CN104034636A

CN104034636A - 基于数字微镜平面结构光照明的粒子场测量装置及测量方法

Info

Publication number: CN104034636A
Application number: CN201410246861.8A
Authority: CN
Inventors: 单明广; 钟志; 董全; 杨晓涛; 马修真; 刘友
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2034-06-05
Also published as: CN104034636B

Abstract

本发明提供的是一种基于数字微镜平面结构光照明的粒子场测量装置及测量方法。准直扩束后的平行光经DMD生成的数字一维周期光栅反射后，再依次经过第一柱面透镜、滤波器和第二柱面透镜生成平面结构光照射粒子场，再经粒子场散射和图像传感器采集获得成像图样；再经计算机控制同步控制器同步触发控制DMD和图像传感器，由DMD控制数字一维周期光栅产生相移依次为0、2π/3和4π/3，并由图像传感器依次采集获得三幅相移依次为0、2π/3和4π/3的图样，计算机将采集获得的干涉图样处理，获取待测物体的相位分布。本方法与装置具有响应速度快、相移稳定、使用方便等特点。

Description

基于数字微镜平面结构光照明的粒子场测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种粒子场测量装置，本发明也涉及一种粒子场测量方法。

背景技术

激光成像测量方法因为其测量速度快、量程大、测量过程自动化程度高、接收光信号和粒子的化学性质无关以及非接触测量等诸多优点，被广泛应用于引擎内的燃油喷雾、药物喷剂、农药喷雾等粒子场散射测量。根据光源和探测器的空间布局，激光成像测量方法可分为前向、后向或侧向散射测量，而其中最为流行的侧向散射测量方法为平面激光成像。经过三十多年的发展，最常见平面激光成像技术有粒子图像测速技术(PIV，Particle ImageVelocimetry)、粒子跟踪测速技术(PTV，Particle Tracking Velocimetry)和平面激光诱导荧光技术(PLIF，Planar Laser Induce Fluorescence)等，虽然这些技术利用光的不同散射特性和仪器方法，但都是基于光的单次散射假设，即光子只经历一次散射便被探测器检测。这种假设在粒子密度低以及可被检测的光子在粒子场中的光程短时是有效的，但当粒子场密度过高时，大量光子被散射的次数将不止一次，从而使单次散射的假设不再成立，并导致图像模糊和对比度降低，进而增加了测量的不确定性。

为了抑制多次散射的影响，瑞典科学家E.Berrocal等提出了基于平面结构光照明的粒子场成像测量方法(E.Berrocal,E.Kristensson,M.Richter,M.Linne,M.Aldén.Application of structured illumination for multiple scattering suppression in planarlaser imaging of dense sprays.Opt.Express2008,16:17870-17881)。该方法利用光栅及柱面镜系统产生用于照明的平面结构光，利用旋转移相器移相，进而利用三步移相法抑制多次散射光的影响并完成粒子场成像测量。但受限于旋转移相器的移相速度，该方法只能用于较低速度测量，且因为旋转移相器旋转的非线性，容易引起系统相移的不稳定性，需要很繁琐的标定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量速度快，操作简单的基于数字微镜平面结构光照明的粒子场测量装置。本发明的目的还在于提供一种基于数字微镜平面结构光照明的粒子场测量测量方法。

本发明的基于数字微镜平面结构光照明的粒子场测量装置包括光源、准直扩束系统，它还包括全内反射棱镜、数字微镜(DMD)、第一柱面透镜、滤波器、第二柱面透镜、粒子场、图像传感器、计算机和同步控制器，光源发出的光入射至准直扩束系统，经准直扩束系统准直扩束后的出射光入射至全内反射棱镜，经全内反射棱镜反射后由第一端面A出射，出射光入射至DMD，经DMD生成的数字一维周期光栅反射后产生多级衍射光，所述衍射光由第一端面A再次入射至全内反射棱镜，经全内反射棱镜透射后由第二端面B出射，出射光入射至第一柱面透镜，经第一柱面透镜会聚后的出射光入射至滤波器，经滤波器滤波后保留的±1级光入射至第二柱面透镜，经第二柱面透镜透射的±1级光产生重叠并相干生成平面结构光，该平面结构光入射至粒子场，经粒子场散射的光由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；DMD和图像传感器的触发输入端连接同步控制器触发输出端，同步控制器触发输入端连接计算机的控制输出端。

DMD位于第一柱面透镜的前焦面上；全内反射棱镜位于DMD和第一柱面透镜之间；滤波器位于第一柱面透镜的后焦面上并且位于第二柱面透镜的前焦面上；图像传感器光轴与平面结构光光轴垂直并且图像传感器光接收面与平面结构光平面平行。

DMD生成的数字一维周期光栅为二值一维周期光栅或正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。

本发明的基于数字微镜平面结构光照明的粒子场测量方法为：准直扩束后的平行光经DMD生成的数字一维周期光栅反射后，再依次经过第一柱面透镜、滤波器和第二柱面透镜生成平面结构光照射粒子场，再经粒子场散射和图像传感器采集获得成像图样；再经计算机控制同步控制器同步触发控制DMD和图像传感器，由DMD控制数字一维周期光栅产生相移依次为0、2π/3和4π/3，并由图像传感器依次采集获得三幅相移依次为0、2π/3和4π/3的图样，三幅图样按顺序的强度分布顺次为I₁、I₂和I₃，根据三幅图样的强度分布计算获得粒子场(分布I_S：

I_{S} = \frac{\sqrt{2}}{3} \sqrt{{(I_{1} - I_{2})}^{2} + {(I_{1} - I_{3})}^{2} + {(I_{2} - I_{3})}^{2}} .

和现有技术相比，本发明有以下特点和有益效果：

1.利用数字微镜DMD作为平面结构光照明的粒子场测量装置的空间移相器件，在达到高速移相的目的同时，提高移相精度，从而避免复杂的标定过程，实现高速稳定的粒子场测量。

2.利用可编程的数字微镜DMD构建平面结构光产生的关键部件—光栅，在达到空间分光目的的同时，可根据测量需求自动调制数字光栅频率，无需手动更换光栅，不仅避免复杂的光路调试过程，而且成本低。

附图说明

图1为基于DMD平面结构光照明的粒子场测量装置示意图；

图2为全内反射棱镜原理示意图(已有技术)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施实例作详细说明。

本发明的装置包括：光源1，准直扩束系统2，全内反射棱镜3、DMD4、第一柱面透镜5、滤波器6、第二柱面透镜7、粒子场8、图像传感器9、计算机10和同步控制器11，其中光源1为波长为532nm的激光，第一柱面透镜5的焦距为50mm，第二柱面透镜7的焦距为500mm，DMD4生成的数字一维周期光栅为周期为10μm的二值一维周期光栅；DMD4位于第一柱面透镜5的前焦面上，全内反射棱镜3位于DMD4和第一柱面透镜5之间，滤波器6位于第一柱面透镜5的后焦面上和第二柱面透镜7的前焦面上，图像传感器9光轴与平面结构光光轴垂直并且图像传感器9光接收面与平面结构光平面平行，图像传感器9的图像信号输出端连接计算机10的图像信号输入端，DMD4和图像传感器9的触发输入端连接同步控制器11触发输出端，同步控制器11触发输入端连接计算机10的控制输出端。该装置光的运行路径为：光源1发出的光入射至准直扩束系统2，经准直扩束系统2准直扩束后的出射光入射至全内反射棱镜3，经全内反射棱镜3反射后由端面A出射，出射光入射至DMD4，经DMD4生成的数字一维周期光栅反射后产生多级衍射光，该衍射光由端面A再次入射至全内反射棱镜3，经全内反射棱镜3透射后由端面B出射，出射光入射至第一柱面透镜5，经第一柱面透镜5会聚后的出射光入射至滤波器6，经滤波器6滤波后保留的±1级光入射至第二柱面透镜7，经第二柱面透镜7透射的±1级光产生重叠并相干生成平面结构光，该平面结构光入射至粒子场8，经粒子场8散射的光由图像传感器9的光接收面接收形成图样，与计算机7共同作用完成检测。

利用上述的基于DMD平面结构光照明的粒子场测量装置，本发明测量方法的具体实施方式包括以下过程：

首先，完成测量系统调整后，打开光源1，射出的光经准直扩束系统2准直扩束后的平行光入射至DMD4，经DMD4生成的数字一维周期光栅反射后，再依次经过第一柱面透镜5、滤波器6和第二柱面透镜7生成平面结构光照射粒子场8，再经粒子场8散射和图像传感器9采集获得成像图样；然后，再经计算机10控制同步控制器11同步触发控制DMD4和图像传感器9，由DMD4控制数字一维周期光栅产生相移依次为0、2π/3和4π/3，并由图像传感器9依次采集获得三幅相移依次为0、2π/3和4π/3的图样，三幅图样按顺序的强度分布顺次为I₁、I₂和I₃，根据三幅图样的强度分布计算获得粒子场8分布I_S：

I_{S} = \frac{\sqrt{2}}{3} \sqrt{{(I_{1} - I_{2})}^{2} + {(I_{1} - I_{3})}^{2} + {(I_{2} - I_{3})}^{2}}

此实施实例具有非常好的稳定性，在测量中没有需要旋转或移动的器件，避免了旋转或移动器件引入的干扰。同时由于DMD具有高的频响，可实现高速测量，且调整方便。

Claims

1.一种基于数字微镜平面结构光照明的粒子场测量装置，包括光源、准直扩束系统，其特征是：它还包括全内反射棱镜、DMD、第一柱面透镜、滤波器、第二柱面透镜、粒子场、图像传感器、计算机和同步控制器，光源发出的光入射至准直扩束系统，经准直扩束系统准直扩束后的出射光入射至全内反射棱镜，经全内反射棱镜反射后由第一端面(A)出射，出射光入射至DMD，经DMD生成的数字一维周期光栅反射后产生多级衍射光，所述衍射光由第一端面(A)再次入射至全内反射棱镜，经全内反射棱镜透射后由第二端面(B)出射，出射光入射至第一柱面透镜，经第一柱面透镜会聚后的出射光入射至滤波器，经滤波器滤波后保留的±1级光入射至第二柱面透镜，经第二柱面透镜透射的±1级光产生重叠并相干生成平面结构光，该平面结构光入射至粒子场，经粒子场散射的光由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；DMD和图像传感器的触发输入端连接同步控制器触发输出端，同步控制器触发输入端连接计算机的控制输出端。

2.根据权利要求1所述的基于数字微镜平面结构光照明的粒子场测量装置，其特征是：DMD位于第一柱面透镜的前焦面上；全内反射棱镜位于DMD和第一柱面透镜之间；滤波器位于第一柱面透镜的后焦面上并且位于第二柱面透镜的前焦面上；图像传感器光轴与平面结构光光轴垂直并且图像传感器光接收面与平面结构光平面平行。

3.根据权利要求1或2所述的基于数字微镜平面结构光照明的粒子场测量装置，其特征是：DMD生成的数字一维周期光栅为二值一维周期光栅或正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。

4.一种基于权利要求1所述的基于数字微镜平面结构光照明的粒子场测量装置的测量方法，其特征是：准直扩束后的平行光经DMD生成的数字一维周期光栅反射后，再依次经过第一柱面透镜、滤波器和第二柱面透镜生成平面结构光照射粒子场，再经粒子场散射和图像传感器采集获得成像图样；再经计算机控制同步控制器同步触发控制DMD和图像传感器，由DMD控制数字一维周期光栅产生相移依次为0、2π/3和4π/3，并由图像传感器依次采集获得三幅相移依次为0、2π/3和4π/3的图样，三幅图样按顺序的强度分布顺次为I₁、I₂和I₃，根据三幅图样的强度分布计算获得粒子场分布I_S：

I_{S} = \frac{\sqrt{2}}{3} \sqrt{{(I_{1} - I_{2})}^{2} + {(I_{1} - I_{3})}^{2} + {(I_{2} - I_{3})}^{2}} .