CN111272110B - 一种基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置，属于实验室测试设备领域，包括激光器、透镜组、卡纸板、第一光学小孔、第一光学接杆、第二光学小孔、第二光学接杆、模拟场、第三光学接杆、高速相机和第四光学接杆；其中，透镜组、卡纸板、第一光学小孔、第二光学小孔、模拟场和高速相机依次排列，其中心位于同一水平线上；从激光器发射的光通过透镜组，穿过卡纸板的孔、第一光学小孔和第二光学小孔进到模拟场，穿过模拟场的透射光散射角度通过高速相机对其进行测量，并直接记录真实的散射光斑状态。该装置操作简单、图像清晰，适用于不同种类、不同尺寸薄板介质对透射光角度分布的测试。

Description

一种基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置

技术领域

本发明涉及实验室测试设备领域，尤其涉及一种多重散射透射光角度分布测定装置。

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。现今的研究主要以薄板介质为研究对象，这类介质的光学性质与喷雾场、皮肤组织有较好的相似性，对其研究也具有广泛的应用价值。由米氏散射理论，照射到粒子上的光线大部分会经过偏转后继续向前传播，少部分会因反射而反向传播。因此，测定透射光线的角度分布相较于反射光线能够更全面更准确的反应薄板介质的相关性质。但受限于实验设备的测量精度与实验光路的搭建，大多较为成熟的研究都只是针对反射光角度分布进行测量，且其角度分布的呈现形式为干涉条纹，需要经过算法转化才能得到真实的角度分布，不够直观而且易引起误差。文章《Determination of Particle Size by Using the AngularDistribution of Backscattered Light as Measured with Low-coherenceInterferometry》(Vol.19,No.4/April 2002/J.Opt.Soc.AM.A)通过低相干光干涉测定了薄板介质反射光的角度分布，除存在上述的只能测定反射光、干涉条纹转化两个问题之外，该实验并没有提及对于所用光源平行、直射化的处理，入射光线存在的微小散射角度会转化为较为明显的测量误差。专利US20140027632A1设计了半球状的反射镜用以测定反射光角度分布，该方案对于镜面加工要求较高，且对被测样本的尺寸限制严重，无法适用于多变的测量条件。专利US8531662B2对透射光角分布进行了测量，但其光源选用的是普通白光源，需要经历复杂的调制解调过程才能够消除不同波长光线之间的串扰，要求较高且精度难以保障。文章《ICF实验中散射光角度分布测量的数据分析》(核电子学于探测技术，Vol19，No.5，1999.9)使用CCD相机对于初涉角度分布进行记录，这一呈现方式相比于干涉条纹更加直观，但实验中所用激光为面光源，经过聚焦后的光线与光轴具有较大的角度偏差，适用于对单一靶丸进行实验，而并不适用于对于薄板介质的研究。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种布置合理，图像记录方便，处理简单，光路设置简单，适用于不同种类，不同尺寸薄板介质对透射光角度分布进行测试的装置。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何开发一种具有普适性的光路搭建简单，误差小，能够测量透射光的光角度分布测定装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置，包括激光器、透镜组、卡纸板、第一光学小孔、第一光学接杆、第二光学小孔、第二光学接杆、模拟场、第三光学接杆、高速相机和第四光学接杆；其中，所述透镜组、所述卡纸板、所述第一光学小孔、所述第二光学小孔、所述模拟场和所述高速相机依次排列，其中心位于同一水平线上；从所述激光器发射的光通过所述透镜组，穿过所述卡纸板的孔、所述第一光学小孔和所述第二光学小孔进到所述模拟场，穿过所述模拟场的透射光散射角度通过所述高速相机对其进行测量，并直接记录真实的散射光斑状态。

进一步地，所述模拟场包括容器和所述容器内的浑浊场。

进一步地，所述容器材质为PMMA塑料。

进一步地，利用亲水氧化铝与水配置所述浑浊场，总光学深度为20.7cm，所述浑浊场的入射面应与激光垂直。

进一步地，所述高速相机选用Lavision高速相机，记录出射光强度分布，曝光时间为300μs。

进一步地，所述激光器配置能够产生532nm波长激光的泵作为光源。

进一步地，所述卡纸板为带有直径为1cm圆孔的黑色卡纸板。

进一步地，所述第一光学小孔通过所述第一光学接杆调整高度；所述第二光学小孔通过所述第二光学接杆调整高度。

进一步地，所述模拟场通过所述第三光学接杆调整高度。

进一步地，所述高速相机通过所述第四光学接杆调整高度。

进一步地，所述高速相机与所述光源处于正对位置，所述高速相机和所述光源的相对位置可以通过反射镜系统来调整。

本发明相对现有的测定装置具有如下优点：

1、能够测量透射光角度分布。现有相关技术大多选择反射光角度分布作为研究对象，这与实验仪器性能、实验方法选择不无关系。但相较于反射光线，对于符合米氏散射理论的薄板介质而言，其透射光光能更强，粒子数目更多，测量其角度分布的准确性与代表性效果均更佳。本发明所陈述的实验方法能够对透射光角度分布进行测量，所得到的数据在精度与意义上均优于现有的实验方法。

2、能够直观记录透射光的形态。现有技术多采用干涉条纹法对光程差进行测量，再将其转化为偏转角，所需实验设备复杂，实验繁琐且不够直观，无法在实验过程中判断实验数据是否合理，不利于提升实验效率。本发明将光源与高速相机对置，搭建实验台，使得相机能够直观记录散射光斑，同时也省去了复杂的测量光路与从干涉条纹到偏转角度的转换程序，有利于在实验过程中观测光斑的形态，对于实验是否成功进行判断，有助于提升实验效率。

3、对光源进行了平行化处理。现有技术使用光源时或使用透镜进行聚焦，或没有提及对于点状光源的处理。对于散射角度的研究要求入射光与光轴夹角为零，这样才能够排出由于入射光自身散射对透射角分布的干扰。本发明利用透镜组与光学小孔对点光源发出的光进行三次调节，最终得到圆度较好的点光斑作为入射光源，减小了由于光源自身散射引起的误差。

4、对于实验台搭设难度要求降低。现有技术使用的测量干涉条纹的方法除不够直观外，对于实验光路的要求也较高，光路搭建耗时且对于实验结果的影响较大。本发明所需的实验台要求较低，除透镜组外不需要其他镜片类原件，对于光学小孔的同心度要求也不高，同时实验装备整体来看为直线分布，易于布置，简单直观。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置的示意图；

其中，1-激光器，2-透镜组，3-卡板纸，4-第一光学小孔，5-第一光学接杆，6-第二光学小孔，7-第二光学接杆，8-模拟场，9-第三光学接杆，10-高速相机，11-第四光学接杆。

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。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明是一种基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置，包括激光器1、透镜组2、卡纸板3、第一光学小孔4、第一光学接杆5、第二光学小孔6、第二光学接杆7、模拟场8、第三光学接杆9、高速相机10和第四光学接杆11。其中，透镜组2、卡纸板3、第一光学小孔4、第二光学小孔6、模拟场8和高速相机10依次排列，其中心位于同一水平线上。模拟场8包括材质为PMMA塑料的容器和容器内的浑浊场，利用亲水氧化铝与水配置浑浊场，总光学深度为20.7cm，浑浊场的入射面应与激光垂直。高速相机10选用Lavision高速相机，记录出射光强度分布，曝光时间为300μs。激光器1配置能够产生532nm波长激光的泵作为光源。卡纸板3为带有直径为1cm圆孔的黑色卡纸板。第一光学小孔4、第二光学小孔6、模拟场8、高速相机10分别由第一光学接杆5、第二光学接杆7、第三光学接杆9、第四光学接杆11调整高度。高速相机10与光源处于正对位置，高速相机10和光源的相对位置可以通过反射镜系统来调整。

采用透镜组2与光学小孔获得细小平行光作为光源，角分布测量中需要测定的是散射光线与入射光线之间形成的角度，因此对于入射光线的平行度与线度具有较高的要求，一般而言平行度越好，越细小的入射光线越能得到较好的实验效果。本发明使用光学透镜组2对从激光器1出射的激光进行初步处理，将散射状点光源变为平行面状光源。此时的面光源面积较大，通过带有直径1cm圆孔的黑色卡纸板3进行第二次调整，得到圆形光斑，同时将除圆孔处外的光线吸收，使之无法对实验产生干扰。此时的光斑面积仍然较大，且圆孔周边会产生散射，不利于得到平行光，用平行的两个光学小孔进行第三次调整，即光线穿过第一光学小孔4和第二光学小孔6，在校验同轴度的同时也能调整光斑的大小，最终可以得到圆度较好，大小合适(直径1mm)的平行点光源，作为入射薄板介质的光源。

本发明装置可以测量透射光角度分布，本试验方案最适合与浑浊场配合使用经过平行化处理的点光源入射实验式样，经过介质散射后，在模拟场8的容器器壁上会呈现出散射光斑。该容器器壁位于Lavision高速相机10的焦点上，通过调整光源的强弱可以调整散射光亮度达00到较为合适的水平，由于入射光为点光源，所得光斑大小可以被高速相机10完整记录，通过光强识别，可以将所得的散射光斑转化为类似同心圆的光强分布图，通过测量一点偏离入射光光路的距离，将之与容器前壁距离相机的距离做比值，可获取透射光的角度的正切值，由此可以获取透射光的角度分布。

实验搭建简单，实验中除使用透镜组2获得平行光源外，没有涉及复杂光路的搭建，由于光学小孔是从经过调整的面光源中筛选所需的点光源，因此对于小孔与其他光学元件的同心度要求不高，只需要保证第一光学小孔4和第二光学小孔6之间具有较好的同心度即可确保实验光源的可靠性，同时由于选择直接记录光斑的真实形态，省去了为实现干涉而搭建的光路。这样的特性决定实验台搭建的难度较低。

原有的测定装置大部分只能对反射光角度分布进行测量、无法测量透射光，其所用光源未经过平行化、线性化处理，易引入误差。其呈现方式为干涉条纹而非直接的散射图像，不够直观且转化时易导致误差。而本发明可合理布置测试试验台，配合薄板介质对透射光角度分布进行测量，对光源进行平行化、线性化处理得到大小合适的平行光斑，使用高速相机直接记录散射光斑，通过简单的图像处理即可获得角分布信息，光路设置简单，可以用于不同种类、不同尺寸薄板介质性质的测定测量透射光。

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做出诸多修改和变化。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 (9)

1.一种基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置，其特征在于，包括激光器、透镜组、卡纸板、第一光学小孔、第一光学接杆、第二光学小孔、第二光学接杆、模拟场、第三光学接杆、高速相机和第四光学接杆；其中，所述透镜组、所述卡纸板、所述第一光学小孔、所述第二光学小孔、所述模拟场和所述高速相机依次排列，其中心位于同一水平线上；从所述激光器发射的光通过所述透镜组，穿过所述卡纸板的孔、所述第一光学小孔和所述第二光学小孔进到所述模拟场，穿过所述模拟场的透射光散射角度通过所述高速相机对其进行测量，并直接记录真实的散射光斑状态；

其中，所述第一光学小孔、所述第二光学小孔、所述模拟场、所述高速相机分别由所述第一光学接杆、所述第二光学接杆、所述第三光学接杆、所述第四光学接杆调整高度，以使所述第一光学小孔、所述第二光学小孔、所述模拟场和所述高速相机的中心位于同一水平线上；

其中，所述模拟场包括容器和所述容器内的浑浊场，所述浑浊场的入射面与所述激光器发射的光垂直。

2.如权利要求1所述的基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置，其特征在于，所述容器材质为PMMA塑料。

3.如权利要求1所述的基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置，其特征在于，利用亲水氧化铝与水配置所述浑浊场，总光学深度为20.7cm，所述浑浊场的入射面应与激光垂直。

4.如权利要求1所述的基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置，其特征在于，所述高速相机选用Lavision高速相机，记录出射光强度分布，曝光时间为300μs。

5.如权利要求1所述的基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置，其特征在于，所述激光器配置能够产生532nm波长激光的泵作为光源。

6.如权利要求1所述的基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置，其特征在于，所述卡纸板为带有直径为1cm圆孔的黑色卡纸板。

7.如权利要求1所述的基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置，其特征在于，所述第一光学小孔通过所述第一光学接杆调整高度；所述第二光学小孔通过所述第二光学接杆调整高度。

8.如权利要求1所述的基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置，其特征在于，所述模拟场通过所述第三光学接杆调整高度。

9.如权利要求1所述的基于薄板介质的多重散射透射光角度分布测定装置，其特征在于，所述高速相机通过所述第四光学接杆调整高度。

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