[發明專利]一種ICF靶丸內冰層折射率分布的測量裝置和方法

有效

• 申請號: 202010133607.2
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111289469B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 劉東;嚴天亮;陳楠;盧岸;胡曉波;臧仲明;張鵠翔
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 彭劍

1.一種ICF靶丸內冰層折射率分布的測量裝置，其特征在于，包括光纖激光器(1)、光纖準直鏡(2)、第一偏振分束鏡(3)、載有平面反射鏡(4)的PZT、非偏正分束鏡(5)、第二偏振分束鏡(6)、待測靶丸(7)、透鏡(8)、線偏振片(9)、CCD圖像傳感器(10)、高功率LED(11)、光闌(12)和電腦(13)；

其中，所述的光纖激光器(1)、光纖準直鏡(2)、第一偏振分束鏡(3)、PZT上載有的平面反射鏡(4)沿同一水平線依次設置，光纖激光器(1)的光纖頭插入光纖準直鏡(2)的入光端口，光纖準直鏡(2)的出光口與第一偏振分束鏡(3)的入光口對齊，第一分束鏡(3)透射光的出光口與PZT上載有的平面反射鏡(4)呈45°設置；

與光纖激光器(1)平行方向上沿一水平線依次設置高功率LED(11)、光闌(12)、第二偏振分束鏡(6)、待測靶丸(7)、非偏振分束鏡(5)、透鏡(8)、線偏振片(9)和CCD圖像傳感器(10)；其中，光闌(12)出光口位于高功率LED(11)的正中心，第二偏振分束鏡(6)設置在光闌(12)出光口，并且保持與第一偏振分束鏡(3)縱向對齊；非偏振分束鏡(5)與PZT上載有的平面反射鏡(4)保持縱向對齊；CCD圖像傳感器(10)與電腦(13)連接，用于獲取移相干涉圖和背光投影圖；

光纖激光器(1)和高功率LED(11)分別作為干涉檢測光路和背光投影檢測光路的光源，兩個光源同時只能打開一個，用于分別獲取移相干涉圖和背光投影圖；

獲取移相干涉圖時，待測靶丸(7)的后表面、透鏡(8)、CCD圖像傳感器(10)三者的設置距離滿足成像共軛關系；獲取背光投影圖時，使待測靶丸(7)的縱向截面、透鏡(8)、CCD圖像傳感器(10)三者的設置距離滿足成像共軛關系。

2.一種ICF靶丸內冰層折射率分布的測量方法，其特征在于，使用權利要求1所述的測量裝置，包括以下步驟：

(1)安裝干涉檢測光路和背光投影檢測光路；在干涉檢測光路中，從光纖激光器發出激光經過光纖準直鏡擴束后成為準直激光束，經過第一偏振分束鏡分為兩束：一束透過第一偏振分束鏡，并且在經過PZT臺上載有的反射鏡反射，到達第二偏振分束鏡；另一束由第一偏振分束鏡反射后被非偏振分束鏡反射，穿過待測靶丸，并到達第二偏振分束鏡與第一束光合束，經過透鏡、線偏振片，最終被透鏡成像在CCD圖像傳感器上，得到干涉圖；其中，待測靶丸的后表面、透鏡、CCD圖像傳感器的距離滿足成像共軛關系；

在背光投影檢測光路中，將光纖激光器光源關閉，打開高功率LED光源，從高功率LED發出的準直光束經過光闌后口徑縮小，經過偏振分束鏡后分為兩束：一束出射到裝置之外；一束穿過待測靶丸后再穿過第二偏振分束鏡，經過透鏡、線偏振片，最終被透鏡成像在CCD圖像傳感器上，得到背光投影圖；將從CCD圖像傳感器獲取的背光投影圖和干涉圖在電腦中進行處理；其中，移動靶丸以使待測靶丸的縱向截面、透鏡、CCD圖像傳感器的距離滿足成像共軛關系；

(2)對CCD圖像傳感器所采集到的已經穩定不再抖動的干涉圖，打開PZT的驅動器，對干涉圖進行四步移相操作，保存得到的四步移相干涉圖；

(3)針對保存的四步移相干涉圖，進行解相位、解包裹、Zernike擬合處理，得到波前圖；

(4)對應于干涉檢測光路，設定穿過待測靶丸軸線的光線入射高度為0，光線入射點與待測靶丸軸線的垂直距離為入射高度設為x，x為小于靶丸內半徑的正實數；分別追跡從高度為0與高度為x入射的光線；入射高度為0的光線直線穿過待測靶丸，被CCD圖像傳感器像面中心接收；而入射高度為x的光線在待測靶丸各個界面上多次偏折后，被CCD圖像傳感器接收的點距CCD圖像傳感器像面中心的距離為r；

設這兩條光線從入射到被CCD圖像傳感器接收時對應的光程差為OPD，得到式(1)：

OPL(x,n_2(i,j))-OPL(0,n_2c)＝OPD, (1)

其中，OPD為常數，從波前圖中直接測得，OPL(x,n₂)是從高度x入射的光線對應的光程，OPL(0,n₂)是從高度0入射的光線對應的光程；x為光線入射高度，n_2(i,j)為坐標第(i,j)個像素點處的冰層折射率，n_2c為靶丸球心處的冰層折射率；

由于靶丸的偏折作用，從高度x入射的光線在靶丸后表面出射進而成像到CCD圖像傳感器的高度為：

x+Δx＝r, (2)

其中，x為光線入射靶丸時的高度，Δx為光線經過靶丸偏折的高度；

設入射高度相近的兩條光線，其所對應的入射光線高度以及出射光線高度分別為x₁，x₂及r₁，r₂；根據這些參數以及上式(1)與(2)，聯立得到

式中，是從高度x₁入射的光線對應的光程，是從高度x₂入射的光線對應的光程；Δx₁與Δx₂分別為兩支入射光線經過靶丸偏折的高度，可以通過入射光線高度以及靶丸參數導出；r₁與r₂分別為兩支光線經過靶丸的出射高度，可在波前圖上直接測得；為兩支光線經過靶丸的對應位置處的平均折射率，近似認為兩支光線折射率相等；

求解出入射光線高度x₁，x₂以及兩支光線所對應位置處的折射率

(5)對于入射高度為x₁的光線，其對應的出射光線高度及對應靶丸位置折射率分別為r₁，將之代入公式(1)，得到下列公式(4)，求解后得出靶丸球心折射率n_c，作為基準折射率；

(6)對于各像素所對應的入射光線高度x的光線，有

式中，OPL(x,n_2(i,j))是從高度x入射的光線對應的光程，OPL(0,n₂)是從高度0入射的光線對應的光程；x為光線入射高度，n_2(i,j)為坐標第(i,j)個像素點處的冰層折射率，n_2c為靶丸球心處的冰層折射率；通過得到的各個像素點上的冰層折射率，從而獲取在CCD像面上的折射率分布；

(7)對于在CCD像面上的折射率分布，將其轉換為在靶丸坐標系下的折射率分布，具體為：通過對每個像素應用式(5)同步求解出的各像素所對應的入射光線高度x，得到了一系列的(x_(i,j),r_(i,j))映射關系，從而可以將CCD像面上的折射率分布轉換至靶丸坐標系，得到(x,n₂)關系,從而得到靶丸冰層的折射率分布。

3.根據權利要求2所述的ICF靶丸內冰層折射率分布的測量方法，其特征在于，步驟(1)中，背光投影檢測光路中，依據背光投影圖亮環的銳度判定對靶丸進行定位，干涉檢測光路在此基礎上進行定位；依據背光投影圖亮環的銳度判定對靶丸進行定位的具體步驟為：

以3-5μm的步長移動靶丸，對各位置采集到的背光投影圖進行濾波、提取孔徑操作；針對這些處理后的圖像，依據梯度函數，計算亮環附近環形區域的銳度；找出銳度最大的背光圖，將靶丸移向其所對應的位置，從而形成待測靶丸的縱向截面、透鏡、CCD圖像傳感器的距離滿足成像共軛關系。