[发明专利]一种多色光照明三维粒子成像系统及方法

说明书

本发明公开了一种多色光照明三维粒子成像系统及方法，该系统包括照明模块、待测样品、光学成像子系统、图像记录子系统和粒子图像重建子系统；本发明利用照明模块的多色光照明待检测粒子场，得到目标散射光场，并传输至光学成像子系统；光学成像子系统接收散射光场进行光学成像或光学信息处理得到粒子的各个波长图像，并把处理后的各个波长图像传输至图像记录子系统，通过多个CCD相机记录多波长图像；对每个波长图像进行衍射重建，得到多波长重建图像；通过融合多波长重建图像获取三维层析图像，并对三维层析图像进行图像处理获取三维粒子图像。本发明提供高精度粒子坐标、高信噪比及高对比度重建图像、能够适应复杂环境中的粉尘及颗粒检测。

技术领域

本发明涉及三维粒子场表征技术领域，具体涉及一种多色光照明三维粒子成像系统及方法。

背景技术

利用三维成像技术获取粒子三维坐标、形状、速度是冲击动力学、湍流、海洋、生物、大气等相关领域粒子动力学研究的重要内容。根据相关报道，目前相关研究中，主要采用全息技术获取三维粒子信息。

全息成像技术具有三维再现能力，能够给出颗粒的三维空间分布和粒径分布，在粒子场信息(包括颗粒数量、空间分布、颗粒度)表征方面优势明显，并获得了广泛应用，相关研究已有近30年的历史。

其主要原理如下：用准直激光照明粒子场，其前向散射场经光学系统传播至记录介质平面，并与未受干扰的透射波干涉，产生全息图像；通过全息重建方法及图像处理技术，可获得三维粒子信息。

然而，受制于激光相干性及光路元器件多次反射的影响，图像中会引入相干噪声，当与粒子强度可比拟时，无法从背景识别粒子。并且，由于光学系统缺陷、相邻粒子间的多次散射和检测环境复杂性等都会降低全息图像对比度。尤其在复杂环境中，由于粒子浓度动态范围大，传统全息技术无法获取有效数据，甚至失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的全息成像技术受制于激光相干性及光路元器件多次反射的影响，图像中会引入相干噪声，当与粒子强度可比拟时，无法从背景识别粒子。并且，由于光学系统缺陷、相邻粒子间的多次散射和检测环境复杂性等都会降低全息图像对比度。尤其在复杂环境中，由于粒子浓度动态范围大，传统全息技术无法获取有效数据，甚至失效。

本发明目的在于提供一种多色光照明三维粒子成像系统及方法，本发明公开了一种多色光照明、多幅图像合成的三维粒子成像技术，具体如下：用多色光照明待检测粒子场得到散射光场，用光学成像子系统接收散射光场，并用多个CCD相机(包括黑白相机和彩色相机)同时记录多波长图像，对每个波长进行衍射重建，融合多波长信息进行三维层析图像重建。本发明系统及方法可抑制相干噪声、系统噪声及环境噪声，可提高粒子图像重建质量，从而可提高粒子信息获取精度。并且，本发明可采用紧凑型光纤激光照明方式，能够提供一种便携式三维粒子成像系统。

因此，发展多色光照明三维粒子成像技术，对于复杂环境中(如煤矿、车间及建筑工程等环境)的粉尘及颗粒检测具有重要意义。

本发明通过下述技术方案实现：

一方面，本发明提供了一种多色光照明三维粒子成像系统，该系统包括：照明模块、光学成像子系统、图像记录子系统和粒子图像重建子系统；所述图像重建子系统通过数据传输线连接所述图像记录子系统，所述图像重建子系统通过控制线连接所述照明模块；

照明模块，用于产生多色照明源，通过粒子图像重建子系统触发所述多色照明源，多色照明源输出不同波长的多色光以不同角度(包括同轴及斜入射)照明待测样品区域，得到目标散射光；所述多色照明源包括功率可调的连续多色照明源或脉冲能量可调的脉冲多色照明源；

所述光学成像子系统，用于把目标散射光进行光学成像或光学信息处理得到粒子的各个波长图像，并把处理后的各个波长图像传输至图像记录子系统；

所述图像记录子系统，用于记录所述光学成像子系统处理得到的各个波长图像；