CN109932304A - 一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法，包括：记录液滴全息图；根据记录的液滴全息图获得液滴的粒径d和液滴中心位置；根据液滴全息图作x‑z平面的亮度分布图，对液滴的焦点位置进行定位，获得液滴焦点位置和液滴的焦距f；根据液滴折射率n₀与液滴焦距f、粒径d和空气折射率n_i之间的关系，计算液滴折射率。本发明还提供一种同轴全息测量装置，包括：信号发射单元，包括用于产生激光的连续激光器和光路调整段；信号接收单元，包括显微物镜及CCD相机；信号处理单元。本发明提供的方法及装置实现了对动态液滴粒径、折射率等参数的同时测量，从而分析液滴动力学过程，实现喷雾冷却、液滴燃烧等过程的在线测量。

Description

一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法及装置

技术领域

本发明属于液滴折射率测量领域，具体涉及一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法及装置。

背景技术

液体雾化是一种复杂的气液多相流动，在能源、化工等工业领域具有广泛的应用背景，如喷雾混合、喷雾冷却或干燥、液体燃料雾化燃烧等。喷雾液滴在工业应用中发挥着传热传质的主导作用，因此对雾化液滴的粒径、速度、浓度以及折射率、温度等参数的测量对衡量喷嘴雾化性能的优劣，研究雾化液滴传热、蒸发、燃烧机理具有重要意义。

目前用于液滴粒径、速度、浓度等几何物理参数的测量已经有一些成熟的光学测试手段，例如粒子图像测速法(PIV)测量流场速度，激光多普勒/相位多普勒技术(LDA/PDA)测量球形透明颗粒速度和粒径分布，马尔文粒度仪测量颗粒粒径分布。但这些方法都局限于单点或二维测量，且无法同时进行液滴温度和折射率的测量。目前也有一些应用于液滴折射率测量常见的方法有V形棱镜法、掠入射法(阿贝折射仪)、干涉条纹(牛顿环)法，彩虹散射技术等。彩虹散射技术是通过检测彩虹角的大小计算折射率。虽然彩虹散射技术有较高的精度，但测量系统复杂，需要对液滴的彩虹角进行精确跟踪和测量，测量相对困难。

数字全息技术是一种真正的三维成像技术，其不仅继承光学手段全场性、无标定、非接触等特点，还可利用单相机实现液滴三维位置、粒径、浓度、三维速度等参数的同时测量。数字全息包括全息图记录与重建两个过程。激光束入射至颗粒场，一部分被颗粒散射形成散射光(物光)，另一部分直接透过测量区域作为参考光；物光和参考光干涉形成的条纹图即为全息图，被相机记录。全息图记录了颗粒散射光的相位信息，经数值重建可以得到颗粒的深度位置，从而实现三维空间内颗粒场的测量。

目前已经数字全息成功应用于液滴三维空间分布、粒径和速度的测量，如能实现更多参数，如折射率等的测量，将有助于拓展该技术的应用潜力。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法及装置，可以对动态液滴三维位置、粒径、浓度等多参数进行同时测量，实现喷雾冷却、干燥及液滴燃烧等过程的在线测量。

本发明为解决上述技术问题，采用的具体技术方案是：

一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法，包括以下步骤：

(1)用平行激光束照射被测液滴，液滴的散射光与未受干扰的参考光干涉形成的全息信号通过显微物镜成像在CCD相机的感光芯片上，记录液滴全息图；

(2)根据步骤(1)记录的液滴全息图获得液滴的粒径d和液滴中心位置；

(3)根据液滴全息图作x-z平面的亮度分布图，对液滴的焦点位置进行定位，获得液滴焦点位置和液滴的焦距f，所述液滴的焦距f为液滴中心到焦点的距离；

(4)根据液滴折射率n₀与液滴焦距f、粒径d和空气折射率n_i之间的关系，计算液滴折射率。

在步骤(3)中，对液滴的焦点位置进行定位的方法为亮度梯度局部方差法。

在步骤(4)中，所述液滴折射率n₀与液滴焦距f、空气折射率n_i之间的关系为：

其中，f是液滴中心到焦点距离，d是液滴粒径，n₀是液滴折射率，n_i是空气折射率。

则液滴折射率计算公式为：

作为优选，本发明提供的方法还包括：在步骤(1)之前，使用标定板对同轴全息成像系统的放大倍数进行标定，得到CCD相机记录的等效像素，用于液滴全息图的重建。

作为优选，本发明提供的方法还包括：用平行激光束通过显微物镜成像在CCD相机的感光芯片上，记录被测视场的全息背景图；对步骤(1)记录的液滴全息图去除被测视场的全息背景图后再进行步骤(2)。去除全息背景图的方法可以采用背景相减法或背景相除法。

在步骤(2)中，获得液滴的粒径d和液滴中心位置的方法为：先对液滴全息图进行全息重建、景深拓展、液滴识别及定位，进而获得液滴的粒径d和液滴中心位置。

液滴的粒径d的计算公式为：

其中A_p为颗粒截面图像的面积。

所述步骤(3)中亮度梯度局部方差方法为：

本发明还提供一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置，所述同轴全息测量装置包括：

信号发射单元，包括用于产生激光的连续激光器和光路调整段，用于产生平行光束照射被测液滴；

信号接收单元，包括显微物镜及CCD相机，用于记录经平行光束照射后液滴散射的物光与未受干扰的参考光干涉形成的液滴全息图；

信号处理单元，连接于信号采集单元之后，用于液滴全息图的处理，液滴焦距f和粒径d，并根据液滴折射率n₀与液滴焦距f、液滴粒径d、空气折射率n_i之间的关系计算液滴折射率。

所述信号处理单元对液滴全息图的处理包括全息重建、景深拓展、液滴识别及定位后获得液滴的粒径d和液滴中心位置；根据液滴全息图作x-z平面的亮度分布图，对液滴的焦点位置进行定位，获得液滴焦点位置和液滴的焦距f，所述液滴的焦距f为液滴中心到焦点的距离。

作为优选，所述激光器的功率为100mW-500mW，激光波长为350nm-700nm的可见波段，相干长度≥10cm。

所述光路调整段包括衰减片、空间滤波器和凸透镜，激光器产生的激光束经衰减片衰减后通过空间滤波器，再经凸透镜准直形成平行光束。

所述信号处理单元包括内置全息图处理软件的计算机系统。

所述衰减片用于对激光能量进行衰减，以免直接入射的激光由于能量过高而损坏CCD相机的感光芯片。

作为优选，选择衰减片透光率1％-35％，与激光强度、CCD相机曝光时间匹配，使全息图的可见度较高。

所述空间滤波器由显微物镜和针孔组成。作为优选，显微物镜放大倍数为10×-50×，针孔孔径为5μm-10μm。激光经过显微物镜汇聚，针孔放置在显微物镜焦点处，过滤掉波束中的高频条纹，提高光束质量。显微物镜和针孔合适的匹配参数选择取决于入射激光波长、光源直径、输出光斑直径以及显微透镜焦距，针孔孔径D的选择依据公式为：

其中，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，r为入射激光光束半径。应该选择比D约大30％的针孔。

作为优选，所述凸透镜的直径为25mm-50mm，焦距为30mm-100mm，用于将扩散光束准直成平行光束，照射被测液滴。

作为优选，所述显微物镜放大倍数为10×-40×，使成像系统有成像放大功能，提高CCD相机感光芯片的分辨率，从而增大液滴折射率测量的精度。

作为优选，所述CCD相机的采样频率在10Hz以上，CCD相机的感光芯片放置于显微物镜镜头的像平面。

本发明提供的同轴全息测量装置的工作过程为：连续激光器产生激光，激光束经衰减片衰减后通过空间滤波器，然后被凸透镜准直形成平行光束；平行光束照射被测液滴，产生的液滴散射光为物光，未受干扰的光束作为参考光，物光与参考光干涉形成的全息图由CCD相机记录；利用包含内置全息图处理软件的计算机系统处理全息图，得到被测液滴的折射率。

在本发明中，同轴全息成像装置又称为基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置。

本发明提供的基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法及装置的具体原理如下：

对于折射率为n₀的透明球形液滴，可看成一种光学透镜，它把入射到液滴上的光线聚焦在一个焦点上。焦点可看作向光传播方向发射球面波的点光源，这种情况类似点粒子的衍射，球面波是由正向散射形成的。虽然折射光经过焦点后发散角较大，但本发明中的数字同轴全息系统的数值孔径NA和空间分辨率能够记录大部分由液滴散射的物光与参考光干涉形成的全息条纹。因此，透明球形液滴的数字同轴全息系统(数字同轴全息装置)在概念上可视为一个理想的点液滴全息系统。利用高斯光理论，计算液滴的焦距f可用如下公式表示：

其中，f定义为液滴中心到焦点的距离，n₀为液滴折射率，n_i为周围介质折射率，d为液滴粒径。据此，可以推算出液滴折射率n₀：

为计算出液滴折射率n₀，需要获得液滴粒径d、周围介质折射率n_i以及液滴中心到焦点的距离f；其中，空气折射率为1.00027，而液滴粒径d和液滴中心到焦点的距离f可以通过数字同轴全息技术可以处理得到。

数字同轴全息需要两个步骤，首先是全息图数字化记录过程，一束平行激光束入射至液滴场后一部分被液滴散射形成散射光(物光)，另一部分直接透过测量区域作为参考光；物光和参考光干涉形成的条纹图即为全息图，被CCD相机记录。其物理意义可由公式表示：

I_H＝|E_O+E_R|²＝I_O+I_R+E_OE_R ^*+E_O ^*E_R (1)

其中，E_O代表物光(液滴散射光)到达CCD的复振幅，E_R代表参考光到达CCD的复振幅，I_H代表记录的全息图强度。由公式(1)可知，全息图中包含了物光的复振幅。全息重建时先乘上参考光的共轭复数，然后将传播记录距离，即可得到物体复振幅，可由公式(2)和(3)表示：

E_R ^*I_H＝E_R ^*I_O+E_R ^*I_R+E_OE_R ^*E_R ^*+E_OI_R (2)

由于参考光是平面波，因而有E_R＝E_R*＝1，所以公式(2)中除了第四项是我们需要重建的物光，还有第一、第二项是直流项，第三项是共轭像。前三项的存在会对全息图的重建质量造成一定的影响，但对于液滴测量来说，液滴很小，这种影响也几乎可以忽略。光的传播可由(3)中的菲涅尔-基尔霍夫积分公式计算，该过程可在计算机中模拟实现。

液滴全息图经全息重建、景深拓展、液滴识别及定位等步骤处理，得到液滴截面图像，从中提取出液滴粒径d，其公式为：

为计算出液滴中心到焦点的距离f，需要得到液滴中心和焦点位置。根据全息处理数据，画出x-z平面(x方向为CCD记录平面的水平方向，z方向为沿光路的方向)的亮度分布图，基于亮度梯度局部方差的定位方法，公式如(4)，对液滴位置和球透镜焦点位置分别进行定位，求出液滴中心和焦点位置。在x-z平面的亮度分布图中，边缘聚焦位置为液滴中心位置，图像最亮处所在z轴位置为焦点位置，两点间的距离即为液滴中心到焦点的距离f。在全息处理得到的沿中心轴光强(或振幅)分布图上也可找到焦点位置。

将上述方法求得的液滴粒径d、液滴中心到焦点距离f，代入公式中，即可得到被测液滴的折射率n₀。

本发明提出的基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法及装置，可以实时、准确、非接触地实现液滴的三维空间分布、粒径、浓度、速度以及折射率等参数的同时在线测量，可为液滴动力学的研究提供合适的测试手段，对监测、优化相关工业设备具有重要意义。

附图说明

图1为激光透过透明球形液滴的光路示意图；

图2为本发明提供的基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置结构示意图；

图3为x-z平面的亮度分布图；

其中，1、激光器；2、衰减片；3、空间滤波器；4、凸透镜；5、显微物镜机；6、CCD相机；7、显微物镜；8、针孔。

具体实施方式

下面结合附图详细给出本发明技术的具体实施方案步骤。

实施例1

如图2所示，本发明提供的同轴全息测量装置包括信号发射单元、信号接收单元、信号处理单元三个部分。

(1)信号发射单元用于产生平行光束照射被测液滴，包括用于产生激光的连续激光器1和光路调整段。

其中，光路调整段包括衰减片2、空间滤波器3、凸透镜4。

衰减片用于对激光能量进行衰减，以免直接入射的激光由于能量过高而损坏CCD相机感光芯片；衰减片的透光率与激光强度、CCD相机曝光时间匹配，使全息图的可见度较高。空间滤波器由显微物镜和针孔组成，激光经过显微物镜汇聚，针孔放置在显微物镜焦点处，过滤掉波束中的高频条纹，提高光束质量。凸透镜用于将扩散光束准直成平行光束，照射被测液滴。

(2)信号接收单元，用于记录液滴散射的物光与未受干扰的参考光干涉形成的全息图。包括显微物镜5及CCD相机6。显微物镜使成像系统有成像放大功能，提高CCD芯片的分辨率，从而增大液滴折射率测量的精度。CCD相机的采样频率在10Hz以上，CCD芯片放置与显微镜头的像平面。

具体地，在本实施例中，激光器1的功率为300mW、激光波长为532nm、相干长度50m；衰减片2的透光率为25％；空间滤波器3中：显微物镜7放大倍数为10倍、针孔8直径为50μm；凸透镜4的直径为50mm、焦距为50mm；显微物镜5放大倍数为10倍、CCD相机6的采样频率为30Hz。

(3)信号处理单元用于液滴全息图像的处理，包括内置对液滴全息图处理软件的计算机系统。

本发明提供的同轴全息装置测量液滴折射率的具体原理如下：

对于折射率为n₀的透明球形液滴，可看成一种光学透镜，它把入射到液滴上的光线聚焦在一个焦点上。如图1所示，焦点可看作向光传播方向发射球面波的点光源，这种情况类似点粒子的衍射，球面波是由正向散射形成的。虽然折射光经过焦点后发散角较大，但本发明中的数字同轴全息系统的数值孔径NA和空间分辨率能够记录大部分由液滴散射的物光与参考光干涉形成的全息条纹。因此，透明球形液滴的数字同轴全息系统在概念上可视为一个理想的点液滴全息系统。利用高斯光理论，计算液滴的焦距f可用如下公式表示：

其中，f定义为液滴中心到焦点的距离，n₀为液滴折射率，n_i为周围介质折射率，d为液滴粒径。据此，可以推算出液滴折射率n₀：

为计算出液滴折射率n₀，需要获得液滴粒径d、周围介质折射率n_i以及液滴中心到焦点的距离f；其中，空气折射率为1.00027，而液滴粒径d和液滴中心到焦点的距离f可以通过数字同轴全息技术可以处理得到。

用本实施例中的同轴全息测量装置测量液滴折射率的方法为：

(1)使用标定板对同轴全息成像系统的放大倍数进行标定，得到CCD相机记录的等效像素，用于液滴全息图的重建。

(2)波长为532nm的连续激光器1产生激光，激光束经衰减片2衰减后通过空间滤波器3，然后被凸透镜4准直形成平行光束。用平行激光束照射被测液滴，液滴的散射光与未受干扰的参考光干涉形成的全息信号通过显微物镜成像在CCD的感光芯片上，记录被测液滴全息图。

(3)对得到的液滴全息图进行分析处理，可采用小波变换算法重建，得到一系列重建截面，对重建截面进行景深拓展，使所有液滴都聚焦在一张图上。应用联合多判据法对颗粒全息图中颗粒进行识别，获得液滴的粒径d和液滴位置。

其中，液滴的粒径d的计算公式为：

(4)根据液滴全息图画出x-z平面的亮度分布图，如图3所示。根据基于亮度梯度局部方差的定位方法，对液滴焦点位置进行定位，求出焦点位置。

如图3所示，在x-z平面的亮度分布图中，边缘聚焦位置为液滴中心位置，图像最亮处所在z轴位置为焦点位置，两点间的距离即为液滴中心到焦点的距离f。

(5)根据液滴折射率n₀与液滴焦距f、空气折射率n_i之间的关系，求出液滴折射率。

液滴折射率n₀与液滴焦距f、空气折射率n_i之间的关系为：

其中，f是液滴中心到焦点距离，d是液滴粒径，n₀是液滴折射率，n_i是空气折射率。

则液滴折射率计算公式为：

图3对应的液滴焦距f为199μm、液滴粒径d为200.20μm，则被测液滴折射率大小为n₀＝1.336。

上述是结合实施例对本发明做出的详细说明，但是本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，如在实例实施的步骤(3)中，全息重建、颗粒识别方法不局限于小波变换算法和联合多判据法，其它任何在本发明专利核心指导思想下所作的改变、替换、组合简化等都包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法，包括以下步骤：

(1)用平行激光束照射被测液滴，液滴的散射光与未受干扰的参考光干涉形成的全息信号通过显微物镜成像在CCD相机的感光芯片上，记录液滴全息图；

(2)根据步骤(1)记录的液滴全息图获得液滴的粒径d和液滴中心位置；

(3)根据液滴全息图作x-z平面的亮度分布图，对液滴的焦点位置进行定位，获得液滴焦点位置和液滴的焦距f，所述液滴的焦距f为液滴中心到焦点的距离；

(4)根据液滴折射率n₀与液滴焦距f、粒径d和空气折射率n_i之间的关系，计算液滴折射率。

2.根据权利要求1所述的基于数字同轴全息液滴折射率测量方法，其特征在于，在步骤(3)中，对液滴的焦点位置进行定位的方法为亮度梯度局部方差法。

3.根据权利要求1所述的基于数字同轴全息液滴折射率测量方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述液滴折射率n₀为：

其中，f是液滴的焦距，d是液滴粒径，n₀是液滴折射率，n_i是空气折射率。

4.一种采用权利要求1-3任一所述方法的基于数字同轴全息测量液滴折射率的装置，其特征在于，所述同轴全息测量装置包括：

信号发射单元，包括用于产生激光的连续激光器和光路调整段，用于产生平行光束照射被测液滴；

信号接收单元，包括显微物镜及CCD相机，用于记录经平行光束照射后液滴散射的物光与未受干扰的参考光干涉形成的液滴全息图；

信号处理单元，连接于信号采集单元之后，用于液滴全息图的处理，获得液滴焦距f和粒径d，并根据液滴折射率n₀与液滴焦距f、液滴粒径d、空气折射率n_i之间的关系计算液滴折射率。

5.根据权利4所述的基于数字同轴全息液滴折射率测量装置，其特征在于，所述激光器的功率为100mW-500mW，激光波长为350nm-700nm的可见波段，相干长度≥10cm。

6.根据权利5所述的基于数字同轴全息液滴折射率测量装置，其特征在于，所述光路调整段包括衰减片、空间滤波器和凸透镜，激光器产生的激光束经衰减片衰减后通过空间滤波器，再经凸透镜准直形成平行光束。

7.根据权利6所述的基于数字同轴全息液滴折射率测量装置，其特征在于，所述空间滤波器由显微物镜和针孔组成，显微物镜放大倍数为10×-50×，针孔孔径为5μm-10μm；所述凸透镜的直径为25mm-50mm，焦距为30mm-100mm。

8.根据权利4所述的基于数字同轴全息液滴折射率测量装置，其特征在于，所述CCD相机的采样频率≥10Hz，所述CCD相机的感光芯片放置于显微镜头的像平面。