使用用于会聚多光束照明的VCSEL激光的粒子场成像和表征制造技术

一种提供粒子的多光束成像的设备，该设备包括被配置为生成多个光束的多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)，该多个光束彼此会聚以在粒子场内形成测量体积。该多个VCSEL被配置为提供测量体积的背景照明的均匀性。成像光学器件联接至多个VCSEL中的至少一者。数字摄像机联接至成像光学器件，以获得在数字摄像机的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像。处理器联接至数字摄像机。接至数字摄像机。接至数字摄像机。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用用于会聚多光束照明的VCSEL激光的粒子场成像和表征
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请涉及2017年8月18日递交的美国专利申请S/No.15/552,263，该美国专利申请是根据2016年2月17日递交的、名称为“MULTIPLE BEAM AND CONVERGENT LIGHT ILLUMINATION CROSSED-BEAM IMAGING”的国际申请No.PCT/US2016/018352的、根据35U.S.C.
§
371的美国国家阶段申请，该申请要求2015年2月20日递交的美国临时申请No.62/118,962的优先权。
[0003]政府许可权
[0004]本专利技术是在美国国家航空航天局(NASA)授予的No.NNX14CC65P协议下由政府支持完成的。政府具有本专利技术的某些权利。


[0005]本专利技术的实施方式涉及粒子成像。更具体地，本专利技术的实施方式涉及使用会聚光对粒子进行成像。

技术介绍

[0006]很大范围的工业过程使用液滴以及不规则形状和尺寸的固体粒子。研磨粉末、医疗吸入器和喷涂只是其中的几个示例。包括由热喷涂和其它喷涂产生的涂层在内的工业过程通常涉及确定粒子参数，例如粒子尺寸、形状、速度和空间位置。飞机结冰的区域涉及存在的冰晶和冰粒(球形冷冻液滴)中的过冷水滴。现有技术无法准确且可靠地测量这些粒子的尺寸。此外，现有技术无法将液滴与冰粒和冰晶分离。
[0007]现有的粒子成像技术包括并入使用电弧闪光灯、脉冲激光器和脉冲LED进行照明的明场成像。这些技术通常使用电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)摄像机或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)摄像机来记录粒子的阴影图像。这些技术通常使用具有漫射的准直光或近准直光来照射粒子场。然而，在这些技术中，焦外粒子(out of focus particle)在相对密集的粒子场条件下通常会产生阴影，该阴影会使焦内粒子(in focus particle)阴影图像的检测和测量变得复杂。另外，光束路径中的较大粒子可能熄灭或掩藏光束，这导致样品体积下的较小粒子图像的丢失。图像的这种丢失导致采样统计数据中出现不可接受的偏差。
[0008]通常，用于粒子成像技术的激光器是边缘发射激光二极管。边缘发射激光二极管通常由从晶片切成小块的切割棒组成。由于空气和半导体材料之间的高折射率，切割棒刻面用作反射镜。对于边缘发射激光二极管，光平行于有源层振荡，并从侧面逸出，从而形成椭圆形的激光束轮廓。
[0009]遗憾的是，用于现有粒子成像技术的激光在特征和斑点周围产生可见的衍射环。衍射环和激光辐射的斑点不利于视线(line-of-sight)显微镜使用。激光辐射的斑点和衍射会降低图像质量，并使背景光强度分布变得嘈杂且不均匀。

技术实现思路

[0010]描述了提供粒子的多光束成像的方法和设备。对于一个实施方式，一种提供粒子的多光束成像的设备包括多个垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)，该垂直腔面发射激光器被配置为生成多个光束，该多个光束彼此会聚以在粒子场内形成测量体积。该多个VCSEL被配置为在测量体积的背景照明中提供均匀性。成像光学器件联接至该多个VCSEL中的至少一者。数字摄像机联接至成像光学器件，以获得在数字摄像机的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像。处理器联接至数字摄像机。
[0011]对于一个实施方式，使用多个垂直腔面发射激光器生成彼此会聚以在粒子场内形成测量体积的多个光束，以便提供测量体积的背景照明的均匀性。获得在数字摄像机的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像。
[0012]对于一个实施方式，一种非暂时性机器可读介质包括数据，该数据当被数据处理系统访问时，使数据处理系统执行对粒子进行成像的方法，该方法包括：使用多个垂直腔面发射激光器生成彼此会聚以在粒子场内形成测量体积的多个光束，以便提供测量体积的背景照明的均匀性；以及获得在第一数字摄像机的焦平面处经过测量体积的粒子的阴影图像。
[0013]从附图和以下的详细描述中，本专利技术的实施方式的其它特征和优点将变得明显。
附图说明
[0014]通过示例而非限制的方式在附图的各图中示出了本专利技术，在附图中，相似的附图标记表示相似的元件，其中：
[0015]图1示出了使用多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)源来提供多光束成像的设备的一个实施方式的示意图。
[0016]图2示出了根据另一实施方式的使用VCSEL对粒子进行成像的设备的示意图。
[0017]图3是示出使用多个VCSEL来提供多光束成像的系统的一个实施方式的视图。
[0018]图4是示出根据一个实施方式的多光束照明系统的视图。
[0019]图5A是示出根据一个实施方式的多光束粒子成像系统的垂直腔面发射激光器(VCSEL)源的示意性布局的视图。
[0020]图5B是示出根据一个实施方式的由VCSEL源生成的光束轮廓的示例的视图。
[0021]图5C是示出在距成像系统的焦平面不同距离处经过测量体积的粒子的多光束照明图像的示例的视图。
[0022]图6A是示出根据一个实施方式的VCSEL阵列的二维照明轮廓和LED系统的二维照明轮廓的视图。
[0023]图6B是示出根据一个实施方式的多光束成像系统的VCSEL源的测量脉冲轮廓的视图。
[0024]图6C是示出根据一个实施方式的、VCSEL系统的关于开关性能的特性的表的视图。
[0025]图6D是示出根据一个实施方式的多光束成像系统的VCSEL阵列的测量光谱的视图。
[0026]图7A是根据一个实施方式的多光束成像系统的VCSEL阵列的发射区域的照片。
[0027]图7B是示出根据一个实施方式的、当由LED源照射场景时由远距离显微镜捕获的
分辨率图和当由VCSEL源照射场景时由远距离显微镜捕获的分辨率图的视图。
[0028]图8是示出包括用于生成多个照明光束的VCSEL源的多光束成像系统的另一实施方式的示意图。
[0029]图9A是示出根据一个实施方式的、通过会聚由多光束成像设备的VCSEL系统生成的光束而照射的背景901的图像的视图900。
[0030]图9B是示出根据一个实施方式的使用多光束成像设备的VCSEL照明生成的单分散液滴的图像的视图。
[0031]图9C是示出根据另一实施方式的使用多光束成像设备的VCSEL照明生成的单分散液滴的图像的视图。
[0032]图10是示出根据一个实施方式的使用多光束成像设备的VCSEL照明生成的浓喷雾图像的视图。
[0033]图11是示出根据一个实施方式的使用多光束二极管激光器照射的稀疏粒子场的图像的视图。
[0034]图12是示出根据一个实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种提供多光束成像的设备，包括：多个垂直腔面发射激光器，所述多个垂直腔面发射激光器用于生成多个光束，所述多个光束彼此会聚以在粒子场内形成测量体积，以便提供与所述测量体积相关联的背景照明的均匀性；成像光学器件，所述成像光学器件联接至所述多个垂直腔面发射激光器中的至少一者；以及第一数字摄像机，所述第一数字摄像机联接至所述成像光学器件，以获得在所述第一数字摄像机的焦平面处经过所述测量体积的第一粒子的第一阴影图像；以及连接至所述第一数字摄像机的处理器。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一阴影图像与所述背景照明之间的对比度大于在所述焦平面之外的第二粒子的第二阴影图像与所述背景照明之间的对比度。3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个光束中的每一者是由至少两个垂直腔面发射激光器生成的。4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个垂直腔面发射激光器包括至少六个垂直腔面发射激光器。5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个垂直腔面发射激光器被配置为生成相同的波长。6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个光束中的每一者具有不大于7度的光束发散角。7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个垂直腔面发射激光器的输出功率为至少750mW。8.根据权利要求1所述的设备，其中，处理器被配置为监测所述背景照明，其中，所述处理器被配置为基于所监测的背景照明来调节所述多个垂直腔面发射激光器中的至少一者的强度，以获得所述第一阴影图像。9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理器被配置为从所述背景照明确定所述第一阴影图像，其中，所述处理器被配置为基于所述第一阴影图像来识别所述第一粒子，以及其中，所述处理器被配置为基于所述第一阴影图像来确定所识别的第一粒子的尺寸。10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个垂直腔面发射激光器中的至少一者被配置为生成脉冲光束。11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述背景照明没有斑点和衍射图案。12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个垂直腔面发射激光器中的至少一些是垂直腔面发射激光器阵列的一部分。13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个垂直腔面发射激光器中的至少一些被布置成圆形图案。14.一种提供粒子的多光束成像的方法，包括：使用多个垂直腔面发射激光器生成多个光束，所述多个光束彼此会聚以在粒子场内形成测量体积，以便提供所述测量体积的背景照明的均匀性；以及获得在...

【专利技术属性】
技术研发人员：威廉，
申请(专利权)人：阿提姆技术公司，
类型：发明
国别省市：