CN102121817A - 颗粒场紧凑式数字全息装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及颗粒场的数字全息测量技术，旨在提供一种颗粒场紧凑式数字全息装置及方法。该装置包括激光光源和沿激光光源的发射方向依次顺序布置的空间滤波器、准直扩束镜、分束器和第一半透半反镜；在与激光光源的发射方向呈90°的方向上，分束器、衰减器和第二半透半反镜依次顺序布置；在与激光光源的发射方向呈相反的方向上，全反镜、第二半透半反镜、成像镜头和CCD探测器依次顺序布置，且全反镜的位置与第一半透半反镜相对应；CCD探测器通过信号线连接至计算机。本发明可以方便地控制全息图的记录平面，尤其是能够保证记录平面在第一半透半反镜右侧；激光发射和CCD接收可以布置在同一侧，使数字全息系统紧凑和便携。

Description

颗粒场紧凑式数字全息装置及方法

技术领域

本发明关于颗粒场的数字全息测量技术，特别涉及一种颗粒场紧凑式数字全息装置，以及基于该装置的颗粒数字全息图的获取方法。

背景技术

多相流领域的发展对全场三维、瞬态和实时的颗粒场测量技术提出了迫切的要求。全息方法是其中的重要方法，发展潜力巨大。全息技术同时记录颗粒散射光的光强和相位信息，从而获得颗粒在三维空间的位置、粒径和速度等信息，具有瞬时冻结三维流场和永久保存的特点。数字全息技术是一种以CCD电荷耦合器为探测器来记录颗粒全息图，并利用数字重建方法完成重构的技术。由于数字全息技术采用CCD代替早期全息技术中采用的全息干板，避免了繁杂费时的显影定影等干板处理和光学重建，近年来得到了快速发展。

但令人感到不足的是，目前的数字全息装置均采用简单的Gabor共轴模式，即激光光束照射到颗粒场，颗粒的前向衍射光作为物光，激光光束中未被散射的光作为参考光。Gabor模式相对比较简单，对激光相干性要求也比较低，但激光发射单元和CCD接收单元同轴布置在被测对象的两边，只能用于较小流场的测量，无法应用到工业现场较大尺度流场测试。此外，Gabor模式还要求被测流场两侧开口，因此，限制了数字全息技术在多相流颗粒场尤其是实际工业流场中的应用。

发明内容

本发明要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提一种颗粒场紧凑式数字全息装置。为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种颗粒场紧凑式数字全息装置，包括激光光源、空间滤波器和准直扩束镜；激光光源、空间滤波器、准直扩束镜、分束器和第一半透半反镜沿激光光源的发射方向依次顺序布置；在与激光光源的发射方向呈90°的方向上，分束器、衰减器和第二半透半反镜依次顺序布置；在与激光光源的发射方向呈相反的方向上，全反镜、第二半透半反镜、成像镜头和CCD探测器依次顺序布置，且全反镜的位置与第一半透半反镜相对应；CCD探测器通过信号线连接至计算机。

本发明中，激光光源是一台单纵模半导体激光器；空间滤波器和准直扩束镜是一个能将激光光束进行空间滤波、扩束和准直的光学系统；分束器是能将激光光源发出的光束分为反射光束和透射光束各占50%的介质膜板；第一半透半反镜和第二半透半反镜是能将光束分为反射光束和透射光束各占50%的介质膜板；衰减器是能够按一定比例衰减入射光线光强的光学器件；成像镜头是一个高通光孔径的镜头；CCD探测器是一种电荷耦合器CCD；待测颗粒场是待研究的在某一空间运动的颗粒群；计算机是用来实时重构CCD探测器上记录的并已数字化了的颗粒场全息图。

作为更进一步的目的，本发明提供了基于前述颗粒场紧凑式数字全息装置的颗粒数字全息图的获取方法，包括：

（1）将待测颗粒场置于第一半透半反镜之后的激光光路上；

（2）激光光源发射的光束经空间滤波器的滤波处理、准直扩束镜的准直和扩束处理后，由分束器分为光束A和光束B两路输出；其中，光束A经过衰减器后照射到第二半透半反镜上，光束B透过第一半透半反镜后照射到待测颗粒场；

（3）待测颗粒场中产生的后向散射光C由第一半透半反镜和全反镜反射后，与光束A在第二半透半反镜中相遇产生颗粒全息图，并经成像镜头投射至CCD探测器，CCD探测器将获取的颗粒数字全息图传送至计算机中存储。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）由于在CCD探测器前面配备成像镜头，可以方便地控制全息图的记录平面，尤其是能够保证记录平面在第一半透半反镜右侧；而在传统Gabor无成像透镜全息装置中，全息图记录平面只能为CCD探测器传感器平面。

（2）由于采用了颗粒的后向散射光作为物光，从而激光发射和CCD接收可以布置在同一侧，使数字全息系统紧凑和便携，为数字全息的工业应用奠定了基础。

附图说明

图1为本发明中颗粒场紧凑式数字全息装置的布置和测量原理示意图。

图中的附图标记为：1激光器；2空间滤波器；3扩束镜；4分束器；5第一半透半反镜；6全反镜；7第二半透半反镜；8衰减器；9成像镜头；10 CCD探测器；11计算机；12待测颗粒场。

具体实施方式

本发明的基本思想是：以颗粒的后向散射光代替前向衍射光作为物光波，把CCD接收单元移到激光发射单元侧，并在CCD探测器前面配置高通光孔径成像镜头，以获得合适的记录距离，从而构成一套紧凑型的基于颗粒后向散射的数字全息装置。对所拍摄的颗粒全息图进行数字重建，获得被测颗粒场中颗粒的空间位置、粒径和速度等信息。

激光光源工作以后，经空间滤波器滤去高频分量、准直扩束镜准直扩束后，经分束器分成A和B两束光，A光束经过衰减器后照射到第二半透半反镜上，B光束透过第一半透半反镜后照射待测颗粒场，颗粒的后向散射光C由第一半透半反镜和全反镜反射后与A光束在第二半透半反镜中相遇产生颗粒全息图，并进入成像镜头9和CCD探测器10，将CCD探测器曝光获得一张待测颗粒场的全息图，或者设置一定的拍摄频率连续拍摄待测颗粒场的全息图，并存储于计算机中。对颗粒场全息图按照数字重建的方法进行重构[参见在先技术：Pan G. Digital holographic imaging for 3D particle and flow measurements[PhD]. Buffalo: State University of New York at Buffalo, 2003]，获得颗粒的空间位置、粒径和速度分布（按一定时间间隔拍摄连续两幅及以上颗粒全息图时）等信息。

参考附图，下面将对本发明实施方法进行详细描述。

本发明的紧凑式数字全息装置有下列元部件组成：激光光源1，空间滤波器2、准直扩束镜3、分束器4、第一半透半反镜5、全反镜6、第二半透半反镜7、衰减器8、成像镜头9、CCD探测器10、计算机11。

激光光源1、空间滤波器2、准直扩束镜3、分束器4和第一半透半反镜5沿激光光源1的发射方向依次顺序布置；在与激光光源1的发射方向呈90°的方向上，分束器4、衰减器8和第二半透半反镜7依次顺序布置；在与激光光源1的发射方向呈相反的方向上，全反镜6、第二半透半反镜7、成像镜头9和CCD探测器10依次顺序布置，且全反镜6的位置与第一半透半反镜5相对应；CCD探测器10通过信号线连接至计算机。待测颗粒场12置于第一半透半反镜5之后的激光光路上。

所述的激光光源1是一台单纵模半导体激光器，功率50 mW，相干长度大于1 m；空间滤波器2和准直扩束镜3是一个能将激光光束进行空间滤波、扩束（50倍）和准直的光学系统；分束器4是能将激光光源1发出的光束分为反射和透射各50%的介质膜板；第一半透半反镜5和第二半透半反镜7均为反射和透射各50%的介质膜板；衰减器8是能够按一定比例衰减入射光线光强的光学器件；成像镜头9是一个高通光孔径的镜头，焦距为50 mm，通光孔径为4 cm或更高；探测器10是一种电荷耦合器CCD，分辨率为1M或更高，像素尺寸为10 μm；待测颗粒场12是待研究的在某一空间运动的颗粒群。

本发明紧凑式数字全息装置的工作原理是：

激光光源1工作以后，经空间滤波器2滤去高频分量、准直扩束镜3准直扩束后，经分束器4分成A和B两束光，A光束经过衰减器8后照射到第二半透半反镜7上，B光束透过第一半透半反镜5后照射待测颗粒场12，颗粒的后向散射光C由第一半透半反镜5和全反镜6反射后与A光束在第二半透半反镜7中相遇产生颗粒全息图，并进入成像镜头9和CCD探测器10，全息图存储在计算机11中。

本发明中颗粒数字全息图的获取方法，包括：

激光光源1、CCD探测器10和计算机11工作以后，在激光光源1输出光路的第一半透半反镜5右侧5～10 cm处放置一块含有标准刻度的标定板，板面与激光光线垂直。对成像镜头9进行对焦，使CCD探测器10对标定板成清晰像，并保存至计算机11。根据几何光学方法确定成像系统的放大倍率，即从标定板图像中读出单位刻度（1 mm 或1 cm）所占的像素个数，从而确定单个像素所显示的尺寸，与CCD相机单像素的物理尺寸比值即为放大倍率。而标定板所在的平面即为成像平面，也是全息图的记录平面。

根据被测颗粒的散射特性确定衰减器8的衰减倍率，如对散射能力差的煤粉颗粒，可设置为1000倍或更高，对玻璃珠等散射能力强的颗粒，可设置为100倍。

移开标定板，将数字全息装置整体平移，使激光出射光束照射待测的颗粒场12，并且像平面到待测颗粒场的距离合适，通常为5～20 cm。

将CCD探测器10曝光获得一张待测颗粒场12的全息图，或者设置一定的拍摄频率连续拍摄待测颗粒场12的全息图，并存储于计算机11中。

对颗粒场全息图按照数字重建的方法[参见在先技术：Pan G. Digital holographic imaging for 3D particle and flow measurements[PhD]. Buffalo: State University of New York at Buffalo, 2003]进行重构，获得颗粒的空间位置、粒径和速度分布（按一定时间间隔拍摄连续两幅及以上颗粒全息图时）等信息。

Claims (6)

1.颗粒场紧凑式数字全息装置，包括激光光源、空间滤波器和准直扩束镜，其特征在于，激光光源、空间滤波器、准直扩束镜、分束器和第一半透半反镜沿激光光源的发射方向依次顺序布置；在与激光光源的发射方向呈90°的方向上，分束器、衰减器和第二半透半反镜依次顺序布置；在与激光光源的发射方向呈相反的方向上，全反镜、第二半透半反镜、成像镜头和CCD探测器依次顺序布置，且全反镜的位置与第一半透半反镜相对应；CCD探测器通过信号线连接至计算机。

2.根据权利要求1所述的颗粒场紧凑式数字全息装置，其特征在于，所述激光光源是单纵模半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的颗粒场紧凑式数字全息装置，其特征在于，所述分束器是能将激光光源发出的光束分为反射光束和透射光束各占50%的介质膜板。

4.根据权利要求1所述的紧凑式数字全息装置，其特征在于，所述第一半透半反镜和第二半透半反镜是能将光束分为反射光束和透射光束各占50%的介质膜板。

5.根据权利要求1所述的紧凑式数字全息装置，其特征在于，所述CCD探测器是电荷耦合器CCD。

6.基于权利要求1至5任意一项所述颗粒场紧凑式数字全息装置的颗粒数字全息图的获取方法，包括：

（1）将待测颗粒场置于第一半透半反镜之后的激光光路上；

（2）激光光源发射的光束经空间滤波器的滤波处理、准直扩束镜的准直和扩束处理后，由分束器分为光束A和光束B两路输出；其中，光束A经过衰减器后照射到第二半透半反镜上，光束B透过第一半透半反镜后照射到待测颗粒场；

（3）待测颗粒场中产生的后向散射光C由第一半透半反镜和全反镜反射后，与光束A在第二半透半反镜中相遇产生颗粒全息图，并经成像镜头投射至CCD探测器，CCD探测器将获取的颗粒数字全息图传送至计算机中存储。

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