基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)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(tǒng)及方法，屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。搭建激光干涉成像和同軸全息成像系統(tǒng)，通過(guò)粒子產(chǎn)生的不同形式的干涉條紋圖和全息圖對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)粒子球形與非球形狀的準(zhǔn)確測(cè)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(guò)觀察到的不同條紋圖推斷出粒子形狀。通過(guò)另一光路系統(tǒng)獲得發(fā)生干涉粒子的同軸全息圖并且對(duì)全息圖進(jìn)行重建，進(jìn)而得到粒子輪廓。然后通過(guò)全息重建圖與對(duì)應(yīng)的粒子干涉條紋圖進(jìn)行匹配，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的粒子形狀判斷結(jié)果。此方法應(yīng)用于云粒子測(cè)量中，通過(guò)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(shí)施性強(qiáng)。
【專利說(shuō)明】
基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明具體提出了一種基于激光干涉成像和同軸全息相結(jié)合的對(duì)粒子的球形與非球形狀的判別測(cè)量方法，屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]粒子是指尺寸在毫米以下及至微米量級(jí)的微小顆粒，其尺寸范圍通常在1-1lm?10-3m之間。粒子的相關(guān)參數(shù)會(huì)影響材料和產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，工業(yè)、科研等眾多領(lǐng)域和行業(yè)中都出現(xiàn)了越來(lái)越多與微小粒子密切相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，因此研究粒子測(cè)量技術(shù)具有重要的意義。測(cè)量粒子信息時(shí)，粒子經(jīng)常被假設(shè)為最簡(jiǎn)單的球形，所以對(duì)球形粒子的研究理論比較成熟。但是在實(shí)際情況下，大多數(shù)粒子形狀為非球形，所以，對(duì)粒子形狀的判別是一個(gè)對(duì)研究粒子性質(zhì)具有重要作用且亟待解決的問(wèn)題。
[0003]對(duì)于測(cè)量粒子形狀的方法，專利CN101718674A公開(kāi)了一種通過(guò)應(yīng)用數(shù)碼顯微鏡和計(jì)算機(jī)測(cè)量散粒物料顆粒形狀參數(shù)的方法和軟件。該方法采用圖像處理軟件，對(duì)散粒物料形狀參數(shù)進(jìn)行特殊處理和優(yōu)化，便于高效提取各種形狀參數(shù)信息，精簡(jiǎn)了測(cè)量過(guò)程。可廣泛應(yīng)用于需測(cè)量散粒物料顆粒形狀參數(shù)的領(lǐng)域。專利CN104807738A公開(kāi)了一種單氣溶膠粒子實(shí)時(shí)檢測(cè)方法和檢測(cè)裝置，通過(guò)同步采集大氣中單個(gè)氣溶膠粒子的前向和側(cè)向散射圖樣進(jìn)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(kāi)了一種云粒子譜分布測(cè)量方法和測(cè)量系統(tǒng)，其中測(cè)量系統(tǒng)包括片狀激光束生成系統(tǒng)、粒子散射光探測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可用于機(jī)載云微物理探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)云粒子相態(tài)、尺度、分布以及含水量的在線測(cè)量。
[0004]基于激光干涉成像測(cè)量和同軸全息原理，通過(guò)粒子產(chǎn)生的不同形式的干涉條紋圖和全息圖對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)粒子球形與非球形狀的準(zhǔn)確測(cè)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(guò)觀察到的不同條紋圖推斷出粒子形狀。另外，本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)另一光路系統(tǒng)獲得發(fā)生干涉粒子的同軸全息圖并且對(duì)全息圖進(jìn)行重建，進(jìn)而得到粒子輪廓。然后通過(guò)全息重建圖與對(duì)應(yīng)的粒子干涉條紋圖進(jìn)行匹配，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的粒子形狀判斷結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種基于激光干涉成像和同軸全息原理實(shí)現(xiàn)對(duì)球形與非球形粒子的判別系統(tǒng)，同時(shí)提供了對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)云粒子形狀的判別，進(jìn)而為判斷云粒子的相態(tài)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(tǒng)，由激光干涉成像系統(tǒng)、全息成像系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)組成，其特征是:
[0007]所述的激光干涉成像系統(tǒng)包括第一激光干涉成像系統(tǒng)和第二激光干涉成像系統(tǒng)，所述的第一激光干涉成像系統(tǒng)包括第一激光器，第一激光器的光路上依次設(shè)有顯微物鏡、針孔、準(zhǔn)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(tǒng)包括成像鏡頭和第二(XD，所述的第二C⑶與計(jì)算機(jī)相連；
[0008]所述的全息成像系統(tǒng)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(jīng)二向色鏡后入射被測(cè)粒子區(qū)域，包括設(shè)置在被測(cè)粒子區(qū)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(cè)粒子區(qū)域的粒子散射光干涉產(chǎn)生光束；
[0010]所述的二向色鏡將激光干涉成像系統(tǒng)和全息成像系統(tǒng)相連。
[0011]進(jìn)一步的，成像鏡頭接收粒子散射光干涉產(chǎn)生光束的散射角為(0,4內(nèi)某一角度。
[0012]進(jìn)一步的，所述的圖像處理系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)。
[0013]本發(fā)明提出的對(duì)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(tǒng)主要是從第一激光器發(fā)出激光束，依次經(jīng)過(guò)顯微物鏡和針孔進(jìn)行擴(kuò)束并濾波;然后用準(zhǔn)直透鏡對(duì)激光束進(jìn)行準(zhǔn)直，并用光闌攔截除中心最亮的光斑以外的光;取此時(shí)能透過(guò)的直徑大小的圓光斑經(jīng)過(guò)凸凹兩個(gè)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(cè)粒子區(qū)域，在(〇3)范圍內(nèi)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(chǎn)生的離焦條紋像，通過(guò)調(diào)節(jié)位移平臺(tái)將第二C⑶調(diào)至適當(dāng)?shù)碾x焦位置對(duì)粒子散射光干涉條紋圖清晰成像；
[0016](2)全息成像系統(tǒng)主要是利用同軸全息原理將第二激光器發(fā)出的光照射到被測(cè)粒子區(qū)域，并且將第一 CCD擺放在光軸上粒子后方一定距離處，此時(shí)第一 CCD會(huì)記錄粒子全息圖。
[0017](3)用二向色鏡將激光干涉成像系統(tǒng)和全息成像系統(tǒng)相連，并且用計(jì)算機(jī)分別與第一 CCD和第二CCD連接，同時(shí)記錄粒子的離焦干涉條紋像和全息圖，根據(jù)計(jì)算機(jī)記錄的離焦干涉條紋圖判斷粒子形狀，并通過(guò)對(duì)粒子全息圖重建進(jìn)行匹配驗(yàn)證，分析粒子形狀與條紋形狀的關(guān)系，進(jìn)而得出準(zhǔn)確的粒子形狀信息結(jié)論。
[0018]進(jìn)一步的，激光干涉成像系統(tǒng)和全息成像系統(tǒng)同時(shí)工作，兩束光同時(shí)經(jīng)過(guò)二向色鏡然后照射到粒子區(qū)域，以此確保生成全息圖與發(fā)生干涉的被測(cè)粒子是相同的粒子。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益結(jié)果是:
[0020]本發(fā)明提出一種利用激光干涉離焦條紋圖和全息圖相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子形狀信息的測(cè)量的方法。此方法應(yīng)用于云粒子測(cè)量中，通過(guò)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(shí)施性強(qiáng)?！靖綀D說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)原理圖。
[0022]其中111、第一激光干涉成像系統(tǒng)，333、第二激光干涉成像系統(tǒng)，222、全息成像系統(tǒng)，444、圖像處理系統(tǒng)，555、被測(cè)粒子區(qū)域，1、第一激光器，2、顯微物鏡，3、針孔，4、準(zhǔn)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(jì)算機(jī)。[〇〇23]圖2(a)和(b)分別是本發(fā)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(duì)球形粒子、球形與非球形混合粒子實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的離焦干涉圖。
[0025]圖4(a)和(b)分別是對(duì)球形粒子、球形與非球形混合粒子實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的全息圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例1:
[0027]參見(jiàn)附圖1可知，本發(fā)明搭建激光干涉成像和同軸全息成像系統(tǒng)，由激光干涉成像系統(tǒng)、全息成像系統(tǒng)222、圖像處理系統(tǒng)444組成。所述的激光干涉成像系統(tǒng)包括第一激光干涉成像系統(tǒng)111和第二激光干涉成像系統(tǒng)333，所述的第一激光干涉成像系統(tǒng)111包括第一激光器1，第一激光器1的光路上依次設(shè)有顯微物鏡2、針孔3、準(zhǔn)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(tǒng)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(tǒng)的計(jì)算機(jī)13相連；
[0028]所述的全息成像系統(tǒng)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(jīng)二向色鏡9后入射被測(cè)粒子區(qū)域555,包括設(shè)置在被測(cè)粒子區(qū)域555后方的第一 (XD;
[0029]本發(fā)明所述的成像鏡頭11在(0,3i)范圍內(nèi)某一散射角下接收被測(cè)粒子區(qū)域555的粒子散射光干涉產(chǎn)生光束，成像鏡頭11接收粒子散射光干涉產(chǎn)生光束散射角可設(shè)置為75°。
[0030]圖像處理系統(tǒng)444包括分別與第一CCD 10和第二CCD 12連接的計(jì)算機(jī)13,同時(shí)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(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)532nm，顯微物鏡2放大倍率為10x，針孔3 大小為l〇Mi，準(zhǔn)直透鏡4焦距為150mm，光闌5的調(diào)節(jié)范圍為1.27-36mm，并且將光闌透光孔直徑調(diào)節(jié)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(zhǎng) 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(nèi)透過(guò)率大于 90%，第一CCD 10和第二CCD 12尺寸尺寸為2/3〃，像素?cái)?shù)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(guò)光闌5截取的中心光斑直徑為13mm，經(jīng)過(guò)凸凹兩個(gè)柱透鏡壓縮后成為長(zhǎng)度 13_、寬度約1.0mm的片狀光束;片狀光束和He-Ne激光器發(fā)出的光同時(shí)經(jīng)過(guò)二向色鏡9照射到被測(cè)粒子區(qū)域555;分別將lOwii的標(biāo)準(zhǔn)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(cè)粒子區(qū)域555進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量時(shí)，物距zl = 87mm，像距z2 = 112mm，離焦距為g = 3.7mm，此時(shí)第一(XD10記錄粒子全息圖，經(jīng)過(guò)粒子表面的反射光和經(jīng)過(guò)粒子的折射光產(chǎn)生的干涉圖通過(guò)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(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的離焦干涉圖和全息圖， 根據(jù)計(jì)算機(jī)13記錄的離焦干涉條紋圖判斷粒子形狀，并通過(guò)對(duì)粒子全息圖重建進(jìn)行匹配驗(yàn)證，分析粒子形狀與條紋形狀的關(guān)系，進(jìn)而得出準(zhǔn)確的粒子形狀信息結(jié)論。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于激光干涉成像和同軸全息的粒子形狀判別系統(tǒng)，由激光干涉成像系統(tǒng)、全息成像系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)組成，其特征是: 所述的激光干涉成像系統(tǒng)包括第一激光干涉成像系統(tǒng)(111)和第二激光干涉成像系統(tǒng)(333)，所述的第一激光干涉成像系統(tǒng)(111)包括第一激光器(I)，第一激光器(I)的光路上依次設(shè)有顯微物鏡(2)、針孔(3)、準(zhǔn)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(tǒng)(333)包括成像鏡頭(I I)和第二 CCD (12 )，所述的第二 CCD (12)與計(jì)算機(jī)(13)相連； 所述的全息成像系統(tǒng)(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(jīng)二向色鏡(9)后入射被測(cè)粒子區(qū)域(555)，包括設(shè)置在被測(cè)粒子區(qū)域(555)后方的第一CCD(1)，所述的第一CCD(1)與計(jì)算機(jī)(13)相連； 所述的成像鏡頭(11)在(0，π)范圍內(nèi)某一散射角下接收被測(cè)粒子區(qū)域(555)的粒子散射光干涉產(chǎn)生光束； 所述的二向色鏡(9)將激光干涉成像系統(tǒng)和全息成像系統(tǒng)相連。2.根據(jù)權(quán)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(tǒng)，其特征是:成像鏡頭(11)接收粒子散射光干涉產(chǎn)生光束散射角為(0，π)范圍內(nèi)某一角度。3.根據(jù)權(quán)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(tǒng)，其特征是:所述的圖像處理系統(tǒng)(444)為計(jì)算機(jī)(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(tǒng)主要是從第一激光器(I)發(fā)出激光束，依次經(jīng)過(guò)顯微物鏡(2)和針孔(3)進(jìn)行擴(kuò)束并濾波;然后用準(zhǔn)直透鏡(4)對(duì)激光束進(jìn)行準(zhǔn)直，并用光闌(5)攔截除中心最亮的光斑以外的光；取此時(shí)能透過(guò)的直徑大小的圓光斑經(jīng)過(guò)凸凹兩個(gè)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(cè)粒子區(qū)域(555)，在(O，Ir)范圍內(nèi)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(chǎn)生的離焦條紋像，通過(guò)調(diào)節(jié)位移平臺(tái)將第二 CCD(12)調(diào)至適當(dāng)?shù)碾x焦位置對(duì)粒子散射光干涉條紋圖清晰成像； 步驟2)全息成像系統(tǒng)(222)主要是利用同軸全息原理將第二激光器(8)發(fā)出的光照射到被測(cè)粒子區(qū)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(shí)第一(XD(1)會(huì)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(tǒng)和全息成像系統(tǒng)(222)相連，并且用計(jì)算機(jī)(13)分別與第一 CCD(1)和第二 CCD(12)連接，同時(shí)記錄粒子的離焦干涉條紋像和全息圖，根據(jù)計(jì)算機(jī)(13)記錄的離焦干涉條紋圖判斷粒子形狀，并通過(guò)對(duì)粒子全息圖重建進(jìn)行匹配驗(yàn)證，分析粒子形狀與條紋形狀的關(guān)系，進(jìn)而得出準(zhǔn)確的粒子形狀信息結(jié)論。5.根據(jù)權(quán)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(tǒng)和全息成像系統(tǒng)同時(shí)工作，兩束光同時(shí)經(jīng)過(guò)二向色鏡(9)然后照射到被測(cè)粒子區(qū)域(555)，以此確保生成全息圖與發(fā)生干涉的被測(cè)粒子是相同的粒子。
【文檔編號(hào)】G01N15/10GK106092859SQ201610356405
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】張紅霞, 周葉, 李姣, 賈大功, 劉鐵根, 張以謨
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)