移動(dòng)引起的信號(hào)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(wú)污染物或是何種污染物。

設(shè)兩個(gè)頻率相同，振動(dòng)方向也相同的單色光波在P點(diǎn)相遇。故兩光波各自在P點(diǎn)產(chǎn)生的光振動(dòng)分別為：

式中：a1和a2分別為兩光波在P點(diǎn)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(shí)間。根據(jù)疊加原理，在P點(diǎn)的合振動(dòng)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(cè)系統(tǒng)Fig. 1 Detection system for inner surface contaminants of transparent vessels

若這兩個(gè)單色光波在P點(diǎn)的振幅相等，即a1=a2=a，則P點(diǎn)的光強(qiáng)可表示為[13]

式中：I0為單個(gè)光波的強(qiáng)度，并且I0=a2；δ為兩光 波 在 P 點(diǎn) 的 位 相 差 ， 并 且 δ=α2?α1。 當(dāng)δ=2π的整數(shù)倍時(shí)，I=4I0，P點(diǎn)有最大光強(qiáng)值。若這兩束單色光沒(méi)有恒定的位相差，即不滿(mǎn)足干涉條件，則P點(diǎn)的平均光強(qiáng)為

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

本文采用低相干寬帶LD光源，其中心波長(zhǎng)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(zhǎng)度lc的計(jì)算公式[14]

可知lc=23.2 μm，即相干長(zhǎng)度很短。因此，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中光電探測(cè)器出現(xiàn)干涉信號(hào)時(shí)，可以認(rèn)為測(cè)量臂與參考臂的光程相等，由此能實(shí)現(xiàn)來(lái)自透明容器內(nèi)壁的反射光與參考光的有效干涉。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：調(diào)節(jié)平移臺(tái)使反射鏡M1緩慢移動(dòng)，當(dāng)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(shí)，探測(cè)器會(huì)檢測(cè)到干涉信號(hào)，在示波器上顯示的是震蕩的電壓信號(hào)，同步存儲(chǔ)此干涉信號(hào)；隨后對(duì)內(nèi)壁被污染的比色皿做同樣處理，對(duì)得到的各個(gè)干涉信號(hào)作數(shù)字信號(hào)處理后再進(jìn)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(hào)處理及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，用水和食用油模擬透明容器內(nèi)的污染物，測(cè)得的干涉信號(hào)如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 透明容器內(nèi)表面空氣（無(wú)污染物）對(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)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(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)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(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)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(duì)應(yīng)透明容器內(nèi)表面空氣(無(wú)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(hào)。

原始的干涉信號(hào)易受熱噪聲、工頻等干擾，因此在整理信號(hào)之前先進(jìn)行消噪預(yù)處理。小波閾值消噪算法[15-17]是根據(jù)信號(hào)和閾值選擇標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定一個(gè)消噪處理過(guò)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(guò)小波消噪后得到的干涉信號(hào)。

根據(jù)傅里葉變換原理，時(shí)域中任何非周期信號(hào)都可由無(wú)限多個(gè)振幅不同的簡(jiǎn)諧分波疊加獲得，任何兩個(gè)“相鄰”分波的頻率相差無(wú)窮小。某一時(shí)刻，全部簡(jiǎn)諧波分量的疊加會(huì)產(chǎn)生時(shí)域中信號(hào)強(qiáng)度的變化，在示波器上以縱坐標(biāo)電壓的大小來(lái)表示。

由傅里葉積分定理給出的函數(shù)變換為[13]

稱(chēng)為f(x)的傅里葉變換，而

稱(chēng)為F(k)的傅里葉逆變換。

將上述消噪后的干涉信號(hào)在MATLAB中進(jìn)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(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)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(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)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(duì)應(yīng)透明容器內(nèi)表面空氣(無(wú)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(hào)傅里葉變換曲線。將此傅里葉變換曲線進(jìn)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(gè)橫坐標(biāo))，即

圖7 透明容器內(nèi)表面葵花油膜對(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)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(hào)的光強(qiáng)值，即內(nèi)表面的反射光強(qiáng)值(實(shí)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(duì)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(jìn)行干涉信號(hào)光強(qiáng)度的重復(fù)測(cè)量，并取測(cè)量的平均值，實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度測(cè)量表Tab. 1 Interference light intensity measurement for internal surface contamination of transparent containers

由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，內(nèi)表面有、無(wú)污染物或不同污染物對(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)光強(qiáng)均不同，據(jù)此可對(duì)有、無(wú)污染物及其種類(lèi)加以鑒別及區(qū)分。本實(shí)驗(yàn)干涉信號(hào)與環(huán)境中其他電磁信號(hào)相比，較弱且易受干擾，所以實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意此問(wèn)題。

3 結(jié) 論

本文提出了一種測(cè)量透明容器內(nèi)表面是否存在污染物的新方法。利用改進(jìn)的邁克爾遜干涉光路和低相干光干涉的原理，來(lái)獲取透明容器內(nèi)表面反射光信號(hào)，并根據(jù)干涉信號(hào)的光強(qiáng)度差別區(qū)別不同的污染物。由于干涉信號(hào)的光強(qiáng)度是單個(gè)反射光強(qiáng)度的四倍，因此更易被光學(xué)探測(cè)器探測(cè)和區(qū)分，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度。實(shí)驗(yàn)中采用動(dòng)態(tài)交流干涉信號(hào)(非直流量)，且采用成熟的信號(hào)處理方法，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)表明，該檢測(cè)方法實(shí)用快捷、裝置簡(jiǎn)單，有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)及食品生產(chǎn)等領(lǐng)域透明管道或器皿中污染物的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)中。