同軸數(shù)字全息術(shù)在大氣可吸入顆粒物PM2.5測(cè)量中的應(yīng)用

王萍

摘要： 討論了同軸數(shù)字全息術(shù)測(cè)量PM2.5大氣可吸入顆粒物的可行性，并設(shè)計(jì)了一套針對(duì)PM2.5顆粒測(cè)量的同軸數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)裝置。在討論同軸全息圖的數(shù)字圖像處理方法基礎(chǔ)上，利用所設(shè)計(jì)的裝置測(cè)量了與PM2.5顆粒粒徑相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)粒子，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。實(shí)驗(yàn)證明，同軸數(shù)字全息術(shù)可有效應(yīng)用于PM2.5顆粒的測(cè)量與分析。

關(guān)鍵詞： 同軸數(shù)字全息術(shù)； 可吸入顆粒物PM2.5； 大氣污染

中圖分類號(hào)： O438.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.04.002

Abstract： In this paper， the feasibility to measure PM2.5 by using inline digital holography is discussed and a corresponding experimental setup is designed. The setup is used in the measurement of standard particles which have approximate diameters with PM2.5. The experimental results are discussed and analyzed too. The results show that inline digital holography can be effectively applied to the measurement of PM2.5.

Keywords： inline digital holography； respirable particulate matter PM2.5； atmospheric pollution

引 言

大氣中直徑小于等于2.5 μm的顆粒物稱為可吸入顆粒物，科學(xué)家用PM2.5表示每立方米空氣中這種顆粒的含量，這個(gè)值越高就代表空氣污染越嚴(yán)重，因而對(duì)人體健康、空氣質(zhì)量和能見度等影響也越大。

準(zhǔn)確測(cè)定PM2.5粒子的濃度對(duì)于生產(chǎn)、生活和環(huán)境保護(hù)具有重要的意義和作用。針對(duì)PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展出不同的檢測(cè)方法，如震蕩天平法、β射線法以及光散射法等。然而，無論是借助錐形振蕩管頻率變化測(cè)量顆粒物濃度的振蕩天平法，還是基于β射線吸收原理的β射線法，亦或是測(cè)量塵粒在光照下的散射光變化的光散射法，都存在受空氣濕度影響大、濾膜成本高、儀器重新校準(zhǔn)以及操作維護(hù)工作繁瑣等問題。除上述PM2.5的測(cè)量方法以外，同軸數(shù)字全息術(shù)是一種測(cè)量大氣可吸入顆粒物PM2.5的有效方法[1-5]。

關(guān)于同軸數(shù)字全息術(shù)，Murata 等最早討論了同軸數(shù)字全息技術(shù)應(yīng)用于粒子場(chǎng)測(cè)量的可能性[6]。之后，Owen 等利用該方法研究了海洋中的粒子流動(dòng)情況[7]，而GarciaSucerquia等和Satake等分別將特殊的光路系統(tǒng)或顯微物鏡引入同軸數(shù)字全息術(shù)中[89]。隨后，Gao 等利用脈沖激光測(cè)量了粒子的直徑、位移、速度等信息[10]。在上述研究基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套針對(duì)PM2.5顆粒測(cè)量的同軸數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)裝置，利用該裝置測(cè)量與PM2.5顆粒粒徑相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)粒子，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論。

1 測(cè)量原理及裝置

1.1 同軸數(shù)字全息原理

在同軸數(shù)字全息術(shù)中，激光束經(jīng)細(xì)顆粒物衍射后與未受到干擾的背景光波發(fā)生干涉，形成同軸全息圖，并用CCD相機(jī)記錄下來，經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬光波的衍射再現(xiàn)過程對(duì)同軸全息圖進(jìn)行數(shù)值重建，可實(shí)現(xiàn)待測(cè)細(xì)顆粒物場(chǎng)的分層聚焦，實(shí)時(shí)獲取和測(cè)量具有較大景深范圍的細(xì)顆粒物場(chǎng)。同軸全息圖記錄過程中，假設(shè)物光波為O（x，y），參考光波為R（x，y），則全息圖的強(qiáng)度分布為

式中前2項(xiàng)分別是參考光波和物光波的強(qiáng)度分布，對(duì)應(yīng)再現(xiàn)像的零級(jí)和背景噪聲，后2項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)實(shí)像和共軛虛像。同軸全息圖再現(xiàn)過程中，因?yàn)槲锕獠ê蛥⒖脊獠ㄍS，其再現(xiàn)像疊加在一起，不能分開，伴隨的虛像會(huì)使再現(xiàn)像質(zhì)量降低。但當(dāng)對(duì)實(shí)像聚焦時(shí)，虛像離焦，對(duì)再現(xiàn)像的強(qiáng)度分布影響不大。同時(shí)，全息圖記錄了物體的空間位置信息，再現(xiàn)過程中可以控制全息圖的再現(xiàn)距離，獲得物體在不同空間位置處的信息。因此，同軸數(shù)字全息術(shù)特別適合用于PM2.5等顆粒物的場(chǎng)分布測(cè)量，通過全息圖的分層聚焦，可以實(shí)時(shí)獲取粒子的粒徑、空間分布、運(yùn)動(dòng)速度等信息[6-7]。

1.2 同軸數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

用于PM2.5測(cè)量的同軸數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，激光器發(fā)出的光束經(jīng)光纖耦合輸出后形成發(fā)散光束，經(jīng)光闌濾波后照射置于玻璃皿中的待測(cè)樣品。待測(cè)樣品的散射光波與未受到干擾的背景光波發(fā)生干涉，經(jīng)顯微物鏡成像后在CCD相機(jī)靶面得到同軸全息圖，再經(jīng)過后續(xù)的計(jì)算機(jī)處理便獲得待測(cè)量樣品信息。激光器為波長(zhǎng)640 nm的半導(dǎo)體激光器，顯微物鏡放大倍率為20×，CCD像素?cái)?shù)為1 280×960，像素尺寸為4.65 μm×4.65 μm，與顯微物鏡之間距離為160 mm。待測(cè)樣品為標(biāo)準(zhǔn)顆粒，盛于厚度為5 mm的玻璃皿中，并放置于光路中。測(cè)量過程中，玻璃皿中顆粒物的濃度不宜過高，若顆粒物濃度過高，則不受干擾而穿過樣品的激光束太少，導(dǎo)致最終CCD相機(jī)記錄的全息圖噪聲過大，影響測(cè)量效果。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

利用同軸數(shù)字全息術(shù)測(cè)量PM2.5時(shí)，全息圖的數(shù)值重建過程中需要一些特殊的數(shù)字圖像處理技術(shù)。圖2所示是全息圖數(shù)值重建的流程圖，包括全息圖的預(yù)處理、粒子閾值或邊緣檢測(cè)識(shí)別、粒子焦點(diǎn)位置定位、圖像區(qū)域識(shí)別、粒子形狀與尺寸識(shí)別、粒子數(shù)統(tǒng)計(jì)、粒子三維測(cè)量等流程。經(jīng)過上述流程后最終可以計(jì)算獲得粒子的直徑、空間位置和速度場(chǎng)等信息。

全息圖的預(yù)處理主要是引入高低通濾波或者中值濾波，對(duì)同軸數(shù)字全息圖進(jìn)行預(yù)操作，以降低零級(jí)像的干擾和散斑噪聲，提高數(shù)值再現(xiàn)像質(zhì)量；閾值或邊緣檢測(cè)識(shí)別主要是在全息像數(shù)值重建時(shí)，使聚焦位置處粒子比較清晰，即借助閾值或者Canny邊緣檢測(cè)手段將粒子從其背景中分離出來；粒子焦點(diǎn)位置判定主要是在沿光軸方向獲得一系列粒子再現(xiàn)像的過程中，通過粒子聚焦時(shí)灰度最小來判定其位置；最終在以上基礎(chǔ)上即可以獲得粒子尺寸、粒子數(shù)及其三維分布情況[11-13]。

圖3為直徑10 μm的標(biāo)準(zhǔn)聚合物粒子的同軸全息圖，其中圖3（a）是粒子的數(shù)字全息圖，粒子的衍射環(huán)分布清晰，參考光波背景均勻，全息圖質(zhì)量較好。圖3（b）和（c）分別為此全息圖的數(shù)值再現(xiàn)像和局部放大像，從圖3（c）強(qiáng)度再現(xiàn)像的局部放大像可以看出，圖中間位置粒子的聚焦像非常清晰，同時(shí)其周圍背景明亮，因此，可以很容易地借助數(shù)字圖像處理手段獲得中間聚焦粒子的位置、直徑等信息。但是，如果全息圖的質(zhì)量不好，則會(huì)嚴(yán)重影響其再現(xiàn)像，使粒子的聚焦像與其背景混淆不清。為了提高后續(xù)粒子場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，圖2中所述的全息圖的預(yù)處理、粒子閾值或邊緣檢測(cè)識(shí)別、粒子焦點(diǎn)位置定位和圖像區(qū)域識(shí)別等手段就非常必要。

圖4所示即為圖3中粒子的數(shù)字全息圖經(jīng)過圖2中一系列的處理手段之后的結(jié)果，其中圖4（a）中標(biāo)注出了圖3（a）中粒子場(chǎng)的全息圖經(jīng)過圖像處理之后所確定的所有粒子，一共有13個(gè)粒子被識(shí)別出來，并且已用序號(hào)在圖中標(biāo)明。當(dāng)確定某一粒子的軸向位置，即

其在沿光軸方向聚焦時(shí)，使用圖像區(qū)域識(shí)別與測(cè)量算法，即可以獲得針對(duì)某一具體空間位置粒子的直徑、長(zhǎng)短軸等信息。對(duì)識(shí)別得到的全部粒子進(jìn)行處理，即可以得到所有粒子的尺寸、形狀與三維分布信息。圖4（a）中所得到的13個(gè)粒子的空間位置與直徑信息見表1，其中，x位置和y位置單位為pixel，z位置是數(shù)值重建距離，其與直徑的單位均為μm。圖4（b）和（c）分別是測(cè)量得到的粒子直徑分布的直方圖和粒子的空間三維位置示意圖。

由此可見，同軸數(shù)字全息術(shù)是一種測(cè)量微小粒子的有效方法。以直徑為10 μm的標(biāo)準(zhǔn)粒子為例，通過這一方法我們不僅可以獲得其粒徑信息，同時(shí)還可以得到某一時(shí)刻粒子在空間的位置分布信息，利用該方法可以對(duì)PM2.5粒子進(jìn)行測(cè)量。

2 PM2.5測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證這一方法在不同粒子尺寸測(cè)量中的可靠性，分別利用直徑為5 μm和1 μm的標(biāo)準(zhǔn)聚合物粒子進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于直徑為5 μm的標(biāo)準(zhǔn)粒子而言，由于其直徑相對(duì)較小，為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，分別選取放大倍數(shù)為10×和20×的顯微物鏡進(jìn)行測(cè)量，其中，20×顯微物鏡的焦距為9 mm，與CCD靶面的距離為187.9 mm。圖5（a）和（c）分別給出了使用10×和20×顯微物鏡所記錄的同軸數(shù)字全息圖，兩幅圖因?yàn)轱@微物鏡放大倍率不同，衍射環(huán)的尺寸存在差異。為了更準(zhǔn)確地測(cè)量粒子直徑，分別使用10×和20×顯微物鏡記錄了15和13幅全息圖。經(jīng)過全息圖數(shù)值重建和圖像處理，分別識(shí)別出667個(gè)和536個(gè)粒子。圖5（b）和（d）分別為使用不同倍率顯微物鏡測(cè)量得到的粒子直徑分布，分別為5.130 μm±0.100 μm 和5.070 μm±0.500 μm，與粒子標(biāo)稱直徑5.003 μm±0.040 μm相比，測(cè)量誤差為2.54% 和 1.34%。

對(duì)于直徑1 μm的標(biāo)準(zhǔn)粒子而言，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中需要選擇放大倍率更高的顯微物鏡，例如40×或者60×，用以放大并記錄同軸粒子場(chǎng)全息圖。實(shí)驗(yàn)中所選用的40×或者60×顯微物鏡的焦距分別為4.5 mm和 2.9 mm，與CCD靶面的距離分別為183.0 mm和179.1 mm，由此得到相應(yīng)的系統(tǒng)放大率分別為39.66 和 60.76。同時(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)的放大倍率提高，其測(cè)量視場(chǎng)分別降低為0.150 mm×0.113 mm和0.098 mm×0.073 mm，像素分辨率分別降低為0.117 μm和0.076 μm，所以更適合小尺寸粒子測(cè)量。圖6為用不同放大倍率的顯微物鏡測(cè)得的結(jié)果。

圖6（a）給出了使用40×顯微物鏡測(cè)量直徑1 μm粒子時(shí)獲得的同軸全息圖。因?yàn)橄到y(tǒng)的放大率較高，其數(shù)值孔徑和空間帶寬積較小，與圖5相比，圖6（a）中全息圖的噪聲較多，所以粒子的衍射環(huán)比較模糊。實(shí)驗(yàn)中共記錄了20幅全息圖，數(shù)值重建處理后得到1 015個(gè)粒子，其二維和三維分布如圖6（b）和（c）所示。對(duì)所有粒子進(jìn)行分析后，可以得到粒子的直徑分布為1.050 μm±0.030 μm，如圖6（d）所示，與粒子的標(biāo)稱直徑1.034 μm±0.020 μm相比，測(cè)量誤差約為1.55%。當(dāng)使用60×顯微物鏡對(duì)此直徑1 μm粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其同軸全息圖和直徑分布如圖6（e）和（f）所示，直徑的測(cè)量值為1.050 μm±0.020 μm，誤差為1.55%。

3 結(jié) 論

本文對(duì)同軸數(shù)字全息術(shù)測(cè)量PM2.5大氣可吸入顆粒物的可行性進(jìn)行了討論，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套針對(duì)PM2.5顆粒測(cè)量的同軸數(shù)字全息實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)同軸全息圖的數(shù)字圖像處理方法進(jìn)行了討論。最終利用所設(shè)計(jì)的同軸數(shù)字全息裝置測(cè)量了與PM2.5顆粒粒徑相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)粒子，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。實(shí)驗(yàn)證明，同軸數(shù)字全息術(shù)是一種測(cè)量PM2.5顆粒的有效方法。

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（編輯：劉鐵英）