專利名稱：顆粒場(chǎng)緊湊式數(shù)字全息裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于顆粒場(chǎng)的數(shù)字全息測(cè)量技術(shù)，特別涉及一種顆粒場(chǎng)緊湊式數(shù)字全息裝 置，以及基于該裝置的顆粒數(shù)字全息圖的獲取方法。
背景技術(shù)：
多相流領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)全場(chǎng)三維、瞬態(tài)和實(shí)時(shí)的顆粒場(chǎng)測(cè)量技術(shù)提出了迫切的要 求。全息方法是其中的重要方法，發(fā)展?jié)摿薮?。全息技術(shù)同時(shí)記錄顆粒散射光的光強(qiáng)和 相位信息，從而獲得顆粒在三維空間的位置、粒徑和速度等信息，具有瞬時(shí)凍結(jié)三維流場(chǎng)和 永久保存的特點(diǎn)。數(shù)字全息技術(shù)是一種以CCD電荷耦合器為探測(cè)器來記錄顆粒全息圖，并 利用數(shù)字重建方法完成重構(gòu)的技術(shù)。由于數(shù)字全息技術(shù)采用C⑶代替早期全息技術(shù)中采用 的全息干板，避免了繁雜費(fèi)時(shí)的顯影定影等干板處理和光學(xué)重建，近年來得到了快速發(fā)展。但令人感到不足的是，目前的數(shù)字全息裝置均采用簡(jiǎn)單的Gabor共軸模式，即激 光光束照射到顆粒場(chǎng)，顆粒的前向衍射光作為物光，激光光束中未被散射的光作為參考光。 Gabor模式相對(duì)比較簡(jiǎn)單，對(duì)激光相干性要求也比較低，但激光發(fā)射單元和CCD接收單元同 軸布置在被測(cè)對(duì)象的兩邊，只能用于較小流場(chǎng)的測(cè)量，無法應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較大尺度流場(chǎng) 測(cè)試。此外，Gabor模式還要求被測(cè)流場(chǎng)兩側(cè)開口，因此，限制了數(shù)字全息技術(shù)在多相流顆 粒場(chǎng)尤其是實(shí)際工業(yè)流場(chǎng)中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提一種顆粒場(chǎng)緊湊式數(shù)字全息 裝置。為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是
提供一種顆粒場(chǎng)緊湊式數(shù)字全息裝置，包括激光光源、空間濾波器和準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡；激光 光源、空間濾波器、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、分束器和第一半透半反鏡沿激光光源的發(fā)射方向依次順序 布置；在與激光光源的發(fā)射方向呈90°的方向上，分束器、衰減器和第二半透半反鏡依次 順序布置；在與激光光源的發(fā)射方向呈相反的方向上，全反鏡、第二半透半反鏡、成像鏡頭 和CCD探測(cè)器依次順序布置，且全反鏡的位置與第一半透半反鏡相對(duì)應(yīng)；CCD探測(cè)器通過信 號(hào)線連接至計(jì)算機(jī)。本發(fā)明中，激光光源是一臺(tái)單縱模半導(dǎo)體激光器；空間濾波器和準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡是一 個(gè)能將激光光束進(jìn)行空間濾波、擴(kuò)束和準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)；分束器是能將激光光源發(fā)出的光 束分為反射光束和透射光束各占50%的介質(zhì)膜板；第一半透半反鏡和第二半透半反鏡是能 將光束分為反射光束和透射光束各占50%的介質(zhì)膜板；衰減器是能夠按一定比例衰減入射 光線光強(qiáng)的光學(xué)器件；成像鏡頭是一個(gè)高通光孔徑的鏡頭；CCD探測(cè)器是一種電荷耦合器 CCD ；待測(cè)顆粒場(chǎng)是待研究的在某一空間運(yùn)動(dòng)的顆粒群；計(jì)算機(jī)是用來實(shí)時(shí)重構(gòu)CCD探測(cè)器 上記錄的并已數(shù)字化了的顆粒場(chǎng)全息圖。作為更進(jìn)一步的目的，本發(fā)明提供了基于前述顆粒場(chǎng)緊湊式數(shù)字全息裝置的顆粒 數(shù)字全息圖的獲取方法，包括(1)將待測(cè)顆粒場(chǎng)置于第一半透半反鏡之后的激光光路上；
(2)激光光源發(fā)射的光束經(jīng)空間濾波器的濾波處理、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡的準(zhǔn)直和擴(kuò)束處理后， 由分束器分為光束A和光束B兩路輸出；其中，光束A經(jīng)過衰減器后照射到第二半透半反鏡 上，光束B透過第一半透半反鏡后照射到待測(cè)顆粒場(chǎng)；
(3)待測(cè)顆粒場(chǎng)中產(chǎn)生的后向散射光C由第一半透半反鏡和全反鏡反射后，與光束A在 第二半透半反鏡中相遇產(chǎn)生顆粒全息圖，并經(jīng)成像鏡頭投射至CXD探測(cè)器，CXD探測(cè)器將獲 取的顆粒數(shù)字全息圖傳送至計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
(1)由于在CCD探測(cè)器前面配備成像鏡頭，可以方便地控制全息圖的記錄平面，尤其是 能夠保證記錄平面在第一半透半反鏡右側(cè)；而在傳統(tǒng)Gabor無成像透鏡全息裝置中，全息 圖記錄平面只能為CCD探測(cè)器傳感器平面。(2)由于采用了顆粒的后向散射光作為物光，從而激光發(fā)射和CCD接收可以布置 在同一側(cè)，使數(shù)字全息系統(tǒng)緊湊和便攜，為數(shù)字全息的工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。


圖1為本發(fā)明中顆粒場(chǎng)緊湊式數(shù)字全息裝置的布置和測(cè)量原理示意圖。圖中的附圖標(biāo)記為1激光器；2空間濾波器；3擴(kuò)束鏡；4分束器；5第一半透半反 鏡；6全反鏡；7第二半透半反鏡；8衰減器；9成像鏡頭；10 CXD探測(cè)器；11計(jì)算機(jī)；12待測(cè) 顆粒場(chǎng)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基本思想是以顆粒的后向散射光代替前向衍射光作為物光波，把CCD 接收單元移到激光發(fā)射單元側(cè)，并在CCD探測(cè)器前面配置高通光孔徑成像鏡頭，以獲得合 適的記錄距離，從而構(gòu)成一套緊湊型的基于顆粒后向散射的數(shù)字全息裝置。對(duì)所拍攝的顆 粒全息圖進(jìn)行數(shù)字重建，獲得被測(cè)顆粒場(chǎng)中顆粒的空間位置、粒徑和速度等信息。激光光源工作以后，經(jīng)空間濾波器濾去高頻分量、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束后，經(jīng)分 束器分成A和B兩束光，A光束經(jīng)過衰減器后照射到第二半透半反鏡上，B光束透過第一 半透半反鏡后照射待測(cè)顆粒場(chǎng)，顆粒的后向散射光C由第一半透半反鏡和全反鏡反射后 與A光束在第二半透半反鏡中相遇產(chǎn)生顆粒全息圖，并進(jìn)入成像鏡頭9和CXD探測(cè)器10， 將CCD探測(cè)器曝光獲得一張待測(cè)顆粒場(chǎng)的全息圖，或者設(shè)置一定的拍攝頻率連續(xù)拍攝待 測(cè)顆粒場(chǎng)的全息圖，并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。對(duì)顆粒場(chǎng)全息圖按照數(shù)字重建的方法進(jìn)行重構(gòu) [參見在先技術(shù):Pan G. Digital holographic imaging for 3D particle and flow measurements[PhD]. Buffalo: State University of New York at Buffalo, 2003]，獲 得顆粒的空間位置、粒徑和速度分布(按一定時(shí)間間隔拍攝連續(xù)兩幅及以上顆粒全息圖時(shí)) ^fn 息。參考附圖，下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施方法進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明的緊湊式數(shù)字全息裝置有下列元部件組成激光光源1，空間濾波器2、準(zhǔn) 直擴(kuò)束鏡3、分束器4、第一半透半反鏡5、全反鏡6、第二半透半反鏡7、衰減器8、成像鏡頭 9、CXD探測(cè)器10、計(jì)算機(jī)11。
激光光源1、空間濾波器2、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡3、分束器4和第一半透半反鏡5沿激光光 源1的發(fā)射方向依次順序布置；在與激光光源1的發(fā)射方向呈90°的方向上，分束器4、衰 減器8和第二半透半反鏡7依次順序布置；在與激光光源1的發(fā)射方向呈相反的方向上，全 反鏡6、第二半透半反鏡7、成像鏡頭9和CXD探測(cè)器10依次順序布置，且全反鏡6的位置 與第一半透半反鏡5相對(duì)應(yīng)；CCD探測(cè)器10通過信號(hào)線連接至計(jì)算機(jī)。待測(cè)顆粒場(chǎng)12置 于第一半透半反鏡5之后的激光光路上。所述的激光光源1是一臺(tái)單縱模半導(dǎo)體激光器，功率50 mW，相干長(zhǎng)度大于1 m ；空 間濾波器2和準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡3是一個(gè)能將激光光束進(jìn)行空間濾波、擴(kuò)束(50倍)和準(zhǔn)直的光學(xué) 系統(tǒng)；分束器4是能將激光光源1發(fā)出的光束分為反射和透射各50%的介質(zhì)膜板；第一半透 半反鏡5和第二半透半反鏡7均為反射和透射各50%的介質(zhì)膜板；衰減器8是能夠按一定 比例衰減入射光線光強(qiáng)的光學(xué)器件；成像鏡頭9是一個(gè)高通光孔徑的鏡頭，焦距為50 mm, 通光孔徑為4 cm或更高；探測(cè)器10是一種電荷耦合器CCD，分辨率為IM或更高，像素尺寸 為10 μ m ；待測(cè)顆粒場(chǎng)12是待研究的在某一空間運(yùn)動(dòng)的顆粒群。本發(fā)明緊湊式數(shù)字全息裝置的工作原理是
激光光源1工作以后，經(jīng)空間濾波器2濾去高頻分量、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡3準(zhǔn)直擴(kuò)束后，經(jīng)分 束器4分成A和B兩束光，A光束經(jīng)過衰減器8后照射到第二半透半反鏡7上，B光束透過 第一半透半反鏡5后照射待測(cè)顆粒場(chǎng)12，顆粒的后向散射光C由第一半透半反鏡5和全反 鏡6反射后與A光束在第二半透半反鏡7中相遇產(chǎn)生顆粒全息圖，并進(jìn)入成像鏡頭9和CXD 探測(cè)器10，全息圖存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)11中。本發(fā)明中顆粒數(shù)字全息圖的獲取方法，包括
激光光源1、CCD探測(cè)器10和計(jì)算機(jī)11工作以后，在激光光源1輸出光路的第一半透 半反鏡5右側(cè)5 10 cm處放置一塊含有標(biāo)準(zhǔn)刻度的標(biāo)定板，板面與激光光線垂直。對(duì)成 像鏡頭9進(jìn)行對(duì)焦，使CCD探測(cè)器10對(duì)標(biāo)定板成清晰像，并保存至計(jì)算機(jī)11。根據(jù)幾何光 學(xué)方法確定成像系統(tǒng)的放大倍率，即從標(biāo)定板圖像中讀出單位刻度(1 mm或1 cm)所占的 像素個(gè)數(shù)，從而確定單個(gè)像素所顯示的尺寸，與CCD相機(jī)單像素的物理尺寸比值即為放大 倍率。而標(biāo)定板所在的平面即為成像平面，也是全息圖的記錄平面。根據(jù)被測(cè)顆粒的散射特性確定衰減器8的衰減倍率，如對(duì)散射能力差的煤粉顆 粒，可設(shè)置為1000倍或更高，對(duì)玻璃珠等散射能力強(qiáng)的顆粒，可設(shè)置為100倍。移開標(biāo)定板，將數(shù)字全息裝置整體平移，使激光出射光束照射待測(cè)的顆粒場(chǎng)12，并 且像平面到待測(cè)顆粒場(chǎng)的距離合適，通常為5 20 cm。將CXD探測(cè)器10曝光獲得一張待測(cè)顆粒場(chǎng)12的全息圖，或者設(shè)置一定的拍攝頻 率連續(xù)拍攝待測(cè)顆粒場(chǎng)12的全息圖，并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)11中。對(duì)顆粒場(chǎng)全息圖按照數(shù)字重建的方法[參見在先技術(shù)Pan G. Digital holographic imaging for 3D particle and flow measurements[PhD]. Buffalo: State University of New York at Buffalo, 2003]進(jìn)行重構(gòu)，獲得顆粒的空間位置、粒徑和速度 分布(按一定時(shí)間間隔拍攝連續(xù)兩幅及以上顆粒全息圖時(shí))等信息。
權(quán)利要求
1.顆粒場(chǎng)緊湊式數(shù)字全息裝置，包括激光光源、空間濾波器和準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡，其特征在 于，激光光源、空間濾波器、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、分束器和第一半透半反鏡沿激光光源的發(fā)射方向 依次順序布置；在與激光光源的發(fā)射方向呈90°的方向上，分束器、衰減器和第二半透半 反鏡依次順序布置；在與激光光源的發(fā)射方向呈相反的方向上，全反鏡、第二半透半反鏡、 成像鏡頭和CCD探測(cè)器依次順序布置，且全反鏡的位置與第一半透半反鏡相對(duì)應(yīng)；CCD探測(cè) 器通過信號(hào)線連接至計(jì)算機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒場(chǎng)緊湊式數(shù)字全息裝置，其特征在于，所述激光光源是 單縱模半導(dǎo)體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒場(chǎng)緊湊式數(shù)字全息裝置，其特征在于，所述分束器是能 將激光光源發(fā)出的光束分為反射光束和透射光束各占50%的介質(zhì)膜板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊式數(shù)字全息裝置，其特征在于，所述第一半透半反鏡和 第二半透半反鏡是能將光束分為反射光束和透射光束各占50%的介質(zhì)膜板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊式數(shù)字全息裝置，其特征在于，所述CCD探測(cè)器是電荷耦 合器CCD ο
6.基于權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述顆粒場(chǎng)緊湊式數(shù)字全息裝置的顆粒數(shù)字全息圖的 獲取方法，包括(1)將待測(cè)顆粒場(chǎng)置于第一半透半反鏡之后的激光光路上；(2)激光光源發(fā)射的光束經(jīng)空間濾波器的濾波處理、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡的準(zhǔn)直和擴(kuò)束處理后， 由分束器分為光束A和光束B兩路輸出；其中，光束A經(jīng)過衰減器后照射到第二半透半反鏡 上，光束B透過第一半透半反鏡后照射到待測(cè)顆粒場(chǎng)；(3)待測(cè)顆粒場(chǎng)中產(chǎn)生的后向散射光C由第一半透半反鏡和全反鏡反射后，與光束A在 第二半透半反鏡中相遇產(chǎn)生顆粒全息圖，并經(jīng)成像鏡頭投射至CXD探測(cè)器，CXD探測(cè)器將獲 取的顆粒數(shù)字全息圖傳送至計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)。
全文摘要
本發(fā)明涉及顆粒場(chǎng)的數(shù)字全息測(cè)量技術(shù)，旨在提供一種顆粒場(chǎng)緊湊式數(shù)字全息裝置及方法。該裝置包括激光光源和沿激光光源的發(fā)射方向依次順序布置的空間濾波器、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、分束器和第一半透半反鏡；在與激光光源的發(fā)射方向呈90°的方向上，分束器、衰減器和第二半透半反鏡依次順序布置；在與激光光源的發(fā)射方向呈相反的方向上，全反鏡、第二半透半反鏡、成像鏡頭和CCD探測(cè)器依次順序布置，且全反鏡的位置與第一半透半反鏡相對(duì)應(yīng)；CCD探測(cè)器通過信號(hào)線連接至計(jì)算機(jī)。本發(fā)明可以方便地控制全息圖的記錄平面，尤其是能夠保證記錄平面在第一半透半反鏡右側(cè)；激光發(fā)射和CCD接收可以布置在同一側(cè)，使數(shù)字全息系統(tǒng)緊湊和便攜。
文檔編號(hào)G01B11/00GK102121817SQ201010599928
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者吳學(xué)成, 周昊, 岑可法, 邱坤贊, 陳玲紅 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)