CN107478173B - 一种颗粒样品池及微颗粒粒形同轴数字全息测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于微颗粒粒形测量技术领域，具体地讲涉及一种颗粒样品池，所述颗粒样品池其中的三面为平面镜，分别为A平面镜、B平面镜和C平面镜，B平面镜位于A平面镜与C平面镜之间，A平面镜与B平面镜之间的夹角、A平面镜与C平面镜之间的夹角和B平面镜与C平面镜之间的夹角均为120°，所述A平面镜、B平面镜、C平面镜的反射面均位于所述颗粒样品池的内侧。相应的，本发明还提供了一种包括所述颗粒样品池的的微颗粒粒形同轴数字全息测量装置。本发明能够获取同一粒子在三个视角下的投影截面信息，从而更加准确的判断粒子的三维形状，实现了对微颗粒的粒形信息的准确和快速测量。

Description

一种颗粒样品池及微颗粒粒形同轴数字全息测量装置

技术领域

本发明属于微颗粒粒形测量技术领域，具体地讲涉及一种颗粒样品池及微颗粒粒形同轴数字全息测量装置。

背景技术

粒形作为表征微颗粒物理性能、化学性能、输运性能和工艺性能的重要参数，可以为过程动力学研究提供更为丰富的信息。在制药、造纸、水泥等行业，通过在生产过程中对粒形参数的监控，可以提升产品品质、降低生产成本；大气中吸入性颗粒的沉淀位置和粒形密切相关，对于粒形的详细监测可以使吸入性颗粒和疾病之间的关系更为明了。因此，进行微颗粒粒形的测量具有的重大应用和科学意义。

已有的技术如沉降法和激光衍射法，主要用于测量微颗粒的粒度信息，即获得粒子的等效直径，无法获得确切的形状信息；传统上，显微镜可以用来观察微颗粒的大小及形状，但存在采样时间长、操作繁琐等缺点，而且属于二维测量，很难区分粒子之间的差别。

发明内容

根据现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供了一种颗粒样品池，能够用于获取同一粒子在三个视角下的投影截面信息，从而更加准确的判断粒子的三维形状，实现了对微颗粒的粒形信息的准确和快速测量。

本发明采用以下技术方案：

一种颗粒样品池，所述颗粒样品池其中的三面为平面镜，分别为A平面镜、B平面镜和C平面镜，B平面镜位于A平面镜与C平面镜之间，A平面镜与B平面镜之间的夹角、A平面镜与C平面镜之间的夹角和B平面镜与C平面镜之间的夹角均为120°，所述A平面镜、B平面镜、C平面镜的反射面均位于所述颗粒样品池的内侧。

优选的，所述颗粒样品池为六面体，其另三面均为玻璃窗，设光束射入颗粒样品池的那面为前面，所述A平面镜、B平面镜、C平面镜分别位于光束射入方向的上面、后面和下面，三片玻璃窗分别位于光束射入方向的前面、左面和右面。

进一步优选的，所述颗粒样品池其中一面设有可开窗口，其用于向颗粒样品池内添加颗粒和液体。

相应的，本发明还提供了一种包括所述颗粒样品池的微颗粒粒形同轴数字全息测量装置，其包括沿着光照方向依次顺序布置的激光光源、滤光片、准直扩束器、颗粒样品池、阵列式检测器；所述阵列式检测器连接计算机。

优选的，所述激光光源、滤光片、准直扩束器的中心点均处于一条直线上；由所述激光光源发出并射入所述颗粒样品池的光束与B平面镜和C平面镜之间的夹角均为45°；所述阵列式检测器的靶面中心和由颗粒样品池射出的光束中心处于一条直线上，所述阵列式检测器的靶面垂直于由颗粒样品池射出的光束，且所述阵列式检测器的靶面视场面积大于射出的光束的照射面积。

进一步优选的，所述激光光源为单色性的相干光源；所述滤光片为带通滤光片；所述准直扩束器用于将激光光源发出的光束进行扩束和准直，使得光束的照射面积大于颗粒样品池垂直于入射光束方向的截面积。

更进一步优选的，所述激光光源产生的光束分别经滤光片过滤和准直扩束器的扩束、准直后，由所述颗粒样品池的前面并以与B平面镜和C平面镜之间的夹角均为45°的方向射入颗粒样品池，通过所述A平面镜、B平面镜和C平面镜的作用下形成三条光束路径，从而产生同一颗粒相对于三个角度光束投射方向下的干涉条纹；所述阵列式检测器检测干涉条纹的光强信号，记录同一颗粒对应于三个角度光束投射方向下的全息图数据，并将所述全息图数据传送到所述计算机；所述计算机根据同一颗粒对应于三个角度光束投射方向的全息图数据，利用计算机模拟光学衍射过程，构造出此颗粒对应于三个角度光束投射方向的二维截面投影，即可实现对此颗粒的形状的检测。

更进一步优选的，所述三条光束路径分别为：

第一条光束路径，光束经C平面镜反射后投射到颗粒上，产生的散射光经A平面镜反射后射出所述颗粒样品池，最终照射在所述阵列式检测器的靶面上；

第二条光束路径，光束经B平面镜反射后投射到同一所述颗粒上，产生的散射光射出所述颗粒样品池，最终照射在所述阵列式检测器的靶面上；

第三条光束路径，由颗粒样品池的前面射入的光束直接投射到同一所述颗粒上，产生的散射光经B平面镜反射后射出所述颗粒样品池，最终照射在所述阵列式检测器的靶面上；

通过所述三条光束路径最后射出所述颗粒样品池40光束的方向互相平行。

更进一步优选的，所述三个角度光束投射方向分别为：

第一个角度光束投射方向，第一条光束路径中由C平面镜反射后投射到颗粒上的光束方向；

第二个角度光束投射方向，第二条光束路径中由B平面镜反射后投射到同一所述颗粒上的光束方向；

第三个角度光束投射方向，第三条光束路径中由颗粒样品池的前面射入的光束直接投射到同一所述颗粒上的光束方向；

所述第一个角度光束投射方向、第二个角度光束投射方向和第三个角度光束投射方向两两互相垂直。

优选的，所述颗粒样品池内添加使颗粒充分分散的酒精，颗粒样品池内的颗粒密度小于1个/mm³。

本发明的优点和有益效果在于：

1)本发明所述颗粒样品池为由A平面镜、B平面镜、C平面镜和三片玻璃窗组成的六面体，设光束射入颗粒样品池的那面为前面，所述A平面镜、B平面镜、C平面镜分别位于上面、后面和下面，三片玻璃窗分别位于前面、左面和右面，A平面镜与B平面镜之间的夹角、A平面镜与C平面镜之间的夹角和B平面镜与C平面镜之间的夹角均为120°，所述A平面镜、B平面镜、C平面镜的反射面均位于所述颗粒样品池的内侧；当激光光源产生的光束分别经滤光片过滤和准直扩束器的扩束、准直后，由所述颗粒样品池的前面并以与B平面镜和C平面镜之间的夹角均为45°的方向射入颗粒样品池，能够产生同一颗粒相对于三个角度光束投射方向下的干涉条纹，根据干涉条纹最终构造出此颗粒对应于三个角度光束投射方向的二维截面投影，由于所述三个角度光束投射方向为两两垂直，构造的二维截面投影最大程度地体现了颗粒的粒形，提高了测量的准确性。

2)本发明测量装置由激光光源、滤光片、准直扩束器、颗粒样品池、阵列式检测器、计算机组成，且所述颗粒样品池为由A平面镜、B平面镜、C平面镜和三片玻璃窗组成的六面体，A平面镜与B平面镜之间的夹角、A平面镜与C平面镜之间的夹角和B平面镜与C平面镜之间的夹角均为120°，使得以与B平面镜和C平面镜之间的夹角均为45°的方向射入颗粒样品池的光束在A平面镜、B平面镜、C平面镜的作用下，产生同一颗粒相对于三个角度光束投射方向下的干涉条纹，根据干涉条纹重构出同一颗粒在三个视角下的二维截面投影，即可完成对颗粒的形状信息的测量，从而实现了对微颗粒的形状信息的准确和快速测量。

3)传统的测量技术是通过显微镜测量微颗粒的形状信息，因为显微镜的景深很浅，一次测量时只能测处于单个平面内的颗粒；而本发明利用的光学同轴数字全息技术再现的是处于不同空间位置的任何颗粒在光路方向上的二维截面投影，因此本发明中的测量装置可以同时测量处于立体空间中的多个平面范围的所有微颗粒的形状信息，从而极大的提高了测量效率。

4)本发明的测量装置中的颗粒样品池内添加酒精，能够使颗粒样品池内的颗粒充分分散，实现了一次能够对更多颗粒的形状信息的准确和快速测量。

5)本发明利用的光学同轴数字全息技术的测量粒径范围是50um～1mm，因此本发明能够有效地测量微小颗粒的形状信息。

附图说明

图1为本发明颗粒样品池的结构图及A平面镜、B平面镜、C平面镜的结构分解示意图。

图2为本发明颗粒样品池的A平面镜、B平面镜和C平面镜之间夹角示意图。

图3为本发明测量装置的结构示意图

图4为本发明测量装置的三条光束路径方向示意图。

图5为本发明测量装置的三条逆光束路径方向示意图。

图6为本发明测量装置的光束射入颗粒样品池的入射角度的示意图。

图7a、图7b为本发明测量装置的第一条光束路径及第一个角度光束投射方向示意图。

图8a、图8b为本发明测量装置的第二条光束路径及第二个角度光束投射方向示意图。

图9a、图9b为本发明测量装置的第三条光束路径及第三个角度光束投射方向示意图。

图10为本发明实施例中一个椭球状颗粒对应于三个角度光束投射方向的全息图。

图11为本发明实施例中构造得到的一个椭球状颗粒对应于三个角度光束投射方向的二维投影截面。

附图标记：

10-激光光源，20-滤光片，30-准直扩束器，40-颗粒样品池，41-A平面镜，42-B平面镜，43-C平面镜，50-阵列式检测器，60-计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，一种颗粒样品池，所述颗粒样品池40其中的三面为平面镜，分别为A平面镜41、B平面镜42和C平面镜43，B平面镜42位于A平面镜41与C平面镜43之间，A平面镜41与B平面镜42之间的夹角、A平面镜41与C平面镜43之间的夹角和B平面镜42与C平面镜43之间的夹角均为120°，所述A平面镜41、B平面镜42、C平面镜43的反射面均位于所述颗粒样品池40的内侧。

所述颗粒样品池40为六面体，其另三面均为玻璃窗，设光束射入颗粒样品池40的那面为前面，所述A平面镜41、B平面镜42、C平面镜43分别位于光束射入方向的上面、后面和下面，三片玻璃窗分别位于光束射入方向的前面、左面和右面；所述颗粒样品池40其中一面设有可开窗口，其用于向颗粒样品池40内添加颗粒和液体。

如图3所示，一种包括所述颗粒样品池的微颗粒粒形同轴数字全息测量装置，其包括沿着光照方向依次顺序布置的激光光源10、滤光片20、准直扩束器30、颗粒样品池40、阵列式检测器50；所述阵列式检测器50连接计算机60；所述激光光源10、滤光片20、准直扩束器30的中心点均处于一条直线上。

如图6所示，由所述激光光源10发出并射入所述颗粒样品池40的光束与B平面镜42和C平面镜43之间的夹角均为45°；所述阵列式检测器50的靶面中心和由颗粒样品池40射出的光束中心处于一条直线上，所述阵列式检测器50的靶面垂直于由颗粒样品池40射出的光束，且所述阵列式检测器50的靶面视场面积大于射出的光束的照射面积；所述激光光源10为单色性的相干光源；所述滤光片20为带通滤光片；所述准直扩束器30用于将激光光源10发出的光束进行扩束和准直，使得光束的照射面积大于颗粒样品池40垂直于入射光束方向的截面积。

所述激光光源10为单色性的相干光源，用于产生单色性好、光强较大的激光光束，本实施例中选用美国Thorlabs生产的型号HNL100L、中心波长632.8nm的He-Ne激光器。

所述滤光片20使用带通滤光片，限制允许通过的照明光束的波长范围，抑制环境光的干扰，本实施例中选用北京大恒光电公司生产的GCC-203005带通滤光片。

所述准直扩束器30用于将激光光束进行准直和扩束，使得光束的照射面积大于颗粒样品池40垂直于入射光束方向的截面积，本实施例中选用北京大恒光电公司生产的GCO-2503连续变倍扩束镜头，扩束比5到10倍。

阵列式检测器50选用北京大恒光电公司生产的型号为MER-502-79U3M/C-L CMOS相机，分辨率2048×2048像素，光敏面尺寸2/3英寸，帧频为79fps，信号接口为USB3.0。相机能够获取多幅含有颗粒三维信息的全息图像，并基于平均叠加法消除再现像中的散斑噪声。

如图4和图6所示，所述激光光源10产生的光束分别经滤光片20过滤和准直扩束器30的扩束、准直后，由所述颗粒样品池40的前面并以与B平面镜42和C平面镜43之间的夹角均为45°的方向射入颗粒样品池40，通过所述A平面镜41、B平面镜42和C平面镜43的作用下形成三条光束路径，从而产生同一颗粒相对于三个角度光束投射方向下的干涉条纹；所述阵列式检测器50检测干涉条纹的光强信号，记录同一颗粒对应于三个角度光束投射方向下的全息图数据，并将所述全息图数据传送到所述计算机60；所述计算机60根据同一颗粒对应于三个角度光束投射方向的全息图数据，利用计算机60模拟光学衍射过程，构造出此颗粒对应于三个角度光束投射方向的二维截面投影，即可实现对此颗粒的形状的检测。

需要指出的是，由于反射光具有光路可逆的特性，因此，由所述激光光源10发出的光束照射方向也可以沿着上述光束的逆光路方向设置，即如图5所示，从所述颗粒样品池40的右面射入颗粒样品池40，经过所述颗粒样品池40的光束由颗粒样品池40的前面射出。

如图7a、图7b、图8a、图8b、图9a和图9b所示，所述三条光束路径分别为：

第一条光束路径，光束经C平面镜43反射后投射到颗粒上，产生的散射光经A平面镜41反射后射出所述颗粒样品池40，最终照射在所述阵列式检测器50的靶面上；

第二条光束路径，光束经B平面镜42反射后投射到同一所述颗粒上，产生的散射光射出所述颗粒样品池40，最终照射在所述阵列式检测器50的靶面上；

第三条光束路径，由颗粒样品池40的前面射入的光束直接投射到同一所述颗粒上，产生的散射光经B平面镜42反射后射出所述颗粒样品池40，最终照射在所述阵列式检测器50的靶面上。

需要注意的是，通过所述三条光束路径最后射出所述颗粒样品池40光束的方向为互相平行的。

所述三个角度光束投射方向分别为：

第一个角度光束投射方向，第一条光束路径中由C平面镜43反射后投射到颗粒上的光束方向；

第二个角度光束投射方向，第二条光束路径中由B平面镜42反射后投射到同一所述颗粒上的光束方向；

第三个角度光束投射方向，第三条光束路径中由颗粒样品池40的前面射入的光束直接投射到同一所述颗粒上的光束方向；

所述第一个角度光束投射方向、第二个角度光束投射方向和第三个角度光束投射方向两两互相垂直。

对颗粒测试采用湿法检测较为适宜，并且在颗粒分散过程中要添加分散剂来让粉末充分完全分散，本实施例中选用酒精作为分散剂。

在本实施例中，颗粒样品池40的颗粒密度控制在1个/mm³。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

下面结合具体工作过程和附图，对本发明的检测装置测量椭球状颗粒的过程进行详细说明：

本实施例中，以椭球状颗粒为例，来说明全息图记录与再现的效果。

首先，沿着激光光源10的发射方向依次顺序布置激光光源10、滤光片20、准直扩束器30、颗粒样品池40，阵列式检测器50；所述激光光源10、滤光片20、准直扩束器30的中心点均处于一条直线上；由所述激光光源10发出并射入所述颗粒样品池40的光束与B平面镜之间的夹角为45°；所述阵列式检测器50的靶面中心和由颗粒样品池40射出的光束中心处于一条直线上，所述阵列式检测器50的靶面垂直于由颗粒样品池40射出的光束，且所述阵列式检测器50的靶面视场面积大于射出的光束的照射面积。

所述颗粒样品池40内通过窗口放有待测的多个椭球状颗粒。

由激光光源10所发出的单色性的相干光经滤光片20过滤，再经准直扩束器30准直和扩束后，由所述颗粒样品池40的前面并以与B平面镜之间的夹角为45°的方向射入颗粒样品池40，通过所述A平面镜41、B平面镜42、C平面镜43的作用下，从而产生每个椭球状颗粒相对于三个角度光束投射方向下的干涉条纹。

所述阵列式检测器50检测干涉条纹的光强信号，并记录颗粒样品池40内所有椭球状颗粒对应于三个角度光束投射方向的全息图数据，所述阵列式检测器50将得到的所有椭球状颗粒的全息图数据均发送至计算机60进行处理；所述计算机60根据全息图数据，利用计算机模拟光学衍射过程，构造出颗粒样品池40内的每一个椭球状颗粒对应于三个角度光束投射方向的二维截面投影，即可实现对所有颗粒的形状的检测。

图10表示一个椭球状颗粒对应于三个角度光束投射方向的全息图。

图11表示计算机模拟光学衍射过程，构造得到的一个椭球状颗粒对应于三个角度光束投射方向的二维投影截面。

根据二维投影截面，可以得到椭球状颗粒的三个轴的半轴长a、b、c，则椭球方程可表示为：

利用本发明装置与以上步骤的配合，从而快速、准确的完成了对椭球状颗粒的测量。

同样的道理，也可对其他形状颗粒的形状信息进行测量。

综上所述，本发明针对颗粒形状信息的测量难题，引入同轴数字全息术的方法，通过本发明的颗粒样品池以及测量装置，使得射入颗粒样品池40的光束在A平面镜41、B平面镜42、C平面镜43的作用下，产生同一颗粒相对于三个角度光束投射方向下的干涉条纹，根据干涉条纹重构出同一颗粒在三个视角下的二维截面投影，即可完成对颗粒的形状信息的测量，从而实现了对微颗粒的形状信息的准确和快速测量，满足了实际应用中的多种需要。

Claims (5)

1.一种微颗粒粒形同轴数字全息测量装置，其特征在于：该装置包括颗粒样品池（40），颗粒样品池（40）其中的三面为平面镜，分别为A平面镜（41）、B平面镜（42）和C平面镜（43），B平面镜（42）位于A平面镜（41）与C平面镜（43）之间，A平面镜（41）与B平面镜（42）之间的夹角、A平面镜（41）与C平面镜（43）之间的夹角和B平面镜（42）与C平面镜（43）之间的夹角均为120°，所述A平面镜（41）、B平面镜（42）、C平面镜（43）的反射面均位于所述颗粒样品池（40）的内侧；

该装置还包括沿着光照方向依次顺序布置的激光光源（10）、滤光片（20）、准直扩束器（30）、颗粒样品池（40）、阵列式检测器（50）；所述阵列式检测器（50）连接计算机（60）；

所述激光光源（10）、滤光片（20）、准直扩束器（30）的中心点均处于一条直线上；由所述激光光源（10）发出并射入所述颗粒样品池（40）的光束与B平面镜（42）和C平面镜（43）之间的夹角均为45°；所述阵列式检测器（50）的靶面中心和由颗粒样品池（40）射出的光束中心处于一条直线上，所述阵列式检测器（50）的靶面垂直于由颗粒样品池（40）射出的光束，且所述阵列式检测器（50）的靶面视场面积大于射出的光束的照射面积；

所述激光光源（10）为单色性的相干光源；所述滤光片（20）为带通滤光片；所述准直扩束器（30）用于将激光光源（10）发出的光束进行扩束和准直，使得光束的照射面积大于颗粒样品池（40）垂直于入射光束方向的截面积；

所述激光光源（10）产生的光束分别经滤光片（20）过滤和准直扩束器（30）的扩束、准直后，由所述颗粒样品池（40）的前面并以与B平面镜（42）和C平面镜（43）之间的夹角均为45°的方向射入颗粒样品池（40），通过所述A平面镜（41）、B平面镜（42）和C平面镜（43）的作用下形成三条光束路径，从而产生同一颗粒相对于三个角度光束投射方向下的干涉条纹；所述阵列式检测器（50）检测干涉条纹的光强信号，记录同一颗粒对应于三个角度光束投射方向下的全息图数据，并将所述全息图数据传送到所述计算机（60）；所述计算机（60）根据同一颗粒对应于三个角度光束投射方向的全息图数据，利用计算机（60）模拟光学衍射过程，构造出此颗粒对应于三个角度光束投射方向的二维截面投影，即可实现对此颗粒的形状的检测；

所述三条光束路径分别为：

第一条光束路径，光束经C平面镜（43）反射后投射到颗粒上，产生的散射光经A平面镜（41）反射后射出所述颗粒样品池（40），最终照射在所述阵列式检测器（50）的靶面上；

第二条光束路径，光束经B平面镜（42）反射后投射到同一所述颗粒上，产生的散射光射出所述颗粒样品池（40），最终照射在所述阵列式检测器（50）的靶面上；

第三条光束路径，由颗粒样品池（40）的前面射入的光束直接投射到同一所述颗粒上，产生的散射光经B平面镜（42）反射后射出所述颗粒样品池（40），最终照射在所述阵列式检测器（50）的靶面上；

通过所述三条光束路径最后射出所述颗粒样品池（40）光束的方向互相平行。

2.根据权利要求1所述的一种微颗粒粒形同轴数字全息测量装置，其特征在于：所述颗粒样品池（40）为六面体，其另三面均为玻璃窗，设光束射入颗粒样品池（40）的那面为前面，所述A平面镜（41）、B平面镜（42）、C平面镜（43）分别位于光束射入方向的上面、后面和下面，三片玻璃窗分别位于光束射入方向的前面、左面和右面。

3.根据权利要求2所述的一种微颗粒粒形同轴数字全息测量装置，其特征在于：所述颗粒样品池（40）其中一面设有可开窗口，其用于向颗粒样品池（40）内添加颗粒和液体。

4.根据权利要求1所述的一种微颗粒粒形同轴数字全息测量装置，其特征在于，所述三个角度光束投射方向分别为：

第一个角度光束投射方向，第一条光束路径中由C平面镜（43）反射后投射到颗粒上的光束方向；

第二个角度光束投射方向，第二条光束路径中由B平面镜（42）反射后投射到同一所述颗粒上的光束方向；

第三个角度光束投射方向，第三条光束路径中由颗粒样品池（40）的前面射入的光束直接投射到同一所述颗粒上的光束方向；

所述第一个角度光束投射方向、第二个角度光束投射方向和第三个角度光束投射方向两两互相垂直。

5.根据权利要求1所述的一种微颗粒粒形同轴数字全息测量装置，其特征在于：所述颗粒样品池（40）内添加使颗粒充分分散的酒精，颗粒样品池（40）内的颗粒密度小于1个/mm³。