CN109001084A - 一种基于ipi聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于IPI聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量方法。该方法是采用双路IPI系统，在小散射角区域，记录粒子垂直偏振光的离焦条纹图，在大散射角区域，记录粒子散射光的聚焦两点像，提取所采集的条纹图的条纹数N和聚焦两点像间距Δl，计算得到粒子尺寸大小，该双路系统可测的最小粒径和最大粒径值，即为可测的粒子尺寸范围。本发明设计的这种结合IPI聚焦像和离焦像的测量方法，具有原理简单、测量精度高、实用性强等特点，可用于宽尺寸范围的粒子场测量，如喷雾粒子场、气溶胶粒子场等。
Description
技术领域
本发明涉及粒子场测量技术领域，尤其涉及一种基于IPI聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量方法。
背景技术
粒子是指尺寸在毫米以下至微米、以及纳米量级的微小固体、气泡和液滴，广泛存在于工业生产和科学研究中。粒子尺寸测量是该领域一个长期的研究方向，具有重要的意义。目前已提出了基于光学原理的多种粒子尺寸测量方法，每一种方法由于受原理、系统等限制，都有一定的测量范围。
干涉粒子成像技术(IPI)是一种目前备受关注的粒子测量方法，其基本原理是基于Mie散射理论，通过测量粒子散射光干涉条纹图的条纹数/条纹频率，或聚焦两点像之间的距离得到粒子尺寸大小。该技术适用于透明球形粒子场测量。
对一给定的IPI系统，对离焦像，当条纹数N＝1时，为最小可测粒径，最大可测粒子直径由Nyquist抽样定律决定。当粒子条纹间距小于记录介质的分辨率，即不满足抽样定律时，将无法记录该粒子的条纹图，从而限制了粒径测量上限。对聚焦像，两点像之间的距离正比于粒子尺寸，当粒子尺寸较小时，特别是对小粒子，两点像可能重叠，将可能观察不到两点像，通过放大，有可能会观察到两点像，但放大将使成像视场减小，所以，IPI聚焦像方法限制了粒径测量下限。
因此，由于受记录介质分辨率的限制，这种利用IPI离焦像将限制了最大可测的粒径，聚焦像将限制了最小可测的粒径，对宽尺寸的粒子场，这种常规的IPI聚焦像或离焦像方法将不再适用。
发明内容
为了克服以上问题，本发明的目的是提出基于IPI聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量方法。在小散射角区域，记录粒子垂直偏振光的离焦条纹图，在大散射角区域，记录粒子散射光的聚焦两点像，提取所采集的条纹图的条纹数N和聚焦两点像间距Δl，计算得到粒子尺寸大小，可测的粒子尺寸范围，即为该双路系统可测的最小粒径和最大粒径区间，详见下文描述：
一种基于IPI聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量方法，所述方法包括：
片状光束照射粒子场，粒子发生散射，由成像透镜、CCD组成的成像系统接收粒子的散射光，这一成像系统称为IPI系统，搭建两路IPI系统，在聚焦像面上形成两点像，在离焦像面上形成干涉条纹图；
在小散射角区域，记录粒子垂直偏振光产生的离焦条纹图；
在大散射角区域，记录粒子聚焦两点像；
对上述两路系统采集到的离焦条纹图和聚焦两点像，提取离焦条纹图的条纹数N和聚焦两点像的间距Δl，计算得到粒子直径d；对条纹图，由计算；对聚焦两点像，由计算；
两路系统可测的最大粒径和最小粒径值，即为可测的粒子尺寸范围；
式中，m＝n/n0＞1，n，n0分别为粒子的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。
散射角θ的选取根据粒子尺寸d和相对折射率m，对离焦条纹图，选取条纹对比度高，且散射光强相对较大的散射区域；对聚焦两点像，选取两点像亮度相当的区域。
进一步地，对聚焦两点像，由两点像强度选取偏振态。
所述方法还适用于气泡型粒子，对条纹图和聚焦两点像，分别由：
和
计算，m＝n/n0＜1。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、该方法采用两路IPI系统，同时记录粒子散射光产生的离焦条纹图和聚焦两点像，实现宽尺寸范围的粒子场测量；
2、本方法的粒径测量由于采用不同的记录系统，对小粒子，记录其条纹图，扩展了测量下限，对大粒子，记录其聚焦两点像，扩展了测量上限，且测量范围宽、视场大，精度高，可用于喷雾粒子场测量。
附图说明
图1为本发明的一种基于IPI聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量流程图；
图2为本发明的一种基于IPI聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量具体实例光路系统示意图；
图3为粒子离焦条纹图模拟结果；
图4为粒子聚焦两点像模拟结果。
其中，1为激光器，2为扩束准直系统，3为光束压缩系统，4为粒子场，5为成像镜头，6为偏振片，7为CCD。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
一种基于IPI聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量方法，参见图1-图4，该测量方法包括以下步骤：
一、搭建光路系统
按照图2搭建光路系统，包括：激光器1、扩束准直系统2、光束压缩系统3、粒子场4、成像镜头5、偏振片6、以及CCD 7。
激光器1为波长λ＝532nm的半导体激光器。激光器1发出的细光束经扩束准直系统2的扩束、滤波、准直处理后，再经两个柱透镜组成的光束压缩系统3压缩为片状光束，片状光束的宽度为1.2mm。
成像透镜5为焦距50mm，孔径40mm的定焦镜头，CCD 7的像素尺寸为7.4μm×7.4μm。
粒子场4为水滴粒子，其折射率为n＝1.33。片状光束照射粒子场4，粒子发生散射，其散射光经成像透镜5接收，在聚焦像面上形成两点像，在离焦像面上形成干涉条纹图，记录在CCD 7上，偏振片6用于改变散射光的偏振态。
现对图2中的一路IPI系统进行分析，设在散射角θ＝50°区域，记录粒子的离焦条纹图，光束面中心到成像透镜5的距离为175mm，离焦像面到成像透镜5的距离为71.5mm，相对折射率m＝1.33，计算得，该IPI系统最大和最小可测的粒子直径分别为dp,max＝137.18μm和dp,min＝2.53μm。
在dp,min≤d≤dp,max范围内的粒子，其条纹图可以记录在CCD 7上，提取条纹图的条纹数N，即可得到粒子尺寸信息。如若要测量2.53-150μm范围内的粒子，对直径d＞dp,max＝137.18μm的粒子，由于其条纹间距小于2Δx(Δx为CCD的像素尺寸)，即不满足抽样定律，条纹太密无法记录，因而不能测量，限制了测量范围。
为了克服这一问题，采用图2所示的两路IPI系统，对小粒子，记录粒子的条纹图，对大粒子，记录粒子的聚焦像，扩大了粒径测量范围。
在散射角θ＝50°区域，记录粒子垂直偏振光产生的离焦条纹图。在散射角θ＝70°区域，记录粒子的聚焦像。提取聚焦两点像间距Δl和干涉条纹图的条纹数N，计算得到粒子场4的粒子直径d。对条纹图和聚焦两点像，分别由：
和
计算，得到粒子场4的粒子直径d，式中m＝n/n0＞1，n，n0分别为粒子的折射率和周围介质折射率，M为聚焦成像系统的放大率，θ为散射角，α为光学系统的收集角，λ为激光波长。可测粒子尺寸范围为该两路系统可测的最大和最小粒径值。
图3给出了散射角θ＝50°时，直径为2.53μm粒子的条纹图，提取条纹数N，计算可得到粒子直径。图4给出了散射角θ＝70°时，直径为150μm粒子的聚焦像，提取聚焦两点像间距Δl，计算可得到粒子直径。
这两路系统的散射光均为垂直偏振光，对图4所对应的系统，也可以采用平行偏振光，或自然光。利用离焦像系统，实现小粒径测量，利用聚焦像系统，实现大粒径测量，且测量上限高，范围大。
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。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于IPI聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量方法，其特征在于，所述方法包括：
片状光束照射粒子场，粒子发生散射，由成像透镜、CCD组成的成像系统接收粒子的散射光，这一成像系统称为IPI系统，搭建两路IPI系统，在聚焦像面上形成两点像，在离焦像面上形成干涉条纹图；
在小散射角区域，记录粒子垂直偏振光产生的离焦条纹图；
在大散射角区域，记录粒子聚焦两点像；
对上述两路系统采集到的离焦条纹图和聚焦两点像，提取离焦条纹图的条纹数N和聚焦两点像的间距Δl，计算得到粒子直径d；对条纹图，由计算；对聚焦两点像，由计算；
两路系统可测的最大粒径和最小粒径值，即为可测的粒子尺寸范围；
式中，m＝n/n0＞1，n，n0分别为粒子的折射率和周围介质折射率，M为成像系统的放大率，α为光学系统的收集角，θ为散射角，λ为激光波长。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，散射角θ的选取根据粒子尺寸d和相对折射率m，对离焦条纹图，选取条纹对比度高，且散射光强相对较大的散射区域；对聚焦两点像，选取两点像亮度相当的区域。
3.根据权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，对聚焦两点像，由两点像强度选取偏振态。
4.根据权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，所述方法还适用于气泡型粒子，
对条纹图和聚焦两点像，分别由：
和
计算，m＝n/n0＜1。
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