CN107810403B - 多光束和会聚光照射交叉光束成像 - Google Patents

多光束和会聚光照射交叉光束成像 Download PDF

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Abstract

描述了用以对粒子进行成像的方法和设备。生成了在多个光路上传播通过粒子场的多个照射光束。多个照射光束在测量体处会聚。通过测量体在数字相机的焦平面处的部分的粒子的阴影图像被成像。使用多个照射光束来去除粒子场中的其它粒子的阴影图像。

Description

多光束和会聚光照射交叉光束成像
政府许可权
本发明是在由国家航空航天局(NASA)颁发的合同No.NNX14CC65P的政府支持下进行的。政府对本发明有一定的权利。
技术领域
本发明的实施例涉及粒子成像。更具体地，本发明的实施例涉及使用会聚光对粒子进行成像。
背景技术
非常广泛范围的工业过程使用不规则形状和大小的液滴和固体粒子。研磨粉、医用吸入器和喷涂只是其中的一些示例。包括通过热和其它喷雾产生的涂层的工业过程通常涉及粒子参数(例如，粒子大小、形状、速度和空间位置)的确定。飞机结冰的区域涉及存在冰晶和冰粒(球形冻结小滴)情况下的过冷水滴。现有技术不能准确且可靠地测量这些粒子的大小。此外，现有技术不能将液滴与冰粒和冰晶分离。
现有的粒子成像技术包括使用用于照射的电弧闪光灯、脉冲激光器和脉冲LED来结合明场成像。这些技术通常使用电荷耦合器件(“CCD”)相机或互补金属氧化物半导体(“CMOS”)相机来记录粒子的阴影图像。这些技术通常使用准直或几乎准直的光利用扩散器来照射粒子场。然而，在这些技术中，在相对致密的粒子场状况下的焦点未对准的粒子通常产生使焦点对准的粒子的阴影图像的检测和测量复杂化的阴影。此外，光束路径中的较大粒子可能熄灭或遮蔽光束，导致样本体处的较小粒子图像损失。这种图像损失导致采样统计中的不可接受的偏差。
发明内容
描述了用以对粒子进行成像的方法和设备。对于实施例，生成了在多个光路上传播通过粒子场的多个照射光束。多个照射光束在测量体处会聚。通过测量体在数字相机的焦平面处的部分的粒子的阴影图像被成像。使用多个照射光束来去除粒子场中的其它粒子的阴影图像。
对于实施例，生成了在多个光路上传播通过粒子场的多个照射光束。多个照射光束在测量体处会聚。通过测量体在数字相机的焦平面处的部分的粒子的阴影图像被成像。使用多个照射光束来去除粒子场中的其它粒子的阴影图像。多个照射光束可以包括多个波长。
对于实施例，一种非暂时性机器可读介质包括在由数据处理系统访问时使得数据处理系统执行用以对粒子进行成像的方法的数据，所述方法涉及：生成在多个光路上传播通过粒子场的多个照射光束，多个照射光束在测量体处会聚；以及成像出通过测量体在第一数字相机的焦平面处的部分的粒子的阴影图像。使用多个照射光束来减少或去除粒子场中的其它粒子的阴影图像。
对于实施例，一种非暂时性机器可读介质包括在由数据处理系统访问时使得数据处理系统执行用以对粒子进行成像的方法的数据，所述方法涉及：生成在多个光路上传播通过粒子场的多个照射光束，所述多个照射光束在测量体处会聚；以及成像出通过测量体在第一数字相机的焦平面处的部分的粒子的阴影图像。使用多个照射光束来去除粒子场中的其它粒子的阴影图像。多个照射光束包括多个波长。
对于实施例，一种用以对粒子进行成像的设备包括：发射器，其用以生成在多个光路上传播通过粒子场的多个照射光束，所述多个照射光束在测量体处会聚。接收器耦接到发射器。接收器包括：成像光学器件；以及第一数字相机，其耦接到成像光学器件，以提供通过第一数字相机的焦平面处的测量体的粒子的阴影图像。多个照射光束被配置为去除粒子场中的其它粒子的阴影图像。处理器耦接到发射器和接收器中的至少一个。
对于实施例，一种用以对粒子进行成像的设备包括：发射器，其用以生成在多个光路上传播通过粒子场的多个照射光束，所述多个照射光束在测量体处会聚。接收器耦接到发射器。接收器包括：成像光学器件；以及第一数字相机，其耦接到成像光学器件，以提供通过第一数字相机的焦平面处的测量体的粒子的阴影图像。多个照射光束被配置为去除粒子场中的其它粒子的阴影图像。处理器耦接到发射器和接收器中的至少一个。对于一个实施例，多个照射光束包括多个波长。对于另一实施例，多个照射光束使用单个波长。
根据附图和下面的详细描述，本发明的实施例的其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
本发明通过示例的形式示出，并且不限于附图中的各图，附图中相同的附图标记指代相似的元素，在附图中：
图1示出了用以对粒子进行成像的设备的一个实施例的示意图。
图2示出了用以对粒子进行成像的设备的另一实施例的示意图。
图3是示出了用以对粒子进行成像的系统的一个实施例的示图。
图4A示出了用以对粒子进行成像的方法的一个实施例的流程图。
图4B是示出了用以产生高质量阴影图像的多波长、多角度照射的一个实施例的示图。
图5A1是示出了在相对致密的喷雾中获取的五光束照射图像的示例的示图。
图5A2是示出了通过在距离成像系统的焦平面不同距离处的测量体的粒子的多光束照射图像的示例的示图。
图5B示出了用以表征粒子的方法的一个实施例的流程图。
图6是示出了根据本发明的一个实施例的叠加在测量体上的两个CCD阵列的图像的一个实施例的示图。
图7是示出了多光束成像系统的一个实施例的示意图。
图8是示出了多光束成像系统的另一实施例的示意图。
图9是示出了单光束准直光成像系统的实施例的示意图。
图10是使用一个或多个锥透镜来对粒子进行成像的系统的一个实施例的示图。
图11是示出了通过单个锥透镜来传播光的一个实施例的示意图。
图12是使用一个或多个锥透镜来对粒子进行成像的系统的一个实施例的示图。
图13是示出了用以对粒子进行成像的系统的另一实施例的示图。
图14是示出了数字相机帧速率信号、指示粒子的检测的触发信号和被发送到发射器以生成会聚照射光束的触发信号的一个实施例的示图。
图15是示出了在粒子场的致密区域中使用会聚在测量体处的照射而取得的示例性图像和在粒子场的相同区域中利用准直的照射而取得的示例性图像的视图。
图16A示出了用以对粒子进行成像的系统的一个实施例。
图16B示出了用以对粒子进行成像的系统的一个实施例。
具体实施方式
描述了使用会聚光来对粒子进行成像的方法和设备。应当注意，在本文中，术语“粒子”是指小滴、气泡或任何其它对象。粒子可以具有球形形状、变形的球体形状或任何其它形状。粒子可以包括液体、固体材料、气泡、或其任意组合。
对于一个实施例，生成了在多个光路上传播通过粒子场的多个照射光束。多个照射光束在测量体处会聚。通过测量体在数字相机的焦平面处的部分的粒子的阴影图像被成像。使用多个照射光束来去除粒子场中的其它粒子的阴影图像。
对于一个实施例，使用会聚光来产生通过测量体在成像系统的焦平面处的部分的粒子的阴影图像。通过会聚光在焦平面外的部分的粒子的阴影图像由会聚光的其它部分来消除。这种方法提供的优点在于其允许观察粒子，而没有与遮蔽到达测量体处的粒子的光有关的困难。
图1示出了用以对粒子进行成像的设备的一个实施例的示意图。设备100包括多个照射光束(例如，照射光束101和照射光束102)，以消除图像平面中的焦点未对准的阴影。如图1所示，照射光束101在沿着方向107的光路上传播通过粒子场103，并且照射光束102在沿着方向109的光路上传播通过粒子场103。光束101的光路与光束102的光路不同。对于一个实施例，光束101的波长与光束102的波长不同。换句话说，光束101和102具有不同的颜色。例如，光束101是红色的或者任何其它颜色，光束102是绿色的或者与光束101的颜色不同的任何其它颜色。对于另一实施例，光束101和102具有相同的波长。对于一个实施例，照射光束101和102中的至少一个是脉冲激发的。对于一个实施例，光束被一致地脉冲激发以“冻结”粒子运动。
粒子场103包括粒子(比如，粒子104和105)。照射光束101和照射光束102会聚在测量体113处。如图1所示，测量体113是光束101和102彼此重叠的区域。光束101与光轴106成角度108。光束102与光轴106成角度111。对于实施例，如果角度108和111中的一个是0度的角度，则角度108和111中的另一个可以是除了0度以外的任意角度。对于一个实施例，光束相交角度是由成像系统的焦距比数(f#)确定的。通常，f#被定义为透镜焦距除以透镜直径。对于另一实施例，每个光束由单独的透镜检测，并且图像被传送到公共的图像平面，使得可以使用更大的光束相交角度。
如图1所示，照射光束101和102以角度112相交。对于实施例，角度112是角度108和111之和。粒子105通过测量体113中的位于成像系统的焦平面127处的部分，并且产生沿着光束102的方向109的个体阴影115和沿着光束101的方向107的个体阴影117。粒子104通过测量体113中的位于远离焦平面127的距离119处的部分，并产生沿着光束102的方向109的个体阴影114和沿着光束101的方向107的个体阴影116。
沿着与方向107垂直的轴线A-A’的测量体113的横截面图126包括个体阴影116和个体阴影117。沿着与方向109垂直的轴线B-B’的测量体113的横截面图125包括个体阴影114和个体阴影115，如图1所示。粒子105的阴影图像121形成在成像系统的成像平面124上。阴影图像121被形成为个体阴影115和个体阴影117的重叠。如图1所示，阴影图像121与由光束102和101产生的背景128显著不同。在图像平面124上，个体阴影图像122是由个体阴影114形成的，并且个体阴影图像123是由个体阴影116形成的。在图像平面124上，粒子104的个体阴影图像122和个体阴影图像123不重叠且彼此分离，并且均与阴影图像121分离。粒子104的个体阴影图像122和个体阴影图像123基本上与背景128相同。
对于实施例，个体阴影图像122和个体阴影图像123中的每一个距离阴影图像121的位移距离指示从焦平面移位的粒子的阴影在相机的图像平面中移位，并且不会形成深阴影。图像平面中的位移距离可以用于估计粒子距离样本体中的焦平面的距离。如果粒子被充分对焦以被精确确定了大小，则可以使用此信息。例如，个体阴影图像122和个体阴影图像123之间的位移距离131被确定。例如，图像平面124上的个体阴影图像122和阴影图像121之间的位移距离129被确定。例如，图像平面124上的个体阴影图像123和阴影图像121之间的位移距离130被确定。对于实施例，基于距离129和130来估算阴影图像121的焦点，以确定粒子的类型。对于一个实施例，粒子的类型包括粒子状态(例如，液体、固体、液体或固体中的气泡、或它们的任意组合)。对于另一实施例，粒子的类型表示粒子形状，例如，球形、椭圆形、多边形状(例如，三角形、矩形、正方形、菱形、斜方形、其它多边形状)、或任何其它粒子形状。对于一个实施例，粒子信息包括粒子速度、粒子大小或任何其它粒子信息。对于实施例，粒子的大小为至少0.1微米(“μm”)。对于另一实施例，粒子的大小为小于5微米(“μm”)。对于又一实施例，粒子的大小在约5μm至约3000μm的近似范围内。对于实施例，粒子的最大大小基于CMOS阵列的大小，因为粒子要适合于CMOS阵列。粒子的最小大小大于像素的大小。对于替代实施例，使用多个不同的放大率，如图3所示。
对于实施例，使用在公共点处交叉以形成测量体的至少两个照射光束来对粒子进行成像。对于更具体的实施例，在共同点处形成测量体以对粒子进行成像的多个照射光束的数量在大约2至12的范围内。对于实施例，照射光束是由激光器、发光二极管(“LED”)、或两者产生的。对于一个实施例，每个照射光束是由独立的廉价的二极管激光器产生的，正因为如此，每个照射光束与其它光束不相干。对于另一实施例，使用LED来生成照射光束。LED有利地不产生激光散斑并提供比激光背景更均匀的背景。对于又一实施例，使用锥透镜(axicon)通过单个光源来生成多个照射光束(例如，锥形光束)，如下面参考图10至图12进一步详细描述的那样。对于该实施例，单个光束与锥透镜一起使用以产生等效于会聚光束的连续体的锥形照射。
对于实施例，会聚照射光束在类似于白光的测量体中提供强度均匀的照射。通常，白光产生没有令人讨厌的衍射的最好的阴影图像。因为每个照射光束具有到测量体的显著不同的光路，所以在通过测量体外的光束时短暂地阻挡了任何一个光束(或由锥透镜产生的锥形光的区域)的一部分的粒子是不相关的或在相同的时间和位置处不阻挡任何其它波束。因此，与利用通过粒子场的单个光束路径(例如，准直光照射)的传统的粒子成像系统不同，会聚光在测量体处的照射可以稍微减弱，但是不会显著地损失强度的均匀性，也不会受到由测量体外的粒子形成的焦点未对准的阴影的困扰。通过测量体外的照射光束的粒子不会产生显著的阴影，因为在任何时刻仅其它光束的一小部分被遮蔽。因此，即使在致密的喷雾中和在具有非常大的滴状物(例如，毛毛雨和雨水)的状况下，背景噪声也有利地被最小化。由于其它光束的重叠的结果，光束强度的任何不均匀性也有利地被最小化。CCD相机、CMOS相机或两者可以用于捕获图像。对于实施例，所有照射光束被脉冲激发非常短的持续时间，使得粒子运动不对图像产生影响。对于一个实施例，脉冲持续时间为从约10纳秒(nsec)至约3000nsec或任何其它持续时间。对于另一个实施例，脉冲持续时间取决于粒子的速度。对于另一实施例，光束以已知的时间间隔被脉冲激发两次，以形成可以用于获得粒子速度的图像对。
对于实施例，调整照射光束101和102的相交角度112，以将测量体113设置在成像系统的焦平面127处，并且去除测量体外的粒子的阴影图像。由于照射光束不会被光束路径中的较大粒子或其它结构全部阻挡，使得允许观察焦平面中的粒子，因此，使用具有足够大的角度的多光束照射提供了优于常规系统的优点。
对于实施例，调整照射光束的数量，以去除在测量体外的粒子的阴影图像。对于实施例，调整光束波长，以去除测量体中的粒子的图像上的阴影衍射。对于实施例，多个照射光束与数字相机同步，如下面进一步详细描述的。
对于实施例，光束相交角度确定了在成像系统的焦平面的前面和后面的粒子的个体阴影图像分离得有多快。同时，成像系统的景深特性确定了阴影图像移出焦点有多快。多光束照射方法的优化需要分析图像分离速率和成像系统景深(DoF)。对于一个实施例，相交光束进入相机透镜并被成像到相机焦平面，这需要f#(焦距除以透镜直径)与光束相交角度匹配。对于另一实施例，用于每个光束的单独的透镜与将光束和阴影图像引导到CCD或CMOS阵列上的反光镜一起使用。
通常，对于粒子大小，可接受的大小不确定度设置了成像系统的景深。观察更大结构(例如，喷雾分解)通常将允许更大的模糊圈，因此成像系统的景深更大。对于单个光束照射，焦点未对准的阴影图像在边缘处模糊，但仍保持为单个图像。使用多光束照射，粒子的个体阴影图像在焦点未对准时会模糊和分离。该信息用于帮助确定阴影图像是焦点对准的还是不能接受的焦点未对准的。
对于实施例，当使用多光束照射时，估计在随着粒子远离成像系统的焦平面时粒子的个体阴影图像的分离速率。使用多光束照射方法，在确定粒子是否为焦点对准的时，还需要考虑附加信息。图像的分离改变了图像密度梯度。粒子的阴影图像边缘处的密度梯度受个体阴影图像的分离程度和粒子与焦平面的距离的影响。同时，由于焦点未对准且距离焦平面一定距离，个体阴影图像扩大。对于实施例，随着粒子密度增加，减小成像系统的焦距比数(“f#”)、增大照射光束的相交角度、或者这二者被使用来消除由通过焦平面外的光束的粒子产生的阴影的干扰。
图2示出了用以对粒子进行成像的设备的另一实施例的示意图。设备200包括多个照射光束(例如，照射光束201、202、203、204和205)，以消除图像平面中的焦点未对准的阴影。照射光束201、202、203、204和205中的每一个在沿着相应方向的相应光路上传播通过包括粒子(例如，粒子212和213)的粒子场。例如，照射光束201在沿着方向206的光路上传播，并且照射光束202在沿着方向209的光路上传播。对于实施例，照射光束201、202、203、204和205的光路是不同的。对于实施例，照射光束201、202、203、204和205的波长是不同的。换句话说，照射光束201、202、203、204和205具有不同的颜色。例如，光束201是红色的，光束202是绿色的，光束203是蓝色的，光束204是黄色的，光束205是紫色的，或者是彼此不同的任何其它颜色。对于实施例，照射光束201、202、203、204和205中的至少一个是脉冲激发的。粒子212和213表示粒子104和105。
照射光束201、202、203、204和205会聚，以在成像系统的焦平面226处形成测量体228。测量体228是所有照射光束201、202、203、204和205重叠的区域，如图2所示。照射光束201、202、203、204和205以多个角度彼此相交。每个照射光束201、202、203、204和205与光轴207成相应的角度。如图2所示，光束201与光轴207成角度208。光束202与光轴207成角度211。对于实施例，如果照射光束201、202、203、204和205中的一个与光轴207成0度的角度，则照射光束201、202、203、204和205中的其它光束可以与光轴207成除了0度以外的任意角度。
如图2所示，照射光束201和202以角度229相交。对于实施例，角度229是角度208和211之和。通过测量体228中的位于焦平面226处的部分的粒子212由于每个照射光束201、202、203、204和205而产生多个个体阴影(例如，由光束202形成的个体阴影219和由光束201形成的个体阴影222)。通过测量体228中的位于远离焦平面226的距离230处的部分的粒子213由于每个照射光束201、202、203、204和205而产生多个个体阴影(例如，由光束202形成的个体阴影218和由光束201形成的个体阴影221)。沿着与方向206垂直的轴线A-A’的测量体228的横截面图216包括个体阴影221和个体阴影222。沿着与方向209垂直的轴线B-B’的测量体228的横截面图217包括个体阴影219和个体阴影218，如图2所示。粒子212的阴影图像223形成在成像系统的成像平面227上。阴影图像223形成为由每个照射光束201、202、203、204和205形成的个体阴影(比如，115和117)的重叠。如图2所示，阴影图像223与由光束201、202、203、204和205产生的背景231显著不同。个体阴影图像(例如，个体阴影图像224和个体阴影图像225)是由图像平面227上的个体阴影形成的。例如，个体阴影图像224是由个体阴影218形成的，并且个体阴影图像225是由个体阴影216形成的。个体阴影图像中的每一个远离图像平面124上的阴影图像223一定的距离(例如，距离232)。在图像平面227上，粒子213的个体阴影图像不重叠且彼此分离一定的距离。粒子213的个体阴影图像基本上与背景231相同。
对于实施例，照射光束是由激光器、发光二极管(“LED”)或两者产生的。对于一个实施例，每个照射光束是由独立的廉价的二极管激光器产生的，正因为如此，每个照射光束与其它光束不相干。对于另一实施例，使用LED生成照射光束。对于另一实施例，使用锥透镜通过单个光源来生成多个照射光束，如下面参考图10至图12进一步详细描述的。对于实施例，多个照射光束与数字相机同步，如下面进一步详细描述的。对于实施例，调整照射光束的一个或多个相交角度，以将测量体228设置在成像系统的焦平面226处，并且去除测量体228外的粒子的阴影图像。对于实施例，调整照射光束的照射光束数量，以去除在测量体228外的粒子的阴影图像。对于实施例，调整光束波长，以减少来自测量体228内的粒子的阴影图像的衍射。
对于实施例，确定了个体阴影图像之间的位移距离，以估算图像平面上的阴影图像223的焦点。对于实施例，基于位移距离来估算阴影图像223的焦点，以确定粒子信息，如以上关于图1所述。
粒子的多光束、多向照射有利地限制了成像系统的景深，并且消除了来自焦体(focal volume)的外部的光束路径中的粒子(例如，小滴、液丝(ligaments)和其它结构)的阴影。如图1和图2所示，除在与成像系统的焦平面一致的光束的重叠区域之外，由一个光束产生的阴影被其它光束消除。根据粒子和喷雾结构密度，可以设置光束相交角度，以将阴影限制到相对窄的区域，或者可以以非常小的角度来设置阴影，以允许与成像系统(例如，相机)景深一致的光束深度重叠。光束相交角度可能受相机镜头f#(焦距除以直径)的限制。对于实施例，通过可以根据粒子速度按10ns至1000ns的脉冲持续时间被同步地脉冲激发的多个激光二极管来提供多角度照射。这提供了用于对喷雾小滴、液丝和其它喷雾结构进行成像的足够的照射。根据光束消光，可能需要更多的激光功率。由于二极管激光器是相对廉价的，因此可以使用任意数量的二极管激光器来提供粒子场的足够的照射。对于另一实施例，使用发光二极管(LED)来提供比由激光二极管提供的照射区域大的照射区域。
对于实施例，使用从约10ns至约20ns的激光脉冲持续时间来对以典型速度移动的粒子(比如，小滴和其它结构)成像。对于实施例，通过Nd:YAG脉冲激光器或其它常见脉冲激光器来提供从约10ns至约300ns的近似范围中的激光脉冲持续时间。这样的激光脉冲持续时间用于对喷雾的较小区域(例如，在一侧上的几毫米)成像。对于宏观成像，根据粒子的速度，最大脉冲持续时间可以在约100ns至约2000ns的近似范围内。这些脉冲持续时间可以由廉价LED的阵列提供。脉冲持续时间通常是由粒子的速度确定的，以防止或最小化模糊。例如，以100m/s移动的粒子在20ns脉冲持续时间处可能仅具有2微米的模糊。如果粒子以1m/s移动，则300ns脉冲可能仅引起0.3微米的模糊。
对于实施例，成像系统的相机阵列不限制照射脉冲持续时间。这有利地使用户免于弹道成像所需的费用和严格的定时要求。
图3是示出了用以对粒子进行成像的系统300的一个实施例的示图300。系统300包括发射器系统301和接收器系统330。发射器系统301包括一个或多个光源(例如，光源302和光源303)，这些光源生成多个照射光束，例如在多个光路上传播通过包括粒子(例如，沿方向309移动的粒子306、307和308)的粒子场的照射光束304和照射光束305。照射光束会聚，以在成像系统的焦平面331处形成测量体。图3的照射光束是由图1和图2的照射光束表示的。
对于实施例，发射器系统301的光源包括激光器、发光二极管(“LED”)或两者，如以上关于图1和图2所述。对于另一实施例，使用锥透镜通过单个光源来生成多个照射光束，如下面参考图10至图12进一步详细描述的。对于实施例，发射器系统301包括光源，以生成触发光束(未示出)。对于实施例，如果在测量体中检测到粒子，则发送触发光束以生成多个照射光束，如下文详细描述的。
接收器系统330包括成像光学器件和一个或多个数字相机，以提供通过焦平面331处的测量体的粒子306的阴影图像，如上所述。对于一个实施例，使用多个数字相机(例如，数字相机316、317和310)来调整粒子的动态范围。对于一个实施例，粒子的大小动态范围为约300:1。
如图3所示，接收器系统330的成像光学器件包括一个或多个接收器透镜311，以接收由每个照射光束形成的粒子306的个体阴影，如上所述。一个或多个图像传送透镜312将粒子306的个体阴影图像传送到分束器314。分束器314将包括粒子306的个体阴影图像的照射光束分成部分332和部分333。将部分332发送到一个或多个聚焦透镜314，以在数字相机316的图像平面上形成粒子306的阴影图像。将部分333发送到一个或多个聚焦透镜315，以在数字相机317的图像平面上形成粒子306的阴影图像。成像系统可以可选地包括分束器319，以将包括粒子306的个体阴影图像的照射光束分成部分334和部分335。在这种情况下，将部分334发送到分束器313，以在数字相机316和317的对应图像平面上形成粒子306的阴影图像。将部分335发送到一个或多个聚焦透镜318，以在数字相机310的图像平面上形成粒子306的阴影图像。对于一个实施例，使用多相机方法以允许不同的放大率，以使得能够在较宽的大小范围内以高分辨率确定粒子的大小。
处理系统320耦接到接收器系统330。处理系统320包括处理器321、存储器322和用以显示通过测量体的粒子的阴影图像的显示器323。对于另一个实施例，处理器321被配置为确定由多个照射光束中的每一个产生的个体阴影图像的一个或多个位移距离，并且使用位移信息来确定阴影图像的焦点，如下面进一步详细描述的。对于另一个实施例，处理器321被配置为检测阴影图像，基于阴影图像来估算粒子的景深、粒子的焦点或二者，以基于估算来确定粒子的类型，并且基于粒子的类型来确定粒子信息，如下面进一步详细描述的。
对于一个实施例，成像系统的大小范围被扩展到覆盖从0.05μm到3000μm的动态大小范围。这可以通过高分辨率和非常有效的图像捕获来实现，并且可以使用不同的放大率且单独的CMOS相机来传送到图像处理计算机。
由于需要实现相对较高的图像捕获速率(每秒大于100次)，所以高分辨率CCD相机可能不合适，因为传送每个图像将花费太长时间，并且所需的存储空间可能变得非常高。如图3所示，具有多个数字相机的系统在保持高分辨率的同时具有单独的图像放大率的分级。以这种方式，粒子图像可以在整个大小范围内几乎填满相机的图像空间。实现了达到5μm到3000μm或更大的大小动态大小范围的目标，而不需要将来自单独的仪器的数据拼接在一起。
为了确保成像系统仅捕获焦点对准的粒子，可以可选地使用粒子触发系统，如下文进一步详细描述的。对于实施例，触发响应是测量体大小的确定的整数部分。能够准确地表征测量体使得能够确定粒子信息(例如，粒子浓度、液态水含量、针对作为粒子大小的函数的表观景深(apparent depth of field)中的变化而被校正的粒子大小分布，或其它粒子信息)。
图4A示出了用以对粒子进行成像的方法420的一个实施例的流程图。在操作421处，监测包括多种粒子的粒子场。对于一个实施例，使用触发光束来监测粒子场。在操作422处，确定粒子是否在测量体处。如果粒子不在测量体中，则方法返回至操作421。如果粒子在测量体中，则在操作423处发送触发光束，以生成多个照射光束。对于一个实施例，使用触发光束来与相机快门同步地脉冲激发激光器，以仅在存在粒子时采样。对于另一实施例，激光器和相机以固定速率被同时触发。在这种情况下，与相机快门同步的多个照射光束以固定速率生成，而不管粒子是否存在于测量体处。对于实施例，通过调整激光能量密度(每脉冲产生的光量)、用以确保阴影对比度大于预定对比度的相机增益、和在测量之前要使用的相机的数量来设置系统。对于一个实施例，在测量数据获取之前预设置相机和放大率。在操作424处，响应于接收到触发信号，生成了在多个光路上传播通过粒子场的多个照射光束。多个照射光束在测量体处会聚，如上面关于图1至图3所述。在操作425处，多个照射光束与数字相机同步。在操作426处，调整照射光束的参数(例如，相交角度、数量、光束波长)以去除测量体外的粒子的阴影图像，如上所述。对于另一实施例，在光学器件的设计期间调整照射光束的参数(例如，相交角度、数量、光束波长)。在操作427处，使用多个数字相机来调整粒子的动态范围，如上所述。应当注意，操作426和427可以以任何顺序执行。对于实施例，操作427在操作426之后。对于另一实施例，操作426在操作427之后。在操作428处，如上所述执行对通过测量体在数字相机的焦平面处的部分的粒子的阴影图像进行成像。对于一个实施例，处理器321被配置为执行方法420。
图4B是示出了即使在致密粒子场环境中也产生高质量阴影图像的多波长、多角度照射的一个实施例的示图400。多个照射光束(例如，照射光束401、402、403、428和429)沿着相应的方向在相应的光路上传播通过包括粒子(例如，粒子405、406和407)的粒子场。粒子405、406和407表示以上关于图1至图4A所述的粒子。对于一个实施例，照射光束具有彼此不同的波长。对于另一实施例，一些照射光束具有一种波长，并且另一些照射光束具有其它波长。例如，照射光束401和429可以具有一种波长(例如红色)，照射光束402和428可以具有另一种波长(例如蓝色)，并且照射光束403可以具有另一种不同的波长(例如绿色)。照射光束会聚，以在成像系统的焦平面处形成测量体。成像系统的焦平面沿轴线A-A’传播。测量体是所有的照射光束重叠的区域，如图4B所示。
通过测量体在成像系统的焦平面处的部分的粒子406由于每个照射光束而产生多个个体阴影，这些个体阴影重叠以在成像系统的图像平面上形成粒子406的阴影图像426。沿着与光轴404垂直的轴线A-A’的测量体的横截面图411包括阴影图像426。在焦平面A-A’之前通过照射光束403的粒子405由于照射光束403而产生个体阴影425。粒子405没有因其它照射光束(比如，照射光束401和402)而产生阴影。沿着与光轴404垂直的轴线B-B’的照射光束的横截面图408包括由光束403引起的个体阴影425。在焦平面A-A’之后通过照射光束403和428的粒子407由于照射光束403和428而产生个体阴影427。粒子407没有因其它照射光束(比如，照射光束401和402)而产生个体阴影。沿着与光轴404垂直的轴线C-C’的照射光束的横截面图409包括阴影427，其为由光束403和428引起的个体阴影的重叠。
曲线410示出了光强416与CCD阵列415上的距离之间的关系的一个实施例。光强416从峰值强度到完全阴影变化，如曲线410所示。当不存在与光束中的至少一个相交叉的粒子时，峰值强度与背景状况相对应。如曲线410所示，CCD阵列的区域413中的粒子406的阴影图像426的光强显著小于CCD阵列的区域412和区域414中的光强。也就是说，粒子406的阴影图像与背景峰值光强和个体阴影图像425和427的光强显著不同。
如图4B所示，照射光束在测量体处会聚，以模拟白光照射。对于一个实施例，使用彩色CCD(RGB)来提取关于阴影图像的颜色信息。颜色信息可以提供关于粒子阴影的附加尺寸信息。也可以使用各种彩色照射之间的延迟来测量速度(类同于双脉冲激发单激光)。对于一个实施例，实施双脉冲成像，以提供阴影粒子图像测速(PIV)图像，以获得小滴和喷雾结构的大小和速度。一个或多个照射脉冲的持续时间自然地受到成像系统的分辨率和目标粒子的速度的限制。对于一个实施例，对于微观成像，使用约20ns的最大脉冲持续时间(以100m/s模糊2μm)。例如，如果粒子以100m/s移动，则其将在20ns中移动2μm。这将使边缘模糊2微米。对于更小的粒子，使用更短的脉冲持续时间来最小化模糊。
图5A1是示出了在相对致密的喷雾(约5,000/cc)中获取的五光束照射图像的示例的示图500。五光束照射图像501示出了通过成像系统的焦平面处的测量体的粒子的阴影图像。阴影图像(例如，阴影图像503)是焦点对准的，并且与背景504和成像系统的焦平面外的其它粒子的个体阴影图像(比如，个体阴影图像505)显著分离。如图像501所示，阴影图像(比如，阴影图像503)仅形成在照射光束在成像系统的焦平面处重叠的粒子的图像平面中。由通过焦平面外的光束的粒子的一些单个光束形成的个体阴影图像(比如，个体阴影图像505)被其它照射光束照射，使得不产生这种粒子的完全阴影图像，这显著地简化了焦点对准的粒子阴影图像(比如，阴影图像503)的检测和测量。对于一个实施例，对照射光束的参数(比如，相交角度、光束数量和波长)进行优化，以防止形成焦平面外的粒子的个体阴影图像。五光束照射图像502示出了在成像系统的焦平面外的通过测量体的粒子的阴影图像。阴影图像(例如，阴影图像506)是焦点未对准的，并且与背景507和其它焦点未对准的粒子的个体阴影图像(比如，个体阴影图像508)没有显著分离。
图5A2是示出了通过距离成像系统的焦平面不同距离处的测量体的粒子的多光束照射图像的示例的示图510。如图5A2所示，随着粒子远离成像系统的焦平面，由每个照射光束形成的粒子的阴影图像彼此远离。图像511示出了通过成像系统的焦平面处的测量体的粒子的阴影图像。如图像511所示，由每个照射光束形成的粒子的个体阴影图像完全重叠，以形成与背景显著分离的阴影图像521。图像512示出了通过距离成像系统的焦平面约100μm处的测量体的粒子的阴影图像。如图像512所示，由每个照射光束形成的粒子的个体阴影图像仅部分地(约75％)重叠，导致与图像521相比更加模糊且与背景不太分离的阴影图像522。图像513示出了通过距离成像系统的焦平面约200μm处的测量体的粒子的阴影图像。如图像513所示，由每个照射光束形成的粒子的阴影图像仅重叠约50％，导致与图像522相比更加模糊且与背景不太分离的阴影图像522。
图5B示出了用以表征粒子的方法510的一个实施例的流程图。在操作511处，检测阴影图像。在操作512处，确定由与所检测到的阴影图像相关联的多个照射光束中的每一个产生的个体阴影图像的位移。在操作513处，确定阴影图像的焦点。在操作514处，估算与阴影图像相关联的粒子的景深。在操作515处，估算粒子的焦点。在操作516处，确定多个照射光束之间的延迟。在操作517处，确定粒子的类型。对于实施例，基于操作512至516中的至少一个来确定粒子的类型。
对于实施例，粒子的类型表示粒子状态(例如，液体、固体、液体中的气泡、或它们的任意组合)。对于另一实施例，粒子的类型表示粒子形状，例如，(1)球形、(2)椭圆形、(3)多边形状(例如，三角形、矩形、正方形、菱形、斜方形、其它多边形状)、或(4)其它粒子形状。在操作518处，确定粒子信息。对于实施例，基于粒子的类型来确定粒子信息。对于另一实施例，基于操作512至516中的至少一个来确定粒子信息。对于一个实施例，粒子信息包括粒子速度、粒子大小或任何其它粒子信息。
图6是示出了叠加在测量体上的两个CCD阵列的图像的一个实施例的示图。如图6所示，通过由重叠照射光束而形成的测量体607的具有不同大小的粒子(比如，粒子603、604和605)被多个CCD阵列成像。触发光束606检测到粒子603、604和605。粒子603的大小大于粒子605的大小。粒子605大于粒子604。如图6所示，小粒子(例如，粒子604)被CCD1阵列的视场602成像。大粒子(例如，粒子603)被CCD2阵列的视场601成像。中等粒子(例如，粒子605)被CCD1阵列的视场602和CCD1阵列的视场602成像。对于实施例，视场601表示数字相机316的视场，并且视场602表示数字相机317的视场。
可以获得在所需粒子大小范围内提供足够分辨率的高分辨率CCD相机。然而，相机的视场需要较大，以包括包含测量体中的最大的粒子的图像的所有图像。同时，CCD相机需要提供足够的分辨率，以对测量体中的小粒子成像。例如，具有高达1200万像素分辨率的CCD摄像机是可用的。传送和处理这样大量的数据是非常耗时的。通过使用具有触发系统的多个CCD相机，图像粒子的数据传输速率和处理速率提高到约每秒1000图像帧。使用下面将进一步详细描述的粒子触发系统，针对每一帧将主要滴状物图像居中。因此，可用的CCD像素空间的使用被优化。
返回参考图3和图6，包括第一数字相机(例如，数字相机316)的第一成像系统观察通过在测量体的中心处的图像光束(CCD1视场601)的粒子的放大图像。小粒子的图像被记录在第一数字相机上。使用分束器(例如，分束器313)和包括第二数字相机(例如，数字相机317)的第二成像系统来覆盖较大区域的粒子空间，以对通过测量体的大粒子进行成像，所述第二数字相机的放大率小于第一数字相机的放大率。大粒子的图像被记录在第二数字相机上。使用这种策略，用以实现高分辨率和精度所需的信息的像素数量的显著减少得以实现。
基于CCD阵列中的像素数量，可以获得各种水平的分辨率。例如，在假若给定视场允许完全检测由成像系统的触发器检测到的所有粒子的情况下，512像素CCD阵列提供每像素近似2μm的分辨率。在这种情况下，对于具有10μm至500μm的近似范围中的直径大小的小粒子，通过相机对约1mm×1mm的测量体区域成像。对于大粒子，被成像的测量体处的横截面积为近似5mm×5mm，512像素CCD的分辨率是约每像素10μm。利用这种方法，针对每个触发事件，从每个相机传送近似260K像素的信息。为了使用单个CCD相机获得相同的分辨率，CCD阵列需要在每侧放大10倍，这意味着可能需要5120×5120像素阵列，并且每个图像需要传送约2600万像素的信息。在这种情况下，处理图像可能需要扫描信息来确定阴影像素所处的位置，然后仅选择该区域用于处理。
包括具有分束器的多个单独的CCD相机的成像系统(如图3所示)提供高分辨率和有效的数据传输和处理两者。对于实施例，触发系统被配置为使得给定大小范围中的粒子触发特定相机，而不是同时触发所有相机。对于一个实施例，在触发对应的数字相机的检测器系统上设置多个阈值水平。对于一个实施例，如果触发信号大于预定幅度阈值，则触发用以对第一大小范围的粒子进行成像的数字相机。如果触发信号小于预定阈值，则触发用以对第二大小范围的粒子进行成像的数字相机。对于更具体的实施例，如果触发信号大于预定幅度阈值，则触发用以对更小的粒子进行成像的数字相机。如果触发信号小于预定阈值，则触发用以对更大粒子进行成像的数字相机。
图7是示出了多光束成像系统的一个实施例的示意图700。如图7所示，相交的照射光束701和702传播通过透镜708。透镜708具有焦距716和焦距717。粒子705、706和707通过由重叠照射光束701和702而形成的测量体。形成粒子的阴影(比如，阴影703和704)的照射光束被准许进入透镜708和数字相机(例如CMOS、CCD阵列、或其它数字相机)。
如图7所示，粒子705和706分别通过平面712和709处的测量体。平面709是透镜708的焦平面。透镜708的焦平面处的粒子706在图像平面710上产生单个聚焦的阴影图像711，而不管光束相交角度或所有光束是否完全重叠。粒子705远离透镜的焦平面。粒子705产生以如上所述基于照射光束相交角度的速率进行分离的个体阴影(比如，图像平面713上的个体阴影714和个体阴影715)。
图8是示出了多光束成像系统的另一实施例的示意图800。如图8所示，相交的照射光束801和802传播通过透镜818。透镜818具有焦距816和焦距817。粒子803和804分别通过由在平面811和808处重叠照射光束801和802而形成的测量体。形成粒子的阴影(比如，阴影805和806)的照射光束被准许进入透镜818和数字相机(例如CMOS、CCD阵列、或其它数字相机)。
最初，平面808是透镜818的焦平面。透镜818的焦平面处的粒子804在图像平面809上产生单个聚焦的阴影图像807。远离焦平面的粒子(比如，粒子803)在图像平面处产生焦点未对准的两个阴影图像，如关于图7所述。在将相机重新聚焦到平面811之后，粒子803的个体阴影叠加到在图像平面812处的单个阴影813上，而图像平面809处的阴影将分离成个体阴影814和个体阴影815。
图9是示出了单光束准直光成像系统的实施例的示意图900。如图9所示，粒子901和903通过准直光束920分别产生阴影902和904。包括阴影902和904的准直光束通过透镜905传播到具有图像平面909的数字相机。透镜905具有焦距906和焦距907。在透镜905的焦平面908处通过光束的粒子901在图像平面909上产生阴影910。通过使用准直光束照射，在焦平面外的粒子904的阴影图像911模糊，并且在某一点处，模糊圈或弥散圈达到不可接受的水平。景深和模糊圈通常由成像系统的要求来设定。然而，当使用成像系统来测量粒子大小分布时，景深问题是测量误差的最严重的来源之一。通常，景深是指光学仪器产生物体的清晰图像的范围。在接收器光学器件的景深外检测到的粒子导致测量误差显著增大，这是因为未聚焦的粒子图像的大小看起来与真实值不同。
图10是使用一个或多个锥透镜来对粒子进行成像的系统1000的一个实施例的示图。具有均匀照射的光束1001通过锥透镜1003、锥透镜1004和锥透镜1005，以形成会聚光，该会聚光包括以预定角度会聚以形成测量体1010的部分1012和部分1011。测量体1010是光束1001的会聚部分1012和1011重叠的区域。如图10所示，会聚部分1011包括外部分1006和内部分1007，外部分1006和内部分1007通过锥透镜1004从锥透镜1003传播到锥透镜1005。会聚部分1012包括内部分1015和外部分1016，内部分1015和外部分1016通过锥透镜1004从锥透镜1003传播到锥透镜1005。部分1006和1016是大半径部分，部分1007和1015是小半径部分。部分1006和1016的光强高于部分1007和1015的光强。会聚部分1012和1011在锥透镜1003和1004之间的相交处的光强是不均匀的。
图11是示出了通过单个锥透镜来传播光的一个实施例的示意图1100。具有均匀照射的光1102通过锥透镜1101以形成包括部分1103和部分1104的会聚光。在部分1104和1103的相交处，光具有不均匀的照射。这是相对面积作为锥透镜的半径函数的不良后果。更大的半径收集更多的光，并在光束相交的附近区域中的外半径处产生更高的强度。由于与光传输相关联的更小的半径，将在光束的中心或轴的附近处产生低强度。
返回参考图10，通过引入一对锥透镜1004和1005，将会聚部分1012和1011在锥透镜1003和1004之间的相交处的不均匀光强反转，以在测量体1010处产生与光束1001的均匀照射类似的均匀照射。这提供了具有如下的会聚照射光束的优点，这种会聚照射光束是不聚焦的并且具有与原始入射照射类似的均匀径向强度。如图10所示，在通过锥透镜105之后，会聚部分1012和1011的相应的外部分1008和1014以及内部分1009和1013具有类似的强度。
如图10所示，块1002被放置在照射光束1001和锥透镜1003之间。块1002阻挡光束1001的一部分通过锥透镜1003，以调整测量体1010。对于一个实施例，通过调整块1002的大小、块1002沿着锥透镜1003的位置或者这两者来调整测量体1010。对于实施例，由锥透镜产生的照射是本质上是照射角度的连续体的中空锥形照射。中空锥形照射用于优化消除图像平面外的粒子和其它结构的阴影的效果。对于实施例，光束阻挡块形成可以有利于照射致密粒子场的共环形光束。
图12是使用一个或多个锥透镜来对粒子进行成像的系统1200的一个实施例的示图。入射光束1201具有均匀的照射。入射光束1201的部分1206、1208、1209和1207具有类似的强度。入射光束1201通过锥透镜1203、锥透镜1204和锥透镜1205，以形成会聚光，该会聚光包括以预定角度会聚以形成测量体1220的部分1210、1211、1212和1213。部分1211和1210的光强高于部分1212和1213的光强，如以上关于图10和图11所述。部分1215和1214的光强高于部分1221和1222的光强。在通过锥透镜1205之后，不均匀的强度被完全反转，以在平面1221处的测量体1220中产生均匀的照射。平面1221处的测量体1220处的光强与入射光束1201的光强类似。
对于实施例，如图10和图12所示的由锥透镜产生的照射是本质上是照射角度的连续体的中空锥形照射。中空锥形照射用于优化消除图像平面外的粒子和其它结构的阴影的效果。
图13是示出了用以对粒子进行成像的系统1300的另一实施例的示图。系统1300包括发射器系统1301。发射器系统1301包括一个或多个光源，例如，生成多个照射光束(比如，光束1302和1303)的光源1321和光源1322以及用以生成触发光源1304的光源1323。发射器系统1301包括同步模块1324，以将照射光束与数字相机系统1308同步。照射光束被配置为在多个光路上传播通过包括粒子(例如，粒子1305和1306)的粒子场。照射光束被配置为会聚以在成像系统的焦平面处形成测量体1304。图13的照射光束是由图1和图2的照射光束表示的。对于实施例，发射器系统301的照射光源包括激光器、发光二极管(“LED”)或两者，如以上关于图1和图2所述。对于实施例，使用锥透镜通过单个光源来生成多个照射光束，如关于图10至图12所述。
对于实施例，由触发光源生成的触发光束1304传播通过测量体1314的中心。对于实施例，触发光源包括激光器、LED或两者。
接收器系统包括成像光学器件(例如，一个或多个透镜1307)和数字相机系统1308，数字相机系统1308包括一个或多个数字相机以提供通过在焦平面处的测量体的粒子的阴影图像，如以上所述。对于一个实施例，触发光束的波长与照射光束的波长不同。当粒子通过测量体时，触发光束1304从粒子被偏转到光电检测器系统1311上，光电检测器系统1311向逻辑电路1312输出指示测量体1314中存在粒子的触发信号1325，以驱动一个或多个激光源。逻辑电路1312输出触发信号1326以驱动发射器系统1301的一个或多个光源，以生成会聚照射光束。逻辑电路1312输出触发信号1325，以触发数字相机系统1308。对于一个实施例，使用多个二极管激光器来同时地从多个方向照射粒子场。使用触发激光器和光电检测器来检测测量体中粒子的存在。该信息用于脉冲激发多个照射光束。通过在CMOS传感器上产生粒子的冻结阴影(例如，明场图像)的接收器透镜来组合激光光束。使用多角度照射显著降低了由于常规仪器的景深变化的问题而导致的测量误差。
成像系统可以可选地包括一个或多个分束器(未示出)，以将照射光束分到多个数字相机上，如以上关于图3所述。图像获取和处理系统1310耦接到数字相机系统1310。处理系统320包括处理器1315、存储器1316和显示器1317，以执行用以对通过测量体的粒子的图像阴影进行成像的方法，如本文所述。对于实施例，处理器1315被配置为执行粒子分析，粒子分析涉及识别焦点对准的粒子、计算各种形状参数和将粒子分类。对于实施例，处理器1315被配置为区分液滴和冰晶。
图14是示出了数字相机帧速率信号1401、指示粒子的检测的触发信号1402、和被发送到发射器以生成会聚照射光束的触发信号1403的一个实施例的示图1400。对于实施例，触发信号1402表示触发信号1325。对于实施例，触发信号1403表示触发信号1326。如图14所示，信号1403是具有宽度tp的脉冲信号。如图14所示，在相机帧时间tc期间仅发出一个触发信号1403。
图15是示出了在粒子场的致密区域中使用在测量体处会聚的照射而取得的示例性图像1501和在粒子场的相同区域中利用准直的照射而取得的示例性图像1502的视图1500。图像1501显示通过测量体在数字相机的焦平面处的部分的粒子的完全阴影图像(比如，相对于背景1504的完全阴影图像1503)。即使会聚光束通过与焦平面邻近的相对致密的粒子场，背景1504也基本上是干净的。图像1501示出了使用会聚照射从背景中消除焦点未对准的粒子的阴影图像。图像1502示出了利用单个准直光束成像的相同的粒子场。通过测量体在数字相机的焦平面处的部分的粒子的完全阴影图像(比如，完全阴影图像1505)被焦点未对准的粒子的背景阴影图像(比如，背景阴影图像1506)遮蔽。如图像1502所示，焦点未对准的致密粒子簇产生明显的遮蔽，从而为图像处理带来问题。
图16A示出了用以对粒子进行成像的系统的一个实施例。系统1620包括一个或多个安装夹具(例如，安装夹具1621和安装夹具1622)。安装夹具1621扣住包括多个激光源(比如，激光源1623和激光源1624)的发射器子系统的一部分。安装夹具1622扣住包括多个激光源(比如，激光源1625和激光源1626)的发射器子系统的一部分。每个激光源包括耦接到激光二极管的输出端的聚焦透镜，以形成照射激光束。多个照射激光束(比如，照射激光束1627和照射激光束1628)从激光源生成，以在多个光路上传播通过粒子场并在测量体处会聚。对于实施例，系统1600包括接收器模块(未示出)，接收器模块包括成像光学器件，以提供通过第一数字相机的焦平面处的测量体的粒子的阴影图像，如上所述。
图16B示出了用以对粒子进行成像的系统的一个实施例。如图16B所示，系统1600包括发射器1605，以生成会聚以形成测量体的照射光束，用以照射粒子1603，如上所述。如图16B所示，接收器1602被耦接以接收粒子1603的阴影，如上所述。如图像16B所示，接收器1606耦接到信号处理器1604。如图16B所示，包括中央处理单元(“CPU”)的子系统1606、包括可以与显示设备耦接的图形处理单元(“GPU”)的子系统1607、包括与一个或多个I/O设备相耦接的一个或多个I/O控制器的一个或多个子系统1608、存储器1605(包括易失性RAM、ROM和非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)、或它们的任意组合)、以及包括微控制器的信号处理器1604均耦接到总线1609。子系统1606和信号处理器1604中的至少一个被配置为执行如上所述的方法。存储器1605可以用于存储在由数据处理系统访问时使得数据处理系统执行如上所述的对粒子进行成像的一个或多个方法的数据。
在前面的说明书中，已经参考本发明的具体示例性实施例描述了本发明。然而，显而易见地，在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应当被看做说明性的而不是限制意义的。

Claims (33)

1.一种对粒子进行成像的方法，包括：
生成在多个光路上传播通过粒子场的多个照射光束，其中，所述多个照射光束为在测量体处会聚的多个激光束；以及
使用会聚的所述多个激光束成像出通过测量体在第一数字相机的焦平面处的部分的粒子的阴影图像，其中，所述阴影图像是由会聚的所述多个激光束中的每一个产生的各个阴影图像的叠加，其中由所述会聚的多个激光束中的每一个产生的所述粒子场中的所述焦平面外的其它粒子的各个阴影图像不重叠并且与所述阴影图像分离一定距离，使得所述粒子的阴影图像不被所述其它粒子遮蔽，其中调整所述多个照射光束的相交角度以去除所述测量体外的粒子的阴影图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个照射光束包括多个波长。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用多个数字相机来调整粒子的动态范围。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个照射光束中的至少一个是脉冲激发的。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用触发激光束确定所述粒子是否在所述测量体中，所述触发激光束配置为穿过所述测量体传播，其中，当所述粒子在所述测量体中时，所述粒子使所述触发激光束分散并且所述触发激光束被光电检测器系统检测；以及
响应于所述光电检测器系统检测到的所述触发激光束，向一个或多个激光源发送触发信号以生成会聚的所述多个激光束，以在图像帧中定位粒子的阴影图像。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
检测阴影图像；
基于所述阴影图像来估算粒子的景深和粒子的焦点中的至少一个；以及
基于所述估算来确定粒子信息。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于所述阴影图像确定所述粒子的大小和形状中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将所述多个照射光束与所述第一数字相机同步。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，使用一个或多个锥透镜来会聚所述多个照射光束。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
调整所述照射光束的数量和光束波长中的至少一个，以去除所述测量体外的粒子的阴影图像。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括：
确定所述多个激光束之间的延迟，以获得关于粒子的信息。
12.一种非暂时性机器可读介质，包括在由数据处理系统访问时使得所述数据处理系统执行对粒子进行成像的方法的数据，所述方法包括：
生成在多个光路上传播通过粒子场的多个照射光束，其中，所述多个照射光束为在测量体处会聚的多个激光束；以及
使用会聚的所述多个激光束成像出通过测量体在第一数字相机的焦平面处的部分的粒子的阴影图像，其中，所述阴影图像是由会聚的所述多个激光束中的每一个产生的各个阴影图像的叠加，其中，由会聚的所述多个激光束中的每一个产生的所述粒子场中的所述焦平面外的其它粒子的各个阴影图像不重叠并且与所述阴影图像分离一定距离，使得所述粒子的阴影图像不被所述其它粒子遮蔽，其中调整所述多个照射光束的相交角度以去除所述测量体外的粒子的阴影图像。
13.根据权利要求12所述的非暂时性机器可读介质，其中，所述多个照射光束包括多个波长。
14.根据权利要求12所述的非暂时性机器可读介质，还包括用以使得所述数据处理系统执行如下的操作的指令，该操作包括：
使用多个数字相机来调整粒子的动态范围。
15.根据权利要求12所述的非暂时性机器可读介质，其中，所述多个照射光束中的至少一个是脉冲激发的。
16.根据权利要求12所述的非暂时性机器可读介质，还包括用以使得所述数据处理系统执行操作的指令，该操作包括：
使用触发激光束确定所述粒子是否在所述测量体中，所述触发激光束配置为穿过所述测量体传播，其中，当所述粒子在所述测量体中时，所述粒子使所述触发激光束分散并且所述触发激光束被光电检测器系统检测；以及
向一个或多个激光源发送触发信号以生成会聚的所述多个激光束，以在图像帧中定位粒子的阴影图像。
17.根据权利要求12所述的非暂时性机器可读介质，还包括用以使得所述数据处理系统执行如下的操作的指令，该操作包括：
检测阴影图像；
基于所述阴影图像来估算粒子的景深和粒子的焦点中的至少一个；以及
基于所述估算来确定粒子信息。
18.根据权利要求12所述的非暂时性机器可读介质，还包括用以使得所述数据处理系统执行操作的指令，该操作包括：
基于所述阴影图像确定所述粒子的大小和形状中的至少一个。
19.根据权利要求12所述的非暂时性机器可读介质，还包括用以使得所述数据处理系统执行如下的操作的指令，该操作包括：
将所述多个照射光束与所述第一数字相机同步。
20.根据权利要求12所述的非暂时性机器可读介质，其中，使用一个或多个锥透镜来会聚所述多个照射光束。
21.根据权利要求12所述的非暂时性机器可读介质，还包括用以使得所述数据处理系统执行如下的操作的指令，该操作包括：
调整所述照射光束的数量和光束波长中的至少一个，以去除所述测量体外的粒子的阴影图像。
22.根据权利要求12所述的非暂时性机器可读介质，还包括用以使得所述数据处理系统执行如下的操作的指令，该操作包括：
确定所述多个激光束之间的延迟，以获得关于粒子的信息。
23.一种对粒子进行成像的设备，包括：
发射器，其包括一个或多个激光源以生成在多个光路上传播通过粒子场的多个照射光束，其中，所述多个照射光束为在测量体处会聚的多个激光束；
接收器，其耦接到所述发射器，所述接收器包括
光电检测器系统；
成像光学器件；以及
第一数字相机，其耦接到所述成像光学器件，以使用会聚的所述多个激光束提供通过所述第一数字相机的焦平面处的测量体的粒子的阴影图像，其中，所述阴影图像是由会聚的所述多个激光束中的每一个产生的各个阴影图像的叠加，其中，由所述多个会聚的激光束中的每一个产生的所述粒子场中的所述焦平面外的其它粒子的各个阴影图像不重叠并且与所述阴影图像分离一定距离，使得所述粒子的阴影图像不被所述其它粒子遮蔽，其中调整所述多个照射光束的相交角度以去除所述测量体外的粒子的阴影图像；以及
处理器，其耦接到所述发射器和所述接收器中的至少一个。
24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述多个照射光束包括多个波长。
25.根据权利要求23所述的设备，还包括：
一个或多个第二数字相机，其耦接到所述第一数字相机，以调整粒子的动态范围。
26.根据权利要求23所述的设备，其中，所述多个照射光束中的至少一个是脉冲激发的。
27.根据权利要求23所述的设备，其中，所述发射器包括发送触发激光束的触发光源，所述触发激光束配置为穿过所述测量体传播，其中，当所述粒子在所述测量体中时，所述粒子使所述触发激光束分散并且所述触发激光束被所述光电检测器系统检测，其中，所述光电检测器系统配置为响应于检测到所述触发激光束向所述一个或多个激光源发送触发信号以生成会聚的所述多个激光束，从而在图像帧中定位粒子的阴影图像。
28.根据权利要求23所述的设备，其中，所述处理器被配置为检测阴影图像，以基于所述阴影图像来估算粒子的景深和粒子的焦点中的至少一个，以基于所述估算来确定粒子信息。
29.根据权利要求23所述的设备，其中，所述处理器被配置为基于所述阴影图像确定所述粒子的大小和形状中的至少一个。
30.根据权利要求23所述的设备，还包括：
同步模块，其用以将所述多个照射光束与所述第一数字相机同步。
31.根据权利要求23所述的设备，还包括：
一个或多个锥透镜，其用以会聚所述多个照射光束。
32.根据权利要求23所述的设备，其中，所述照射光束的数量、和光束波长中的至少一个被调整，以去除所述测量体外的粒子的阴影图像。
33.根据权利要求23所述的设备，其中，确定所述多个照射光束之间的延迟，以获得关于粒子的信息。
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