基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別系統及方法，屬于光學測量技術領域。搭建激光干涉成像和同軸全息成像系統，通過粒子產生的不同形式的干涉條紋圖和全息圖對應，實現粒子球形與非球形狀的準確測量。利用片狀激光束照明粒子，粒子散射光在離焦像面上形成干涉條紋像，通過觀察到的不同條紋圖推斷出粒子形狀。通過另一光路系統獲得發生干涉粒子的同軸全息圖并且對全息圖進行重建，進而得到粒子輪廓。然后通過全息重建圖與對應的粒子干涉條紋圖進行匹配，進而得到準確的粒子形狀判斷結果。此方法應用于云粒子測量中，通過離焦干涉條紋圖和同軸全息圖的處理，可以判別粒子形狀，實施性強。
【專利說明】
基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別系統及方法
技術領域
[0001]本發明具體提出了一種基于激光干涉成像和同軸全息相結合的對粒子的球形與非球形狀的判別測量方法，屬于光學測量技術領域。
【背景技術】
[0002]粒子是指尺寸在毫米以下及至微米量級的微小顆粒，其尺寸范圍通常在1-1lm?10-3m之間。粒子的相關參數會影響材料和產品的性能和質量，工業、科研等眾多領域和行業中都出現了越來越多與微小粒子密切相關的技術問題，因此研究粒子測量技術具有重要的意義。測量粒子信息時，粒子經常被假設為最簡單的球形，所以對球形粒子的研究理論比較成熟。但是在實際情況下，大多數粒子形狀為非球形，所以，對粒子形狀的判別是一個對研究粒子性質具有重要作用且亟待解決的問題。
[0003]對于測量粒子形狀的方法，專利CN101718674A公開了一種通過應用數碼顯微鏡和計算機測量散粒物料顆粒形狀參數的方法和軟件。該方法采用圖像處理軟件，對散粒物料形狀參數進行特殊處理和優化，便于高效提取各種形狀參數信息，精簡了測量過程。可廣泛應用于需測量散粒物料顆粒形狀參數的領域。專利CN104807738A公開了一種單氣溶膠粒子實時檢測方法和檢測裝置，通過同步采集大氣中單個氣溶膠粒子的前向和側向散射圖樣進行分析處理，能夠判別粒徑小于2.5μπι的粒子形狀。專利CN103868831A公開了一種云粒子譜分布測量方法和測量系統，其中測量系統包括片狀激光束生成系統、粒子散射光探測系統和計算機系統，可用于機載云微物理探測，實現對云粒子相態、尺度、分布以及含水量的在線測量。
[0004]基于激光干涉成像測量和同軸全息原理，通過粒子產生的不同形式的干涉條紋圖和全息圖對應，實現粒子球形與非球形狀的準確測量。利用片狀激光束照明粒子，粒子散射光在離焦像面上形成干涉條紋像，通過觀察到的不同條紋圖推斷出粒子形狀。另外，本實驗中通過另一光路系統獲得發生干涉粒子的同軸全息圖并且對全息圖進行重建，進而得到粒子輪廓。然后通過全息重建圖與對應的粒子干涉條紋圖進行匹配，進而得到準確的粒子形狀判斷結果。
【發明內容】
[0005]本發明提出一種基于激光干涉成像和同軸全息原理實現對球形與非球形粒子的判別系統，同時提供了對粒子形狀的判別方法，利用這一方法中不同形狀的條紋圖和全息圖匹配可以實現對云粒子形狀的判別，進而為判斷云粒子的相態提供重要信息。
[0006]—種基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別系統，由激光干涉成像系統、全息成像系統、圖像處理系統組成，其特征是:
[0007]所述的激光干涉成像系統包括第一激光干涉成像系統和第二激光干涉成像系統，所述的第一激光干涉成像系統包括第一激光器，第一激光器的光路上依次設有顯微物鏡、針孔、準直透鏡、光闌、凸柱透鏡、凹柱透鏡;所述的第二激光干涉成像系統包括成像鏡頭和第二(XD，所述的第二C⑶與計算機相連；
[0008]所述的全息成像系統包括第二激光器和二向色鏡，第一激光器和第二激光器的光經二向色鏡后入射被測粒子區域，包括設置在被測粒子區域后方的第一 CCD;
[0009]所述的成像鏡頭在某一散射角下接收被測粒子區域的粒子散射光干涉產生光束；
[0010]所述的二向色鏡將激光干涉成像系統和全息成像系統相連。
[0011]進一步的，成像鏡頭接收粒子散射光干涉產生光束的散射角為(0,4內某一角度。
[0012]進一步的，所述的圖像處理系統為計算機。
[0013]本發明提出的對粒子形狀的判別方法如下:
[0014]—種基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別方法，步驟如下:
[0015](1)激光干涉成像系統主要是從第一激光器發出激光束，依次經過顯微物鏡和針孔進行擴束并濾波;然后用準直透鏡對激光束進行準直，并用光闌攔截除中心最亮的光斑以外的光;取此時能透過的直徑大小的圓光斑經過凸凹兩個柱透鏡，將光束壓縮為一維片狀激光束;片狀激光束照射到被測粒子區域，在(〇3)范圍內某一散射角下利用成像鏡頭和第二(XD得到粒子散射光干涉產生的離焦條紋像，通過調節位移平臺將第二C⑶調至適當的離焦位置對粒子散射光干涉條紋圖清晰成像；
[0016](2)全息成像系統主要是利用同軸全息原理將第二激光器發出的光照射到被測粒子區域，并且將第一 CCD擺放在光軸上粒子后方一定距離處，此時第一 CCD會記錄粒子全息圖。
[0017](3)用二向色鏡將激光干涉成像系統和全息成像系統相連，并且用計算機分別與第一 CCD和第二CCD連接，同時記錄粒子的離焦干涉條紋像和全息圖，根據計算機記錄的離焦干涉條紋圖判斷粒子形狀，并通過對粒子全息圖重建進行匹配驗證，分析粒子形狀與條紋形狀的關系，進而得出準確的粒子形狀信息結論。
[0018]進一步的，激光干涉成像系統和全息成像系統同時工作，兩束光同時經過二向色鏡然后照射到粒子區域，以此確保生成全息圖與發生干涉的被測粒子是相同的粒子。
[0019]本發明的優點和有益結果是:
[0020]本發明提出一種利用激光干涉離焦條紋圖和全息圖相結合實現對粒子形狀信息的測量的方法。此方法應用于云粒子測量中，通過離焦干涉條紋圖和同軸全息圖的處理，可以判別粒子形狀，實施性強。【附圖說明】
[0021]圖1是本發明的實驗原理圖。
[0022]其中111、第一激光干涉成像系統，333、第二激光干涉成像系統，222、全息成像系統，444、圖像處理系統，555、被測粒子區域，1、第一激光器，2、顯微物鏡，3、針孔，4、準直透鏡，5、光闌，6、凸柱透鏡，7、凹柱透鏡，8、第二激光器，9、二向色鏡，10、第一 CCD，11、成像鏡頭，12、第二CCD，13、計算機。[〇〇23]圖2(a)和(b)分別是本發明的球形和非球形粒子的離焦干涉模擬圖。
[0024]圖3(a)和(b)分別是對球形粒子、球形與非球形混合粒子實驗產生的離焦干涉圖。
[0025]圖4(a)和(b)分別是對球形粒子、球形與非球形混合粒子實驗產生的全息圖。【具體實施方式】
[0026]實施例1:
[0027]參見附圖1可知，本發明搭建激光干涉成像和同軸全息成像系統，由激光干涉成像系統、全息成像系統222、圖像處理系統444組成。所述的激光干涉成像系統包括第一激光干涉成像系統111和第二激光干涉成像系統333，所述的第一激光干涉成像系統111包括第一激光器1，第一激光器1的光路上依次設有顯微物鏡2、針孔3、準直透鏡4、光闌5、凸柱透鏡6、 凹柱透鏡7;所述的第二激光干涉成像系統333包括成像鏡頭11和第二CCD 12,所述的第二 (XD12與作為圖像處理系統的計算機13相連；
[0028]所述的全息成像系統222包括第二激光器和二向色鏡，第一激光器1和第二激光器 8的光經二向色鏡9后入射被測粒子區域555,包括設置在被測粒子區域555后方的第一 (XD;
[0029]本發明所述的成像鏡頭11在(0,3i)范圍內某一散射角下接收被測粒子區域555的粒子散射光干涉產生光束，成像鏡頭11接收粒子散射光干涉產生光束散射角可設置為75°。
[0030]圖像處理系統444包括分別與第一CCD 10和第二CCD 12連接的計算機13,同時記錄粒子的離焦干涉條紋像和全息圖。
[0031]其中:第一激光器1為半導體激光器，波長532nm，顯微物鏡2放大倍率為10x，針孔3 大小為l〇Mi，準直透鏡4焦距為150mm，光闌5的調節范圍為1.27-36mm，并且將光闌透光孔直徑調節為13mm，凸柱透鏡6焦距為200mm，凹柱透鏡7焦距為-9.7mm，第二激光器8為波長 632.8nm的He-Ne激光器，二向色鏡9為短波通二向色鏡，在400-788nm范圍內透過率大于 90%，第一CCD 10和第二CCD 12尺寸尺寸為2/3〃，像素數為1384*1036,像元大小為6.45wn* 6.45_，幀頻為15€?8，成像鏡頭11焦距為50臟，光圈？=1.4。
[0032]通過光闌5截取的中心光斑直徑為13mm，經過凸凹兩個柱透鏡壓縮后成為長度 13_、寬度約1.0mm的片狀光束;片狀光束和He-Ne激光器發出的光同時經過二向色鏡9照射到被測粒子區域555;分別將lOwii的標準球形粒子1、用lOwii的球形粒子拉伸制作的球形和非球形混合粒子II置于被測粒子區域555進行測量；測量時，物距zl = 87mm，像距z2 = 112mm，離焦距為g = 3.7mm，此時第一(XD10記錄粒子全息圖，經過粒子表面的反射光和經過粒子的折射光產生的干涉圖通過成像鏡頭11和第二CCD傳感器12成像，粒子全息圖和離焦干涉圖像都記錄在計算機13上。[〇〇33]圖2(a)和(b)分別為為球形粒子和非球形粒子的離焦干涉模擬圖，圖3(a)和(b)、 圖4(a)和(b)分別是用球形粒子、球形與非球形混合粒子實驗產生的離焦干涉圖和全息圖， 根據計算機13記錄的離焦干涉條紋圖判斷粒子形狀，并通過對粒子全息圖重建進行匹配驗證，分析粒子形狀與條紋形狀的關系，進而得出準確的粒子形狀信息結論。
【主權項】
1.基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別系統，由激光干涉成像系統、全息成像系統、圖像處理系統組成，其特征是: 所述的激光干涉成像系統包括第一激光干涉成像系統(111)和第二激光干涉成像系統(333)，所述的第一激光干涉成像系統(111)包括第一激光器(I)，第一激光器(I)的光路上依次設有顯微物鏡(2)、針孔(3)、準直透鏡(4)、光闌(5)、凸柱透鏡(6)、凹柱透鏡(7);所述的第二激光干涉成像系統(333)包括成像鏡頭(I I)和第二 CCD (12 )，所述的第二 CCD (12)與計算機(13)相連； 所述的全息成像系統(222)包括第二激光器(8)和二向色鏡(9)，第一激光器(I)和第二激光器(8)的光經二向色鏡(9)后入射被測粒子區域(555)，包括設置在被測粒子區域(555)后方的第一CCD(1)，所述的第一CCD(1)與計算機(13)相連； 所述的成像鏡頭(11)在(0，π)范圍內某一散射角下接收被測粒子區域(555)的粒子散射光干涉產生光束； 所述的二向色鏡(9)將激光干涉成像系統和全息成像系統相連。2.根據權利要求1所述的基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別系統，其特征是:成像鏡頭(11)接收粒子散射光干涉產生光束散射角為(0，π)范圍內某一角度。3.根據權利要求1所述的基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別系統，其特征是:所述的圖像處理系統(444)為計算機(13)。4.基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別方法，其特征是步驟如下: 步驟I)激光干涉成像系統主要是從第一激光器(I)發出激光束，依次經過顯微物鏡(2)和針孔(3)進行擴束并濾波;然后用準直透鏡(4)對激光束進行準直，并用光闌(5)攔截除中心最亮的光斑以外的光；取此時能透過的直徑大小的圓光斑經過凸凹兩個柱透鏡(6)和(7)，將光束壓縮為一維片狀激光束;片狀激光束照射到被測粒子區域(555)，在(O，Ir)范圍內某一散射角下利用成像鏡頭(11)和第二 CCD(12)得到粒子散射光干涉產生的離焦條紋像，通過調節位移平臺將第二 CCD(12)調至適當的離焦位置對粒子散射光干涉條紋圖清晰成像； 步驟2)全息成像系統(222)主要是利用同軸全息原理將第二激光器(8)發出的光照射到被測粒子區域(555)，并且將第一 CCD(1)擺放在光軸上粒子后方一定距離處，此時第一(XD(1)會記錄粒子全息圖。 步驟3)用二向色鏡(9)將激光干涉成像系統和全息成像系統(222)相連，并且用計算機(13)分別與第一 CCD(1)和第二 CCD(12)連接，同時記錄粒子的離焦干涉條紋像和全息圖，根據計算機(13)記錄的離焦干涉條紋圖判斷粒子形狀，并通過對粒子全息圖重建進行匹配驗證，分析粒子形狀與條紋形狀的關系，進而得出準確的粒子形狀信息結論。5.根據權利要求4所述的基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別方法，其特征是:激光干涉成像系統和全息成像系統同時工作，兩束光同時經過二向色鏡(9)然后照射到被測粒子區域(555)，以此確保生成全息圖與發生干涉的被測粒子是相同的粒子。
【文檔編號】G01N15/10GK106092859SQ201610356405
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】張紅霞, 周葉, 李姣, 賈大功, 劉鐵根, 張以謨
【申請人】天津大學