一种基于IPI聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量方法与流程

本发明涉及粒子场测量技术领域，尤其涉及一种基于ipi聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量方法。

背景技术

粒子是指尺寸在毫米以下至微米、以及纳米量级的微小固体、气泡和液滴，广泛存在于工业生产和科学研究中。粒子尺寸测量是该领域一个长期的研究方向，具有重要的意义。目前已提出了基于光学原理的多种粒子尺寸测量方法，每一种方法由于受原理、系统等限制，都有一定的测量范围。

干涉粒子成像技术(ipi)是一种目前备受关注的粒子测量方法，其基本原理是基于mie散射理论，通过测量粒子散射光干涉条纹图的条纹数/条纹频率，或聚焦两点像之间的距离得到粒子尺寸大小。该技术适用于透明球形粒子场测量。

对一给定的ipi系统，对离焦像，当条纹数n＝1时，为最小可测粒径，最大可测粒子直径由nyquist抽样定律决定。当粒子条纹间距小于记录介质的分辨率，即不满足抽样定律时，将无法记录该粒子的条纹图，从而限制了粒径测量上限。对聚焦像，两点像之间的距离正比于粒子尺寸，当粒子尺寸较小时，特别是对小粒子，两点像可能重叠，将可能观察不到两点像，通过放大，有可能会观察到两点像，但放大将使成像视场减小，所以，ipi聚焦像方法限制了粒径测量下限。

因此，由于受记录介质分辨率的限制，这种利用ipi离焦像将限制了最大可测的粒径，聚焦像将限制了最小可测的粒径，对宽尺寸的粒子场，这种常规的ipi聚焦像或离焦像方法将不再适用。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本发明的目的是提出基于ipi聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量方法。在小散射角区域，记录粒子垂直偏振光的离焦条纹图，在大散射角区域，记录粒子散射光的聚焦两点像，提取所采集的条纹图的条纹数n和聚焦两点像间距δl，计算得到粒子尺寸大小，可测的粒子尺寸范围，即为该双路系统可测的最小粒径和最大粒径区间，详见下文描述：

一种基于ipi聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量方法，所述方法包括：

片状光束照射粒子场，粒子发生散射，由成像透镜、ccd组成的成像系统接收粒子的散射光，这一成像系统称为ipi系统，搭建两路ipi系统，在聚焦像面上形成两点像，在离焦像面上形成干涉条纹图；

在小散射角区域，记录粒子垂直偏振光产生的离焦条纹图；

在大散射角区域，记录粒子聚焦两点像；

对上述两路系统采集到的离焦条纹图和聚焦两点像，提取离焦条纹图的条纹数n和聚焦两点像的间距δl，计算得到粒子直径d；对条纹图，由计算；对聚焦两点像，由计算；

两路系统可测的最大粒径和最小粒径值，即为可测的粒子尺寸范围；

式中，m＝n/n0＞1，n，n0分别为粒子的折射率和周围介质折射率，m为成像系统的放大率，θ为散射角，α为光学系统的收集角，λ为激光波长。

散射角θ的选取根据粒子尺寸d和相对折射率m，对离焦条纹图，选取条纹对比度高，且散射光强相对较大的散射区域；对聚焦两点像，选取两点像亮度相当的区域。

进一步地，对聚焦两点像，由两点像强度选取偏振态。

所述方法还适用于气泡型粒子，对条纹图和聚焦两点像，分别由：

和

计算，m＝n/n0＜1。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、该方法采用两路ipi系统，同时记录粒子散射光产生的离焦条纹图和聚焦两点像，实现宽尺寸范围的粒子场测量；

2、本方法的粒径测量由于采用不同的记录系统，对小粒子，记录其条纹图，扩展了测量下限，对大粒子，记录其聚焦两点像，扩展了测量上限，且测量范围宽、视场大，精度高，可用于喷雾粒子场测量。

附图说明

图1为本发明的一种基于ipi聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量流程图；

图2为本发明的一种基于ipi聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量具体实例光路系统示意图；

图3为粒子离焦条纹图模拟结果；

图4为粒子聚焦两点像模拟结果。

其中，1为激光器，2为扩束准直系统，3为光束压缩系统，4为粒子场，5为成像镜头，6为偏振片，7为ccd。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种基于ipi聚焦像和离焦像的宽尺寸粒子场测量方法，参见图1-图4，该测量方法包括以下步骤：

一、搭建光路系统

按照图2搭建光路系统，包括：激光器1、扩束准直系统2、光束压缩系统3、粒子场4、成像镜头5、偏振片6、以及ccd7。

激光器1为波长λ＝532nm的半导体激光器。激光器1发出的细光束经扩束准直系统2的扩束、滤波、准直处理后，再经两个柱透镜组成的光束压缩系统3压缩为片状光束，片状光束的宽度为1.2mm。

成像透镜5为焦距50mm，孔径40mm的定焦镜头，ccd7的像素尺寸为7.4μm×7.4μm。

粒子场4为水滴粒子，其折射率为n＝1.33。片状光束照射粒子场4，粒子发生散射，其散射光经成像透镜5接收，在聚焦像面上形成两点像，在离焦像面上形成干涉条纹图，记录在ccd7上，偏振片6用于改变散射光的偏振态。

现对图2中的一路ipi系统进行分析，设在散射角θ＝50°区域，记录粒子的离焦条纹图，光束面中心到成像透镜5的距离为175mm，离焦像面到成像透镜5的距离为71.5mm，相对折射率m＝1.33，计算得，该ipi系统最大和最小可测的粒子直径分别为dp,max＝137.18μm和dp,min＝2.53μm。

在dp,min≤d≤dp,max范围内的粒子，其条纹图可以记录在ccd7上，提取条纹图的条纹数n，即可得到粒子尺寸信息。如若要测量2.53-150μm范围内的粒子，对直径d＞dp,max＝137.18μm的粒子，由于其条纹间距小于2δx(δx为ccd的像素尺寸)，即不满足抽样定律，条纹太密无法记录，因而不能测量，限制了测量范围。

为了克服这一问题，采用图2所示的两路ipi系统，对小粒子，记录粒子的条纹图，对大粒子，记录粒子的聚焦像，扩大了粒径测量范围。

在散射角θ＝50°区域，记录粒子垂直偏振光产生的离焦条纹图。在散射角θ＝70°区域，记录粒子的聚焦像。提取聚焦两点像间距δl和干涉条纹图的条纹数n，计算得到粒子场4的粒子直径d。对条纹图和聚焦两点像，分别由：

和

计算，得到粒子场4的粒子直径d，式中m＝n/n0＞1，n，n0分别为粒子的折射率和周围介质折射率，m为聚焦成像系统的放大率，θ为散射角，α为光学系统的收集角，λ为激光波长。可测粒子尺寸范围为该两路系统可测的最大和最小粒径值。

图3给出了散射角θ＝50°时，直径为2.53μm粒子的条纹图，提取条纹数n，计算可得到粒子直径。图4给出了散射角θ＝70°时，直径为150μm粒子的聚焦像，提取聚焦两点像间距δl，计算可得到粒子直径。

这两路系统的散射光均为垂直偏振光，对图4所对应的系统，也可以采用平行偏振光，或自然光。利用离焦像系统，实现小粒径测量，利用聚焦像系统，实现大粒径测量，且测量上限高，范围大。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。