[發(fā)明專利]基于數字微鏡平面結構光照明的粒子場測量裝置及測量方法

有效

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• 申請日: 2014-06-05
• 公開（公告）號: CN104034636A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發(fā)明（設計）人: 單明廣;鐘志;董全;楊曉濤;馬修真;劉友
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及的是一種粒子場測量裝置，本發(fā)明也涉及一種粒子場測量方法。

背景技術

激光成像測量方法因為其測量速度快、量程大、測量過程自動化程度高、接收光信號和粒子的化學性質無關以及非接觸測量等諸多優(yōu)點，被廣泛應用于引擎內的燃油噴霧、藥物噴劑、農藥噴霧等粒子場散射測量。根據光源和探測器的空間布局，激光成像測量方法可分為前向、后向或側向散射測量，而其中最為流行的側向散射測量方法為平面激光成像。經過三十多年的發(fā)展，最常見平面激光成像技術有粒子圖像測速技術(PIV，Particle?Image?Velocimetry)、粒子跟蹤測速技術(PTV，Particle?Tracking?Velocimetry)和平面激光誘導熒光技術(PLIF，Planar?Laser?Induce?Fluorescence)等，雖然這些技術利用光的不同散射特性和儀器方法，但都是基于光的單次散射假設，即光子只經歷一次散射便被探測器檢測。這種假設在粒子密度低以及可被檢測的光子在粒子場中的光程短時是有效的，但當粒子場密度過高時，大量光子被散射的次數將不止一次，從而使單次散射的假設不再成立，并導致圖像模糊和對比度降低，進而增加了測量的不確定性。

為了抑制多次散射的影響，瑞典科學家E.Berrocal等提出了基于平面結構光照明的粒子場成像測量方法(E.Berrocal,E.Kristensson,M.Richter,M.Linne,M.Aldén.Application?of?structured?illumination?for?multiple?scattering?suppression?in?planar?laser?imaging?of?dense?sprays.Opt.Express2008,16:17870-17881)。該方法利用光柵及柱面鏡系統(tǒng)產生用于照明的平面結構光，利用旋轉移相器移相，進而利用三步移相法抑制多次散射光的影響并完成粒子場成像測量。但受限于旋轉移相器的移相速度，該方法只能用于較低速度測量，且因為旋轉移相器旋轉的非線性，容易引起系統(tǒng)相移的不穩(wěn)定性，需要很繁瑣的標定。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種測量速度快，操作簡單的基于數字微鏡平面結構光照明的粒子場測量裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種基于數字微鏡平面結構光照明的粒子場測量測量方法。

本發(fā)明的基于數字微鏡平面結構光照明的粒子場測量裝置包括光源、準直擴束系統(tǒng)，它還包括全內反射棱鏡、數字微鏡(DMD)、第一柱面透鏡、濾波器、第二柱面透鏡、粒子場、圖像傳感器、計算機和同步控制器，光源發(fā)出的光入射至準直擴束系統(tǒng)，經準直擴束系統(tǒng)準直擴束后的出射光入射至全內反射棱鏡，經全內反射棱鏡反射后由第一端面A出射，出射光入射至DMD，經DMD生成的數字一維周期光柵反射后產生多級衍射光，所述衍射光由第一端面A再次入射至全內反射棱鏡，經全內反射棱鏡透射后由第二端面B出射，出射光入射至第一柱面透鏡，經第一柱面透鏡會聚后的出射光入射至濾波器，經濾波器濾波后保留的±1級光入射至第二柱面透鏡，經第二柱面透鏡透射的±1級光產生重疊并相干生成平面結構光，該平面結構光入射至粒子場，經粒子場散射的光由圖像傳感器的光接收面接收，圖像傳感器的圖像信號輸出端連接計算機的圖像信號輸入端；DMD和圖像傳感器的觸發(fā)輸入端連接同步控制器觸發(fā)輸出端，同步控制器觸發(fā)輸入端連接計算機的控制輸出端。

DMD位于第一柱面透鏡的前焦面上；全內反射棱鏡位于DMD和第一柱面透鏡之間；濾波器位于第一柱面透鏡的后焦面上并且位于第二柱面透鏡的前焦面上；圖像傳感器光軸與平面結構光光軸垂直并且圖像傳感器光接收面與平面結構光平面平行。

DMD生成的數字一維周期光柵為二值一維周期光柵或正弦一維周期光柵或余弦一維周期光柵。

本發(fā)明的基于數字微鏡平面結構光照明的粒子場測量方法為：準直擴束后的平行光經DMD生成的數字一維周期光柵反射后，再依次經過第一柱面透鏡、濾波器和第二柱面透鏡生成平面結構光照射粒子場，再經粒子場散射和圖像傳感器采集獲得成像圖樣；再經計算機控制同步控制器同步觸發(fā)控制DMD和圖像傳感器，由DMD控制數字一維周期光柵產生相移依次為0、2π/3和4π/3，并由圖像傳感器依次采集獲得三幅相移依次為0、2π/3和4π/3的圖樣，三幅圖樣按順序的強度分布順次為I₁、I₂和I₃，根據三幅圖樣的強度分布計算獲得粒子場(分布I_S：