聚焦和离焦ipi系统采样体积的理论和实验研究

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1、聚焦和离焦IPI系统采样体积的理论和实验研究TheoreticalandExperimentalResearchofSamplingVolumeinIn-focusandOut-of-focusIPISystems领域：光学工程研究生：刘京指导教师：张红霞副教授企业导师：陈家田高级工程师天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一五年十二月摘要光学成像系统是一种重要的光学信息传递和处理系统，在很多领域有着广泛的应用。传统的光学成像系统是物面、镜头主面和像面互相平行的光学系统，但在一些成像系统中物面与镜头主面和像面是不平行的，所以倾斜成像系统的研究很有意义。倾斜成像系统广泛应用于粒子场

2、测量，干涉粒子成像(IPI)系统是其中主要的应用。IPI系统的采样体积是研究粒子数浓度的基础，聚焦IPI系统的采样体积与成像系统的景深有关，而离焦IPI系统的采样体积与成像系统的景深无关。本论文研究聚焦和离焦IPI系统采样体积的计算公式和测量方法，搭建聚焦和离焦IPI实验系统，使用标准网格标定板和标准球形粒子分别对聚焦和离焦IPI系统的采样体积进行测量。本论文的工作对于确定倾斜成像系统的采样体积具有重要指导意义。本论文的主要工作：1.基于几何光学理论分析了IPI测量技术的基本原理，研究搭建IPI实验系统的几个关键问题：系统最佳散射角的选择，样品池不同摆放方式的影响、成像系统放大

3、倍率的校正以及离焦IPI实验系统具体参数的计算。2.研究仅物面倾斜和物像面双倾斜这两种聚焦IPI系统的采样体积，推导采样体积的计算公式，分析采样体积与物面倾斜角、成像镜头焦距和光圈数、系统中心放大倍率的关系。比较两种成像方式发现，物像面双倾斜聚焦IPI系统的采样体积大于仅物面倾斜聚焦IPI系统的采样体积。3.搭建两种物面倾斜聚焦IPI实验系统，采集网格标定板图像，处理图像提取目标横线平均线宽，判断清晰成像范围，得到了聚焦IPI系统的采样体积。4.提出一种离焦IPI系统采样体积的确定方法，根据CCD靶面上每一个位置x处所形成的干涉条纹圆尺寸的范围pixApixpixA来

4、确定采样区域。分21析离焦条纹圆尺寸与后向离焦距及其在CCD靶面上位置的关系，推导了离焦IPI系统采样体积的计算公式。5.搭建离焦IPI实验系统，采集标准球形粒子的离焦干涉条纹图，对全视场的干涉条纹圆尺寸范围进行了修正，获得了离焦IPI系统的采样体积。关键词：倾斜成像系统，采样体积，干涉粒子成像(IPI)，Scheimpflug原则，离焦ABSTRACTOpticalimagingsystemisanimportantopticalinformationtransmissionandprocessingsystems,whichhasimportantapplicationsi

5、nmanyfields.Aconventionalimagingsystemsatisfiestheconditionthattheobjectplane,lensplane,andimageplaneareparalleltoeachother.However,insomeimagingsystemstheobjectplaneisnotparalleltothelensplaneandimageplane;thus,theresearchoftiltedimagingsystemisofgreatsignificance.Thetiltedimagingsystemiswi

6、delyusedinthemeasurementofparticlefield,andInterferometricparticleimaging(IPI)systemisanimportantapplication.ThesamplingvolumeofanIPIsystemisthebasistostudytheparticlenumberconcentration.Thesamplingvolumeofanin-focusIPIsystemiscorrelatedtothedepthoffield,whilethesamplingvolumeofanout-of-focu

7、sIPIsystemhasnothingtodowiththedepthoffield.Thispaperstudiesthesamplingvolumeofin-focusandout-of-focusIPIsystems.Theformulaforthesamplingvolumehasbeenderived,andthemeasurementmethodhasbeenproposed.Theexperimentalsetupofin-focusandout-of-focusIPIsys