[发明专利]一种透明椭球粒子朝向和尺寸的测量方法

说明书

本发明涉及一种透明椭球粒子朝向和尺寸的测量方法，包括：利用激光干涉成像测量系统，用片状激光束照射载有透明椭球粒子的载玻片，改变CCD的前后位置，分别在聚焦像面采集透明椭球粒子的聚焦像，在离焦像面采集透明椭球粒子的干涉离焦像；判断激光干涉成像系统采集的聚焦像中聚焦像点的个数，当聚焦像点为两个时，当物面两出射点间距离d大于拉伸前球形粒子直径时，物面两出射点间的距离为椭球粒子长轴的尺寸；物面两出射点间距离d小于拉伸前球形粒子直径时，物面两出射点间的距离为椭球粒子短轴的尺寸，椭球粒子的朝向为夹角Φ的余角，并以此时物面上椭球长轴所在方向为x’轴，相应的确定直角坐标系中的y’轴和z’轴。

技术领域

本发明具体提出了基于激光干涉聚焦像和离焦像透明椭球粒子朝向和尺寸的测量方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

粒子的测量对工业制造、环境保护、天气预测、医学研究和其它科学领域具有重要的意义。透明球形粒子广泛存在于粒子场中，然而粒子在产生、运动、碰撞等过程中形状会发生改变，因而对透明非球形粒子的研究也尤为重要。激光干涉成像是一种实时、快速、非接触的粒子测量技术，透明椭球粒子的散射光特性也包含其尺寸信息，因此激光干涉成像技术也是获取透明椭球粒子朝向和尺寸信息的一种有效方法。

对于透明粒子的研究，专利CN203705307U公开了一种基于双光束相向照射的干涉粒子成像测量装置。该装置由片状光束相向照射系统和接收成像系统组成，可同时采集粒子的聚焦像和离焦像；该实用新型通过粒子散射光的条纹图和聚焦像得到粒子尺寸信息，结合 PTV/PIV技术，得到粒子场速度分布，可用于喷雾粒子场粒子尺寸以及气缸内空气速度场测量。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，该方法根据干涉条纹图尺寸计算公式推导了片状激光束照明区域内干涉条纹图尺寸范围，根据干涉成像系统采集到的图像判断每个粒子是否在采样区内，根据实验结果可计算出粒子场的粒子数密度，为粒子浓度的测量提供有力的依据。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。

发明内容

本发明提出一种基于激光干涉聚焦像和离焦像的透明椭球粒子的测量方法，该方法利用干涉成像系统同时采集粒子的聚焦像和离焦像，通过对聚焦像和离焦像同时处理得到透明椭球粒子朝向和尺寸信息。技术方案如下：

一种透明椭球粒子朝向和尺寸的测量方法，包括下面的步骤：

i、利用激光干涉成像测量系统，用片状激光束照射载有透明椭球粒子的载玻片，改变 CCD的前后位置，分别在聚焦像面采集透明椭球粒子的聚焦像，在离焦像面采集透明椭球粒子的干涉离焦像。

ii、判断激光干涉成像系统采集的聚焦像中聚焦像点的个数，当聚焦像点为两个时，计算两聚焦像点间的距离Δl和离焦斜条纹图像与xoy平面夹角Φ，xoy平面即CCD所在的平面，根据物面两出射点间距离d与系统参数和两聚焦像点间距离Δl关系公式

其中M为系统放大倍率，θ为激光干涉成像系统散射角，计算物面两出射点间距离d，当物面两出射点间距离d大于拉伸前球形粒子直径时，物面两出射点间的距离为椭球粒子长轴的尺寸；物面两出射点间距离d小于拉伸前球形粒子直径时，物面两出射点间的距离为椭球粒子短轴的尺寸，椭球粒子的朝向为夹角Φ的余角，并以此时物面上椭球长轴所在方向为x’轴，相应的确定直角坐标系中的y’轴和z’轴；