CN112292591B - 使用用于会聚多光束照明的vcsel激光的粒子场成像和表征 - Google Patents

使用用于会聚多光束照明的vcsel激光的粒子场成像和表征 Download PDF

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Abstract

一种提供粒子的多光束成像的设备，该设备包括被配置为生成多个光束的多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)，该多个光束彼此会聚以在粒子场内形成测量体积。该多个VCSEL被配置为提供测量体积的背景照明的均匀性。成像光学器件联接至多个VCSEL中的至少一者。数字摄像机联接至成像光学器件，以获得在数字摄像机的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像。处理器联接至数字摄像机。

Description

使用用于会聚多光束照明的VCSEL激光的粒子场成像和表征
相关申请的交叉引用
本专利申请涉及2017年8月18日递交的美国专利申请S/No.15/552,263，该美国专利申请是根据2016年2月17日递交的、名称为“MULTIPLE BEAM AND CONVERGENT LIGHTILLUMINATION CROSSED-BEAM IMAGING”的国际申请No.PCT/US2016/018352的、根据35U.S.C.§371的美国国家阶段申请，该申请要求2015年2月20日递交的美国临时申请No.62/118,962的优先权。
政府许可权
本发明是在美国国家航空航天局(NASA)授予的No.NNX14CC65P协议下由政府支持完成的。政府具有本发明的某些权利。
技术领域
本发明的实施方式涉及粒子成像。更具体地，本发明的实施方式涉及使用会聚光对粒子进行成像。
背景技术
很大范围的工业过程使用液滴以及不规则形状和尺寸的固体粒子。研磨粉末、医疗吸入器和喷涂只是其中的几个示例。包括由热喷涂和其它喷涂产生的涂层在内的工业过程通常涉及确定粒子参数，例如粒子尺寸、形状、速度和空间位置。飞机结冰的区域涉及存在的冰晶和冰粒(球形冷冻液滴)中的过冷水滴。现有技术无法准确且可靠地测量这些粒子的尺寸。此外，现有技术无法将液滴与冰粒和冰晶分离。
现有的粒子成像技术包括并入使用电弧闪光灯、脉冲激光器和脉冲LED进行照明的明场成像。这些技术通常使用电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)摄像机或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)摄像机来记录粒子的阴影图像。这些技术通常使用具有漫射的准直光或近准直光来照射粒子场。然而，在这些技术中，焦外粒子(out of focus particle)在相对密集的粒子场条件下通常会产生阴影，该阴影会使焦内粒子(in focus particle)阴影图像的检测和测量变得复杂。另外，光束路径中的较大粒子可能熄灭或掩藏光束，这导致样品体积下的较小粒子图像的丢失。图像的这种丢失导致采样统计数据中出现不可接受的偏差。
通常，用于粒子成像技术的激光器是边缘发射激光二极管。边缘发射激光二极管通常由从晶片切成小块的切割棒组成。由于空气和半导体材料之间的高折射率，切割棒刻面用作反射镜。对于边缘发射激光二极管，光平行于有源层振荡，并从侧面逸出，从而形成椭圆形的激光束轮廓。
遗憾的是，用于现有粒子成像技术的激光在特征和斑点周围产生可见的衍射环。衍射环和激光辐射的斑点不利于视线(line-of-sight)显微镜使用。激光辐射的斑点和衍射会降低图像质量，并使背景光强度分布变得嘈杂且不均匀。
发明内容
描述了提供粒子的多光束成像的方法和设备。对于一个实施方式，一种提供粒子的多光束成像的设备包括多个垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emittinglaser，VCSEL)，该垂直腔面发射激光器被配置为生成多个光束，该多个光束彼此会聚以在粒子场内形成测量体积。该多个VCSEL被配置为在测量体积的背景照明中提供均匀性。成像光学器件联接至该多个VCSEL中的至少一者。数字摄像机联接至成像光学器件，以获得在数字摄像机的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像。处理器联接至数字摄像机。
对于一个实施方式，使用多个垂直腔面发射激光器生成彼此会聚以在粒子场内形成测量体积的多个光束，以便提供测量体积的背景照明的均匀性。获得在数字摄像机的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像。
对于一个实施方式，一种非暂时性机器可读介质包括数据，该数据当被数据处理系统访问时，使数据处理系统执行对粒子进行成像的方法，该方法包括：使用多个垂直腔面发射激光器生成彼此会聚以在粒子场内形成测量体积的多个光束，以便提供测量体积的背景照明的均匀性；以及获得在第一数字摄像机的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像。
从附图和以下的详细描述中，本发明的实施方式的其它特征和优点将变得明显。
附图说明
通过示例而非限制的方式在附图的各图中示出了本发明，在附图中，相似的附图标记表示相似的元件，其中：
图1示出了使用多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)源来提供多光束成像的设备的一个实施方式的示意图。
图2示出了根据另一实施方式的使用VCSEL对粒子进行成像的设备的示意图。
图3是示出使用多个VCSEL来提供多光束成像的系统的一个实施方式的视图。
图4是示出根据一个实施方式的多光束照明系统的视图。
图5A是示出根据一个实施方式的多光束粒子成像系统的垂直腔面发射激光器(VCSEL)源的示意性布局的视图。
图5B是示出根据一个实施方式的由VCSEL源生成的光束轮廓的示例的视图。
图5C是示出在距成像系统的焦平面不同距离处经过测量体积的粒子的多光束照明图像的示例的视图。
图6A是示出根据一个实施方式的VCSEL阵列的二维照明轮廓和LED系统的二维照明轮廓的视图。
图6B是示出根据一个实施方式的多光束成像系统的VCSEL源的测量脉冲轮廓的视图。
图6C是示出根据一个实施方式的、VCSEL系统的关于开关性能的特性的表的视图。
图6D是示出根据一个实施方式的多光束成像系统的VCSEL阵列的测量光谱的视图。
图7A是根据一个实施方式的多光束成像系统的VCSEL阵列的发射区域的照片。
图7B是示出根据一个实施方式的、当由LED源照射场景时由远距离显微镜捕获的分辨率图和当由VCSEL源照射场景时由远距离显微镜捕获的分辨率图的视图。
图8是示出包括用于生成多个照明光束的VCSEL源的多光束成像系统的另一实施方式的示意图。
图9A是示出根据一个实施方式的、通过会聚由多光束成像设备的VCSEL系统生成的光束而照射的背景901的图像的视图900。
图9B是示出根据一个实施方式的使用多光束成像设备的VCSEL照明生成的单分散液滴的图像的视图。
图9C是示出根据另一实施方式的使用多光束成像设备的VCSEL照明生成的单分散液滴的图像的视图。
图10是示出根据一个实施方式的使用多光束成像设备的VCSEL照明生成的浓喷雾图像的视图。
图11是示出根据一个实施方式的使用多光束二极管激光器照射的稀疏粒子场的图像的视图。
图12是示出根据一个实施方式的使用多光束二极管激光器照射的密集粒子场1201的图像的视图。
图13是示出对粒子进行成像的系统的另一实施方式的视图。
图14示出了根据一个实施方式的提供粒子的多光束成像的方法的流程图。
图15示出了根据另一个实施方式的提供粒子的多光束成像的方法的流程图。
图16A示出了对粒子进行成像的系统的一个实施方式。
图16B示出了对粒子进行成像的系统的一个实施方式。
具体实施方式
描述了使用多个垂直腔面发射激光器来提供粒子的多光束成像的方法和设备。应当注意，术语“粒子”在本文中是指液滴、气泡或任何其它物体。粒子可以具有球形形状、变形的球形形状或任何其它形状。粒子可以包括液体、固体材料、气泡或其任何组合。
对于一个实施方式，一种对粒子进行成像的设备包括用于生成传播通过粒子场的多个光束的多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)。该多个VCSEL彼此会聚以在粒子场内形成测量体积。该多个VCSEL被配置为在测量体积的背景照明中提供均匀性。成像光学器件联接至该多个VCSEL中的至少一者。数字摄像机联接至成像光学器件，以获得在该数字摄像机的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像。处理器联接至数字摄像机。VCSEL光源用于粒子的多光束成像，以提供均匀且无激光斑点的高质量照明。与边缘发射激光二极管相比，VCSEL具有较低的制造成本，并且具有很高的可靠性。当前，VCSEL仅用于数据通信、局域网和人脸识别系统。
通常，用作成像技术的照明源的激光二极管具有特定于激光器的特性，例如，衍射和斑点，它们降低了图像质量。与现有技术相比，使用VCSEL阵列进行粒子多光束成像有利地减少了衍射和斑点，并提高粒子测量体积的背景照明的均匀性。
图1示出了使用多个垂直腔面发射激光源(VCSEL)来提供多光束成像的设备100的一个实施方式的示意图。设备100包括用于生成多个照明光束的多个VCSEL，例如，用于生成照明光束101的VCSEL源和用于生成照明光束102的VCSEL源，照明光束101和照明光束102彼此会聚以形成粒子场103内的测量体积113，以便提供与测量体积113相关联的成像系统的图像平面124上的背景128的照明均匀性，并消除图像平面124中的聚焦阴影。如图1中所示，由VCSEL源的会聚光束在背景128上的不同位置处产生的照明光强度是相似的，使得整个背景128上的光强度分布是均匀的。对于一个实施方式，背景128的照明基本上没有斑点和衍射图案，如下面进一步详细描述的。成像光学器件联接至该多个垂直腔面发射激光器中的至少一者，如下面进一步详细描述的。数字摄像机联接至成像光学器件，以获得在数字摄像机的焦平面127处经过测量体积113的粒子的阴影图像，如下面进一步详细描述的。处理器联接至数字摄像机，如下面进一步详细描述的。
对于一个实施方式，该多个会聚光束101和102中的每一者是由至少两个VCSEL生成的。对于一个实施方式，生成该多个会聚光束101和102的VCSEL中的至少一些是垂直腔面发射激光器阵列的一部分，如下面进一步详细描述的。对于一个实施方式，VCSEL阵列被配置为生成该多个会聚光束101和102中的至少一者。对于一个实施方式，被配置为生成该会聚光束101和102中的至少一者的VCSEL阵列包括至少六个VCSEL。对于一个实施方式，该光束101和102中的至少一者由以圆形图案布置的VCSEL阵列生成，如下面进一步详细描述的。
如图1中所示，照明光束101在光学路径上沿方向107传播通过粒子场103，照明光束102在光学路径上沿方向109传播通过粒子场103。光束101的光学路径不同于光束102的光学路径。对于一个实施方式，照明光束101和102具有相同的波长。对于一个实施方式，照明光束101和102的波长是大约650nm。对于另一个实施方式，照明光束101和102具有不同的波长。对于一个实施方式，由VCSEL生成的照明光束101和102中的至少一者是脉冲光束。对于一个实施方式，由用于粒子的多光束成像的VCSEL所生成的脉冲照明光束101和102中的至少一者具有大约200皮秒(ps)的快速上升时间，如下面进一步详细描述的。对于一个实施方式，光束被一致地脉冲化以“冻结”粒子运动，如下面进一步详细描述的。
对于一个实施方式，使用在公共点处相交以形成测量体积的至少两个照明光束来对粒子进行成像。对于更具体的实施方式，在公共点处会聚以形成用于对粒子进行成像的测量体积的照明光束的数量在2至12的近似范围内。
对于一个实施方式，用于粒子的多光束成像的VCSEL源被配置为具有非常短的相干长度，该相干长度类似于使激光斑点最小化的发光二极管(LED)的相干长度。对于一个实施方式，用于粒子的多光束成像的VCSEL阵列具有在约100毫瓦(mW)至1千瓦(kW)的近似范围内的输出功率。对于一个实施方式，用于粒子的多光束成像的VCSEL阵列具有约10W的输出功率。
对于一个实施方式，由VCSEL产生的多个光束101和102中的每一者具有不大于7度的全光束发散角。对于一个实施方式，由VCSEL产生的多个光束101和102中的每一者具有至少750毫瓦(mW)的功率。对于一个实施方式，多光束粒子成像系统的VCSEL在连续操作下输出约7W，而在脉冲操作下输出超过10W的峰值功率。
对于一个实施方式，VCSEL阵列芯片被配置为用硅CCD或CMOS摄像机代替用作照明器的传统LED。VCSEL优于LED的优点是VCSEL光束的发散角明显小于LED光束的发散角。对于一个实施方式，VCSEL光束的全发散角仅为约16度。对于一个实施方式，VCSEL光束的全发散角为约5度，这对于诸如模块化高光谱成像(modular hyperspectral imaging，HSI)的远程应用是理想的。
对于一个实施方式，与传统系统相比，用于粒子的多光束成像的一个或多个VCSEL源的斑点小于1％，以提高背景照明的均匀性。对于一个实施方式，由用于粒子的多光束成像的VCSEL所生成的多个光束提供的背景照明基本上没有斑点和衍射图案。
对于粒子的多光束成像，VCSEL比边缘发射激光器对眼睛更安全，尤其是在与扩散器一起使用以使光束进一步均匀化的情况下。另一个优点是，VCSEL器件具有比边缘发射激光器更强的功率，并具有强准直光束。尽管VCSEL器件产生非常高强度的光束，但光束的特性更多地沿LED而不是激光器的线。对于一个实施方式，用于粒子的多光束成像的VCSEL源有利地布置在简单的二氧化硅集成电路(IC)芯片状构造中，该构造提供简易安装和紧凑性。
VCSEL器件相对于边缘发射激光二极管具有许多优点，包括它们在相对较高的温度下工作而因此不需要冷却系统的能力。对于飞机结冰应用，VCSEL可以位于靠近探针加热器的环境中，因此温度不敏感度是重要的。VCSEL可以在单位面积上传递非常高的功率，达到大约1200W/cm2。VCSEL发射圆形光束，该圆形光束可以被设计为具有高斯强度分布。这简化了使用例如衍射光学元件(DOE)将光束转换为近顶帽强度分布(near top hatintensity distribution)所需的光学器件。VCSEL激光器比边缘发射激光二极管更可靠。预测典型故障会在设备的10亿个小时(估计的平均故障时间(Mean Time To Failure，MTTF)为约100年)。在价格方面，VCSEL正在接近LED的价格。当需要更高的功率时，可以轻松地将VCSEL处理为单片2D阵列。
对于另一实施方式，用于粒子的会聚多光束照明的照明光束由多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)、发光二极管(“LED”)、其它激光器或它们的任意组合产生。
如图1中所示，粒子场103包括粒子，诸如粒子104和105。照明光束101和照明光束102彼此会聚以形成测量体积113。如图1中所示，测量体积113是光束101和102彼此重叠的区域。光束101与光轴106成角度108。光束102与光轴106成角度111。对于一实施方式，如果角度108和111中的一者为0度角，则角度108和111中的另一者可以是除了0度以外的任何角度。对于一个实施方式，光束相交角(intersection angle)由成像系统的f数(f#)确定。通常，将f#定义为透镜焦距除以透镜直径。对于另一实施方式，每个光束由单独的透镜检测，并且图像被转移至公共图像平面，使得可以使用更大的光束相交角。
如图1中所示，照明光束101和102以角度112相交。对于一实施方式，角度112是角度108和111的总和。粒子105在包括数字摄像机的成像系统的焦平面127处经过测量体积113的一部分，并且产生沿光束102的方向109的单独阴影(individual shadow)115以及沿光束101的方向107的单独阴影117。粒子104在距焦平面127的距离119处经过测量体积113的一部分，并产生沿光束102的方向109的单独阴影114以及沿光束101的方向107的单独阴影116。
测量体积113的沿着垂直于方向107的轴线A-A’的剖视图126包括单独阴影116和单独阴影117。测量体积113的沿着垂直于方向109的轴线B-B’的剖视图125包括单独阴影114和单独阴影115，如图1中所示。在成像系统的图像平面124上形成粒子105的阴影图像121。阴影图像121形成为单个阴影115和117的叠加。如图1中所示，阴影图像121与由光束102和101产生的背景128明显不同。单个阴影图像122由单个阴影114并且单个阴影图像123由单个阴影116在图像平面124上形成。粒子104的单个阴影图像122和123在图像平面124上不重叠并且彼此分离，并与阴影图像121分离。对于一个实施方式，阴影图像121与背景128之间的对比度大于焦平面127之外的粒子104的阴影图像122与背景128之间的对比度。对于一个实施方式，粒子104的单独阴影图像(individual shadow image)122和123的照明强度与背景128的照明强度基本上相同。
对于一个实施方式，监测背景128的照明强度，并且基于所监测的背景照明来调节多个VCSEL中的至少一者的强度，以获得阴影图像121。对于一个实施方式，测量阴影图像121与背景128之间的对比度。对于一个实施方式，确定测量的对比度是否大于预定对比度。如果测量的对比度大于预定对比度，则从背景128检测到阴影图像121。如果该对比度不大于预定对比度，则未从背景128检测到阴影图像121。基于检测到的阴影图像121识别粒子105。识别出的粒子105的尺寸从阴影图像121来确定，如下面进一步详细描述的。
对于一实施方式，单独阴影图像122和123中的每一者与阴影图像121的位移距离指示焦平面之外的粒子的阴影在摄像机处的图像平面中移位并且将不会形成深阴影。图像平面中的位移距离可以用于估计样品体积中粒子与焦平面的距离。此信息可以用于确定粒子是否得到足够的聚焦以准确地确定尺寸。例如，确定单独阴影图像122和123之间的位移距离131。例如，确定在图像平面124上的单独阴影图像122和单独阴影图像121之间的位移距离129。例如，确定在图像平面124上的单独阴影图像123和单独阴影图像121之间的位移距离130。对于一实施方式，基于距离129和130来评估阴影图像121的焦点，以确定粒子的类型。
对于一个实施方式，粒子的类型包括粒子状态，例如液体、固体、液体或固体中的气泡、或者其任何组合。对于另一实施方式，粒子的类型表示粒子形状，例如球形、椭圆形、多边形(例如三角形、矩形、正方形、菱形、斜方形、其它多边形)、或任何其它粒子形状。对于一实施方式，基于粒子的类型来确定粒子信息。对于一个实施方式，粒子信息包括粒子速度、粒子尺寸或任何其它粒子信息。对于一实施方式，粒子的尺寸为至少0.1微米(“μm”)。对于另一实施方式，粒子的尺寸小于5微米(“μm”)。对于又一实施方式，粒子的尺寸在约5μm至约3000μm的近似范围内。对于一实施方式，该多个照明光束与数字摄像机同步，如下面进一步详细描述的。
图2示出了根据另一实施方式的使用VCSEL对粒子进行成像的设备200的示意图。设备200包括多个VCSEL，用以生成多个照明光束(例如，生成照明光束201、202、203、204和205的VCSEL源)，该多个照明光束彼此会聚以在粒子场内形成测量体积228，以便提供与测量体积228相关联的成像系统的图像平面227上的背景231的照明的均匀性，并消除图像平面227中的聚焦阴影。如图2中所示，由VCSEL源的会聚光束在背景231的每个位置处产生的照明光强度是相似的，使得整个背景231上的光强度分布是均匀的。对于一个实施方式，背景231的照明基本上没有斑点和衍射图案，如下面进一步详细描述的。成像光学器件联接至多个垂直腔面发射激光器中的至少一者，如下面进一步详细描述的。数字摄像机联接至成像光学器件，以获得在数字摄像机的焦平面226处经过测量体积228的粒子的阴影图像，如下面进一步详细描述的。处理器联接至数字摄像机，如下面进一步详细描述的。
对于一个实施方式，该多个会聚光束201、202、203、204和205中的每一者是由至少两个VCSEL生成的。对于一个实施方式，生成多个会聚光束201、202、203、204和205的VCSEL中的至少一些是垂直腔面发射激光器阵列的一部分，如下面进一步详细描述的。对于一个实施方式，VCSEL阵列被配置为生成该多个会聚光束201、202、203、204和205中的至少一者。对于一个实施方式，被配置为生成多个会聚光束201、202、203、204和205中的至少一者的VCSEL阵列包括至少六个VCSEL。对于一个实施方式，光束201、202、203、204和205中的至少一者由以圆形图案布置的VCSEL阵列生成，如下面进一步详细描述的。
如图2中所示，照明光束201、202、203、204和205中的每一者在相应的光学路径上沿各自的方向传播通过粒子场，该粒子场包含诸如粒子212和213的粒子。例如，照明光束201在光学路径上沿着方向206传播，照明光束202在光学路径上沿着方向209传播。对于一实施方式，照明光束201、202、203、204和205的光学路径不同。对于一实施方式，照明光束201、202、203、204和205的波长是相似的。对于一个实施方式，照明光束201、202、203、204和205的波长是大约650nm。对于另一实施方式，照明光束201、202、203、204和205的波长是不同的。对于一实施方式，照明光束201、202、203、204和205中的至少一者是脉冲光束。对于一个实施方式，由用于粒子的多光束成像的VCSEL生成的脉冲照明光束201、202、203、204和205中的至少一者具有约200皮秒(ps)的快速上升时间，如下面进一步详细描述的。对于一个实施方式，光束被一致地脉冲化以“冻结”粒子运动，如下面进一步详细描述的。对于一个实施方式，粒子212和213代表粒子104和105。
如图2中所示，照明光束201、202、203、204和205会聚以在成像系统的焦平面226处形成测量体积228。如图2中所示，测量体积228是所有照明光束201、202、203、204和205重叠的区域。照明光束201、202、203、204和205以多个角度彼此相交。照明光束201、202、203、204和205中的每一者与光轴207成相应角度。如图2中所示，光束201与光轴207成角度208。光束202与光轴207成角度211。对于一实施方式，如果照明光束201、202、203、204和205中的一者与光轴207成0度角，则照明光束201、202、203、204和205中的其它照明光束与光轴207可以成0度以外的任何角度。
如图2中所示，照明光束201和202以角度229相交。对于一实施方式，角度229是角度208和211的总和。在焦平面226处经过测量体积228的一部分的粒子212从照明光束201、202、203、204和205中的每一者产生多个单独阴影，例如来自光束202的单独阴影219和来自光束201的单独阴影222。在距焦平面226的距离230处经过测量体积228的一部分的粒子213从照明光束201、202、203、204和205中的每一者产生多个单独阴影，例如来自光束202的单独阴影218和来自光束201的单独阴影221。测量体积228的沿垂直于方向206的轴线A-A’的剖视图216包括单独阴影221和单独阴影222。测量体积228的沿垂直于方向209的轴线B-B’的剖视图217包括单独阴影219和单独阴影218，如图2中所示。在成像系统的图像平面227上形成粒子212的阴影图像223。阴影图像223形成为来自照明光束201、202、203、204和205中的每一者的单独阴影(例如219和222)的叠加。
如图2中所示，阴影图像223与由照明光束201、202、203、204和205产生的背景231明显不同。单独阴影图像由图像平面227上的单独阴影形成，所述单独阴影图像例如单独阴影图像224和225。例如，单独阴影图像224是由单独阴影218形成的，并且单独阴影图像225是由单独阴影216形成的。单独阴影图像中的每一者在图像平面227上以距阴影图像223的距离232定位。粒子213的各个单独阴影图像不重叠，并且在图像平面227上彼此间隔一定距离。对于一个实施方式，阴影图像223与背景227之间的对比度大于单独阴影图像224和225中的每一者与背景231之间的对比度。单独阴影图像224和225的照明强度与背景231的照明强度基本上相同。
对于一个实施方式，监测背景231的照明强度，并且基于所监测的背景照明来调节多个VCSEL中的至少一者的强度，以获得阴影图像223。对于一个实施方式，测量阴影图像223与背景231之间的对比度。对于一个实施方式，确定测量的对比度是否大于预定对比度。如果测量的对比度大于预定对比度，则从背景231检测到阴影图像231。如果该对比度不大于预定对比度，则未从背景231检测阴影图像231。基于检测到的阴影图像223识别粒子212。识别出的粒子212的尺寸从阴影图像223来确定，如下面进一步详细描述的。
对于一实施方式，照明光束与数字摄像机同步，如下面进一步详细描述的。对于一实施方式，调节照明光束的一个或多个相交角度以设置在成像系统的焦平面226处的测量体积228，并去除测量体积228之外的粒子的阴影图像。对于一实施方式，调节照明光束的量以去除测量体积228之外的粒子的阴影图像。
图3是示出用于使用多个VCSEL来提供多光束成像的系统300的一个实施方式的视图300。系统300包括发射器系统301和接收器系统330。发射器系统301包括生成多个照明光束(例如，在多个光学路径上沿方向309传播通过包括粒子(例如，粒子306、307和308)的粒子场的照明光束304和照明光束305)的一个或多个VCSEL源(例如，VCSEL源302和VCSEL源303)。由VCSEL源生成的照明光束会聚以形成在成像系统的焦平面331处的测量体积，以便提供成像系统的图像平面124上的背景照明的均匀性，并去除像平面中的焦外阴影，如上面所描述的。图3的照明光束由图1和图2的照明光束表示。
对于一实施方式，发射器系统301包括联接至一个或多个VCSEL源以生成触发光束(未示出)的光源。对于一实施方式，如果在测量体积中检测到粒子，则发送触发光束以生成多个照明光束，如美国专利申请S/No.15/552,263中所描述的。
接收器系统330包括联接至多个VCSEL源中的至少一者的成像光学器件、以及联接至成像光学器件以提供在焦平面331处经过测量体积的粒子306的阴影图像的一个或多个数字摄像机，如上面所描述的。对于一个实施方式，使用多个数字摄像机(例如，数字摄像机316、317和310)来调节粒子的动态范围。对于一个实施方式，粒子的尺寸动态范围为约300∶1。
如图3中所示，接收器系统330的成像光学器件包括一个或多个接收器透镜311，以接收来自照明光束中的每一者的粒子306的多个单独阴影，如上面所描述的。一个或多个图像转移透镜312将粒子306的多个单独阴影图像转移至分束器313。分束器313将包括粒子306的多个单独阴影图像的照明光束分为部分332和部分333。部分332被发送至一个或多个聚焦透镜314以在数字摄像机316的图像平面上形成粒子306的阴影图像。部分333被发送至一个或多个聚焦透镜315以在数字摄像机317的图像平面上形成粒子306的阴影图像。成像系统可以可选地包括分束器319，以将包括粒子306的多个单独阴影图像的照明光束分成部分334和部分335。在这种情况下，部分334被发送至分束器313以在数字摄像机316和317的相应图像平面上形成粒子306的阴影图像。部分335被发送至一个或多个聚焦透镜318以在数字摄像机310的图像平面上形成粒子306的阴影图像。对于一个实施方式，多摄像机方法用于允许不同的放大倍率以使得能够在宽的尺寸范围内以高分辨率对粒子进行尺寸确定。
处理系统320联接至接收器系统330。处理系统320包括处理器321、存储器322和显示器323，显示器323显示经过测量体积的粒子的阴影图像。对于一个实施方式，处理器321联接至一个或多个数字摄像机以监测背景照明，并基于监测的背景照明来调节多个VCSEL中的至少一者的强度以获得粒子的阴影图像。
对于一个实施方式，处理器321联接至一个或多个数字摄像机，以测量阴影图像与背景之间的对比度，并确定测量的对比度是否大于预定对比度。如果测量的对比度大于预定对比度，则处理器321被配置为从背景检测阴影图像。如果该对比度不大于预定对比度，则处理器321被配置为不从背景检测阴影图像。处理器321被配置为基于检测到的阴影图像来识别粒子。处理器321被配置为从阴影图像确定所识别的粒子的尺寸，如下面进一步详细描述的。
对于另一个实施方式，处理器321被配置为检测阴影图像，以基于阴影图像来评估粒子的景深、粒子的焦点或两者，从而基于该评估来确定粒子的类型，并且基于粒子的类型来确定粒子信息，如下面进一步详细描述的。
对于一个实施方式，成像系统的尺寸范围被扩展以覆盖从0.05μm至3000μm的动态尺寸范围。这可以使用不同的放大倍率和单独的CMOS摄像机以高分辨率和非常有效的图像捕获以及到图像处理计算机的转移来完成。
如图1、图2和图3中所描述的，多光束照明系统包括多个光源，这些光源被对准以会聚成共同的测量(探针)体积。对于一个实施方式，多个光源被同时脉冲化至小于25纳秒(ns)的脉冲持续时间，因此冻结粒子的运动，即使在显微镜成像系统分辨出的小量级的情况下也是如此。这种方法通过合并不同激光波前的相位，在样品体积中提供了强烈且相对均匀的照明，同时最小化激光斑点和衍射。产生更均匀的背景对于获得高分辨率和高质量图像至关重要。多光束照明的优点来自会聚的激光束穿过而到达测量体积的不同光学路径。如果大粒子横跨样品体积之外的一个光束，则该粒子产生的阴影不会显著地影响背景照明，因为其它光束不会同时受到该粒子的影响。只有在与多个光束交叉和重叠的位置一致的探针体积处在成像系统的景深内经过的粒子才形成尖锐的深阴影。经过焦平面之外的探针体积的粒子不会产生深阴影，因为阴影在任何时刻和任何位置都仅出现在一个光束中。因此，即使对于相对浓密的喷雾和在具有非常大的滴状物的条件下(SLD条件)，由于焦外图像所引起的背景噪声也被最小化。
图4是示出根据一个实施方式的多光束照明系统的视图400。多个照明光束(例如照明光束401、402、403、428和429)在各自的光学路径上沿着各自的方向传播穿过包含粒子(诸如粒子405、406和407)的粒子场。粒子405、406和407表示以上关于图1-图3描述的粒子。照明光束401、402、403、428和429表示关于图1-图3描述的照明光束。照明光束会聚以在成像系统的焦平面处形成测量体积。成像系统的焦平面沿轴线A-A’传播。测量体积是所有照明光束重叠的区域，如图4中所示。
在成像系统的焦平面处经过测量体积的一部分的粒子406从重叠的照明光束中的每一者产生多个单独阴影，以在成像系统的图像平面上形成粒子406的阴影图像426。沿着垂直于光轴404的轴线A-A’的测量体积的剖视图411包括阴影图像426。经过照明光束403的粒子405在焦平面A-A’之前从照明光束403产生单独阴影425。粒子405不会从诸如照明光束401和402的其它照明光束产生阴影。照明光束的沿着垂直于光轴404的轴线B-B’的剖视图408包括由光束403引起的单独阴影425。经过照明光束403和428的粒子407在焦平面A-A’之后从照明光束403和428产生单独阴影427。粒子407不会从诸如照明光束401和402的其它照明光束产生单独阴影。照明光束的沿着垂直于光轴404的轴线C-C’的剖视图409包括阴影427，阴影427是由光束403和428引起的各个单独阴影的叠加。
曲线图410示出了CCD阵列415上的光强度416与距离的一个实施方式。如曲线图410中所示，光强度416从峰值强度到全阴影变化。当没有横跨光束中的至少一者的粒子时，峰值强度对应于背景条件。如曲线图410中所示，在CCD阵列的区域413中的粒子406的阴影图像426的光强度明显低于在CCD阵列的区域412和区域414中的光强度。也就是说，粒子406的阴影图像与背景峰值光强度以及与单独阴影图像425和427的光强度明显不同。
如图4B中所示，照明光束会聚在测量体积处，以模拟白光照明。对于一个实施方式，使用彩色CCD(RGB)来提取阴影图像上的颜色信息。颜色信息可以提供关于粒子阴影的附加尺寸信息。各种颜色照明之间的延迟也可以用于测量速度(类似于双脉冲化单个激光器)。对于一个实施方式，实施双脉冲成像以提供阴影粒子图像测速(particle imagevelocimetry，PIV)图像，以便获得液滴和喷雾结构的尺寸和速度。该一个或多个照明脉冲的持续时间自然地受到成像系统的分辨率和目标粒子的速度的限制。对于一个实施方式，对于显微成像，使用大约20ns的最大脉冲持续时间(100m/s时2μm模糊)。例如，如果粒子以100m/s的速度移动，则它将在20ns内移动2μm。这将会使边缘模糊2微米。对于较小的粒子，使用较短的脉冲持续时间以最小化模糊。对于一个实施方式，优化照明光束的参数，例如相交角、光束数量和波长，以防止焦平面之外的粒子的单独阴影图像形成。
图5A是示出根据一个实施方式的多光束粒子成像系统的垂直腔面发射激光器(VCSEL)源的示意性布局的视图500。如VCSEL器件制造领域的普通技术人员所知的，通常，VCSEL源包括在基板上彼此叠置生长的多个半导体层。如图5A中所示，VCSEL源包括在金属接触层502上的基板512上的衍射布拉格光栅(diffraction Bragg grating，DBR)层503上的有源量子阱(QW)层501。DBR层506沉积在有源QW层501上的氧化物孔径层506上。金属接触层505沉积在DBR层507上。绝缘层508沉积在DBR层503、DBR层507和金属接触层507的部分上。金属焊盘508沉积在绝缘层508上以连接至金属接触层505。通常，在VCSEL的激光介质中，光垂直于层振荡，并通过器件的顶部(或底部)逸出。如图5A中所示，光509垂直于层501、503、505、506和507振荡，并通过器件结构的顶部输出。这导致了近似顶帽的圆形光束轮廓511，如图5B中所示。
图5B是示出根据一个实施方式的由VCSEL源生成的光束轮廓511的示例的视图510。如图5B中所示，光束轮廓511是基本上圆形对称的光束轮廓。对于一个实施方式，VCSEL源的光束发散角为约20度(1/e2)。对于一个实施方式，由VCSEL源产生的光束被准直以在大于LED的传输距离的距离上传输。光束轮廓511是准顶帽轮廓，其接近于粒子成像应用的理想情况。
图5C是示出在距成像系统的焦平面不同距离处经过测量体积的粒子的多光束照明图像的示例的视图520。如图5C中所示，当粒子远离成像系统的焦平面移动时，由照明光束中的每一者形成的粒子的阴影图像远离彼此移动。图像511示出在成像系统的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像。如图像511中所示，由照明光束中的每一者形成的粒子的多个单独阴影图像完全重叠而形成与背景明显分离的阴影图像521。图像512示出了在距成像系统的焦平面约100μm处经过测量体积的粒子的阴影图像。如图像512中所示，来自照明光束中的每一者的粒子的多个单独阴影图像仅部分重叠(大约75％)，从而产生比图像521更模糊并且与背景的分离更少的阴影图像522。图像513示出了在距成像系统的焦平面约200μm处经过测量体积的粒子的阴影图像。如图像513中所示，来自照明光束中的每一者的粒子的阴影图像仅重叠约50％，从而产生比图像522更模糊并且与背景的分离更少的阴影图像522。
在远距离处捕获高分辨率图像是具有挑战性的，但是当密集的粒子场遮盖了光源、探针体积和收集光学器件之间的光学路径时，难度增加。多光束照明方法依赖于来自光源的不同光学路径，以克服各个粒子沿光束路径的精确遮蔽。
现有的粒子成像系统在背景照明方面缺乏均匀性。照明系统中使用的相干且高度单色的激光源会产生斑点和衍射图案。斑点和衍射图案会阻止图像处理算法在最佳条件下执行，从而影响结果。
图6A是示出根据一个实施方式的VCSEL阵列的二维照明轮廓602和LED系统的二维照明轮廓603的视图600。VCSEL阵列的光束发散角约为20度。对于一个实施方式，用于多光束粒子成像的VCSEL阵列包括集成光学器件，该集成光学器件使光束成形为窄的发散分布，使得可以准直由VCSEL阵列生成的光束以在大于LED的传输距离的距离上传输。如图6A中所示，与二维照明轮廓603相比，由二维轮廓602表示的照明分布具有明显窄的角度，这使得VCSEL例如在其将光收集并远程引导到场景上时具有优势。LED通常配备有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或玻璃的圆顶，从而可使来自裸发射器的准朗伯型的光成形为宽一些的高斯分布。另一方面，VCSEL器件呈现接近顶帽形状的发光轮廓，且可能在轴线上倾斜。VCSEL的正确光学实现允许有效的光传输。对于一个实施方式，用于粒子的多光束成像的VCSEL阵列被配置为具有非常短的相干长度，该相干长度类似于使激光斑点最小化的LED系统的相干长度。对于一个实施方式，用于粒子的多光束成像的VCSEL阵列被配置为具有小于1％的斑点，这使得VCSEL对于成像系统提供均匀的照明是理想的。对于一个实施方式，VCSEL源，即用于粒子的多光束成像的VCSEL阵列以非常高的速率被脉冲化并且具有非常快的上升时间(通常在纳秒以下)，这使得VCSEL源对于脉冲激光粒子成像应用是理想的。对于一个实施方式，用于多光束成像系统的VCSEL阵列以860nm的波长产生750mW的输出功率，并且包括大约200个激光器。
对于一个实施方式，对粒子进行成像的多光束系统包括电子驱动器和实现VCSEL技术的光学系统。已知VCSEL的脉冲特性很快，因为这些器件被广泛用于无线电传输。对于一个实施方式，用于粒子的多光束成像的VCSEL阵列被配置为输出功率，以生成以足够的强度照射场景以使成像系统正确响应所需的通量。对于一个实施方式，多光束成像系统的电子驱动器能够产生大电流的短脉冲(高达2A)以及从0V至40V的电压，以驱动VCSEL阵列提供高速性能和照明光束的短脉冲特性。
图6B是示出了根据一个实施方式的多光束成像系统的VCSEL源的测量脉冲轮廓的视图610。如图6B中所示，在驱动脉冲持续时间50ns处生成VCSEL源的测量脉冲轮廓612，在驱动脉冲持续时间100ns处生成VCSEL源的测量脉冲轮廓613，并且在驱动脉冲持续时间200ns处生成VCSEL源的测量脉冲轮廓614。
对于一个实施方式，轮廓的斜坡在VCSEL的相应“激活”时段上重叠。上升的前80％时VCSEL的摆率非常快，然后减慢直到稳定。如图6B中所示，脉冲信号水平随脉冲持续时间而升高。一种解释可以是，在较长的脉冲持续时间内获得了较高的热负载，从而将VCSEL光谱驱动至较短的波长，在这些波长下光电检测器更敏感。
图6C是示出根据一个实施方式的、VCSEL系统的关于开关性能的特性的表621的视图620。表621示出，在从15ns至200ns的所有测试持续时间内，测得的脉冲持续时间更接近设置的持续时间，仅相差7ns。这表明尽管上升时间接近15ns，但VCSEL的开关时间却很短，为纳秒量级。下降时间可能更能代表光学开关性能，其中在小于10ns的时间内实现了瞬态。仔细观察图6A中的信号，可以发现驱动器的摆率非常快速地达到信号幅度的大约80％，之后摆率下降，影响了10％-90％的上升时间图。如图6A中所示，摆率在信号幅度的大约80％之后下降，这可能是由于负载电容和驱动器相互作用引起的。
图6D是示出根据一个实施方式的多光束成像系统的VCSEL阵列的测量光谱631的视图630。如图6C中所示，与LED照明相比，VCSEL阵列输出高度单色的光。
如图6D中所示，VCSEL阵列的输出波长在中心而处于860nm。VCSEL阵列输出光束，该光束具有接近1nm的半高全宽(full-width at half-maximum)的光谱扩展。如此窄的光谱范围对于视线消光可能是有问题的，因为它可能在边缘周围产生衍射图案，例如液体或冷冻滴状物与周围环境气体之间的界面。通常，照明的波长决定了衍射极限分辨率。较长的波长可能不利于显微镜系统中的光学分辨率。由VCSEL阵列生成的窄发散的近准直光对于具有高能量密度的区域的远程照明和光束成形呈现出超过LED照明的优势。
图7A是根据一个实施方式的多光束成像系统的VCSEL阵列701的发射区域的照片700。利用数字显微镜获取照片700。如图7A中所示，VCSEL阵列701的发射区域的直径约为3mm。VCSEL阵列701包括多个单独VCSEL，例如VCSEL 702。如图7A中所示，阵列的每个VCSEL具有六边形形状。如图7A中所示，阵列的VCSEL以圆形图案布置以生成单个光束。对于一个实施方式，VCSEL阵列配备有透镜，使得光束发散角从20度的典型的VCSEL光束发散角减小至大约7度，以增加背景照明的均匀性而获得粒子的阴影图像。
对于一个实施方式，包括一个或多个VCSEL阵列以生成多个照明光束的多光束粒子成像系统，通过从背景中去除斑点，并通过减少或消除衍射图案，而明显提高了图像质量。对于一个实施方式，包括用于生成多个照明光束的一个或多个VCSEL阵列的多光束粒子成像系统以视线配置布置，以用于明场光学显微镜应用。
图7B是示出根据一个实施方式的、当由LED源照射场景时由远距离显微镜捕获的分辨率图711和当由VCSEL源照射场景时由远距离显微镜捕获的分辨率图712的视图710。LED和VCSEL照明源都是脉冲式的，并且摄像机与光脉冲同步。
如图7B中所示，分辨率图712表示比分辨率图711更均匀且无斑点的光强度分布。如图7B中所示，与分辨率图711相比，分辨率图712具有近顶帽轮廓的光强度分布。如图7B中所示，分辨率图712表示比分辨率图711的分辨率更高的分辨率。
图8是示出包括用于生成多个照明光束的VCSEL源的多光束成像系统的另一实施方式的示意图800。如图8中所示，相交的照明光束801和802传播通过透镜818。透镜818具有焦距816和焦距817。粒子803和804经过由重叠的照明光束801和802分别在平面811和808处形成的测量体积。形成粒子阴影(例如阴影805和806)的照明光束进入透镜818和数字摄像机(例如CMOS、CCD阵列或其它数字摄像机)。
最初，平面808是透镜818的焦平面。在透镜818的焦平面处的粒子804在图像平面809上产生单个聚焦阴影图像807。远离焦平面的粒子(例如粒子803)在图像平面处产生两个焦外阴影图像。在将摄像机重新聚焦至平面811之后，粒子803的单独阴影在图像平面812处坍塌至单个阴影813上，而图像平面809处的阴影将分离为单独阴影814和单独阴影815。
景深和模糊圈(circle of confusion)通常通过成像系统的要求来设定。然而，当使用成像系统测量粒度分布时，景深问题是最严重的测量误差来源之一。通常，景深是指光学仪器产生物体的清晰图像的范围。在接收器光学器件的景深之外检测到的粒子会导致测量误差的显著增大，因为未聚焦粒子图像的尺寸似乎与真实值不同。
摄像机通过从由照明生成的明亮背景中检测并识别单独粒子而监测由这些单独粒子产生的衰减或阴影图案。适当和充足的照明是需要仔细调节以获得高质量的成像数据的一个重要的参数。因此，这就是为什么能够在CMOS摄像机上测量背景强度并相应地调节光强度以捕获高质量的粒子图像是最重要的。
图9A是示出根据一个实施方式的、通过会聚由多光束成像设备的VCSEL系统生成的光束而照射的背景901的图像的视图900。如图9A中所示，VCSEL源的会聚光束在背景901(例如位置903和位置902)的不同位置上产生的照明光强度是相似的，使得整个背景901上的光强度的分布是均匀的。平滑且均匀的背景照明有助于图像处理算法的正确运行，该算法依赖于背景和粒子之间的强度对比度来识别特征并量化特征尺寸。
图9B是示出根据一个实施方式的使用多光束成像设备的VCSEL照明生成的单分散液滴911的图像的视图910。如图9B中所示，背景光照是均匀的，并且示出为没有斑点或衍射噪声。
图9C是示出根据另一实施方式的使用多光束成像设备的VCSEL照明生成的单分散液滴921的图像的视图920。该图像是用比图9B中的图像的背景照明低的背景照明获取的。如图9C中所示，图像921上的背景光照是没有斑点或衍射噪声的均匀的灰色光照。
图10是示出根据一个实施方式的使用多光束成像设备的VCSEL照明生成的浓喷雾图像1001的视图1000。与使用常规光源生成的图像相比，浓喷雾图像1001示出了焦内粒子(暗阴影)和焦外粒子(灰色背景)之间增加的对比度，如图11和图12中所示。
图11是示出根据一个实施方式的使用多光束二极管激光器照射的稀疏粒子场1101的图像的视图1100。在此图像中，可以观察到由于多光束方法而变得平滑的在背景上的斑点的标识。背景光强度分布不均匀，并且局部色散很高，这给图像处理方法带来了压力，并降低了粒子表征结果的质量。
图12是示出根据一个实施方式的使用多光束二极管激光器照射的密集粒子场1201的图像的视图1200。如图12中所示，背景比图11中所示的背景更加混沌，具有更大的强度差异，即使在局部水平也是如此。背景照明强度中的这种高水平散布来自粒子干涉光束而产生的多个衍射图案(当粒子在成像系统的焦平面之外时)。斑点和衍射增大了软件在识别和测量粒子图像时的误差。
图13是示出对粒子进行成像的系统1300的另一实施方式的视图。系统1300包括发射器系统1301。发射器系统1301包括一个或多个光源(例如，VCSEL阵列1321和VCSEL阵列1322)，该一个或多个光源生成多个照明光束(例如光束1302和1303)。发射器系统1301包括光源1323以生成触发光束1304。发射器系统1301包括同步模块1324，以将照明光束与数字摄像机系统1308同步。照明光束被配置为在多条光学路径上传播通过包括粒子(例如粒子1305和1306)的粒子场。照明光束被配置为会聚以在成像系统的焦平面处形成测量体积1314。图13的照明光束由图1、图2和图3的照明光束表示。对于一实施方式，发射器系统301的照明光源包括VCSEL、发光二极管(“LED”)或两者，如上面所描述的。对于一实施方式，通过一个或多个VCSEL阵列生成该多个照明光束。
对于一实施方式，由触发光源生成的触发光束1304传播穿过测量体积1314的中心。对于一实施方式，触发光源包括激光器、LED或两者。
接收器系统包括成像光学器件(例如一个或多个透镜1307)和数字摄像机系统1308，该数字摄像机系统1308包括一个或多个数字摄像机以提供在焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像，如上面所描述的。在一个实施方式中，触发光束的波长不同于照明光束的波长。当粒子经过测量体积时，触发光束1304从粒子偏转到光电检测器系统1311，光电检测器系统1311将指示测量体积1314中存在粒子的触发信号1325输出到逻辑电路1312以驱动一个或多个激光源。逻辑电路1312输出触发信号1326以驱动发射器系统1301的一个或多个光源以生成会聚的照明光束。逻辑电路1312输出触发信号1325以触发数字摄像机系统1308。对于一个实施方式，使用多个VCSEL激光器同时从多个方向照射粒子场。触发激光器和光电检测器用于检测测量体积中是否存在粒子。该信息用于脉冲化多个照明光束。激光束由接收器的透镜组合，所述接收器的透镜在CMOS传感器上形成粒子的冻结阴影(例如，明场图像)。多角度照明的使用显著地减少了由于景深变化而导致的测量误差，这是传统仪器所面临的问题。
成像系统可以可选地包括一个或多个分束器(未示出)，以将照明光束分离到多个数字摄像机上，如以上关于图3所描述的。图像获取和处理系统1310联接至数字摄像机系统1308。处理系统1310包括处理器1315、存储器1316和显示器1317，以执行如本文所述的方法。对于一实施方式，处理器1315被配置为执行粒子分析，该粒子分析涉及识别焦内的粒子、计算各种形状参数以及对粒子进行分类。对于一实施方式，处理器1315被配置为区分液体滴状物和冰晶。
图14示出了根据一个实施方式的用于提供粒子的多光束成像的方法1400的流程图。在操作1401处，使用多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)生成多个光束，该多个光束彼此会聚以在粒子场内形成测量体积，以便提供测量体积的背景照明的均匀性，如上面所描述的。在操作1402处，获得在数字摄像机的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像。在操作1403处，确定所获得的阴影图像与背景照明之间的对比度。在操作1404处，基于对比度识别粒子。在操作1405处，基于阴影图像确定所识别的粒子的尺寸，如上面所描述的。
图15示出了根据另一实施方式的用于提供粒子的多光束成像的方法1500的流程图。在操作1501处，使用多个VCSEL生成多个光束，该多个光束彼此会聚以在粒子场内形成测量体积，以便提供测量体积的背景照明的均匀性，如上面所描述的。在操作1502处，监测背景照明的均匀性。例如，确定在图像上的背景区域的不同位置处的背景照明的差异是否大于预定阈值。在操作1503处，基于监测来调节VCSEL中的至少一者的输出光束。例如，如果在图像上的背景区域的不同位置的背景照明的差异大于所述预定阈值，则调节VCSEL中的至少一者的一个或多个参数(例如，输出光强度、角度、脉冲、波长或其任意组合)以提高背景照明的均匀性。在操作1504处，基于调节后的背景来确定在数字摄像机的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像。
图16A示出了对粒子进行成像的系统的一个实施方式。系统1620包括一个或多个安装固定件，例如安装固定件1621和安装固定件1622。安装固定件1621保持包括多个VCSEL源(诸如VCSEL阵列1623和VCSEL阵列1624)的发射器子系统的一部分。安装固定件1622保持包括多个VCSEL源(诸如VCSEL阵列1625和VCSEL阵列1626)的发射器子系统的一部分。VCSEL源中的每一者包括联接至VCSEL阵列以形成照明激光束的一个或多个聚焦透镜。多个照明激光束(例如照明激光束1627和照明激光束1628)是由VCSEL源生成的，该多个照明激光束彼此会聚以在粒子场内形成测量体积，从而在与测量体积相关联的背景照明中提供均匀性，如上面所描述的。对于一实施方式，系统1600包括接收器模块(未示出)，该接收器模块包括成像光学器件，以提供在第一数字摄像机的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像，如上面所描述的。
图16B示出了对粒子进行成像的系统的一个实施方式。如图16B所示，系统1600包括发射器1605，发射器1605包括多个VCSEL，以生成会聚以形成测量体积来照射粒子1603的照明光束，如上面所描述的。如图16B中所示，接收器1602被联接以接收粒子1603的阴影，如上面所描述的。如图16B中所示，接收器1606联接至信号处理器1604。如图16B中所示，包括中央处理单元(“CPU”)的子系统1606、包括可以与显示装置联接的图形处理单元(“GPU”)的子系统1607、包括联接至一个或多个I/O装置的一个或多个I/O控制器的一个或多个子系统1608、存储器1605(包括易失性RAM、ROM和非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)或其任意组合)、以及包括微控制器的信号处理器1604被联接至总线1609。子系统1606和信号处理器1604中的至少一者被配置为执行如上面所描述的方法。存储器1605可以用于存储数据，该数据当由数据处理系统访问时，使数据处理系统执行一种或多种方法以提供如上面所描述的粒子的多光束成像。
在前述说明书中，已经参考本发明的特定示例性实施方式描述了本发明。然而，将显而易见的是，在不脱离本发明的更广泛精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (26)

1.一种提供多光束成像的设备，包括：
多个垂直腔面发射激光器的阵列，所述多个垂直腔面发射激光器的阵列包括用于生成包括第一光束和第二光束的多个光束的第一垂直腔面发射阵列和第二垂直腔面发射阵列，其中，所述第一垂直腔面发射阵列包括生成所述第一光束的第一多个垂直腔面发射激光器，所述第二垂直腔面发射阵列包括生成所述第二光束的第二多个垂直腔面发射激光器，所述第二光束与所述第一光束以相交角会聚以在粒子场内形成测量体积，并提供成像系统的图像平面上的与所述测量体积相关联的背景照明的均匀性；
成像光学器件，所述成像光学器件联接至所述多个垂直腔面发射激光器的阵列中的至少一者；以及
数字摄像机，所述数字摄像机联接至所述成像光学器件，以获得在所述数字摄像机的焦平面处经过所述测量体积的第一粒子的第一阴影图像，其中，调节所述第一光束与所述第二光束的所述相交角以去除所述测量体积之外的其他粒子的阴影图像，以及其中，调节所述第一多个垂直腔面发射激光器中的至少一个的角度以提高所述成像系统的所述图像平面上的所述测量体积的所述背景照明的均匀性；以及
连接至所述数字摄像机的处理器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一阴影图像与所述背景照明之间的对比度大于在所述焦平面之外的第二粒子的第二阴影图像与所述背景照明之间的对比度。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个光束中的每一者是由至少两个垂直腔面发射激光器生成的。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个垂直腔面发射激光器包括至少六个垂直腔面发射激光器。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个垂直腔面发射激光器被配置为生成相同的波长。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个光束中的每一者具有不大于7度的光束发散角。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个垂直腔面发射激光器的输出功率为至少750mW。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，处理器被配置为监测所述背景照明，其中，所述处理器被配置为基于所监测的背景照明来调节所述多个垂直腔面发射激光器中的至少一者的强度，以获得所述第一阴影图像。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理器被配置为从所述背景照明确定所述第一阴影图像，其中，所述处理器被配置为基于所述第一阴影图像来识别所述第一粒子，以及其中，所述处理器被配置为基于所述第一阴影图像来确定所识别的第一粒子的尺寸。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个垂直腔面发射激光器中的至少一者被配置为生成脉冲光束。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述背景照明没有斑点和衍射图案。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个垂直腔面发射激光器中的至少一些是垂直腔面发射激光器阵列的一部分。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个垂直腔面发射激光器中的至少一些被布置成圆形图案。
14.一种提供粒子的多光束成像的方法，包括：
使用多个垂直腔面发射激光器的阵列生成包括第一光束和第二光束的多个光束，所述第一光束和所述第二光束彼此会聚以在粒子场内形成测量体积，所述多个垂直腔面发射激光器的阵列包括第一垂直腔面发射阵列和第二垂直腔面发射阵列，其中，所述第一垂直腔面发射阵列包括生成所述第一光束的第一多个垂直腔面发射激光器，所述第二垂直腔面发射阵列包括生成所述第二光束的第二多个垂直腔面发射激光器，所述第二光束与所述第一光束以相交角会聚，以便提供成像系统的图像平面上的所述测量体积的背景照明的均匀性；以及
获得在数字摄像机的焦平面处经过所述测量体积的第一粒子的第一阴影图像，其中，调节所述第一光束与所述第二光束的所述相交角以去除所述测量体积之外的其他粒子的阴影图像，以及其中，调节所述第一多个垂直腔面发射激光器中的至少一个的角度以提高所述成像系统的所述图像平面上的所述测量体积的所述背景照明的均匀性。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
生成在所述焦平面之外的第二粒子的第二阴影图像。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
确定所述第一阴影图像与所述背景照明之间的对比度。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个光束中的每一者是由至少两个垂直腔面发射激光器生成的。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个垂直腔面发射激光器被配置为生成相同的波长。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括：
监测所述背景照明；以及
基于所监测的背景照明来调节所述多个垂直腔面发射激光器中的至少一者，以获得所述第一阴影图像。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括：
从所述背景照明确定所述第一阴影图像；
基于所述第一阴影图像来识别所述第一粒子；以及
基于所述第一阴影图像来确定所识别的第一粒子的尺寸。
21.一种非暂时性机器可读介质，所述非暂时性机器可读介质包括数据，所述数据当被数据处理系统访问时，使所述数据处理系统执行对粒子进行成像的方法，所述方法包括：
使用多个垂直腔面发射激光器的阵列生成包括第一光束和第二光束的多个光束，所述第一光束和所述第二光束彼此会聚以在粒子场内形成测量体积，所述多个垂直腔面发射激光器的阵列包括第一垂直腔面发射阵列和第二垂直腔面发射阵列，其中，所述第一垂直腔面发射阵列包括生成所述第一光束的第一多个垂直腔面发射激光器，所述第二垂直腔面发射阵列包括生成所述第二光束的第二多个垂直腔面发射激光器，所述第二光束与所述第一光束以相交角会聚，以便提供成像系统的图像平面上的所述测量体积的背景照明的均匀性；以及
获得在数字摄像机的焦平面处经过所述测量体积的第一粒子的第一阴影图像，其中，调节所述第一光束与所述第二光束的所述相交角以去除所述测量体积之外的其他粒子的阴影图像，以及其中，调节所述第一多个垂直腔面发射激光器中的至少一个的角度以提高所述成像系统的所述图像平面上的所述测量体积的所述背景照明的均匀性。
22.根据权利要求21所述的非暂时性机器可读介质，还包括使所述数据处理系统执行如下操作的指令，该操作包括：
生成在所述焦平面之外的第二粒子的第二阴影图像。
23.根据权利要求21所述的非暂时性机器可读介质，还包括使所述数据处理系统执行如下操作的指令，该操作包括：
确定所述第一阴影图像与所述背景照明之间的对比度。
24.根据权利要求21所述的非暂时性机器可读介质，其中，所述多个光束中的每一者是由至少两个垂直腔面发射激光器生成的。
25.根据权利要求21所述的非暂时性机器可读介质，还包括使所述数据处理系统执行如下操作的指令，该操作包括：
监测所述背景照明；以及
基于所监测的背景照明，调节所述多个垂直腔面发射激光器中的至少一者的强度，以获得所述第一阴影图像。
26.根据权利要求21所述的非暂时性机器可读介质，还包括使所述数据处理系统执行如下操作的指令，该操作包括：
从所述背景照明确定所述第一阴影图像；
基于所述第一阴影图像来识别所述第一粒子；以及
基于所述第一阴影图像来确定所识别的第一粒子的尺寸。
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