数字显微全息中记录参数对颗粒测量影响的 数值模拟

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.20(2013)204203数字显微全息中记录参数对颗粒测量影响的数值模拟*周斌武1)吴学成1)吴迎春1)阳静1)GerardGr´ehan´2)岑可法1)1)(浙江大学热能工程研究所,能源清洁利用国家重点实验室,杭州310027)2)(鲁昂大学CORIA研究所,法国,鲁昂76801)(2013年6月12日收到;2013年7月6日收到修改稿)数字显微全息技术由于具有三维、非接触和实时测量微小空间内流场的能力,已引起了国内外学者的广泛关注.利用数字显微全息方法测量微通道流场时,记录距离、颗粒尺寸、颗粒浓度、

2、入射光波长、CCD分辨率等参数会对颗粒重建结果产生重要影响.为了评估颗粒浓度和样本空间深度对重建结果的影响,本文开展了数值模拟研究.采用基于洛伦兹-米散射理论的程序产生不同浓度的颗粒全息图,用小波变换重建算法对其进行重建.结果表明:在样本空间深度为24m时,颗粒浓度ns在3:44×105mm−313:77×105mm−3范围内时,颗粒重建率Ep随着颗粒浓度ns的增大而迅速减小,在13:77×105mm−355:08×105mm−3范围内时,颗粒重建率Ep随颗粒浓度ns增大而缓慢减少.在颗粒浓度ns(13:77×105mm−3)保持不变时,颗粒重建率Ep与样

3、本空间深度满足单调递减的线性关系.当阴影密度不变时,重建率的变化呈现一定的规律性:当深度L较小时,样本空间深度对颗粒重建的影响要比颗粒浓度的影响大;当深度L较大时,颗粒浓度对颗粒重建的影响较大.关键词:数字显微全息,颗粒浓度,粒径误差,位置误差PACS:42.40.Jv,42.30.Wb,42.40.Ht,47.61.FgDOI:10.7498/aps.62.204203数的测量.近年来采用多相机多角度拍摄和重建1引言的层析成像三维PIV技术[11]得到了较快的发展,并成功应用于颗粒场的三维瞬态测量,但是其系统近年来,随着大规模和超大规模集成电路的复杂,标定

4、程序烦琐,限制了它在微流场的应用推迅猛发展,微机电系统(microelectro-mechanical广.结合传统显微拍照技术和数字全息技术(digi-systems,MEMS)[1;2]在化学[3]、医学[4]和生命科talholography,DH)[12]、数字显微全息技术(digital学[5;6]等领域应用广泛,已经成为这些领域的研究holographicmicroscope,DHM)[13−18]具有多维、瞬热点.在能源领域,微型发动机[7]、微型热管[8]和态以及多参数测量的特点,在微通道流场[19−21]、微型反应器[9]等也引起了广泛关注.

5、微管道是微生物细胞核[5;6]和电子元器件的三维可视化等领机电系统中最简单、应用最广泛的微尺度元件.研域具有巨大的应用潜力.其中数字同轴全息因其装究微管道内微流体的流动特性,对复杂微尺度流动置布局简便得到了广泛应用:经准直扩束的激光照现象和流动机理的研究具有重要的推动作用.目前射被测颗粒场,用CCD相机记录颗粒的全息干涉国际公认的微流场有效检测手段为颗粒显微图像图,然后通过数学重建方法再现被测颗粒场,获得测速技术(microparticleimagevelocimetry,PIV)[10],颗粒形状与位置.由于无接触和精度高等特点使其具有独特的优越从目前的研

6、究报道来看,有限的CCD分辨率性,但是该技术仅仅限于两维颗粒场中单一速度参限制了测量截面的尺度(1cm×1cm),是制约数字*国家自然科学基金(批准号:51176162)和高等学校学科创新引智计划(批准号:B08026)资助的课题.通讯作者.E-mail:wuxch@zju.edu.cn⃝c2013中中中国国国物物物理理理学学学会会会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn204203-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.20(2013)204203显微全息技术[22−26]发展的重要因

7、素之一.有限被CCD平面记录,形成全息图;用相同参考光照射的CCD分辨率会造成孔径角偏小,使重建后的图全息图并发生衍射,从而重现物体图像.本文采用像产生严重的斑点噪声[27;28],并使景深扩大.全息数值模拟的方法重建颗粒场图像.图上的斑点噪声是由离焦颗粒的虚像光波、实像光波和透射光波重叠造成的,它会严重阻碍颗粒场的三维重建.扩大的景深会抑制重建颗粒精确定位的能力.与斑点噪声和景深息息相关的颗粒浓度、样本空间深度和阴影密度等参数也会对重建图像的信噪比(SNR)[29]及颗粒场的重建产生影响.因此,数字显微全息只能应用于小样本体积和低颗粒浓度的颗粒场测量.考虑

8、到这些问题,Malek等[29]验证了数字同轴全息技