CN111239079B - 一种定光学深度的时变浑浊场模拟装置 - Google Patents

一种定光学深度的时变浑浊场模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定光学深度的时变浑浊场模拟装置，包括容器、液体环境、散射介质；所述液体环境和所述散射介质放置在所述容器中；所述散射介质的材料为亲水氧化铝(Al2O3)颗粒或二氧化硅颗粒，所述容器的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或石英玻璃，所述液体环境的材料为水。本发明的有益效果在于：光学性质可变、成本低、准确度高、操作简便。

Description

一种定光学深度的时变浑浊场模拟装置
技术领域
本发明涉及光学研究领域，特别涉及一种定光学深度的时变浑浊场模拟装置。
背景技术
激光诊断近年来在诸如流场分析、皮肤组织诊断等方面应用甚广。其中，激光经过某一介质后出射光或反射光的角度分布，因其能够准确描述场内粒子粒径与分布，而受到广泛关注。许多研究者构建相关算法来模拟光在介质中的散射过程，并通过出射角分布来反推场的性质。到现在为止，有关光子经过某一介质时发生散射的相关算法及实验光路的搭建已经得到了充分的研究，但其准确性只能通过计算机模拟得以验证，缺乏实验支持。想要通过实验验证算法准确性，进而将算法应用于实际，就必须构建一种已知光学性质的介质场，令激光透射该场，得到其角度分布，与算法模拟结果进行比对。专利US2018239946A1提出了平板薄层介质的激光诊断方法，但其并没有对已知性质介质进行检测，其准确性无法被证明。文章Determination of particle size by using the angular distributionof backscattered light as measured with low-coherence interferometry(Vol.19,No.4/April2002/J.Opt.Soc.AM.A)提出用聚苯乙烯颗粒构建具有一定光学深度的待测介质，并通过低相干光对其粒径进行检测。这一方法效果较好，可以测定时变场的角度分布，但其光路搭建复杂，测试时间长，且聚苯乙烯颗粒加工精度要求高，导致成本极高，同时并没有考虑盛装聚苯乙烯颗粒的容器器壁对于出射光的折射，上述因素均会给实验带来误差，导致这一方法很难在实际中得到应用。文章Experiment tests of a simplediffusion model for the estimation of scattering and absorption coefficientsof turbid media from time-resolved diffuse reflectance measurements(20June1992/Vol.31,No.18/Applied Optics)直接采用3mm厚度纤维层作为待测介质，这一方法虽然简单直观，但是不具有可变性，即只能模拟固定光学深度与粒径分布的介质，不能调整参数以验证算法的普适性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何配置可以易于通过改变材料尺寸改变光学性质的介质；如何解决出射光经过容器器壁时发生散射导致出射角分布测量不准确的问题；如何使测量光路简化，充分降低实验难度；如何降低实验成本；如何配置介质以模拟时变场(介质性质随时间缓慢改变)；如何能够简便地模拟不同光学深度的介质。本发明的目的在于提出一种定光学深度的时变浑浊场模拟装置，有效解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种定光学深度的时变浑浊场模拟装置，包括容器、液体环境、散射介质；所述液体环境和所述散射介质放置在所述容器中；所述散射介质的材料为亲水氧化铝(Al2O3)颗粒或二氧化硅颗粒，所述容器的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或石英玻璃，所述液体环境的材料为水。
进一步地，所述亲水氧化铝颗粒的粒径在1微米到数10微米之间。
进一步地，不同尺寸的所述亲水氧化铝颗粒的组合，所调配出的所述散射介质有不同的光学性质。
进一步地，所述亲水氧化铝颗粒的密度为3.9g/cm3。
进一步地，所述亲水氧化铝颗粒的折射率为1.765。
进一步地，所述容器包括入射面、出射面、U形槽；所述入射面、所述出射面、所述U形槽三部分组合成中间有槽口的半封闭透明的所述容器。
进一步地，所述容器包括顶端盖，所述容器做成全封闭，密闭的所述容器中只含有所述液体环境和所述散射介质，不含任何气体。
进一步地，所述装置为模块化设计，所述容器设计满足以下特点：在所述出射面继续增加连接所述U形槽及所述出射面，加入配置好的所述散射介质和所述液体环境，获得不同光学性质的实验标准试样。
进一步地，所述聚甲基丙烯酸甲酯的折光率为1.49。
进一步地，所述装置包括夹持支架。
本发明的有益效果在于：光学性质可变、成本低、准确度高、操作简便。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的整体效果图；
图2是本发明的一个较佳实施例的爆炸图；
图3是本发明的另一个较佳实施例的出射光角度分布图；
其中，1-入射面/出射面，2-U形槽，3-夹持支架。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如图1和图2所示，本发明的一个较佳实施例，入射面/出射面1为60mm*60mm的正方形PMMA板，厚度为1mm，除了作为光的入射面/出射面之外，同时也起到容纳、分隔不同光学深度的液体环境的作用，有利于构建梯度光学性质的模拟场；U形槽2的外轮廓尺寸为60mm*60mm，宽度为5mm，材质为PMMA板，厚度根据要求可为1-5mm，与两侧的入射面/出射面1共同构成半封闭空间(顶端不封闭)，用来容纳液体环境，根据其厚度不同可以模拟不同光学深度的散射场；夹持支架3用于夹持入射面/出射面1和U形槽2，保证模拟场主体能够垂直于入射激光。
本实施例中的PMMA板由日本三菱公司生产，具有均一的光学性质，透光性良好，激光入射后强度损失小，折光率为1.49，属于已知，易于通过配置相应折光率的溶液进行折光率补偿。同时PMMA材料易于加工，组合方便，有利于实现模型的模块化，对不同光学深度的介质场进行模拟。而且PMMA材料耐腐蚀，可以盛装由有机溶剂配置的、折射率与所述PMMA材料相同的所述液体环境。
当直径为1mm的激光点光源从入射面1入射后，可以在出射面1上观测到出射角的分布。由于PMMA板透光性良好，且所搭建的散射介质厚度适宜，其结果可以直接利用与光源相对放置的高速相机拍摄，不需要进行复杂的光路搭建。
如需构建多层次的模拟场，可以按照图2方式继续叠加U形槽2与入射面/出射面1，加入配置好的散射介质和液体环境，即可获得不同光学性质的实验标准试样。由于液体环境与PMMA材质的折射率接近相同，不需要考虑界面变化导致的折射问题。理论上可以进行光学性质连续变化的场的相关研究。但随着层数增加，精度会有所下降。
如图3所示，本发明的另一个较佳实施例，选用1μm直径的亲水氧化铝作为实验颗粒，密度为3.9g/cm3，折射率为1.765。在50ml水中加入0.204g亲水氧化铝颗粒，摇匀后用滴管滴入宽为4mm的PMMA槽中，充分震荡摇匀后，亲水氧化铝颗粒在液体环境中均匀分布，且在重力作用下缓慢沉降，初始光学深度为每毫米5.186，该试样的光学深度为20.744。将实验所得散射角度分布与程序模拟结果对比，在误差范围内可以验证所得式样的光学深度，与理论值相接近。
目前对场散射的研究大多面向粒子粒径为10微米左右、光学深度在2-20之间的介质，其理论基础为将散射颗粒视为球体的米氏散射理论。亲水氧化铝颗粒具有较好的圆度，可以视为球体。这一特点使得亲水氧化铝颗粒较好地符合米氏散射理论的要求，使得用其配置出的散射介质光学性质准确、可以作为标定样本。同时由于亲水氧化铝颗粒粒径范围广，所配置的散射介质的光学性质范围较大，能够对不同的散射场进行模拟。亲水氧化铝颗粒沉降缓慢，相比同尺寸的碳化硅颗粒而言，在所选择的液体环境中完全沉降所需时间更久，可以使用曝光时间间隔较大的相机进行拍摄记录，降低了对实验用相机的要求。
水的折射率为1.33，为确定数值。将液体环境置于容器中，出射光在交界面处发生折射的方向与角度均可由计算较为准确地补偿，这一特性可以降低出射角分布受到界面处折射的影响，大为简化了后续运算。相比于选择多元液体混合配制液体环境(如用水和甘油配制液体环境)，本发明的液体环境消除了配制溶液时比例不精确带来的误差，能够更精确地控制折射率近似相等。
密闭的容器中的散射介质和液体环境各项性质均较为稳定，通过手工倒置容器可以迅速形成性质相近的介质场，便于重复利用，节约成本。
本发明的有益效果有：光学性质可变、成本低、准确度高、操作简便。下面分别说明：
光学性质可变：现有技术所使用的散射介质，其光学性质难以改变。如需改变，则需要对整体实验元件进行较大的调整，成本高且耗时。本发明所配置的浑浊场，其低廉的成本与亲水氧化铝范围较广的粒径分布，使得配置光学性质连续变化的一系列介质成为可能，且所配置的浑浊场均具有相似的规则几何外形。在实验过程中如果需要更换介质的光学性质，只需要从实验光路中移除当前浑浊场，更换为另一块浑浊场，即可方便的完成场性质的调整。对于需要进行多工况测试的场合，本发明能够节省大量的时间成本。同时，本发明也适用于时变场的研究：由于密度差异，亲水氧化铝颗粒能够在静置情况下自然沉降，且沉降速度较为缓慢，通过连续拍摄场的初涉角度分布，可以对连续变化场的性质进行研究，这一特点使得本发明更适用于时变场(如喷雾场)的研究。
成本低：本发明采用易于加工且廉价的亲水氧化铝颗粒取代昂贵的聚苯乙烯颗粒，使得原料成本降为原来的四十分之一。本发明所搭建的浑浊场可观察度较高，不需要搭建复杂的光路即可实现对于出射光角度分布的测量与记录，省去了搭建光路所需的光学元件的成本。配置完毕的介质化学性质稳定，可以在较长期间内重复使用，不需要每次实验之前重新配置，节省了材料费与人工费用。综上所述，本发明成本相较现有技术大为降低，有较好的经济型。
准确度高：本发明采用水配置的液体环境搭配PMMA材料制成的容器，两者均具有确定的折射率，易于消除从介质出射的光在经过界面交界处发生散射所带来的影响。本发明提出的设计能够有效地提高测量的准确度。同时，本发明设计的浑浊场可以重复使用，每次都能保证基本一致的光学性质，使得重复实验取平均值的数据处理方法成为可能，可以有效降低实验误差，提高系统的精确度。综上所述，本发明能够有效提高测量的精确度。
操作简便：本发明所配置的散射介质具有较薄的厚度，其容器具有较好的透光性。上述特点使得相机可以在出射面之后直接对出射结果进行拍摄，不需要进行复杂的光路设计，对于相机与光源的同轴度要求也不是很高，极大地简化了现有技术在光路搭建方面所做的工作。本发明所配置的介质化学性质稳定，可以在一段时间内重复使用，不需要在每次实验之前重新配置，这一特点省却了每次实验前配制药剂的操作，在提高实验效率的同时也消除了由于化学药品使用不当造成的安全隐患。同时由于容器规整的几何外形，介质场的更换极为方便。综上所述，本发明具有较好的操作简便性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种定光学深度的时变浑浊场模拟装置，其特征在于，包括容器、液体环境、散射介质；所述液体环境和所述散射介质放置在所述容器中；所述散射介质的材料为亲水氧化铝颗粒与二氧化硅颗粒的组合，所述亲水氧化铝颗粒的粒径在1微米到数10微米之间，所述亲水氧化铝颗粒的密度为3.9g/cm3，所述亲水氧化铝颗粒的折射率为1.765，所述容器的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或石英玻璃，所述液体环境的材料为水，所述容器包括入射面、出射面、U形槽；所述入射面、所述出射面、所述U形槽三部分组合成中间有槽口的半封闭透明的所述容器，所述入射面与出射面为正方形PMMA板，所述装置为模块化设计，所述容器设计满足以下特点：在所述出射面继续增加连接所述U形槽及所述出射面，加入配置好的所述散射介质和所述液体环境，获得不同光学性质的实验标准试样，所述装置包括夹持支架，所述夹持支架用于夹持所述入射面、所述出射面和所述U形槽，保证模拟场主体能够垂直于入射激光；所述容器包括顶端盖，所述容器做成全封闭，密闭的所述容器中只含有所述液体环境和所述散射介质，不含任何气体；所述聚甲基丙烯酸甲酯的折光率为1.49。
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