[發(fā)明專利]一種粒子場(chǎng)全息同軸和離軸再現(xiàn)光路系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710757551.6
• 申請(qǐng)日: 2017-08-29
• 公開（公告）號(hào): CN107688284A
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐青;曹娜;雷嵐;馬繼明;韓長(zhǎng)材
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北核技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G03H1/22
• 分類號(hào): G03H1/22
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司61211
• 代理人: 楊引雪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及粒子場(chǎng)脈沖激光全息測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種粒子場(chǎng)全息同軸和離軸再現(xiàn)光路系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

粒子場(chǎng)脈沖激光全息測(cè)量(簡(jiǎn)稱“粒子場(chǎng)全息測(cè)量”)是利用脈沖激光全息成像方法對(duì)某種機(jī)制產(chǎn)生的大量微小粒子(例如，霧化水滴、油滴、爆轟顆粒、微小浮游生物和粉塵等)的空間分布、粒徑以及速度等參數(shù)進(jìn)行定量化測(cè)量的一項(xiàng)技術(shù)，它是目前激光全息的一大應(yīng)用領(lǐng)域。

粒子場(chǎng)全息測(cè)量的記錄方式包含同軸和離軸兩種，具體光路如圖1和圖2所示。同軸記錄使用擴(kuò)束準(zhǔn)直后的激光束照射粒子場(chǎng)，粒子的衍射光作為物光，未被衍射的直通光作為參考光，物光和參考光同時(shí)經(jīng)過4F光學(xué)成像系統(tǒng)，照射到全息干板上。整個(gè)記錄光路只有一條光軸，比較簡(jiǎn)單，適用于測(cè)量數(shù)密度較低的粒子場(chǎng)。如果粒子場(chǎng)的數(shù)密度較大，直通光大量減少，需要采用離軸方式進(jìn)行記錄。離軸記錄方式中，首先將激光光束分成兩束，分別進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直，其中一束照射粒子場(chǎng)，粒子的衍射光經(jīng)過4F光學(xué)成像系統(tǒng)，作為物光照射到全息干板上，另一束作為參考光經(jīng)全反射鏡反射后照射到全息干板上。物光與參考光的夾角一般在30°左右，兩者的光強(qiáng)比在1:2～1:4范圍內(nèi)。同時(shí)，物光與參考光的光程差小于激光光源的相干長(zhǎng)度。

由于粒子場(chǎng)中粒子直徑在微米量級(jí)，對(duì)應(yīng)的夫瑯和費(fèi)遠(yuǎn)場(chǎng)距很小(毫米～厘米量級(jí))。同時(shí)，形成的粒子場(chǎng)特別是高速運(yùn)動(dòng)的粒子場(chǎng)會(huì)對(duì)全息干板造成干擾或破壞，影響全息圖記錄。若要克服上述兩個(gè)問題，同軸和離軸記錄方式中均需使用4F光學(xué)成像系統(tǒng)將粒子場(chǎng)成像到全息干板前表面之后的附近區(qū)域進(jìn)行全息記錄。另外，為了保證全息再現(xiàn)過程中粒子場(chǎng)的再現(xiàn)像不發(fā)生畸變，經(jīng)過4F光學(xué)成像系統(tǒng)的物光光軸要與全息干板垂直。

粒子場(chǎng)全息測(cè)量的一般再現(xiàn)光路：對(duì)全息干板進(jìn)行再現(xiàn)時(shí)，為了得到無畸變的準(zhǔn)確實(shí)像，再現(xiàn)光必須使用全息記錄時(shí)參考光的共軛光照明全息干板，此時(shí)全息干板的乳膠面需要背向光源。粒子場(chǎng)全息測(cè)量分為同軸和離軸兩種記錄方式，再現(xiàn)光路也分為同軸和離軸兩種。

一.同軸再現(xiàn)光路。圖3是最常用的一種同軸全息再現(xiàn)光路。再現(xiàn)光源采用單模連續(xù)激光器，波長(zhǎng)與全息記錄時(shí)所用的脈沖激光器波長(zhǎng)相同。擴(kuò)束鏡采用顯微物鏡，綜合考慮準(zhǔn)直鏡的口徑及焦距來確定擴(kuò)束鏡的放大倍率。準(zhǔn)直鏡采用消像差透鏡，根據(jù)干板尺寸來確定其擴(kuò)束口徑。準(zhǔn)直后的平行光作為再現(xiàn)光垂直入射到全息干板上，衍射場(chǎng)的光軸(即再現(xiàn)粒子場(chǎng)的光軸)與再現(xiàn)光的光軸重合。三維移動(dòng)平臺(tái)的三個(gè)軸組成整體且相互垂直，從上往下依次是y軸、x軸和z軸。成像物鏡采用消像差的小景深透鏡組，具有一定的放大倍率，圖像采集相機(jī)采用高分辨、低噪聲的科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)。再現(xiàn)采集時(shí)，再現(xiàn)粒子場(chǎng)位于成像物鏡前工作面附近，采集相機(jī)的靈敏面與成像物鏡的后工作面重合后，它們之間的間隔固定不變。控制三維移動(dòng)平臺(tái)，移動(dòng)全息干板的位置，使再現(xiàn)粒子場(chǎng)以“逐層分幅”方式成像到采集相機(jī)的靈敏面上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)再現(xiàn)粒子場(chǎng)的采集。

布置同軸再現(xiàn)光路時(shí)，先利用細(xì)激光束從后向前逐一校準(zhǔn)各個(gè)光學(xué)元件的光軸。由于再現(xiàn)光必須垂直于全息干板，所以要求移動(dòng)平臺(tái)的z軸在移動(dòng)過程中要始終平行于再現(xiàn)光的光軸，因此，在光路布放時(shí)需要對(duì)三維移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行反復(fù)地調(diào)校。

二.離軸再現(xiàn)光路。圖4是一種常用的離軸全息再現(xiàn)光路，各光學(xué)元件的要求與同軸再現(xiàn)光路相同。再現(xiàn)采集時(shí)，再現(xiàn)光沿全息記錄時(shí)參考光的共軛方向入射到全息干板上，衍射場(chǎng)的光軸與再現(xiàn)光的光軸所夾銳角即全息記錄時(shí)物光和參考光的夾角。

對(duì)再現(xiàn)粒子場(chǎng)進(jìn)行采集時(shí)，需要用到“分層分幅”的采集方式，見文獻(xiàn)3[羅振雄，粒子場(chǎng)全息圖的再現(xiàn)和圖像處理技術(shù)研究[D]，綿陽:中國工程物理研究院，2005:20-34]。全息干板在三維移動(dòng)平臺(tái)控制下，按圖5所示順序移動(dòng)，使采集相機(jī)對(duì)再現(xiàn)的三維粒子場(chǎng)沿垂直于衍射場(chǎng)光軸的每個(gè)層面上進(jìn)行分幅采集，沿衍射場(chǎng)光軸方向進(jìn)行分層切片采集。分幅采集時(shí)，相鄰兩幅圖像之間有一定的重疊區(qū)域，用于圖像拼接，拼接后形成一個(gè)層面的整幅圖像；分層切片采集時(shí)，需要根據(jù)粒子尺寸設(shè)置一定的分層采集間隔，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)同一縱列不同層面切片圖像的處理和對(duì)比，完成再現(xiàn)粒子像在焦定位的目的。

由上述描述可知，現(xiàn)有的粒子場(chǎng)一般再現(xiàn)光路存在以下問題：