激光干涉成像系统中样品池的最佳摆放方法

摘要

一种激光干涉成像系统中样品池的最佳摆放方法，属于光学测量领域。利用样品池盛装被测粒子，当样品池表面与光轴呈不同夹角时得到粒子的干涉条纹圆，对比分析得到更适用于倾斜物面的样品池摆放方式。包括以下步骤：1)搭建样品池表面与光轴呈不同夹角的干涉成像系统，记录不同位置的离焦图像；2)对样品池的摆放方式进行模拟，利用光线追迹软件模拟粒子表面出射点的成像情况，模拟不同样品池摆放角度、不同离焦距下的像面图像；3)对样品池的摆放方式进行实验，并记录不同离焦距时条纹图像；4)实验循环判别；5)样品池的最佳摆放方法，根据以上四个步骤，得到样品池的最佳摆放方法。

权利要求

1.激光干涉成像系统中样品池的最佳摆放方法，其特征是包括以下步骤：

1)搭建样品池表面与光轴呈不同夹角的干涉成像系统；

搭建激光干涉成像系统，干涉成像系统经过光学元器件被压缩为片状光束，片状光束照射样品池中的被测粒子，在特定散射角下利用成像镜头和CCD传感器得到样品池表面与光轴呈不同夹角时的干涉图像，通过调节位移平台，用CCD传感器记录不同位置的离焦图像；

2)对样品池的摆放方式进行模拟；

利用光线追迹软件模拟粒子表面出射点的成像情况，对于干涉成像测量，透明球形粒子可以看做两个实时点光源，分别为经过粒子表面反射的0阶出射点和经过粒子内部折射的1阶出射点，据此模拟不同样品池摆放角度、不同离焦距下的像面图像；

3)对样品池的摆放方式进行实验；

对样品池表面与光轴的夹角取不同的值进行实验，并记录不同离焦距时CCD传感器采集到的条纹图像；

4)实验循环判别；

判断条纹图像轮廓的横纵轴比是否为1，不为1则将样品池倾斜角度加5°重复第3)步和第4)步；为1则输出此时样品池的倾斜角度；

5)样品池的最佳摆放方法；

根据以上四个步骤，得到样品池的最佳摆放方法。

2.根据权利要求1所述的激光干涉成像系统中样品池的最佳摆放方法，其特征是：步骤

3)中对样品池表面与光轴的夹角取值为50°-90°。

3.根据权利要求1所述的激光干涉成像系统中样品池的最佳摆放方法，其特征是：样品池的最佳摆放方式为图像轮廓横纵轴比为1时的样品池倾斜角度。

4.根据权利要求2所述的激光干涉成像系统中样品池的最佳摆放方法，其特征是：样品池表面与光轴的夹角由50°逐步到90°时，点光源在像面处形成的点列图横纵轴比逐渐接近于1。

说明书

激光干涉成像系统中样品池的最佳摆放方法

技术领域

[0001] 本发明具体提出了激光干涉成像系统中样品池的最佳摆放方法，属于光学测量领域。

背景技术

[0002] 粒子广泛存在于大气、化工、喷雾、医药、燃料燃烧、环保、流体、材料、水利、航天航空等各个领域。粒子的信息对研究材料和产品的性能和质量具有重要的意义，所以对粒子信息的测量具有重要的意义。激光干涉成像是一种快速、精确的粒子测量技术，但是在实际的干涉成像实验中，微小的粒子不能固定在平板或者空气中，所以经常需要去离子水作为媒介，盛装在样品池中。因而干涉成像系统实验中样品池摆放方式的研究对精确测量粒子信息具有很大的意义。

[0003] 对于干涉成像系统的改进和优化，专利CN105547945A公开了一种干涉粒子成像系统采样区内粒子的判别方法。该方法应用于干涉粒子成像系统,首先根据干涉条纹图尺寸计算公式推导片状激光束照明区域内干涉条纹图尺寸范围中Φt_min～Φt_max。然后搭建干涉粒子成像实验系统,在系统离焦距g处采集干涉粒子条纹图像,处理图像得到实际干涉条纹图尺寸Φe,若Φt_min＜Φe＜Φt_max,则粒子在采样区内,否则粒子不在采样区内。专利CN103674791A公开了一种基于两个相等强度的片状光束照射粒子干涉成像的测量方法。该方法同时采用两条强度相等的片状光束相向照射粒子场，在散射角度为90°区域记录聚焦像或离焦像。并对获取的图像用修正的Rife算法处理图像信息。此方法结合PIV/PTV可以实现粒子速度测量。这种原理简单、成本低的测量方法可以用于粒子尺寸和速度信息的测量。专利CN105866013A公开了一种基于两幅激光干涉成像离焦干涉图的球形粒子判别系统及方法。该方法利用激光干涉成像原理用两个CCD同步工作,分别接收偏振方向和与入射光相同和垂直的粒子散射光的离焦干涉图,利用起偏器、检偏器调节散射光偏振方向与入射光偏振方向的角度,根据两幅图像的差异实现对球形粒子的判别测量,从而得出粒子是否为球形的结论。

[0004] 基于激光干涉成像实验系统，利用片状激光束照明粒子，而粒子溶于样品池内的去离子水中。按样品池表面与入射光垂直或与散射光垂直的方式摆放样品池，并且观察两种摆放方式下的粒子干涉图形判断出物面倾斜的干涉成像系统中更加适合的摆放方式。

发明内容

[0005] 本发明针对物面倾斜的激光干涉成像系统，比较样品池不同摆放方式下离焦像面上产生的离焦干涉图，分析样品池的摆放方式对离焦干涉圆的影响，为搭建干涉成像系统提供重要的指导意义。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0007] 一种激光干涉成像系统中样品池的最佳摆放方法，包括以下步骤：

[0008] 1)搭建样品池表面与光轴呈不同夹角的干涉成像系统；

[0009] 搭建激光干涉成像系统，干涉成像系统经过光学元器件被压缩为片状光束，片状光束照射样品池中的被测粒子，在特定散射角下利用成像镜头和CCD传感器得到样品池表面与光轴呈不同夹角时的干涉图像，通过调节位移平台，用 CCD传感器记录不同位置的离焦图像；

[0010] 2)对样品池的摆放方式进行模拟；

[0011] 利用光线追迹软件模拟粒子表面出射点的成像情况，对于干涉成像测量，透明球形粒子可以看做两个实时点光源，分别为经过粒子表面反射的0阶出射点和经过粒子内部折射的1阶出射点，据此模拟不同样品池摆放角度、不同离焦距下的像面图像；

[0012] 3)对样品池的摆放方式进行实验；

[0013] 对样品池表面与光轴的夹角取不同的值进行实验，并记录不同离焦距时 CCD传感器采集到的条纹图像；

[0014] 4)实验循环判别；

[0015] 判断条纹图像轮廓的横纵轴比是否为1，不为1则将样品池倾斜角度加5°重复第三步和第四步；为1则输出此时样品池的倾斜角度；

[0016] 5)样品池的最佳摆放方法；

[0017] 根据以上四个步骤，得到样品池的最佳摆放方法。

[0018] 进一步的，步骤3)中对样品池表面与光轴的夹角取值为50°-90°。样品池表面与光轴的夹角由50°逐步到90°时，点光源在像面处形成的点列图横纵轴比逐渐接近于1。

[0019] 进一步的，样品池的最佳摆放方式为图像轮廓横纵轴比为1时的样品池倾斜角度。

[0020] 本发明的技术效果是：本发明提出一种物面倾斜的激光干涉成像系统中物方样品池摆放方式对粒子离焦干涉图的影响，利用样品池盛装被测粒子，当样品池表面与光轴呈不同夹角时得到粒子的干涉条纹圆，对比分析得到更适用于倾斜物面的样品池摆放方式。为粒子尺寸的精确测量提供一种新的方法，为粒子的浓度、粒子数密度的测量提供有力依据。

附图说明

[0021] 图1是本发明的算法流程图。

[0022] 图2是本发明的激光干涉成像系统原理图。

[0023] 图中，1半导体激光器，2显微物镜，3针孔，4准直透镜，5光阑，6凸柱透镜，7凹柱透镜，8样品池，9成像镜头，10CCD传感器。

[0024] 图3是本发明的两种典型的样品池摆放方式示意图，layout I是样品池表面与光轴夹角为非90度的情况，layout II是样品池表面与光轴夹角为90度的情况。

[0025] 图4是本发明中用Zemax模拟的样品池表面与光轴夹角为75度时的光线追迹图。其中，xyz坐标系和原点位置如图所示，原点距离样品池折射表面的距离为40mm。

[0026] 图5是不同样品池摆放角度下利用则Zemax模拟的像面图像(相对于实验图旋转90°)。图中左侧数据50°～90°分别代表样品池相对于光轴的倾斜角度。

[0027] 图6是对标准球形粒子在倾斜角度分别为75°和90°时两种摆放方式下不同离焦距时的实验图。图6 (a)-6 (d)为样品池按75°倾斜角摆放时离焦距分别为-4mm， -2mm，2mm，4mm时的干涉图。图6 (e)-6 (h)为样品池按90°倾斜角摆放时离焦距分别为-4mm，-2mm，
2mm，4mm时的干涉图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明作进一步说明，本发明提出的激光干涉成像系统中样品池的最佳摆放方法如下：

[0029] 1)搭建样品池表面与光轴呈不同夹角的干涉成像系统；

[0030] 搭建如图2所示的激光干涉成像系统，系统中样品池典型的摆放方式如图3 所示。摆放方式Ⅰ表示样品池表面与光轴不垂直的情况，摆放方式Ⅱ表示样品池表面与光轴呈90°夹角的情况，干涉成像系统经过光学元器件被压缩为片状光束，片状光束照射样品池8中的被测粒子，在特定散射角下利用成像镜头9 和CCD传感器10得到样品池8表面与光轴呈不同夹角时的干涉图像，通过调节位移平台，用CCD传感器10记录不同位置的离焦图像；

[0031] 2)对样品池的摆放方式进行模拟；

[0032] 利用光线追迹软件模拟粒子表面出射点的成像情况，对于干涉成像测量，透明球形粒子可以看做两个实时点光源，分别为经过粒子表面反射的0阶出射点和经过粒子内部折射的1阶出射点，据此模拟不同样品池8摆放角度、不同离焦距下的像面图像；

[0033] 3)对样品池的摆放方式进行实验；

[0034] 对样品池表面与光轴的夹角取不同的值进行实验，并记录不同离焦距时 CCD传感器10采集到的条纹图像；

[0035] 4.实验循环判别；

[0036] 判断条纹图像轮廓的横纵轴比是否为1，不为1则将样品池倾斜角度加5°重复第三步和第四步；为1则输出此时样品池的倾斜角度。

[0037] 5.样品池的最佳摆放方法；

[0038] 根据以上四个步骤，得到图像轮廓横纵轴比为1时的样品池倾斜角度为样品池的最佳摆放方法。

[0039] 实施例1：

[0040] 如图1所示本发明干涉粒子成像系统中样品池的最佳摆放方法的算法判别流程图。

[0041] 首先根据图2所示的实验原理图实验装置，其中：激光器1为波长532nm 的半导体激光器，最大功率为4w，扩束针孔滤波由放大倍率为10×的显微物镜 2和大小为10μm的针孔3组成，准直透镜4焦距为150mm，光阑5的调节范围为1.27-36mm，并且将光阑透光孔直径调节为13mm，凸柱透镜6焦距为200mm，凹柱透镜7焦距为-9.7mm，样品池8的大小为：160mm×80mm×70mm，成像镜头9焦距为50mm，光圈F＝1.4，CCD传感器10有效像素数为1280*960，像元大小为6.45μm*6.45μm，帧频为15fps。

[0042] 通过光阑截取的中心光斑直径为13mm，经过凸凹两个柱透镜压缩后成为长度13mm、宽度约1.0mm的片状光束；将直径21.3μm的标准球形粒子置于样品池中的去离子水中进行测量；测量时，物距u＝90.3mm，像距v＝112mm，此时将样品池按不同的方式进行摆放，并且调节CCD传感器的位置，记录不同离焦下的粒子干涉图。

[0043] 图5是不同样品池摆放角度下利用则Zemax模拟的像面图像。图中左侧数据50°～90°分别代表样品池相对于光轴的倾斜角度。当样品池倾斜角度由50°变为90°时，点光源在像面处形成的点列图横纵轴比分别为0.46，0.5，0.63，0.69， 0.78，0.86，0.9，0.95，1，横纵轴比逐渐接近于1，点列图也由椭圆形光斑逐渐向圆形接近，所以粒子的干涉条纹图轮廓随着角度的变化也逐渐由椭圆形变为圆形。

[0044] 图6是对标准球形粒子在倾斜角度分别为75°和90°时两种摆放方式下不同离焦距时的实验图。其中粒子的干涉条纹图是从CCD像面上截取的像素大小为 240pixels×240pixels的图像。图6 (a)-6 (d)为样品池按75°倾斜角摆放时离焦距分别为-4mm，-2mm，
2mm，4mm时的干涉图，在前离焦和后离焦位置干涉图的轮廓分别为扁椭圆形和长椭圆形。图
6 (e)-6 (h)为样品池按90°倾斜角摆放时离焦距分别为-4mm，-2mm，2mm，4mm时的干涉图，在前离焦和后离焦位置干涉图的轮廓均为圆形。

[0045] 粒子的直径仅与干涉条纹频率有关而与条纹图的轮廓无关。但由于椭圆形条纹图相对于圆形条纹图处理起来更加困难，因此得到的粒子准确度也会有影响。根据以上两种典型摆放方式下粒子干涉图轮廓，可以得出更加适用于物面倾斜的系统的样品池摆放方式为样品池表面与光轴呈90°夹角的时候。