CN108562522B - 一种粒子尺寸和折射率同时测量方法 - Google Patents

一种粒子尺寸和折射率同时测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108562522B
CN108562522B CN201810085747.XA CN201810085747A CN108562522B CN 108562522 B CN108562522 B CN 108562522B CN 201810085747 A CN201810085747 A CN 201810085747A CN 108562522 B CN108562522 B CN 108562522B
Authority
CN
China
Prior art keywords
refractive index
particles
light
image
scattering angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810085747.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN108562522A (zh
Inventor
吕且妮
尉小雪
葛宝臻
张晗笑
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN201810085747.XA priority Critical patent/CN108562522B/zh
Publication of CN108562522A publication Critical patent/CN108562522A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108562522B publication Critical patent/CN108562522B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
    • G01N15/0227—Investigating particle size or size distribution by optical means using imaging; using holography
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种粒子尺寸和折射率同时测量方法；该方法采用两强度相等的片状光束相向照射粒子，分别在90°散射角区域和侧向散射角区域，同时记录粒子散射光所形成的聚焦像或/和干涉条纹图。其中，在90°散射角区域，记录两相向光束经粒子表面的p＝0阶反射光所形成的聚焦像或干涉条纹图，在侧向散射角区域，记录任一单光束经粒子后产生的p＝0阶反射光和p＝1阶折射光所形成的聚焦像或干涉条纹图。提取90°散射角区域和侧向散射角区域所采集的聚焦两点像间距或/和条纹图的条纹数，结合计算得到粒子尺寸大小d和折射率n。本发明这种非接触测量方法具有原理简单、测量精度高、实用性强等特点，可用于喷雾粒子场、气溶胶粒子尺寸和折射率同时测量。

Description

一种粒子尺寸和折射率同时测量方法
技术领域
本发明涉及一种粒子参数测量技术，具体涉及一种基于光散射成像的粒子直径、折射率同时测量方法。
背景技术
粒子尺寸及其折射率是粒子的重要参数。折射率实部和尺寸与粒子的散射光特性密切相关，不同化学成分的粒子，其折射率不同，同种粒子，其尺寸越大，散射光越集中在前向小角度范围内。因此，在基于光散射的粒子尺寸测量中，如喷雾场，通常选择合适的散射角，使粒子散射光不敏感折射率，即认为折射率为常数，但由于加热或化学反应，折射率会随粒子尺寸变化而变化，如大气中的粒子、燃烧场中的粒子等，从而影响了粒径测量精度。因此，精确同时测量粒子折射率和粒径是有非常意义的，特别是在气溶胶、环境监测及燃烧场粒子测量中。目前提出的方法如彩虹干涉法、光学粒子计数法、多角度的光散射法、以及各种方法组合等。
彩虹干涉仪是利用Supernumerary结构与粒子尺寸和折射率关系，通过各阶彩虹的Airy峰的角位置测量折射率，Airy峰间的间隔(或Ripple结构)测量粒子直径，具有较高的精度，已用于均匀的、非均匀的球形粒子、柱粒子测量，是目前粒子尺度和折射率测量中常用方法之一。
专利CN103698256A公开了一种全场彩虹在线测量液滴喷雾的方法。该方法是利用垂直偏振的半导体激光照射喷雾流场，喷雾颗粒彩虹角附近的散射光由透镜收集后，经傅里叶成像系统投射到CCD上，并记录彩虹信号的光强。利用Nussenzweig理论和非负最小二乘法反演得到粒子尺寸和折射率信息。
光学粒子计数器(OPC)的基本原理是单粒子的角散射测量，光电探测器将粒子的角散射光强转变为一定高度的电压脉冲，电压脉冲强度与粒子大小的对应关系即OPC的响应曲线。由于该曲线对粒子折射率，特别是复折射率很敏感，因此，采用双散射角区域采集粒子角散射光强，通过两个OPC响应曲线，即可实现粒子尺寸和折射率同时测量。这种方法要求选取最佳的两个散射角。最佳两个散射角满足的条件是：(1)两个散射角上的响应量对折射率很敏感；(2)两个散射角上的响应量对折射率的敏感函数值不能相同，即两个散射角系统的响应量的比值要随折射率变化而变化，(3)对散射角的选择，还要考虑响应曲线的多值性。
发明内容
基于上述的现有技术，本发明提出一种粒子直径及其折射率的同时测量方法，该方法结合两相向光束在90°散射角区域和单光束在侧向散射角区域所记录的粒子聚焦像或/和干涉条纹图，计算得到粒子直径d和折射率n。这种非接触测量方法具有原理简单、测量精度高、实用性强等特点，可用于喷雾粒子场、气溶胶粒子尺寸和折射率同时测量。
本发明的一种粒子尺寸和折射率同时测量方法，该方法具体测量过程包括以下步骤：
步骤一、激光器发出的光束经扩束准直系统、光束压缩系统后为片状光束；片状光束经分束镜分成强度相等的两束光，相向照射球形透明粒子，粒子发生散射；每束光经粒子后分别产生p＝0阶反射光和p＝1阶折射光，其中p＝0阶光为经粒子表面的反射光，p＝1阶光为经粒子内一次折射的折射光；由成像透镜、探测器CCD组成的成像系统接收粒子的散射光；在90°散射角区域，记录两相向光束的p＝0阶反射光，在聚焦像面上形成两点像，在离焦像面上形成干涉条纹图，这一光路系统称为粒径测量光路系统；在侧向散射角区域，记录任一单光束经粒子后产生的p＝0阶反射光和p＝1阶折射光，在聚焦像面上形成两点像，在离焦像面上形成干涉条纹图，这一光路系统称为折射率测量光路系统；
步骤二、提取粒径测量光路系统所采集的聚焦两点像间距Δl或条纹图的条纹数N，计算得到粒子直径d；对条纹图，由
Figure GDA0002743215450000021
计算得到粒子直径d；对聚焦两点像，由
Figure GDA0002743215450000022
计算得到粒子直径d；式中，M为成像系统的放大率，da为成像透镜孔径大小，f为成像透镜焦距，λ为激光波长；
步骤三、提取折射率测量光路系统所采集的聚焦两点像间距Δl或条纹图的条纹数N，再结合步骤二所得到的粒子直径d，计算得到粒子折射率n；更具体包括：
对条纹图和聚焦两点像，分别由
Figure GDA0002743215450000031
和
Figure GDA0002743215450000032
计算得到相对折射率m；进一步由m＝n/n0＞1得到粒子折射率n；式中，n，n0分别为粒子折射率和周围介质折射率，θ为散射角，α为光学系统的收集角，λ为激光波长，N为条纹图的条纹数。
对于所述粒径测量光路系统和所述折射率测量光路系统，采取同时记录聚焦像或离焦像，或者分别记录聚焦像、离焦像来实现。
对于同一种粒子，侧向散射角的区域选取p＝0阶反射光和p＝1阶折射光光强相等时的散射角；对于不同种粒子同时测量时，侧向散射角的区域选取30°～50°之间有利于折射率测量。
对粒径和折射率不变的单个粒子，实现分步采集或同时采集过程；用双向光束照射粒子，在90°散射角区域，采集粒子的聚焦像或离焦像；关掉其中的一束光，用另一单光束照射，在侧向散射角区域，记录粒子的聚焦像或离焦像；无顺序要求；联立两次实验，即可得到粒子直径d和折射率n。
与现有技术相比，本发明在90°散射角区域记录的是两相向光束p＝0阶的反射光，与粒子的折射率无关，因此粒径测量不受折射率的影响，具有很高的测量精度。结合侧向散射角区域所记录的粒子散射光的条纹图和/或聚焦像，即可得到粒子折射率，可用于喷雾粒子场、气溶胶粒子尺寸和折射率同时测量。
附图标记
图1为本发明的一种粒子尺寸和折射率同时测量光路系统示意图；
图2为本发明的一种粒子尺寸和折射率同时测量系统具体实例光路示意图；
图3为粒径测量光路系统记录的聚焦两点像；
图4为折射率测量光路系统记录的离焦条纹图；
附图标记：
1、激光器，2、扩束准直系统和光束压缩系统，21、扩束准直系统，22、光束压缩系统，3、分光镜、4、5和6、反射镜，7、粒子场、8、成像透镜，9、CCD，10、快门。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。
以图2所示的实验光路为例，阐述本发明测量方法的具体测量过程：
步骤一、光路系统搭建及粒子条纹图和/或聚焦像采集
按照图2搭建光路系统，包括激光器1、扩束准直系统21、光束压缩系统22，分光镜3、反射镜4、5和6、粒子7、成像镜头8、CCD 9、快门10。激光器1为波长λ＝532nm，最大功率为1.5W的垂直偏振的半导体激光器。激光器1发出的细光束经扩束、滤波、准直系统21后为直径20mm的圆形光束；再经两个柱透镜组成的光束压缩系统22压缩为长20mm、宽0.9mm的片状光束；片光束经分束镜3分成强度相等的两束光，其透射光照射粒子7，其反射光经反射镜4、5、6和快门10照射球形透明粒子7，粒子产生散射。每束照射光经粒子后产生p＝0阶反射光和p＝1阶折射光，其中p＝0阶光为经粒子表面的反射光，p＝1阶光为经粒子内一次折射的折射光。在90°散射角区域，成像透镜8接收两相向光束的p＝0阶反射光，记录在CCD 9上，在聚焦像面上形成两点像，在离焦像面上形成干涉条纹图，这一光路系统称为粒径测量光路系统。该成像系统放大率为M＝3.75,CCD的象素数为2448×2048，象素尺寸3.45μm×3.45μm；关闭快门10，在侧向散射角θ＝45°，成像透镜8接收透射光束经粒子后产生的p＝0阶反射光和p＝1阶折射光，记录在CCD 9上，在聚焦像面上形成两点像，在离焦像面上形成干涉条纹图，这一光路系统称为折射率测量光路系统。该成像系统放大率为M＝0.174，透镜孔径da＝27.78mm,焦距f＝50mm，CCD的象素数2048×2048，象素尺寸7.4μm×7.4μm，收集角α＝2tan-1(da/2z0)，z0为物距；
步骤二、粒子直径测量：提取粒径测量光路系统所采集的聚焦两点像间距Δl或条纹图的条纹数N，计算得到粒子直径d。对条纹图，由
Figure GDA0002743215450000051
计算，得到粒子直径d；对聚焦两点像，由
Figure GDA0002743215450000052
计算，得到粒子直径d，式中，M为成像系统的放大率，da为成像透镜孔径大小，f为成像透镜焦距，λ为激光波长；
步骤三、粒子折射率测量：提取折射率测量光路系统所采集的聚焦两点像间距Δl或条纹图的条纹数N，再结合步骤二所得到的粒子直径d，计算得到粒子折射率n；
对条纹图，由
Figure GDA0002743215450000053
计算；对聚焦两点像，由
Figure GDA0002743215450000054
计算，得到相对折射率m；进一步由m＝n/n0＞1得到粒子折射率n，分别为
Figure GDA0002743215450000055
和
Figure GDA0002743215450000056
n，n0分别为粒子折射率和周围介质折射率，M为成像系统的放大率，θ为散射角，α为光学系统的收集角，λ为激光波长；
本实验中，如图3所示，为粒径测量光路系统记录的聚焦两点像实例示意图，其中，提取到的聚焦两点像间距Δl＝35.51pixel，由
Figure GDA0002743215450000061
计算，粒子直径为d＝45.03μm。如图4所示，为折射率测量光路系统记录的离焦条纹图实例示意图，其中，条纹数N＝5.46，由
Figure GDA0002743215450000062
结合d，即
Figure GDA0002743215450000063
计算得粒子折射率为n＝1.576。

Claims (4)

1.一种粒子尺寸和折射率同时测量方法，其特征在于，该方法具体测量过程包括以下步骤：
步骤一、激光器发出的光束经扩束准直系统、光束压缩系统后为片状光束；片状光束经分束镜分成强度相等的两束光，相向照射球形透明粒子，粒子发生散射；每束光经粒子后分别产生p＝0阶反射光和p＝1阶折射光，其中p＝0阶光为经粒子表面的反射光，p＝1阶光为经粒子内一次折射的折射光；由成像透镜、探测器CCD组成的成像系统接收粒子的散射光；在90°散射角区域，记录两相向光束的p＝0阶反射光，在聚焦像面上形成两点像，在离焦像面上形成干涉条纹图，这一光路系统称为粒径测量光路系统；在侧向散射角区域，记录任一单光束经粒子后产生的p＝0阶反射光和p＝1阶折射光，在聚焦像面上形成两点像，在离焦像面上形成干涉条纹图，这一光路系统称为折射率测量光路系统；
步骤二、提取粒径测量光路系统所采集的聚焦两点像间距Δl或条纹图的条纹数N，计算得到粒子直径d；对条纹图，由
Figure FDA0002743215440000011
计算得到粒子直径d；对聚焦两点像，由
Figure FDA0002743215440000012
计算得到粒子直径d；式中，M为成像系统的放大率，da为成像透镜孔径大小，f为成像透镜焦距，λ为激光波长；
步骤三、提取折射率测量光路系统所采集的聚焦两点像间距Δl或条纹图的条纹数N，再结合步骤二所得到的粒子直径d，计算得到粒子折射率n；更具体包括：
对条纹图和聚焦两点像，分别由
Figure FDA0002743215440000013
和
Figure FDA0002743215440000014
计算得到相对折射率m；进一步由m＝n/n0＞1得到粒子折射率n；式中，n、n0分别为粒子折射率和周围介质折射率，θ为散射角，α为光学系统的收集角，λ为激光波长，N为条纹图的条纹数。
2.根据权利要求1所述的一种粒子尺寸和折射率同时测量方法，其特征在于，对于所述粒径测量光路系统和所述折射率测量光路系统，采取同时记录聚焦像或离焦像，或者分别记录聚焦像、离焦像来实现。
3.根据权利要求1所述的一种粒子尺寸和折射率同时测量方法，其特征在于，对于同一种粒子，侧向散射角的区域选取p＝0阶反射光和p＝1阶折射光光强相等时的散射角；对于不同种粒子同时测量时，侧向散射角的区域选取30°～50°之间有利于折射率测量。
4.根据权利要求1所述的一种粒子尺寸和折射率同时测量方法方法，其特征在于，对于粒径和折射率不变的单个粒子，实现分步采集或同时采集过程；用双向光束照射粒子，在90°散射角区域，采集粒子的聚焦像或离焦像；关掉其中的一束光，用另一单光束照射，在侧向散射角区域，记录粒子的聚焦像或离焦像；无顺序要求；联立两次实验，即可得到粒子直径d和折射率n。
CN201810085747.XA 2018-01-29 2018-01-29 一种粒子尺寸和折射率同时测量方法 Active CN108562522B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810085747.XA CN108562522B (zh) 2018-01-29 2018-01-29 一种粒子尺寸和折射率同时测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810085747.XA CN108562522B (zh) 2018-01-29 2018-01-29 一种粒子尺寸和折射率同时测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108562522A CN108562522A (zh) 2018-09-21
CN108562522B true CN108562522B (zh) 2020-12-15

Family

ID=63531093

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810085747.XA Active CN108562522B (zh) 2018-01-29 2018-01-29 一种粒子尺寸和折射率同时测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108562522B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10928297B2 (en) 2019-01-09 2021-02-23 University Of Washington Method for determining detection angle of optical particle sizer
CN110687022B (zh) * 2019-11-05 2021-09-24 珠海真理光学仪器有限公司 一种利用散射光的偏振差异测量颗粒折射率的方法及系统

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102003936B (zh) * 2010-09-14 2012-01-04 浙江大学 同时测量液滴位置、粒径和复折射率的方法和装置
CN103674791A (zh) * 2013-12-16 2014-03-26 天津大学 一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法
CN103698256A (zh) * 2013-12-25 2014-04-02 浙江大学 一种全场彩虹在线测量液体喷雾的方法和装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN108562522A (zh) 2018-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9217669B2 (en) One-dimensional global rainbow measurement device and measurement method
CN108444877B (zh) 一种用于测量液滴的相位粒子干涉成像方法及装置
CN109099859B (zh) 大口径光学元件表面缺陷三维形貌测量装置和方法
CN103674791A (zh) 一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法
JP2015500467A (ja) 粒径及び濃度測定のための検出スキーム
CN109932304B (zh) 一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法及装置
CN109477783B (zh) 用于借助于动态光散射确定悬浮在液体和流动介质中的颗粒的平均颗粒大小的方法及其设备
US6587208B2 (en) Optical system for measuring diameter, distribution and so forth of micro bubbles and micro liquid drop
CN106092859A (zh) 基于激光干涉成像和同轴全息的粒子形状判别系统及方法
CN108562522B (zh) 一种粒子尺寸和折射率同时测量方法
US7362421B2 (en) Analysis of signal oscillation patterns
US11480920B2 (en) Image processing apparatus, evaluation system, image processing program, and image processing method
CN105758381A (zh) 一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法
KR20150119765A (ko) 레이저 산란 입자 분석 장치 및 레이저 산란 입자 분석 방법
US20190361394A1 (en) Holographic grating lithography system and a method for adjusting the self-collimation of the interference optical path thereof
CN108593528B (zh) 基于激光干涉的非球形粗糙粒子形状和尺寸测量方法
CN104792734A (zh) 磁流变效应数字全息观测装置及其方法
CN109100272B (zh) 一种透明椭球粒子朝向和尺寸的测量方法
CN108802056B (zh) 光学元件位相型缺陷测量装置及检测方法
CN109974591B (zh) 采用颗粒微小位移测量装置测量细微颗粒产生位移的方法
CN214150320U (zh) 一种用于含杂液滴物理参数测量的消光彩虹测量装置
CN214503264U (zh) 一种基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置
CN111397861B (zh) 微型透镜检测系统及其检测方法
EP3608653B1 (en) Apparatus and method for measuring particle size using backscattered light
CN210155011U (zh) 一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant