颗粒场紧凑式数字全息装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及颗粒场的数字全息测量技术，旨在提供一种颗粒场紧凑式数字全息装置及方法。该装置包括激光光源和沿激光光源的发射方向依次顺序布置的空间滤波器、准直扩束镜、分束器和第一半透半反镜；在与激光光源的发射方向呈90°的方向上，分束器、衰减器和第二半透半反镜依次顺序布置；在与激光光源的发射方向呈相反的方向上，全反镜、第二半透半反镜、成像镜头和CCD探测器依次顺序布置，且全反镜的位置与第一半透半反镜相对应；CCD探测器通过信号线连接至计算机。本发明专利技术可以方便地控制全息图的记录平面，尤其是能够保证记录平面在第一半透半反镜右侧；激光发射和CCD接收可以布置在同一侧，使数字全息系统紧凑和便携。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术关于颗粒场的数字全息测量技术，特别涉及一种颗粒场紧凑式数字全息装 置，以及基于该装置的颗粒数字全息图的获取方法。
技术介绍
多相流领域的发展对全场三维、瞬态和实时的颗粒场测量技术提出了迫切的要 求。全息方法是其中的重要方法，发展潜力巨大。全息技术同时记录颗粒散射光的光强和 相位信息，从而获得颗粒在三维空间的位置、粒径和速度等信息，具有瞬时冻结三维流场和 永久保存的特点。数字全息技术是一种以CCD电荷耦合器为探测器来记录颗粒全息图，并 利用数字重建方法完成重构的技术。由于数字全息技术采用C⑶代替早期全息技术中采用 的全息干板，避免了繁杂费时的显影定影等干板处理和光学重建，近年来得到了快速发展。但令人感到不足的是，目前的数字全息装置均采用简单的Gabor共轴模式，即激 光光束照射到颗粒场，颗粒的前向衍射光作为物光，激光光束中未被散射的光作为参考光。 Gabor模式相对比较简单，对激光相干性要求也比较低，但激光发射单元和CCD接收单元同 轴布置在被测对象的两边，只能用于较小流场的测量，无法应用到工业现场较大尺度流场 测试。此外，Gabor模式还要求被测流场两侧开口，因此，限制了数字全息技术在多相流颗 粒场尤其是实际工业流场中的应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提一种颗粒场紧凑式数字全息 装置。为解决技术问题，本专利技术的解决方案是提供一种颗粒场紧凑式数字全息装置，包括激光光源、空间滤波器和准直扩束镜；激光 光源、空间滤波器、准直扩束镜、分束器和第一半透半反镜沿激光光源的发射方向依次顺序 布置；在与激光光源的发射方向呈90°的方向上，分束器、衰减器和第二半透半反镜依次 顺序布置；在与激光光源的发射方向呈相反的方向上，全反镜、第二半透半反镜、成像镜头 和CCD探测器依次顺序布置，且全反镜的位置与第一半透半反镜相对应；CCD探测器通过信 号线连接至计算机。本专利技术中，激光光源是一台单纵模半导体激光器；空间滤波器和准直扩束镜是一 个能将激光光束进行空间滤波、扩束和准直的光学系统；分束器是能将激光光源发出的光 束分为反射光束和透射光束各占50%的介质膜板；第一半透半反镜和第二半透半反镜是能 将光束分为反射光束和透射光束各占50%的介质膜板；衰减器是能够按一定比例衰减入射 光线光强的光学器件；成像镜头是一个高通光孔径的镜头；CCD探测器是一种电荷耦合器 CCD ；待测颗粒场是待研究的在某一空间运动的颗粒群；计算机是用来实时重构CCD探测器 上记录的并已数字化了的颗粒场全息图。作为更进一步的目的，本专利技术提供了基于前述颗粒场紧凑式数字全息装置的颗粒 数字全息图的获取方法，包括(1)将待测颗粒场置于第一半透半反镜之后的激光光路上；(2)激光光源发射的光束经空间滤波器的滤波处理、准直扩束镜的准直和扩束处理后， 由分束器分为光束A和光束B两路输出；其中，光束A经过衰减器后照射到第二半透半反镜 上，光束B透过第一半透半反镜后照射到待测颗粒场；(3)待测颗粒场中产生的后向散射光C由第一半透半反镜和全反镜反射后，与光束A在 第二半透半反镜中相遇产生颗粒全息图，并经成像镜头投射至CXD探测器，CXD探测器将获 取的颗粒数字全息图传送至计算机中存储。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是(1)由于在CCD探测器前面配备成像镜头，可以方便地控制全息图的记录平面，尤其是 能够保证记录平面在第一半透半反镜右侧；而在传统Gabor无成像透镜全息装置中，全息 图记录平面只能为CCD探测器传感器平面。(2)由于采用了颗粒的后向散射光作为物光，从而激光发射和CCD接收可以布置 在同一侧，使数字全息系统紧凑和便携，为数字全息的工业应用奠定了基础。附图说明图1为本专利技术中颗粒场紧凑式数字全息装置的布置和测量原理示意图。图中的附图标记为1激光器；2空间滤波器；3扩束镜；4分束器；5第一半透半反 镜；6全反镜；7第二半透半反镜；8衰减器；9成像镜头；10 CXD探测器；11计算机；12待测 颗粒场。具体实施例方式本专利技术的基本思想是以颗粒的后向散射光代替前向衍射光作为物光波，把CCD 接收单元移到激光发射单元侧，并在CCD探测器前面配置高通光孔径成像镜头，以获得合 适的记录距离，从而构成一套紧凑型的基于颗粒后向散射的数字全息装置。对所拍摄的颗 粒全息图进行数字重建，获得被测颗粒场中颗粒的空间位置、粒径和速度等信息。激光光源工作以后，经空间滤波器滤去高频分量、准直扩束镜准直扩束后，经分 束器分成A和B两束光，A光束经过衰减器后照射到第二半透半反镜上，B光束透过第一 半透半反镜后照射待测颗粒场，颗粒的后向散射光C由第一半透半反镜和全反镜反射后 与A光束在第二半透半反镜中相遇产生颗粒全息图，并进入成像镜头9和CXD探测器10， 将CCD探测器曝光获得一张待测颗粒场的全息图，或者设置一定的拍摄频率连续拍摄待 测颗粒场的全息图，并存储于计算机中。对颗粒场全息图按照数字重建的方法进行重构 . Buffalo: State University of New York at Buffalo, 2003]，获 得颗粒的空间位置、粒径和速度分布(按一定时间间隔拍摄连续两幅及以上颗粒全息图时) ^fn 息。参考附图，下面将对本专利技术实施方法进行详细描述。本专利技术的紧凑式数字全息装置有下列元部件组成激光光源1，空间滤波器2、准 直扩束镜3、分束器4、第一半透半反镜5、全反镜6、第二半透半反镜7、衰减器8、成像镜头 9、CXD探测器10、计算机11。激光光源1、空间滤波器2、准直扩束镜3、分束器4和第一半透半反镜5沿激光光 源1的发射方向依次顺序布置；在与激光光源1的发射方向呈90°的方向上，分束器4、衰 减器8和第二半透半反镜7依次顺序布置；在与激光光源1的发射方向呈相反的方向上，全 反镜6、第二半透半反镜7、成像镜头9和CXD探测器10依次顺序布置，且全反镜6的位置 与第一半透半反镜5相对应；CCD探测器10通过信号线连接至计算机。待测颗粒场12置 于第一半透半反镜5之后的激光光路上。所述的激光光源1是一台单纵模半导体激光器，功率50 mW，相干长度大于1 m ；空 间滤波器2和准直扩束镜3是一个能将激光光束进行空间滤波、扩束(50倍)和准直的光学 系统；分束器4是能将激光光源1发出的光束分为反射和透射各50%的介质膜板；第一半透 半反镜5和第二半透半反镜7均为反射和透射各50%的介质膜板；衰减器8是能够按一定 比例衰减入射光线光强的光学器件；成像镜头9是一个高通光孔径的镜头，焦距为50 mm, 通光孔径为4 cm或更高；探测器10是一种电荷耦合器CCD，分辨率为IM或更高，像素尺寸 为10 μ m ；待测颗粒场12是待研究的在某一空间运动的颗粒群。本专利技术紧凑式数字全息装置的工作原理是激光光源1工作以后，经空间滤波器2滤去高频分量、准直扩束镜3准直扩束后，经分 束器4分成A和B两束光，A光束经过衰减器8后照射到第二半透半反镜7上，B光束透过 第一半透半反镜5后照射待测颗粒场12，颗粒的后向散射光C由第一半透半反镜5和全反 镜6反射后与A光束在第二半透半反镜7中相遇产生颗粒全息图，并进入成像镜头9和CXD 探测器10，全息图存储在计算机11中。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．颗粒场紧凑式数字全息装置，包括激光光源、空间滤波器和准直扩束镜，其特征在于，激光光源、空间滤波器、准直扩束镜、分束器和第一半透半反镜沿激光光源的发射方向依次顺序布置；在与激光光源的发射方向呈９０°的方向上，分束器、衰减器和第二半透半反镜依次顺序布置；在与激光光源的发射方向呈相反的方向上，全反镜、第二半透半反镜、成像镜头和ＣＣＤ探测器依次顺序布置，且全反镜的位置与第一半透半反镜相对应；ＣＣＤ探测器通过信号线连接至计算机。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：岑可法，吴学成，陈玲红，周昊，邱坤赞，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86