光子学报
2022, 51(12): 1223001
1 安徽大学 物质科学与信息技术研究院 安徽省信息材料与智能感知实验室, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 合肥学院, 安徽 合肥 230601
4 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
基于CMOS探测器的静态光散射法能够实现水体悬浮颗粒物粒度分布的快速检测, 受探测器工作特性和面幅大小的限制, 前向光散射的CMOS粒度测量范围和精度难以提高。提出了颗粒前向光散射的双CMOS测量技术, 重点研究双CMOS散射信号拼接测量方法, 设计消除背景干扰的CMOS探测器分环方式, 实现宽粒径范围颗粒粒度的准确测量。实验结果表明: 基于CMOS探测器的颗粒粒度测量上限提高到了1000μm, 1000μm、500μm标样的D50测量相对误差分别为0.7%、0.1%, 大粒径颗粒粒度测量准确度高; 同时双CMOS探测的方式将单CMOS的粒度测量下限由5μm提高到了2μm, 5μm、2μm标样D50相对误差分别由单CMOS的15.0%、51.1%下降至双CMOS的1.4%、2.6%。
粒度测量 Mie散射理论 CMOS图像传感器 图像处理 particle size measurement Mie scattering theory CMOS image sensor image processing
安徽大学物理与材料科学学院, 安徽 合肥 230601
水雾环境对红外辐射有着较强的衰减作用。在工业生产中水雾环境十分常见, 连铸二冷区铸坯的冷却装置采用的就是人工水雾系统, 而准确掌握连铸二冷区铸坯表面温度对提高产品质量的稳定性具有重要意义。针对二冷区大量水雾对连铸坯表面非接触式测温存在干扰的问题, 提出了一种基于 Mie 散射理论的校正方法。首先根据现场使用的气水喷嘴进行模拟实验, 分析现场水雾的水流分布, 建立水雾状态模型; 然后分析水雾状态模型下红外辐射的衰减特性, 通过模拟试验计算得到相应的消光系数, 并利用朗伯比尔定律得到红外辐射衰减的校正因子, 将校正因子添加至非接触式红外测温系统中进行实时温度值的校正。研究表明, 通过校正因子的导入能够有效地提高非接触式红外测温系统的精度。
Mie 散射理论 水雾 辐射衰减 校正因子 红外测温 Mie scattering theory water mist radiation attenuation correction factor infrared temperature measurement 大气与环境光学学报
2022, 17(4): 476
1 新疆师范大学物理与电子工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
2 新疆师范大学新型光源与微纳光学重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830054
为了找到光吸收和后向散射特性更好的纳米球壳,利用双层同心球的Mie散射理论和介电函数的尺寸修正模型定量分析了Au-Ag合金纳米球壳的内核半径、外壳厚度、合金成分和周围介质对光吸收和后向散射特性的影响。结果表明,当Au的摩尔分数为50%,步距为0.01 nm,内核分别为SiO2和真空情况时,Au-Ag合金纳米球壳的体积吸收系数最大值分别为93.660 μm -1和99.316 μm -1时,内核半径分别为27.89 nm和28.02 nm,外壳厚度分别为3.95 nm和3.35 nm;后向散射系数的最大值分别为5.280 μm -1和5.550 μm -1时,内核半径分别为56.08 nm和56.37 nm,外壳厚度分别为10.47 nm和8.89 nm。此外,当Au的摩尔分数小于9%时,Au-Ag合金纳米球壳的光吸收特性优于Au纳米球壳;当Au的摩尔分数小于11%时,Au-Ag合金纳米球壳的后向散射特性优于Au纳米球壳。
光谱学 光吸收与后向散射 Au-Ag合金纳米球壳 Mie散射理论 局域表面等离激元共振 光学学报
2021, 41(11): 1129001
1 上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093
2 上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；上海理工大学 动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093
针对低浓度液体介质中颗粒物的数目和粒径检测问题，基于几何光学原理和Mie光散射理论分析，研究光阻法对球形颗粒的检测，采用角散射并结合图像法验证信号测量的一致性。搭建了一套能采用3种方法同步测试的实验系统，通过对实验测得的6种标准颗粒的光阻信号进行标定，对不同标准颗粒脉冲幅值进行统计平均后拟合和优化，通过拟合公式进一步测定了其他颗粒的粒径。结果表明，对于标称为15.0 μm和63.6 μm标准颗粒的数目中位径与标称值偏差均小于2%，同时对于混合颗粒也具有较好的区分能力。
Mie光散射理论 光阻法 角散射法 信号标定 Mie scattering theory light-blockage angle scattering signal calibration
1 枣庄学院 光电工程学院, 山东 枣庄 277160
2 南京大学 电子科学与工程学院, 江苏省光电功能材料重点实验室, 江苏 南京 210023
大气中大量存在的复合粒子会对激光传输效率产生很大影响。由于空气中水蒸气含量较高, 以C作为凝结核外层包裹以水的核壳结构微粒对光传输具有明显的散射效应。本文应用Mie散射理论对C@H2O核壳结构微粒的散射特性进行了理论分析和数值计算, 首先给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下散射强度分布变化曲线; 其次给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下偏振变化情况; 最后讨论了光学截面与粒子半径之间的关系。结果表明各参数对前向散射强度影响较大, 入射波长越大散射强度越弱, C核半径增大粒子的前向散射增强, 水膜厚度增大粒子的前向散射增强, 而后向散射无明显影响; 入射波长较大时, 粒子在多个角度出现线偏振光, 入射波长增大、碳核半径变大、水膜厚度增大, 偏振度峰值都会增多; 随着入射波长的增大, 散射截面最大峰值位置向着半径增大的方向移动, 并伴随一定的振荡现象, 散射和消光截面在碳核半径为0.1 μm左右达到最大值。
光传输 Mie散射理论 C@H2O复合粒子 散射特性 optical transmission Mie scattering theory C@H2O composite particle scattering characteristics
四川大学 电子信息学院, 四川 成都 610065
针对光学系统在实际工作中元件表面污染粒子对光的散射问题, 以空气中Al2O3污染粒子为例, 基于米氏散射理论, 模拟和分析了元件表面双向反射分布函数(BRDF)随散射角的变化规律, 进而定量计算了元件表面全积分散射值(TIS)。在此基础上, 进一步分析了影响表面洁净度的三个主要因素(空气洁净度、工作面朝向和曝露时间)对元件表面BRDF及其TIS值的影响。结果表明, 空气洁净度等级、工作面放置方向和曝露时间等对元件表面散射量的影响均较为明显。其中, 工作面的放置方向对元件表面的散射影响尤为突出, 水平向上放置(TIS=1.93×10-4)较之垂直放置时(TIS=8.07×10-5)散射量增大一个量级, 而较之工作面水平向下放置时(TIS=3.12×10-6)增大两个量级。最后, 以卡塞格伦望远镜为例, 针对其主镜的污染容限问题, 分析了不同空气洁净度条件下主镜表面洁净度达到污染容限所用的曝露时间, 可为实际工作中污染控制和保证系统对微弱目标信号的有效探测提供参考。
散射 光学元件 米氏散射理论 空气洁净度 表面洁净度 scattering optical element Mie scattering theory air cleanliness surface cleanliness 红外与激光工程
2019, 48(1): 0120002
1 上海理工大学 能源与动力工程学院, 上海 200093
2 上海理工大学 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
研究了基于CCD传感的激光粒度测量方法和优化。在系统设计和实验参数优化基础上,设计了CCD传感器的光环尺寸,并基于Mie散射理论,建立了理论计算模型,计算了待测颗粒的理论光能分布。对标称粒径为10.9 μm和57.9 μm的聚苯乙烯乳胶标准颗粒进行实验,获得颗粒散射光能分布图像,提出了一种新的光环中心确定方法,并由编写的图像处理程序分析散射光能分布。颗粒粒径的反演结果与标称尺寸比较表明,用此测量方法得到的颗粒散射光能分布与其理论分布较一致,稳定性与重复性较好。
CCD传感器 颗粒测量 粒度分布 Mie散射理论 图像处理 CCD sensor particle measurement particle size distribution Mie scattering theory image processing
大连理工大学机械工程学院, 辽宁 大连 116024
为了探究倾斜基体激光熔覆中基体表面能量的分布规律, 利用米氏散射理论法建立了倾斜基体表面上的激光功率密度分布的数学模型, 以及激光功率密度峰值和峰值偏移量的数学模型。结果表明, 随着倾斜角度的增加, 激光功率密度会逐渐减小, 并且减小幅度逐渐增大; 激光功率密度峰值会发生偏移, 偏移量也随着倾斜角度的增加而增加, 且幅度逐渐增大。用试验对模拟结果进行验证, 获得的规律是一致的。
激光熔覆 倾斜基体 激光功率密度分布 米氏散射理论 laser cladding incline substrate effective laser power density distribution Mie scattering theory
