CN109100272B - 一种透明椭球粒子朝向和尺寸的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种透明椭球粒子朝向和尺寸的测量方法，包括：利用激光干涉成像测量系统，用片状激光束照射载有透明椭球粒子的载玻片，改变CCD的前后位置，分别在聚焦像面采集透明椭球粒子的聚焦像，在离焦像面采集透明椭球粒子的干涉离焦像；判断激光干涉成像系统采集的聚焦像中聚焦像点的个数，当聚焦像点为两个时，当物面两出射点间距离d大于拉伸前球形粒子直径时，物面两出射点间的距离为椭球粒子长轴的尺寸；物面两出射点间距离d小于拉伸前球形粒子直径时，物面两出射点间的距离为椭球粒子短轴的尺寸，椭球粒子的朝向为夹角Φ的余角，并以此时物面上椭球长轴所在方向为x’轴，相应的确定直角坐标系中的y’轴和z’轴。

Description

一种透明椭球粒子朝向和尺寸的测量方法
技术领域
本发明具体提出了基于激光干涉聚焦像和离焦像透明椭球粒子朝向和尺寸的测量方法，属于光学测量技术领域。
背景技术
粒子的测量对工业制造、环境保护、天气预测、医学研究和其它科学领域具有重要的意义。透明球形粒子广泛存在于粒子场中，然而粒子在产生、运动、碰撞等过程中形状会发生改变，因而对透明非球形粒子的研究也尤为重要。激光干涉成像是一种实时、快速、非接触的粒子测量技术，透明椭球粒子的散射光特性也包含其尺寸信息，因此激光干涉成像技术也是获取透明椭球粒子朝向和尺寸信息的一种有效方法。
对于透明粒子的研究，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，可同时采集粒子的聚焦像和离焦像；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，结合 PTV/PIV技术，得到粒子场速度分布，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CN105547945A公开了一种干涉粒子成像系统采样区内粒子的判别方法，该方法根据干涉条纹图尺寸计算公式推导了片状激光束照明区域内干涉条纹图尺寸范围，根据干涉成像系统采集到的图像判断每个粒子是否在采样区内，根据实验结果可计算出粒子场的粒子数密度，为粒子浓度的测量提供有力的依据。专利CN105866013A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。该方法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。
发明内容
本发明提出一种基于激光干涉聚焦像和离焦像的透明椭球粒子的测量方法，该方法利用干涉成像系统同时采集粒子的聚焦像和离焦像，通过对聚焦像和离焦像同时处理得到透明椭球粒子朝向和尺寸信息。技术方案如下：
一种透明椭球粒子朝向和尺寸的测量方法，包括下面的步骤：
i、利用激光干涉成像测量系统，用片状激光束照射载有透明椭球粒子的载玻片，改变 CCD的前后位置，分别在聚焦像面采集透明椭球粒子的聚焦像，在离焦像面采集透明椭球粒子的干涉离焦像。
ii、判断激光干涉成像系统采集的聚焦像中聚焦像点的个数，当聚焦像点为两个时，计算两聚焦像点间的距离Δl和离焦斜条纹图像与xoy平面夹角Φ，xoy平面即CCD所在的平面，根据物面两出射点间距离d与系统参数和两聚焦像点间距离Δl关系公式
Figure BDA0001639044430000021
其中M为系统放大倍率，θ为激光干涉成像系统散射角，计算物面两出射点间距离d，当物面两出射点间距离d大于拉伸前球形粒子直径时，物面两出射点间的距离为椭球粒子长轴的尺寸；物面两出射点间距离d小于拉伸前球形粒子直径时，物面两出射点间的距离为椭球粒子短轴的尺寸，椭球粒子的朝向为夹角Φ的余角，并以此时物面上椭球长轴所在方向为x’轴，相应的确定直角坐标系中的y’轴和z’轴；
iii、当聚焦像点的数量大于两个时，计算各个聚焦像点间的距离并根据系统放大倍率M 计算出物面上各个出射点间的距离；根据散斑图像在x方向上的最高频率与系统参数和物面出射点间距离的关系，粒子最大尺寸方向对应其离焦像的2D自相关中心亮斑最小尺寸方向，以粒子的最大尺寸方向为椭球粒子的长轴所在方向x’；根据确定的长轴方向，拟合椭球使出射点位于椭球表面，确定椭球的长轴和短轴尺寸。
本发明提出一种基于激光干涉聚焦像和离焦像的透明椭球粒子朝向和尺寸的测量方法，该方法利用干涉成像系统同时采集粒子的聚焦像和离焦像，通过同时分析聚焦像点间的相对距离和离焦图像的频率获取椭球粒子的朝向和尺寸信息。该方法实施性强，可实现对混合粒子场更加准确的描述。
附图说明
图1是本发明的计算流程图。
图2是本发明的激光干涉成像系统原理图：
图中，1半导体激光器，2显微物镜，3针孔，4准直透镜，5凸柱透镜，6凹柱透镜，7 载玻片，8成像镜头，9CCD。
图3是本发明球形粒子与不同朝向椭球粒子的散射光的光线追迹结果，图3(a)为球形粒子的光线追迹结果，图3(b)为主轴平行于xoy平面的椭球粒子的光线追迹结果，图3(c)为主轴平行于z轴的椭球粒子的光线追迹结果，图3(d)为任意朝向的椭球粒子的光线追迹结果。
图4是椭球粒子干涉图像及处理结果，图4(a)为粒子的离焦像，图4(b)为粒子的聚焦像，图4(c)为聚焦像的增强结果，图4(d)为离焦像2D自相结果的二值化，图4(e)为2D自相关结果在x方向的峰值曲线，图4(f)为离焦像2D自相关结果在y方向的峰值曲线。
具体实施方式
本发明基于激光干涉成像实验原理，利用片状光束照射位于载玻片上的椭球粒子，在90°散射角下收集粒子的散射光，改变成像系统中CCD的前后位置，在成像系统的聚焦像面位置采集粒子的聚焦像，在成像系统的离焦像面位置采集粒子的干涉离焦图像。同时分析聚焦像点间的相对距离和离焦图像的频率，获取椭球粒子的朝向和尺寸信息。测量流程如图1所示。
根据图2所示的实验原理图，其中：激光器1为波长λ＝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，准直透镜4焦距为f＝150mm，凸柱透镜5焦距为f1＝500mm，凹柱透镜6焦距为f2＝-20mm，载玻片7尺寸为25mm×75mm×1mm，成像镜头8为50mmf/1.4PENTAXTV定焦镜头，光圈 F＝1.4，CCD传感器9，有效像素数为1280*960，像元大小为6.45μm×6.45μm，帧频为15fps。
为了同时获得成像区域内粒子的聚焦像和离焦像，设定成像系统的散射角为90°。标定成像系统放大倍率M＝1.77，此时系统的物距z1＝78mm，聚焦成像距离为z2,focus＝138mm。采集聚焦像时，选择成像距离138mm。采集离焦像时，选择成像距离144mm，此时离焦距离Δp＝6mm。
本发明的测量方法步骤如下：
i、搭建激光干涉成像测量系统，标定系统放大倍率，选定聚焦像面位置和离焦像面位置。
ii、光线追迹分析球形粒子与不同朝向椭球粒子的散射光，图3(a)为球形粒子的光线追迹结果，图3(b)为主轴平行于xoy平面的椭球粒子的光线追迹结果，图3(c)为主轴平行于z 轴的椭球粒子的光线追迹结果，图4(d)为任意朝向的椭球粒子的光线追迹结果。根据光线追迹结果得到各朝向椭球粒子的聚焦像和离焦像特性。
iii、将直径为30μm球形粒子通过热拉伸方法制备的椭球粒子溶液稀释后喷洒在固定的载玻片上，用片状激光束照射载玻片的粒子，改变CCD的前后位置采集粒子的聚焦像和离焦像。图4是椭球粒子干涉图像及处理结果，图4(a)为粒子的离焦像，图4(b)为粒子的聚焦像，图4(c)为聚焦像的增强结果。该粒子的聚焦像由四个像点形成，从聚焦像点的相对距离和系统放大倍率M可计算出物面上出射点的相对分布，x方向和y方向上最远出射点之间的距离分别为25.2μm和58.1μm；对其离焦散斑图像做2D自相关，2D自相关结果的二值化图像如图4(d)所示，为了对2D自相关结果进行量化分析，绘制2D自相关结果在x方向和y方向的峰值曲线如图4(e)和4(f)所示。根据散斑图像最高频率与系统参数和物面出射点间距离的关系，椭球粒子在y方向具有最长尺寸，以该方向作为椭球粒子的长轴方向x’，即该粒子的旋转角度Φ为90°，拟合椭球使出射点位于椭球面上，确定椭球的长短半轴尺寸、长短轴比和体积分别为a＝27.7、b＝11.3、c＝10.8、a/b＝2.45、V＝14160.2。

Claims (1)

1.一种透明椭球粒子朝向和尺寸的测量方法，包括下面的步骤：
i、将透明球形粒子通过热拉伸方法制备得到透明椭球粒子，利用激光干涉成像测量系统，用片状激光束照射载有透明椭球粒子的载玻片，改变CCD的前后位置，分别在聚焦像面采集透明椭球粒子的聚焦像，在离焦像面采集透明椭球粒子的干涉离焦像；
ii、判断激光干涉成像系统采集的聚焦像中聚焦像点的个数，当聚焦像点为两个时，计算两聚焦像点间的距离Δl和离焦斜条纹图像与xoy平面夹角Φ，xoy平面即CCD所在的平面，根据物面两出射点间距离d与系统参数和两聚焦像点间距离Δl关系公式
Figure FDA0002660725910000011
其中M为系统放大倍率，θ为激光干涉成像系统散射角，计算物面两出射点间距离d，当物面两出射点间距离d大于拉伸前球形粒子直径时，物面两出射点间的距离为椭球粒子长轴的尺寸；物面两出射点间距离d小于拉伸前球形粒子直径时，物面两出射点间的距离为椭球粒子短轴的尺寸，椭球粒子的朝向为夹角Φ的余角，并以此时物面上椭球长轴所在方向为x’轴，相应的确定直角坐标系中的y’轴和z’轴；
iii、当聚焦像点的数量大于两个时，计算各个聚焦像点间的距离并根据系统放大倍率M计算出物面上各个出射点间的距离；根据散斑图像在x方向上的最高频率与系统参数和物面出射点间距离的关系，粒子最大尺寸方向对应其离焦像的2D自相关中心亮斑最小尺寸方向，以粒子的最大尺寸方向为椭球粒子的长轴所在方向x’；根据确定的长轴方向，拟合椭球使出射点位于椭球表面，确定椭球的长轴和短轴尺寸。
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