CN105866013A - 基于两幅激光干涉成像离焦干涉图的球形粒子判别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于两幅激光干涉成像离焦干涉图的球形粒子判别系统及方法，属于光学测量技术领域。利用激光干涉成像原理用两个CCD同步工作，分别接收偏振方向和与入射光相同和垂直的粒子散射光的离焦干涉图，利用起偏器、检偏器调节散射光偏振方向与入射光偏振方向的角度，根据两幅图像的差异实现对球形粒子的判别测量，从而得出粒子是否为球形的结论。此方法应用于云粒子测量中，实施性强。

Description

基于两幅激光干涉成像离焦干涉图的球形粒子判别方法
技术领域
本发明具体提出了一种基于两幅激光干涉成像离焦干涉图的球形粒子的判别测量方法，属于光学测量技术领域。
背景技术
粒子广泛存在于石油、冶金、消防、环保、喷雾、流体、化工、材料、医药、水利、航天航空、燃料燃烧等各个领域。粒子的相关参数信息会影响材料和产品的性能和质量，所以研究粒子信息测量方法具有重要的意义。粒子信息除了粒子尺寸、速度等，还包括是否为球形粒子，因此对球形粒子的判别是一个对研究粒子性质具有重要作用的问题。
对于测量粒子信息的方法中，专利CN103674791A公开了一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法。该方法采用两条强度相等的片状光束相向照射粒子场，在散射角度为90°区域记录聚焦像或离焦像。此方法结合PIV/PTV可以实现粒子速度测量。这种原理简单、成本低的测量方法可以用于粒子尺寸和速度信息的测量。专利CN203705307U公开了一种基于双光束相向照射的干涉粒子成像测量装置。该装置由片状光束相向照射系统和接收成像系统组成，该实用新型通过粒子散射光的条纹图和聚焦像得到粒子尺寸信息，可用于喷雾粒子场粒子尺寸以及气缸内空气速度场测量。专利CN1587986A公开了一种基于激光多普勒测量粒子的非理想粒子分类识别方法。该方法利用激光相位多普勒粒子测量装置，获取粒子运动特性参数的动态信息，可针对粒子的多个特征进行分类识别。该方法可以应用于各种粒子测量数据非分析过程。
基于激光干涉成像原理，利用片状激光束照明粒子，粒子散射光在离焦像面上形成干涉条纹像，通过观察到的不同条纹图判断出球形粒子。本实验中通过使用两个CCD分别接收偏振方向和与入射光相同和成一定角度偏振方向的粒子散射光的离焦干涉图，并对两幅离焦干涉图进行比较，从而得出粒子是否为球形的结论。
发明内容
本发明针对球形粒子信息的获得，基于激光干涉成像在离焦像面上产生不同形式的干涉图，通过比较分析实现对球形粒子的判别，利用这一方法中不同偏振方向散射光产生的两幅干涉图的对比可以实现对云粒子(是否为球形)的判别，进而为研究云粒子的性质提供重要基础。
本发明提出的对球形粒子的判别方法如下：
一种基于两幅激光干涉成像离焦干涉图的球形粒子判别方法，步骤如下：
i、获取两幅激光干涉离焦条纹图，搭建激光干涉成像测量系统，用两个CCD同时接收粒子的离焦干涉图，通过在第二CCD前设置检偏器使得两个CCD分别接收与入射光偏振方向相同和垂直的散射光的离焦干涉像1和离焦干涉像2；
ii、将两幅图像校正对准，第一CCD和第二CCD前用分束器将散射光分成两路，此时两个CCD上记录的离焦干涉图像成镜像关系，所以在分析图像之前需要对两幅图像进行校正对准，使得形成两幅图像的粒子位置相对应；
iii、比较两幅图像，得出粒子形状，分析比较两个CCD同时记录的不同偏振方向散射光的离焦干涉条纹像，前方未设置检偏器的第一CCD呈现所有粒子的离焦干涉图1，而前方设置检偏器的第二CCD只能呈现非球形粒子的离焦干涉图2，所以干涉图像1上存在、2上消失的干涉条纹圆对应位置的粒子即为球形粒子。
进一步的，两个CCD同时采集粒子的离焦干涉图，确保两幅离焦干涉图像对应的是相同的被测粒子。
进一步的，比较两幅成镜像关系的离焦干涉图之前，需要对图像进行校正对准。
本发明的优点和有益结果是：
本发明提出一种利用激光干涉成像原理用两个CCD同步工作采集粒子不同偏振方向散射光的离焦干涉图，利用起偏器、检偏器调节散射光偏振方向与入射光偏振方向的角度，根据两幅图像的差异实现对球形粒子的判别测量。此方法应用于云粒子测量中，实施性强。
附图说明
图1是本发明的判别流程图
图2是本发明的实验原理图
图中，1半导体激光器，2显微物镜，3针孔，4准直透镜，5光阑，6起偏器，7凸柱透镜，8凹柱透镜，9成像镜头，10分束器，11第一CCD，12检偏器，13第二CCD。
图3是本发明的球形粒子干涉条纹模拟图
图4是对球形和非球形的混合粒子实验时的两幅离焦干涉条纹图。图4-1和图4-2是设置检偏器与起偏器透光方向垂直时，CCD11和CCD13分别接收偏振方向与入射光相同和垂直的散射光的两幅离焦干涉图。
具体实施方式
实施例1：
参见图2，本发明搭建基于两幅激光干涉成像离焦干涉图的球形粒子判别系统，包括半导体激光器1，以及在该激光器光路上依次设有的显微物镜2，针孔3，准直透镜4，光阑5，起偏器6，凸柱透镜7，凹柱透镜8，光经凹柱透镜8后入射到被测粒子，在与半导体激光器1光路成一定散射角的光路上设有成像镜头9、分束器10，散射角为(0，π)内某一角度，透过分束10的光路上设有第一CCD11，在分束器10的反射光路上设有第二CCD13，第二CCD 13和分束器10之间设有检偏器12，所述的第一CCD11和第二CCD13分别接收与入射光偏振方向相同和垂直的散射光的离焦干涉像。
其中：激光器1为波长532nm的半导体激光器，扩束针孔滤波由放大倍率为10×的显微物镜2和大小为10μm的针孔3组成，光阑5的调节范围为1.27-36mm，准直透镜5焦距为150mm，起偏器6的透光方向为入射光的偏振方向，凸柱透镜7焦距为200mm，凹柱透镜8焦距为-9.7mm，成像镜头9焦距为50mm，光圈F＝1.4，分束器10将光束分成两路分别成像在CCD传感器11和13上，CCD 11和13有效像素数为1280*960，像元大小为6.45μm*6.45μm，帧频为15fps，调节检偏器12透光轴方向使得散射光偏振方向与入射光偏振方向成不同的角度。
本发明的判别方法如附图1所示流程，步骤如下：
i、获取两幅激光干涉离焦条纹图，搭建激光干涉成像测量系统，用两个CCD同时接收粒子的离焦干涉图，通过在第二CCD 13前设置检偏器12使得两个CCD分别接收与入射光偏振方向相同和垂直的散射光的离焦干涉像1和离焦干涉像2；
ii、将两幅图像校正对准，第一CCD11和第二CCD13前用分束器将散射光分成两路，此时两个CCD上记录的离焦干涉图像成镜像关系，所以在分析图像之前需要对两幅图像进行校正对准，使得形成两幅图像的粒子位置相对应；
iii、比较两幅图像，得出粒子形状，分析比较两个CCD11和13同时记录的不同偏振方向散射光的离焦干涉条纹像，前方未设置检偏器的第一CCD11呈现所有粒子的离焦干涉图1，而前方设置检偏器12的第二CCD13只能呈现非球形粒子的离焦干涉图2，所以干涉图像1上存在、2上消失的干涉条纹圆对应位置的粒子即为球形粒子。
将用10μm的球形粒子拉伸制作的球形和非球形混合粒子置于被测粒子区域进行测量；实验时，测得物距z1＝98.45mm，聚焦像距z2＝101.6mm，离焦距为g＝4.85mm，此时CCD 11和13同时工作分别记录粒子离焦干涉条纹图。图3为球形粒子的离焦干涉条纹模拟图，图4是设置检偏器透光方向与起偏器透光方向垂直时，对球形和非球形的混合粒子实验CCD 11(散射光偏振方向与入射光平行)和13(散射光偏振方向与入射光垂直)记录的两幅干涉条纹图。对两个CCD记录的离焦干涉条纹图校准后进行分析比较，根据两幅离焦干涉条纹图的差异即可判别出对应位置的球形粒子。

Claims (3)

1.一种基于两幅激光干涉成像离焦干涉图的球形粒子判别方法，其特征是步骤如下：
i、获取两幅激光干涉离焦条纹图，搭建激光干涉成像测量系统，用两个CCD同时接收粒子的离焦干涉图，通过在第二CCD(13)前设置检偏器(12)使得两个CCD分别接收与入射光偏振方向相同和垂直的散射光的离焦干涉像1和离焦干涉像2；
ii、将两幅图像校正对准，第一CCD(11)和第二CCD(13)前用分束器将散射光分成两路，此时两个CCD上记录的离焦干涉图像成镜像关系，所以在分析图像之前需要对两幅图像进行校正对准，使得形成两幅图像的粒子位置相对应；
iii、比较两幅图像，得出粒子形状，分析比较两个CCD同时记录的不同偏振方向散射光的离焦干涉条纹像，前方未设置检偏器(12)的第一CCD(11)呈现所有粒子的离焦干涉图1，而前方设置检偏器(12)的第二CCD(13)只能呈现非球形粒子的离焦干涉图2，所以干涉图像1上存在、2上消失的干涉条纹圆对应位置的粒子即为球形粒子。
2.根据权利要求1所述的基于两幅激光干涉成像离焦干涉图的球形粒子判别方法，其特征是：两个CCD同时采集粒子的离焦干涉图，确保两幅离焦干涉图像对应的是相同的被测粒子。
3.根据权利要求1所述的基于两幅激光干涉成像离焦干涉图的球形粒子判别方法，其特征是：比较两幅成镜像关系的离焦干涉图之前，需要对图像进行校正对准。
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