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在進入主題之前，我首先要澄清一下，這里的“激光粒度儀”是指基于靜態光散射或衍射原理的粒度分析儀器, 測量范圍從大約100納米到幾毫米。與之容易混淆的還有另一種也是以激光作為照明光源的粒度分析儀器——動態光散射粒度儀，在國內通常叫作納米粒度分析儀。本文探討的產品是指前者。
一提起高端的科學儀器，大多數國人都認為進口的國外儀器比國產儀器先進。但是，對激光粒度儀，我可以很負責任地說，總體上國產儀器與進口儀器水平相當，有些國產品牌甚至領先于世界同行。國外產品的價格確實高，但是技術性能一點都不高。所以，某些國家如果想在激光粒度儀上卡中國的脖子，不僅對中國的粒度儀應用產業絲毫無損，而且還會自行斷送國外品牌在中國的市場，對中國的上下游產業發展只有好處，沒有壞處。
能不能制造出高水平的科技產品，關鍵點有三：一是產品的設計，二是供應鏈（配套原材料），三是制程管理。
就原料供應來說，國內國外的粒度儀廠商都是全球采購的，相互之間沒什么差別。具體來說，集成電路和部分電子元件大多是國外生產的，機械零件和光學鏡頭大多是中國生產的，有些國外品牌甚至連整機都是在中國境內、由中國工人完成組裝調試的。某些國產品牌為了宣傳自己的粒度儀“高大上”，聲稱光學鏡頭是某發達國家生產的，不知真假？但愿是假的；如果是真的，那真要為之惋惜了。其實，國產光學鏡頭完全能夠滿足激光粒度儀的使用需求。就連某些著名的進口品牌的鏡頭都是中國產的，說明國外同行早就認可中國鏡頭的質量。你又何必花高價到國外采購呢？要說卡脖子，電子元器件真是國產科學儀器“脆弱的要害部位”。激光粒度儀要用到的激光二極管，一些模擬集成電路，單片機等，都需要進口。但這不是我們激光粒度儀的廠商能夠解決的。
至于制程管理，需要經驗的積累和精益求精的態度。國產品牌或者其主要負責人，進入激光粒度儀行業都已超過20年，而且有些人曾長期在國外同行企業工作，再笨也學會該如何管理了，更何況中國人還是挺聰明的，至少不會在智力上輸給西方人。對產品質量的態度，我認為幾家主要的國產品牌都是很認真的。或許是激烈競爭的原因，大家都迫切地希望用戶使用自己的產品時有良好的體驗：精確、穩定、可靠。說到用戶體驗，我要提一句提外話：目前進口產品在售后服務上給用戶的感覺都不太好：不僅服務不及時，態度不友好，而且收費巨貴。在這一點上，國外品牌就大大比不上國產品牌了。
最后一點就是激光粒度儀的設計了，這是硬核技術，也是本文要談的重點。在供應鏈和制程管理不相上下的情況下，設計水平的高低決定了激光粒度儀的技術性能的高下。
下面將正式展開對國內外激光粒度儀的認知和設計水平的比較。表述聽起來可能比較“學究”，請讀者諸君諒解。這是因為不用專業的表達，就無法把其中的要點說清楚，就會顯得模棱兩可，給人留下質疑的空間。但是我會盡量表達得通俗一點。
1. 激光粒度儀的光學模型及簡要歷史回顧
粒度儀器有多種原理，但大多數都把被測量的顆粒看成一個理想的圓球。盡管實際的顆粒很少是理想圓球，有的甚至遠遠偏離圓球，但是由于顆粒的數量太大，形狀也是千變萬化，如果連形狀都要考慮進去，是一件無法完成的工作，所以只能把顆粒當作圓球來處理。激光粒度儀也是把顆粒當成理想圓球來處理，全世界的品牌都一樣。
1.1 光散射的模型
光是電磁波。在均勻的介質中，光是沿著直線傳播的。如果光在傳播的途中遇到一個顆粒，光和顆粒就會發生相互作用，光波一部分可能被顆粒吸收，一部分則偏離原來的方向繼續傳播，后者就稱為“光的散射”。這種相互作用遵循電磁波理論，即麥克斯韋方程組。只要顆粒尺寸遠大于原子尺度，并且沒有原子激發輻射（熒光）現象發生，那么，電磁波理論的正確性是不容置疑的。平面電磁波遇到圓球顆粒后發生的散射現象，可以有嚴格的數學解，稱作“Mie散射理論”。不過這個解在數學形式上非常復雜、計算量龐大，物理意義很抽象。在顆粒直徑遠大于光波長時，散射現象可以用幾何光學近似理論解釋，這樣物理意義就變得很直觀了。
請看圖1。在顆粒遠大于光波長的情況下，顆粒對光的散射，可以分成兩個部分：衍射和幾何散射。從無限遠（遠場）的位置觀察，衍射光的偏離角度只跟顆粒在觀察面上的投影的大小有關，顆粒越小，衍射角越大，這部分信息可以用來分析顆粒的大小。幾何散射光是指光線投射到顆粒表面以后，一部分發生反射，另一部分經過折射進入顆粒內部，又在另一個界面上發生折射（到介質）和反射的現象。散射光場是這兩部分光的疊加。圖1中只畫出了衍射光和一次折射光。從遠場看，幾何散射光的相對強度分布與顆粒大小無關，只與顆粒的折射率與吸收系數有關。另外，當顆粒很大時，衍射光的分布范圍遠遠小于幾何散射光的分布范圍，但是由于兩種散射光的總能量相同，所以從小角度看，衍射光的強度要遠遠大于幾何散射光的強度。這也是在小角度范圍內觀察大顆粒的散射光時，可以只考慮衍射光的原因。
圖1 光散射模型的幾何光學近似
激光粒度儀在上世紀70年代初剛出現時，只考慮衍射光，所以顆粒可以看成一個不透光的圓片，見圖2。根據光學上著名的巴比涅互補原理，一個不透光的圓片所產生的衍射場與同直徑的圓孔所產生的衍射場只在位相上差180°，振幅則完全相同。激光粒度儀直接測量的是光強的分布，它是振幅的模的平方，跟位相沒關系，所以一個直徑為D的顆粒所產生的衍射光強的分布可以用等直徑的圓孔產生的光強分布來代替。
圖2 從圓球散射到圓孔衍射的簡化
圓孔的衍射在19世紀末就有解析形式的理論表達。遠場的衍射理論稱為“夫朗和費衍射理論”。圖2還表示出了觀察遠場衍射的經典裝置：在圓孔后放置一個光學透鏡，在透鏡的焦平面上放置觀察屏，這樣在屏上看到的圖像就是遠場衍射光斑。衍射角度為的衍射光落在屏上的位置到屏的中心的距離為（ 是透鏡的焦距）。順便科普一個光學名詞：如果透鏡是對焦平面消像差的，該透鏡就稱為“傅里葉透鏡”。
從圖2可以看到，遠場的衍射光斑由中心亮斑和一系列同心圓環組成，被稱為“愛里斑”。理論上可以證明，愛里斑的第一個暗環內包含了大約84%的衍射總光能，所以習慣上把第一個暗環所對應的衍射角稱為愛里斑的（角）半徑。愛里斑的半徑與圓孔直徑、也就是顆粒的直徑近似成反比，因此屏上的光強分布與顆粒大小之間有一一對應關系。激光粒度儀就是根據這個原理分析顆粒大小的。
1.2 國內外激光粒度儀的發展史
一個10微米的顆粒，如果用0.633微米（紅光he-Ne激光波長）的光去照射，那么衍射角就是4.4°；100微米的顆粒，衍射角就是0.44°了。世界上第一臺激光粒度儀直到1970年前后(準確的年份有幾種說法)才出現，就是因為它首先需要一種單色性、方向性都足夠高、強度足夠強的光源，這就是激光。所以它只能出現在激光器問世（1961年）之后。另外，探測衍射光場的分布需要硅光電探測器陣列，需要用到集成電路制作工藝；把衍射光的分布轉換成粒度分布需要臺式計算機，這些條件都是1960年以后才出現的。
國內最早開始激光粒度儀研制的是天津大學的張以謨團隊，當時是承接了國家科委的六五（1981年到1985年）科技攻關項目。項目于1989年通過了國家科委的技術鑒定。產品名稱當時叫做“激光滴譜儀”，設定的應用對象是液體霧滴的粒度測量。比天津大學略晚開展激光粒度儀研制的單位還有上海機械學院（后改名“上海理工大學”）、山東建材學院（后并入濟南大學）、四川省輕工業研究院、重慶大學和遼寧（丹東）儀器儀表研究所。
從上面的介紹可以看出，國產激光粒度儀的出現時間比世界上最早的同類產品晚了大約20年。早期國產儀器的落后，首先就是因為起步的時間晚。起步晚的原因有這么幾個：（1）國外開始研發激光粒度儀的時間正好是中國的文革時期，閉關鎖國，國內的科研人員不太了解國外的動態，一直到1970年代末改革開放后，國外的產品賣到中國，以及國內的科研人員到國外進修，才知道有這么一種產品。（2）激光粒度儀的應用對象是從事粉體、漿料、乳液、膠體以及噴霧的科研和生產單位，當時中國在生產和科研兩個方面都大幅落后于國外。國內的應用需求對該產品的研發的拉動不強烈。（3）在改革開放前以及改革開放后的很長一段時間，科研由高校和研究機構做，而生產由工廠做。科研單位感受不到應用的需求，而生產單位即使知道有需求，也沒有能力設計一款光、機、電和計算機一體化的產品。（4）激光粒度儀作為當時的高精尖產品，需要激光器、電腦、形硅光電池陣列、半導體芯片等元器件和設備的配套，在上世紀六、七十年代，中國很難獲得這些東西。
目前國內的情況已經完全改觀：一是國內需求拉動強烈，二是各種電子元件、計算機軟硬件等都能在全球采購，三是國內的研發人員理論基礎雄厚，創新意識強，能開展基礎理論研究和技術創新。經過30多年的進步，國產激光粒度儀的技術已經能和全球同行并駕齊驅，并有一部分實現了超越。
1.3 當前各種品牌對光學模型的應用
從1.1節的討論可以看到，如果只考慮遠大于光波長的顆粒，并且只測量小角度的散射光（例如小于5°）的話，用衍射理論基本可以滿足粒度測量的要求。衍射理論的優勢在于數值計算相對簡單，也不需要知道顆粒的光學參數（折射率和吸收系數）。
但是如果想把粒度測量下限擴展到接近或小于光的波長，那么就不得不考慮更大角度范圍的散射光了。現在的粒度儀測量下限可以達到光波長的1/10左右。圖3表示出幾種亞微米顆粒的散射光強分布。從圖上可以看出，對小顆粒來說，不同粒徑散射光強度分布的差別，主要在大角度上，甚至大到180°。這就需要儀器的光學系統能測量0°到180°全角范圍的散射光，光學模型也必須用Mie散射理論了。
圖3 對數極坐標下亞微米顆粒的散射光強分布
圖中的坐標系是對數極坐標，方位角就是散射角，輻射線的長度是散射光強度的對數。(a)(d)分別表示1µm、0.5µm、0.25µm和0.12 µm的顆粒的散射光強分布。
目前國內國外的廠商，大多數采用復雜但嚴謹的Mie理論，但也有個別國外廠商還在用衍射理論。從所采用的光學模型來看，國內廠商與國外的主流廠商是同步的。相反，個別國外廠商還在用夫朗和費衍射理論，就顯得抱殘守缺了。
1.4 對光學模型研究的新發現
激光粒度測試技術的研究者和廠商都隱藏著一個困惑：激光粒度儀無法正常測量3微米左右的聚苯乙烯微球。這是為什么？
國內廠商——珠海真理光學儀器有限公司與天津大學的聯合團隊發現了造成這個困惑的根源：愛里斑的反常變化（ACAD）。通常我們都認為顆粒越小，愛里斑越大，于是顆粒大小與愛里斑大小之間有一一對應關系，所以粒度儀能夠根據散射光的分布推算粒度分布。但事實上在有的粒徑區間，會出現違反上述規律的情況：顆粒越小，愛里斑也越小。我們把這樣的粒徑區間叫做“反常區”。圖4是根據Mie散射理論用數值計算的方法模擬出的聚苯乙烯微球的愛里斑的變化。圖中粒徑從3微米到3.5微米的愛里斑尺寸的變化就屬于反常變化。對聚苯乙烯微球來說，3微米左右正好是在反常區，所以測量出現異常。研究論文發表于2017年。
圖4 愛里斑的反常變化現象
該研究揭示出，任何無吸收或弱吸收的顆粒的光散射都存在反常現象。如果顆粒無吸收，則存在無限多個反常區。對粒度測量有影響的主要是第一反常區，其所處的粒徑區間大約在0.5微米到10微米，具體位置跟顆粒與分散介質的折射率以及光波長有關。顆粒折射率越大，反常區中心對應的粒徑越小。被測顆粒的粒徑落在第一個反常區的話，通常的反演算法就難以根據散射光的分布計算出正確的粒度分布。反常現象對激光粒度測量的影響是普遍存在的，這將在第3節繼續討論。
愛里斑反常變化現象的發現與研究，是國內廠商與研究機構對激光粒度測試技術的創造性貢獻，當然是世界范圍內獨一無二的，是領先于世界的。
2. 各種儀器的散射光接收系統
粒度儀的散射光接收系統決定了儀器能否獲得充分的顆粒散射光信息，從而準確計算出被測顆粒的粒度分布。它是激光粒度儀的關鍵技術之一。
亞微米顆粒的散射光能分布見圖5，其中假設了探測器的面積與散射角成正比，照明光是線偏振光，偏振方向垂直于散射面。其中圖（a）表示全角范圍內完整的散射光能分布。從中可以看出，垂直偏振散射光是分布在0°到180°的全角范圍內的，對0.3微米以細的顆粒來說，散射光能的主峰分布處在40°到90°的前向大角度上。由于光能分布的主峰位置（如果有）與粒徑之間有最顯著的特異性，因此獲取40°以上的散射光信息對亞微米顆粒測量至關重要。
圖5 亞微米顆粒的散射光能分布曲線
(a) 全角范圍的光能分布，(b) 正入射平板玻璃窗口得到的；(c) 斜置梯形玻璃窗口得到的
圖6是當前國內外比較有影響力的幾種品牌的激光粒度儀的散射光接收系統的光路圖。其中圖 (a)稱為經典光路，又稱正傅里葉變化光路。是激光粒度儀發展的早期就開始采用的光路。其特點是用平行激光束垂直入射到測量窗（池），相同角度的散射光通過傅里葉鏡頭后被聚焦到探測器的一個點上。其缺點是系統能接收的最大散射角受傅里葉鏡頭的孔徑限制。目前能達到的最大孔徑角是45°。如果顆粒分散在水介質中，那么對應的最大散射角是32°。這樣的系統能測量的最小粒徑約為0.4微米。
圖6 各種散射光接收系統原理圖
圖6(b)是一種逆（反）傅里葉變換系統。它用會聚光垂直照射到測量池。在小散射角上也能會聚同角度的散射光。但是大角度的聚焦不良，不過可以在光學模型的數值計算上對此進行補償，并不影響對散射光分布的測量。它的好處是最大接收角不受透鏡孔徑限制。空氣中的最大接收角可達60°或更大，對應于水介質中的散射角為41°以上。如果前向散射角繼續增大，大于49°時，就會受到全反射規律的約束，無法出射到空氣中，該以上角度稱為“全反射盲區”。盲區內的散射光也就無法被探測器接收。這將丟失0.3微米及以細顆粒的散射光能主峰信息，見圖5(b)。這種系統一般還設置后向探測器，能接收大于139°的散射光。對0.1左右的顆粒測量有幫助。
圖6(c)是一種是多光束方案，是為突破全反射的限制而專門設計的。它用一束光作為主光束，正入射到測量池，用另外一束或兩束光作為輔助光束，斜入射到測量池。如果設置后向探測器，則只需一束輔助光。。通常，為了盡量擴大儀器的測量范圍，主光束用紅色激光，而輔助光束用藍色LED光源。假設輔助光的對測量池的入射角為45°，那么在該輔助光的配合下，測量盲區可以減小32°。如果只有主光束時散射角測量上限為41°，那么現在的測量上限可達73°。但是它的缺點是，主光束照明情況下的散射光測量和輔助光照明下的測量（如果兩束輔助光，也要分別測量）必須分開進行，兩次測量的數據拼接，不是一件容易做好的事情。如果輔助光和主光用不同的波長，還需要同時獲取兩種波長所對應的折射率。有時要得到一種波長的折射率都有困難，兩種更難了。
圖6(d)稱為偏振光強度差（PIDS）方案（該圖取自許人良博士未出版的書稿）。其特征是除了正入射的主光束以及配套的雙鏡頭散射光接收系統外，另外串聯了一個測量池，并在照明光行進路徑的側面設置對應不同散射角的探測系統。利用90°散射角周圍垂直偏振的散射光與平行偏振的散射光的分布差異，分析亞微米顆粒的大小。存在的問題是: （1）主光束獲得的信息與PIDS窗口獲得的信息之間如何拼接？（2）PIDS測量利用了多種波長的照明光，要想獲得多種波長的折射率是非常困難的。
圖6(e)稱為“斜置平行窗口”方案或“照明光斜入射”方案。作者最早于2010年提出該方案（專利）。它的優點是用一束照明光就可以突破全反射的限制，卻沒有多光束方案的數據拼接難題。比如說斜置20，被接收的最大散射角就可以增加到60°。但是要完全消除全反射的影響，必須斜置70°。此時入射光在探測平面上不能良好聚焦，從而影響了大顆粒的測量。這是作者沒有在真理光學的產品中采用這種方案的原因，但有其他國產品牌在用這種方案。
圖6(f)是真理光學在用的“斜置梯形窗口”光學系統。它只需一束照明光。測量池整體傾斜10°，不影響入射光的聚焦，測量池右側的玻璃做成梯形，讓接近或大于全反射臨界角的散射光從梯形的斜面出射。這種方案能讓前向最大散射角達到80°，使系統能夠接收所有亞微米顆粒的散射光能分布的主峰信息，見圖5(c)。這是目前前向散射接收角最大的光學系統，而且還只用了一束照明光，沒有數據拼接問題。是一種世界領先的方案。
3. 反演算法與粒度測試結果的真實性
反演算法就是把儀器測量得到的被測顆粒的散射光分布，結合事先根據光學模型的數值計算得到的預設的各種粒徑顆粒的散射光能分布（組成“散射矩陣”），反向計算出被測顆粒的粒度分布的計算機程序。粒度分布是激光粒度儀輸出的最終結果，它能否真實反映被測顆粒的粒度，是激光粒度儀性能的最終體現。
3.1 獲得真實的粒度測試結果的基本條件
能否獲得好的粒度分布數據由以下三點決定：
（A）充分的被測顆粒的散射光分布信息，最好含有光能分布的主峰（如果有）；
（B）利用光學模型計算得到的散射光分布與粒度分布之間存在一一對應關系；
（C）合理的算法。
各廠商的算法是技術秘密，外人無從知曉與評價。但是可以確定的是，如果條件（A）和（B）有缺失，一定會影響最終的粒度分布結果。從第2節的敘述我們已經看到，現有的各種散射光的接收方案都不能百分之百獲得0到180°的散射光信息，但是有的方案好一些，比如圖6(f)的方案；有的則有較大的信息缺口，比如圖6(a)和(b)所示的方案。作者在第1節中談到過，真理光學團隊發現的愛里斑的反常變化，將導致在被測顆粒是透明的條件下，對于粒徑落在第1反常區內的顆粒，條件(B)不能滿足。
相對來說，國產的真理光學做得比較好。對條件(A)，前向最大散射角（介質中）的接收能力達到80°，能捕獲所有顆粒的光能分布主峰，并且只用一束照明光，避免了不同照明光的數據拼接。對條件(B)，基于對愛里斑反常變化的原創發現和規律的深入研究，通過軟硬件的結合，基本上解決了愛里斑反常變化對粒度分析的影響。
現在國內外各廠商都宣稱自己的儀器能測量小到100納米以細，大到數千微米，全量程無死角的粒度分布，但是上述條件(A) 和(B)的缺失，從客觀上限制了這些儀器的測量能力，使得它們宣稱的性能難以實現。
3.2 國外某儀器有多種反演計算模式，不同模式會給出不同的粒度分析結果
有些國外儀器有多種反演計算模式。同樣的被測樣品，選不同的模式就會輸出不同的結果。
圖7 國外某儀器不同反演模式輸出不同結果的案例
圖7是該儀器的實測案例。圖7(a)是標稱D50為150納米的聚苯乙烯微球標樣的測量結果。選“通用”模式時，D50為121納米，與樣品標稱值相差較遠，且分布曲線明顯展寬；選”單峰窄分布”模式時，D50為148納米，與樣品標稱值相符。圖7(b)是標稱D50為3微米的標樣的測量結果。選“通用”模式時，結果呈現多峰，與樣品的單分散特征完全不符；選“單峰窄分布”模式時，與樣品形態特征及標稱值相符。圖7(c) 是一個人工配制的3個峰的SiO2 微球。選“通用”模式時，結果只有1個峰，完全失真；選“多峰窄分布”模式時，曲線呈現2個峰，結果比“通用”模式接近真實，但還是有失真。
從使用經驗看，該儀器在測量顆粒標準樣品時只能用“單峰窄分布”模式去分析。因為顆粒標準物質就是單峰窄分布的，所以這種做法頗有“量身定做”的意味。如果用 “通用”模式分析標準微球時，則經常出錯。人們難免要問：“通用”模式連最容易測量的顆粒標準物質都給不出正確的結果，如何保證一般樣品的測量結果是正確的？還有一個疑問是：一種儀器的不同模式給出不同的結果，究竟哪一個是正確的結果？
上述問題如果沒有合理的解答，那么從基本的科學邏輯出發，我們就可以得出這樣的結論：一種儀器有多種分析模式是儀器性能不完善的表現。國產的真理光學的儀器就完全沒有這樣的問題。它只有一個統一的反演模式，不論測什么樣品，都用同樣的算法。圖8是上述3個樣品用國產真理光學儀器測量的結果：150納米和3微米標樣的D50值和分布形態完全符合預期，實際樣品的3個峰也能得到正確的體現。
圖8 國產真理光學的激光粒度儀對三個樣品的測量結果
3.3 國內外儀器對愛里斑反常現象的處理
愛里斑的反常變化會導致一種散射光能分布對應多種粒度分布的可能性，從而使粒度儀得不到正確的粒度分布結果。圖7(b)所示的3微米標樣在某國外儀器“通用”模式下給出的完全失真的結果，就是因為3微米標樣的構成材料是聚苯乙烯微球，這個粒徑正好處在這種材料顆粒的第1個反常區。該國外儀器沒能解決這個問題，所以在“通用”模式下得不到正確結果，而只能選用“單峰窄分布”這種量身定做的模式進行“特殊處理”。如果是普通的待測樣品，由于事先無法知道被測顆粒的粒度分布特征，不知如何去“特殊”，就難以給出正確的結果。
目前除了真理光學以外，國內外的激光粒度儀廠家的通行做法是，在計算散射矩陣（光學模型）時，即使被測顆粒是透明的，也要人為加一個吸收系數，最常見的數值是0.1。這樣在光學模型中就不會出現反常現象，從而使反演結果穩定，或者看上去比較正常。問題在于實際顆粒是無吸收的，人為加吸收必然使測量結果失真。
圖9是一個碳酸鈣樣品的粒度測量結果。該樣品經過沉降法的分離，去除了2微米以細的顆粒（可通過顯微鏡驗證）。碳酸鈣的折射率是1.69，無吸收。圖9(a)是真理光學儀器的測量結果，2微米以細的顆粒含量幾乎為零，與預期的一致。圖9(b)是在光學模型中加了0.1的吸收系數后的反演結果：在2微米后拖了一個長長的尾巴。我們知道真實的粒度分布中，這個尾巴是不存在的，這是人為加吸收系數所引起的錯誤結果。有些國外儀器為了避免假尾巴的出現，人為地在1到3微米之間減去一定比例的顆粒含量。這種人為主觀的處理會引起新的不良后果：如果在該粒徑區域真實存在顆粒，也會被人為減少其含量甚至清零。圖8(c)所示的SiO2樣品在1微米到3微米之間有一個小峰，但是用該進口儀器測量的結果如圖7(c)所示：無論用什么模式分析，這個真實存在的小峰都消失了。
