СПОСОБ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2015 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к технике автоматизации измерений и может использоваться в электронной промышленности, медицине, биологии, экологии, химической промышленности, порошковой металлургии и других областях науки и техники, связанных с анализом взвешенных частиц.

Известен способ анализа взвешенных частиц (А.с. SU 1278628, G01N 15/02, 23.12.1986), включающий освещение потока частиц и регистрацию амплитуд импульсов рассеянного частицами света, по которым и судят о размерах частиц.

Недостаток данного способа состоит в том, что он не предоставляет информацию о форме частиц, поскольку определяется не геометрический, а так называемый сферооптический размер (данной частице ставят в соответствие размер сферы, дающей такую же амплитуду импульса рассеянного света).

Известен способ анализа взвешенных частиц (А.с. SU 1032370, G01N 15/02, 30.07.1983), включающий освещение потока частиц плоскими полосами света, разделенными полосами тени различной ширины, и регистрацию количества импульсов рассеянного каждой частицей света, по которым и судят о размерах частиц.

Недостаток этого способа состоит в том, что размер частиц (хотя и геометрический) определяется лишь в одном направлении, перпендикулярном направлению полос, т.е. данный способ также не дает информацию о форме частиц.

Известен способ анализа взвешенных частиц (Беляев С.П., Никифорова Н.К., Смирнов В.В. и др. "Оптико-электронные методы изучения аэрозолей". М: Энергоиздат, 1981, с.126-130), включающий освещение потока частиц световым пучком и регистрацию изображений частиц, по которым и судят о размерах последних.

Недостаток данного способа состоит в том, что размеры частиц определяются лишь в одной плоскости проекции, кроме того, для ограничения счетного объема вдоль оси светового пучка приходится формировать этот пучок с заданной степенью когерентности и достаточно сложным образом дополнительно обрабатывать изображения, т.е. реализация способа весьма непроста.

Известен способ определения размеров аэрозольных частиц (патент RU 2098794, G01N 15/02 от 10.12.1997), заключающийся в том, что аэрозольные частицы облучают пучком монохроматического излучения, регистрируют величины потоков рассеянного вперед этого излучения, определяют апертурный угол θ фотоприемника, при котором поток монохроматического излучения, рассеянный в конусе с апертурным углом θ, составляет половину всего рассеянного потока излучения и находят размеры аэрозольных частиц.

Основным недостатком этого способа является повышенная трудоемкость определения размеров аэрозольных частиц, связанная с необходимостью проведения нескольких замеров, без автоматизации обработки результатов измерения, причем при реализации способа необходимо знать величину показателя преломления среды суспензии, который меняется при изменении среды, состоящей из полидисперсных частиц.

Известен способ исследования микрообъектов (Пат. RU 2154815, G01IN 15/02 от 20.05.1998), который состоит в том, что исследуемые микрообъекты облучают пучком излучения, максимальный линейный размер объема когерентности которого в зоне облучения микрообъектов не превышает 30% от среднего расстояния между частицами в пространстве. С помощью оптической системы формируют изображения исследуемых микрообъектов и после считывания измеряют их геометрические параметры на уровне сигнала, зависящем от когерентности освещения и апертурного угла оптической системы формирования изображения. Анализ микрообъектов производят автоматически с помощью ЭВМ, для этого в процессе сканирования изображения микрообъектов заносят в память ЭВМ и измеряют их параметры, после чего изображения микрообъектов выводят на экран дисплея, группируя все изображения в одном или нескольких кадрах, затем визуально оценивают результаты автоматического анализа и выявляют дополнительные свойства микрообъектов, определение которых не предусмотрено программой ЭВМ.

Основным недостатком этого способа является повышенная трудоемкость определения размеров аэрозольных частиц, а также то, что размеры частиц определяются лишь в одной плоскости проекции.

Известно устройство анализа изображений частиц (Пат. US 2007/0273878 A1, G01N 21/00 от 15.05.2007 и JP 2006-118899 А, G01N 15/02 от 11.05.2006), содержащее: осветительный блок, блок для захвата изображения и блок обработки изображения. Работа устройства заключается в освещении частиц, захвате полученного изображения и обработке полученных изображений с помощью порогового устройства для анализа извлеченных частиц и получения их морфологических особенностей.

Недостаток данного способа состоит в том, что размеры частиц определяются лишь в одной плоскости проекции, что не дает возможность точно определять форму частиц.

Известен голографический способ определения показателя преломления частиц дисперсных сред (Пат. RU 2124194 С1, G01N 21/45 от 27.12.1998), в котором для измерения показателя преломления частицы освещают исследуемую среду когерентным излучением, при помощи оптической системы строят ее действительное изображение вблизи фотоматериала, регистрируют голограмму этого изображения, восстанавливают голограмму и при помощи плавной перефокусировки увеличивающей оптической системы достоверно обнаруживают в восстановленном голографическом изображении дисперсную частицу и точку фокусировки преломленного частицей излучения, измеряют продольные координаты центрального сечения частицы и точки фокусировки преломленного ею излучения, а также измеряют размер частицы. По измеренным величинам определяют показатель преломления частицы дисперсной среды.

Недостаток данного способа состоит в повышенной трудоемкости определения показателя преломления частиц, связанную с необходимостью использования фотоматериала, т.е в отсутствии возможности автоматизации измерения.

Известен способ и устройство для цифрового голографического измерения (Пат. JP 2007263864 A, G01N 21/47 от 10.11.2007), в котором лазерное излучение проходит через пространственные фильтры и объективы, направляется в область инжектора распыления аэрозольного вещества, рассеяние и интерференция которого фиксируется видеокамерой как цифровой файл голограммы, который обрабатывается компьютером.

Недостаток данного способа состоит в том, что в данном изобретении невозможно получить полную информацию о форме частиц при их сложном строении, так как регистрация изображения происходит только в одной плоскости проекции.

Известен способ и устройство для одновременного измерения положения, размеров и комплексного показателя преломления частиц (Пат. CN 102003936, G01N 21/45 от 06.04.2011), который включает разделение когерентного лазерного луча на два после пространственной фильтрации и расширение пучка в коллиматоре, направление одного луча в область регистрации потока частиц, а другого луча для использования в качестве эталона, смешивание рассеянного частицами луча и второго луча так, чтобы образовать голограмму, сохранение голограммы в компьютере с помощью цифровой камеры и в устройства обработки изображений, получение серии восстановленных изображений обнаруженных частиц с использованием цифровой технологии реконструкции, и определение параметров частиц за счет использования цифровой обработки полученных изображений.

Недостаток данного способа состоит в том, что размеры и форма частиц определяются лишь в одной плоскости проекции.

Известно устройство для определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости (Пат. RU 2433872 C1, В05В 12/08 от 20.11.2011), в котором с помощью осевой схемы регистрации осуществляется голографическая регистрация капель распыляемого топлива при работе форсунки дизельного двигателя. Скоростная видеокамера фиксирует получаемые изображения и далее они обрабатываются программой в персональном компьютере для выдачи информации о размерах капель жидкости.

Недостаток данного устройства состоит в том, что оно не позволяет получать изображения о форме частиц в разных плоскостях проекций, т.е. не дает точную информацию о форме в случае не шарообразных частиц.

Известен способ определения дисперсного состава аэрозольных частиц в выхлопных газах (Пат. RU 2436068, G01N 15/02 от 10.12.2011), при котором пучок оптического излучения пропускают через область аэрозольных частиц, облучают эту область этим пучком оптического излучения, формируют изображение на экране из потоков рассеянного и прошедшего через область аэрозольных частиц оптического излучения и судят о дисперсном составе аэрозольных частиц. В качестве пучка оптического излучения используют лазерный луч, размеры которого увеличивают путем пропускания через образованный двумя линзами коллиматор, обрезают полученный лазерный луч по размеру цифровой матрицы видеокамеры посредством диафрагмы и после облучения области аэрозольных частиц этим лазерным лучом полученный поток рассеянного аэрозольными частицами лазерного излучения направляют на цифровую матрицу скоростной видеокамеры и формируют изображение на экране цифровой матрицы из потока прошедшего через область аэрозольных частиц оптического излучения для регистрации голограммы микрочастиц, причем перед облучением области аэрозольных частиц лазерным лучом последний направляют на цифровую матрицу скоростной видеокамеры и формируют изображение на экране из потока оптического излучения для регистрации голограммы без микрочастиц, а о дисперсном составе аэрозольных частиц судят после перевода полученной голограммы микрочастиц и голограммы без микрочастиц в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя путем вычитания картины голограммы без микрочастиц из картины голограммы микрочастиц и вычитания из полученной при этом картины постоянной засветки цифровой матрицы скоростной видеокамеры.

Недостаток данного способа состоит в том, что данным способом невозможно получить полную информацию о форме частиц при сложном строении частиц, так как регистрация изображения происходит в одной плоскости проекции.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ анализа взвешенных частиц (Пат. RU 2054652 C1, G01N 15/02 от 20.02.1996), который состоит в том, что поток частиц освещают световым пучком и регистрируют изображение частиц, по которым и судят о размерах частиц. Световой пучок после прохождения потока разворачивают перпендикулярно исходному пучку и вновь пропускают через поток. Развернутый пучок оптически сопрягают с исходным в некоторой области потока, и регистрируют изображения частиц и в развернутом пучке. По полученным изображениям в двух взаимно перпендикулярных плоскостях судят о размерах частиц. Определяют расстояние между изображениями каждой частицы и о размерах судят только по тем изображениям, для которых это расстояние меньше заданного, равного глубине резкости указанных изображений.

Недостатками данного способа являются пониженные точность и достоверность определения дисперсного состава в случаях частиц сложной формы при их хаотической ориентации в потоке.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в автоматизации объективной регистрации формы частиц и их ориентации в пространстве в процессе движения дисперсного потока во всем размерном диапазоне размеров и форм, а также повышении точности измерений для частиц сложной конфигурации.

Этот результат достигается тем, что способ голографического анализа взвешенных частиц состоит в освещении потока частиц пучком когерентного излучения, который разделяется на два пучка опорный и объектный и регистрации голограммы изображений частиц, по которым и судят о размерах последних, причем объектный световой пучок после прохождения потока частиц разворачивают перпендикулярно исходному пучку и вновь пропускают через поток частиц, при этом развернутый объектный пучок оптически сопрягают с исходным объектным пучком в некоторой области потока и регистрируют матрицей ПЗС в развернутом пучке интерференционную картину объектного и опорного пучков.

В этом случае каждая частица фактически освещается двумя перпендикулярными пучками, а ее голографическое изображение в каждом из пучков несет более полную и точную информацию (чем существующие технические решения) о проекции частицы на плоскость, перпендикулярную оси соответствующего пучка.

На фиг.1 представлена общая схема устройства для реализации способа. На фиг 2. представлен вид изображения голограммы в плоскости регистрации, получаемой при реализации способа.

Устройство содержит источник 1 когерентного света (лазерный излучатель), разделительные призмы 2 и 11, отражательную призму 10 для отражения опорного потока, объектив 3, фокусирующий объектный пучок в некоторую область 6 потока частиц (направление потока перпендикулярно плоскости чертежа). На пути указанного светового пучка последовательно расположены объектив 8, зеркала 9, 4 объектного потока и объектив 5. При этом зеркала 9 и 4 установлены так, что ось объектного светового пучка на выходе объектива 5 перпендикулярна оси пучка на выходе объектива 3. Объективы 8 и 5 установлены так, что передний фокус объектива 8 совпадает с задним фокусом объектива 5 в некоторой точке 14. Объектив 7, соосный с объективом 5, оптически сопрягает указанный выше общий фокус в некоторой точке 14 объективов 8 и 5 с некоторой точкой в плоскости регистрации 14′ (фиг.2) матрицы ПЗС цифровой видеокамеры 12, подключенной к персональному компьютеру 13.

Работает устройство по предлагаемому способу следующим образом.

Поток частиц (область 6) освещают когерентным лазерным объектным пучком, формируемым источником 1, разделительной призмой 2 и объективом 3. После прохождения потока частиц (область 6) этот объектный пучок системой объективов 8, 5 и зеркал 9, 4 разворачивают перпендикулярно исходному пучку и вновь пропускают через поток частиц (область 6). Указанная система разворота пучка строит в области 6 действительное изображение частицы, причем это изображение соответствует проекции частицы на плоскость, перпендикулярную плоскости объективов 3 и 8, поскольку при построении этого изображения частица освещается объектным пучком от объектива 3. Полученные два изображения в области 6 объективом 7 переносятся в плоскость регистрации. Проходя через светоделительное зеркало 11 данный объектный пучок, несущий информацию о двух изображениях частицы в перпендикулярных плоскостях проекции интерферирует с опорным пучком, который через отражательную призму 10 также поступает в разделительную призму 11. Таким образом, цифровой видеокамерой 12 регистрируется голографическое изображение частицы как в прямом, так и в развернутом пучках.

Если частица находится точно в общем фокусе объективов 8, 5, то два изображения наложатся друг на друга. Этого можно избежать, если несколько разнести указанные фокусы в направлении потока частиц (на величину, превосходящую максимальный размер частицы).

Таким образом, в плоскости матрицы ПЗС цифровой видеокамеры 12 (в плоскости регистрации) формируются два голографических изображения каждой частицы, соответствующие ее проекциям на две взаимно перпендикулярные плоскости, что значительно повышает информативность данных для оценки формы несферических частиц.

Определение размеров частиц по их голографическим изображениям (цифровая голография и анализ голографических изображений) является известной задачей расчетного характера.

Численное восстановление записанной цифровым способом голограммы производится в соответствии со скалярной теорией дифракции в приближении Френеля для интеграла дифракции Рэлея-Зоммерфельда. Восстановленное дифрагированное поле в плоскости изображения (ξ, η) на расстоянии d от плоскости голограммы может быть представлено в параксиальном приближении следующим образом:

где R(x, y) - комплексная амплитуда опорной волны,

I(x, y) - распределение интенсивности в плоскости записи голограммы (x, y):

I(x,y)=|O(x,y)+R(x,y)|²,

где O(x, y) комплексная амплитуда объектной волны.

Уравнение (1) служит отправной точкой для численного восстановления изображения в цифровой голографии в параксиальном приближении.

Причем применение цифрового распознавания голографических изображений частиц позволяет хранить в ЭВМ массивы данных о размерах и формах частиц.

Таким образом, рассмотренный способ, в отличие от известных способов, позволяет получить в плоскости регистрации два голографических, соответствующие ее проекциям на взаимно перпендикулярные плоскости, что существенно повышает информативность измерений по сравнению с существующими способами и устройствами.

Изобретение относится области, связанной с анализом взвешенных частиц. При реализации заявленного способа происходит освещение потока частиц пучком когерентного излучения, который разделяется на два пучка опорный и объектный и регистрации голограммы изображений частиц, по которым и судят о размерах последних. Причем объектный световой пучок после прохождения потока частиц разворачивают перпендикулярно исходному пучку и вновь пропускают через поток частиц, при этом развернутый объектный пучок оптически сопрягают с исходным объектным пучком в некоторой области потока и регистрируют матрицей ПЗС в развернутом пучке интерференционную картину объектного и опорного пучков. В этом случае каждая частица фактически освещается двумя перпендикулярными пучками, а ее голографическое изображение в каждом из пучков несет более полную и точную информацию о проекции частицы на плоскость, перпендикулярную оси соответствующего пучка. Технический результат - автоматизация объективной регистрации формы частиц и их ориентации в пространстве в процессе движения дисперсного потока во всем размерном диапазоне размеров и форм, а также повышении точности измерений для частиц сложной конфигурации. 2 ил.

Способ голографического анализа взвешенных частиц, включающий освещение потока частиц световым пучком и регистрации изображения частиц, по которым и судят о размерах последних, причем световой пучок после прохождения потока частиц разворачивают перпендикулярно исходному пучку и вновь пропускают через поток частиц, при этом развернутый пучок оптически сопрягают с исходным в некоторой области, отличающийся тем, что световой пучок является когерентным и он предварительно разделяется на опорный и объектный, при этом опорный направляется сразу на матрицу ПЗС, а объектный направляется через поток частиц по описанному выше пути также на матрицу ПЗС, на которой регистрируется в развернутом световом пучке интерференционное изображение объектного и опорного световых пучков, соответствующих проекциям частицы на взаимно перпендикулярные плоскости.