本發(fā)明具體提出了激光干涉成像系統(tǒng)中樣品池的最佳擺放方式，屬于光學(xué)測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

粒子廣泛存在于大氣、化工、噴霧、醫(yī)藥、燃料燃燒、環(huán)保、流體、材料、水利、航天航空等各個領(lǐng)域。粒子的信息對研究材料和產(chǎn)品的性能和質(zhì)量具有重要的意義，所以對粒子信息的測量具有重要的意義。激光干涉成像是一種快速、精確的粒子測量技術(shù)，但是在實(shí)際的干涉成像實(shí)驗中，微小的粒子不能固定在平板或者空氣中，所以經(jīng)常需要去離子水作為媒介，盛裝在樣品池中。因而干涉成像系統(tǒng)實(shí)驗中樣品池擺放方式的研究對精確測量粒子信息具有很大的意義。

對于干涉成像系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化，專利CN105547945A公開了一種干涉粒子成像系統(tǒng)采樣區(qū)內(nèi)粒子的判別方法。該方法應(yīng)用于干涉粒子成像系統(tǒng),首先根據(jù)干涉條紋圖尺寸計算公式推導(dǎo)片狀激光束照明區(qū)域內(nèi)干涉條紋圖尺寸范圍中Φ_{t_min}～Φ_{t_max}。然后搭建干涉粒子成像實(shí)驗系統(tǒng),在系統(tǒng)離焦距g處采集干涉粒子條紋圖像,處理圖像得到實(shí)際干涉條紋圖尺寸Φ_e,若Φ_{t_min}＜Φ_e＜Φ_{t_max},則粒子在采樣區(qū)內(nèi),否則粒子不在采樣區(qū)內(nèi)。專利CN103674791A公開了一種基于兩個相等強(qiáng)度的片狀光束照射粒子干涉成像的測量方法。該方法同時采用兩條強(qiáng)度相等的片狀光束相向照射粒子場，在散射角度為90°區(qū)域記錄聚焦像或離焦像。并對獲取的圖像用修正的Rife算法處理圖像信息。此方法結(jié)合PIV/PTV可以實(shí)現(xiàn)粒子速度測量。這種原理簡單、成本低的測量方法可以用于粒子尺寸和速度信息的測量。專利CN105866013A公開了一種基于兩幅激光干涉成像離焦干涉圖的球形粒子判別系統(tǒng)及方法。該方法利用激光干涉成像原理用兩個CCD同步工作,分別接收偏振方向和與入射光相同和垂直的粒子散射光的離焦干涉圖,利用起偏器、檢偏器調(diào)節(jié)散射光偏振方向與入射光偏振方向的角度,根據(jù)兩幅圖像的差異實(shí)現(xiàn)對球形粒子的判別測量,從而得出粒子是否為球形的結(jié)論。

基于激光干涉成像實(shí)驗系統(tǒng)，利用片狀激光束照明粒子，而粒子溶于樣品池內(nèi)的去離子水中。按樣品池表面與入射光垂直或與散射光垂直的方式擺放樣品池，并且觀察兩種擺放方式下的粒子干涉圖形判斷出物面傾斜的干涉成像系統(tǒng)中更加適合的擺放方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對物面傾斜的激光干涉成像系統(tǒng)，比較樣品池不同擺放方式下離焦像面上產(chǎn)生的離焦干涉圖，分析樣品池的擺放方式對離焦干涉圓的影響，為搭建干涉成像系統(tǒng)提供重要的指導(dǎo)意義。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種激光干涉成像系統(tǒng)中樣品池的最佳擺放方式，包括以下步驟：

1)搭建樣品池表面與光軸呈不同夾角的干涉成像系統(tǒng)；

搭建激光干涉成像系統(tǒng)，干涉成像系統(tǒng)經(jīng)過光學(xué)元器件被壓縮為片狀光束，片狀光束照射樣品池中的被測粒子，在特定散射角下利用成像鏡頭和CCD傳感器得到樣品池表面與光軸呈不同夾角時的干涉圖像，通過調(diào)節(jié)位移平臺，用CCD傳感器記錄不同位置的離焦圖像；

2)對樣品池的擺放方式進(jìn)行模擬；

利用光線追跡軟件模擬粒子表面出射點(diǎn)的成像情況，對于干涉成像測量，透明球形粒子可以看做兩個實(shí)時點(diǎn)光源，分別為經(jīng)過粒子表面反射的0階出射點(diǎn)和經(jīng)過粒子內(nèi)部折射的1階出射點(diǎn)，據(jù)此模擬不同樣品池擺放角度、不同離焦距下的像面圖像；

3)對樣品池的擺放方式進(jìn)行實(shí)驗；

對樣品池表面與光軸的夾角取不同的值進(jìn)行實(shí)驗，并記錄不同離焦距時 CCD傳感器采集到的條紋圖像；

4)實(shí)驗循環(huán)判別；

判斷條紋圖像輪廓的橫縱軸比是否為1，不為1則將樣品池傾斜角度加5°重復(fù)第三步和第四步；為1則輸出此時樣品池的傾斜角度；

5)樣品池的最佳擺放方式；

根據(jù)以上四個步驟，得到樣品池的最佳擺放方式。

進(jìn)一步的，步驟3)中對樣品池表面與光軸的夾角取值為50°-90°。樣品池表面與光軸的夾角由50°逐步到90°時，點(diǎn)光源在像面處形成的點(diǎn)列圖橫縱軸比逐漸接近于1。

進(jìn)一步的，樣品池的最佳擺放方式為圖像輪廓橫縱軸比為1時的樣品池傾斜角度。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：本發(fā)明提出一種物面傾斜的激光干涉成像系統(tǒng)中物方樣品池擺放方式對粒子離焦干涉圖的影響，利用樣品池盛裝被測粒子，當(dāng)樣品池表面與光軸呈不同夾角時得到粒子的干涉條紋圓，對比分析得到更適用于傾斜物面的樣品池擺放方式。為粒子尺寸的精確測量提供一種新的方法，為粒子的濃度、粒子數(shù)密度的測量提供了有力依據(jù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的算法流程圖。

圖2是本發(fā)明的激光干涉成像系統(tǒng)原理圖。

圖中，1半導(dǎo)體激光器，2顯微物鏡，3針孔，4準(zhǔn)直透鏡，5分光棱鏡，6凸柱透鏡，7凹柱透鏡，8樣品池，9成像鏡頭，10CCD傳感器。

圖3是本發(fā)明的兩種典型的樣品池擺放方式示意圖，layout I是樣品池表面與光軸夾角為非90度的情況，layout II是樣品池表面與光軸夾角為90度的情況。

圖4是本發(fā)明中用Zemax模擬的樣品池表面與光軸夾角為75度時的光線追跡圖。其中，xyz坐標(biāo)系和原點(diǎn)位置如圖所示，原點(diǎn)距離樣品池折射表面的距離為40mm。

圖5是不同樣品池擺放角度下利用則Zemax模擬的像面圖像(相對于實(shí)驗圖旋轉(zhuǎn)90°)。圖中左側(cè)數(shù)據(jù)50°～90°分別代表樣品池相對于光軸的傾斜角度。

圖6是對標(biāo)準(zhǔn)球形粒子在傾斜角度分別為75°和90°時兩種擺放方式下不同離焦距時的實(shí)驗圖。圖6(a)-(d)為樣品池按75°傾斜角擺放時離焦距分別為-4mm，-2mm，2mm，4mm時的干涉圖。圖6(e)-(h)為樣品池按90°傾斜角擺放時離焦距分別為-4mm，-2mm，2mm，4mm時的干涉圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明提出的激光干涉成像系統(tǒng)中樣品池的最佳擺放方式如下：

1)搭建樣品池表面與光軸呈不同夾角的干涉成像系統(tǒng)；

搭建如圖2所示的激光干涉成像系統(tǒng)，系統(tǒng)中樣品池典型的擺放方式如圖3所示。擺放方式Ⅰ表示樣品池表面與光軸不垂直的情況，擺放方式Ⅱ表示樣品池表面與光軸呈90°夾角的情況，干涉成像系統(tǒng)經(jīng)過光學(xué)元器件被壓縮為片狀光束，片狀光束照射樣品池8中的被測粒子，在特定散射角下利用成像鏡頭9和CCD傳感器10得到樣品池8表面與光軸呈不同夾角時的干涉圖像，通過調(diào)節(jié)位移平臺，用CCD傳感器10記錄不同位置的離焦圖像；

2)對樣品池的擺放方式進(jìn)行模擬；

利用光線追跡軟件模擬粒子表面出射點(diǎn)的成像情況，對于干涉成像測量，透明球形粒子可以看做兩個實(shí)時點(diǎn)光源，分別為經(jīng)過粒子表面反射的0階出射點(diǎn)和經(jīng)過粒子內(nèi)部折射的1階出射點(diǎn)，據(jù)此模擬不同樣品池8擺放角度、不同離焦距下的像面圖像；

3)對樣品池的擺放方式進(jìn)行實(shí)驗；

對樣品池表面與光軸的夾角取不同的值進(jìn)行實(shí)驗，并記錄不同離焦距時CCD傳感器10采集到的條紋圖像；

4.實(shí)驗循環(huán)判別；

判斷條紋圖像輪廓的橫縱軸比是否為1，不為1則將樣品池傾斜角度加5°重復(fù)第三步和第四步；為1則輸出此時樣品池的傾斜角度。

5.樣品池的最佳擺放方式；

根據(jù)以上四個步驟，得到圖像輪廓橫縱軸比為1時的樣品池傾斜角度為樣品池的最佳擺放方式。

實(shí)施例1：

如圖1所示本發(fā)明干涉粒子成像系統(tǒng)中樣品池的最佳擺放方式的算法判別流程圖。

首先根據(jù)圖2所示的實(shí)驗原理圖實(shí)驗裝置，其中：激光器1為波長532nm的半導(dǎo)體激光器，最大功率為4w，擴(kuò)束針孔濾波由放大倍率為10×的顯微物鏡2和大小為10μm的針孔3組成，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，樣品池8的大小為：160mm×80mm×70mm，成像鏡頭9焦距為50mm，光圈F＝1.4，CCD傳感器10有效像素數(shù)為1280*960，像元大小為6.45μm*6.45μm，幀頻為15fps。

通過光闌截取的中心光斑直徑為13mm，經(jīng)過凸凹兩個柱透鏡壓縮后成為長度13mm、寬度約1.0mm的片狀光束；將直徑21.3μm的標(biāo)準(zhǔn)球形粒子置于樣品池中的去離子水中進(jìn)行測量；測量時，物距u＝90.3mm，像距v＝112mm，此時將樣品池按不同的方式進(jìn)行擺放，并且調(diào)節(jié)CCD傳感器的位置，記錄不同離焦下的粒子干涉圖。

圖5是不同樣品池擺放角度下利用則Zemax模擬的像面圖像。圖中左側(cè)數(shù)據(jù)50°～90°分別代表樣品池相對于光軸的傾斜角度。當(dāng)樣品池傾斜角度由50°變?yōu)?0°時，點(diǎn)光源在像面處形成的點(diǎn)列圖橫縱軸比分別為0.46，0.5，0.63，0.69，0.78，0.86，0.9，0.95，1，橫縱軸比逐漸接近于1，點(diǎn)列圖也由橢圓形光斑逐漸向圓形接近，所以粒子的干涉條紋圖輪廓隨著角度的變化也逐漸由橢圓形變?yōu)閳A形。

圖6是對標(biāo)準(zhǔn)球形粒子在傾斜角度分別為75°和90°時兩種擺放方式下不同離焦距時的實(shí)驗圖。其中粒子的干涉條紋圖是從CCD像面上截取的像素大小為240pixels×240pixels的圖像。圖6(a)-(d)為樣品池按75°傾斜角擺放時離焦距分別為-4mm，-2mm，2mm，4mm時的干涉圖，在前離焦和后離焦位置干涉圖的輪廓分別為扁橢圓形和長橢圓形。圖6(e)-(h)為樣品池按90°傾斜角擺放時離焦距分別為-4mm，-2mm，2mm，4mm時的干涉圖，在前離焦和后離焦位置干涉圖的輪廓均為圓形。

粒子的直徑僅與干涉條紋頻率有關(guān)而與條紋圖的輪廓無關(guān)。但由于橢圓形條紋圖相對于圓形條紋圖處理起來更加困難，因此得到的粒子準(zhǔn)確度也會有影響。根據(jù)以上兩種典型擺放方式下粒子干涉圖輪廓，可以得出更加適用于物面傾斜的系統(tǒng)的樣品池擺放方式為樣品池表面與光軸呈90°夾角的時候。