СПОСОБ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ
METHOD FOR HOLOGRAPHIC ANALYSIS OF SUSPENDED PARTICLES

Изобретение относится к технике измерений, 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 (SU 1278628, G01K15/02, от 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 (SU 1032370, G01N15/02, от 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. 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.
Известно устройство анализа изображений частиц (патент US 2007/0273878 A1, G01N21/00 от 29.11.2007 и JP 2006-118899A, G01N15/02 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 (патент RU 2124194 C1, G01N21/45 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 (патент JP2007263864А, G01N21/47 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 (патент CN102003936, G01N21/45 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 (патент RU 2433872 C1, B05B12/08 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 (патент RU 2436068 С1, G01N15/02 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.
Известен способ анализа взвешенных частиц (патент RU 2054652 C1, G01N15/02 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 резкостиуказанных изображений.
Недостатками данного способа являются пониженные точность и достоверность определения дисперсного состава в случаях частиц сложной формы при их хаотической ориентации в потоке.
Известен способ анализа взвешенных частиц (патент RU № 2436067 C1, G01N15/02, от 10.12.2011 г.), позволяющий получить на фотокатоде видеокамеры одновременно три изображения, соответствующие проекции частицы на три плоскости.
Недостаток данного способа состоит в том, что размеры частиц определяются лишь в трех плоскостях проекции, что затрудняет оценку несферических частиц сложной формы при их хаотической ориентации в потоке.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ анализа взвешенных частиц (патент  RU 2503947 C1, G01N15/02 от 10.01.2014), включающий освещение потока частиц световым пучком и регистрацию изображений частиц, по которым и судят о размерах и формах последних при этом световой пучок после прохождения потока разворачивают по отношению к исходному пучку и вновь пропускают через поток, где регистрация изображения частиц происходит с четырёх  различных углов светового потока.
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 так же повышении точности измерений для частиц сложной конфигурации за счет дополнительной обработки голограмм.
Этот результат достигается тем, что способ голографического анализа взвешенных частиц, включающий освещение потока частиц световым пучком и регистрацию изображений частиц, по которым и судят о размерах и формах последних, в котором световой пучок после прохождения потока частиц разворачивают по отношению к исходному пучку и вновь пропускают через поток частиц, где регистрация изображения частиц происходит с четырёх различных углов светового пучка, так же световой пучок является когерентным и он предварительно разделяется на опорный и объектный, при этом опорный направляется сразу на матрицу из приборов с зарядовой связью, а объектный направляется на матрицу из приборов с зарядовой связью через поток частиц.
На фиг.1 представлена общая схема устройства для реализации способа; на фиг.2 показан вид изображения в плоскости регистрации с различных углов.
Устройство содержит источник 1 когерентного света (лазерный излучатель), разделительную призму 2 и 25, объектив 3,   фокусирующий свет через зеркало 4 и объектив 5 в некоторую область 6 потока частиц. На пути светового пучка расположены объективы 3, 5,  7,  9, 11, 12, 14, 16, 17, 19, 21, 22,  24, а также расположены зеркала 4, 8, 10, 13, 15, 18, 20, 23, которые установлены так, что ось светового пучка на выходе направлена в область потока частиц.
Объективы 5 и 7, 11 и 12, 16 и 17, 21 и 22 не лежат на одной оси, но проходят через счетную область пучка, где пересекаются в некоторой точке в плоскости регистрации матрицы с приборами с зарядовой связью (ПЗС-матрицы), цифровой видеокамеры 26, подключенной к персональному компьютеру 27, который обрабатывает полученные голограммы частицы 28, 29, 30, 31.
Работает устройство по предлагаемому способу следующим образом.
Поток частиц (область 6) освещают когерентным лазерным объектным пучком, формируемым источником 1, разделительной призмой 2, объективом 3, зеркалом 4 и объективом 5.  После прохождения потока частиц (область 6) этот объектный пучок системой объективов 7,  9, 11, 12, 14, 16, 17, 19, 21, 22, 24 и зеркал 8, 10, 13, 15, 18, 20, 23 разворачивают под разными углами относительно области 6 и четыре раза пропускают через поток частиц (область 6).
o
o
o
o
o
o
o
o
Указанная оптическая система разворота пучка строит действительное изображение частицы, причем это изображение соответствует проекции частицы на плоскость под углами в сферических координатах  относительно области 6:  (r, 45, 90), (r, 135, 180), (r, 45, 270), (r, 135, 0).
Если частица находится точно в общем фокусе всех объективов, то изображения накладываются друг на друга. Этого можно избежать, если несколько разнести указанные фокусы в направлении потока частиц (на величину, превосходящую максимальный размер частицы). Очевидно, что в этой схеме возможно ограничение счетного объема, допустимой глубиной резкости, используя в качестве критерия расстояние между изображениями.
С выхода объектива 24 проходя через разделительную призму 25 сформированный объектный пучок, несущий информацию о четырех изображениях частицы, соответствующие ее проекциям на плоскости под разными углами, интерферирует с опорным пучком, который от источника 1 через разделительную призму 2 так же поступает в разделительную призму 25. Далее цифровой видеокамерой 26 регистрируется голографическое изображение частицы в четырех проекциях.
Полученные изображения переносятся с цифровой видеокамеры в память персонального компьютера 27 для последующей обработки и хранения.
o
o
o
o
o
o
o
o
На фиг. 2 показаны голографические изображения одной частицы 28, 29, 30, 31, которые  соответствуют съемке частицы под углами в сферических координатах  относительно области 6:  (r, 45, 90), (r, 135, 180), (r, 45, 270), (r, 135, 0) соответственно.
Таким образом, в плоскости матрицы ПЗС цифровой видеокамеры 26 (в плоскости регистрации) формируются четыре голографических изображения каждой частицы, соответствующие её проекциям на плоскость под разными углами, 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  на расстоянии  от плоскости голограммы может быть представлено в параксиальном приближении следующим образом:
<img file="00000005.jpg" he="20" wi="160" img-content="undefined" img-format="jpg" /> ,
(1)
где: - комплексная амплитуда опорной волны,
- распределение интенсивности в плоскости записи голограммы
,
где:  комплексная амплитуда объектной волны.
Уравнение (1) служит отправной точкой для численного восстановления изображения в цифровой голографии в параксиальном приближении.
В случае частиц сложной конфигурации используется цифровое восстановление формы частицы по слоям, т.е.  по отдельным плоским сечениям.
Восстановление частицы по слоям легко реализуется на ЭВМ и алгоритмически описывается следующими операциями:
1.  Выполнение двумерного преобразования Фурье над массивом исходных данных.
2. Умножение результата на известный фазовый множитель.
3. Выполнение обратного двумерного преобразования Фурье.
Заменим, что п.п. 2, 3 выполняются заново для каждого восстанавливаемого сечения.
Применение цифрового распознавания голографических изображений восстановленных частиц, позволяет хранить в ЭВМ массивы данных о размерах и формах частиц сложной формы.
Таким образом, рассмотренный способ, в отличие от известных способов, позволяет получить в плоскости регистрации четыре голографических изображения одной частицы, соответствующие ее проекциям на плоскости под разными углами в сферических координатах, что существенно повышает информативность измерений по сравнению с существующими способами и устройствами.