專利名稱：粒子場光學(xué)全息高精度再現(xiàn)采集系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成 像光學(xué)診斷系統(tǒng)及方法，具體涉及一種粒子場光學(xué)全息再現(xiàn)采 集系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
粒子場全息診斷技術(shù)具備非接觸、高精度、測試空間大等優(yōu)點，特別是它可以直接 給出粒子場的三維信息，已成為粒子場測量的標(biāo)準(zhǔn)方法。粒子場的再現(xiàn)采集是粒子場光學(xué) 全息診斷技術(shù)中必不可少的環(huán)節(jié)。記錄粒子場信息的全息干涉圖經(jīng)光學(xué)再現(xiàn)得到原粒子場 的三維再現(xiàn)像，用CCD接受粒子場各層面的再現(xiàn)圖像并將其輸入計算機進行存儲和后期處 理，該過程稱為粒子場的再現(xiàn)采集。由于粒子場診斷的粒子多為微米量級的小粒子，為滿足圖像接收器件CCD的分辨 要求，通常要將再現(xiàn)粒子場經(jīng)成像透鏡放大后再成像到CCD靈敏面進行接受。由于粒子場 診斷要求定量給出再現(xiàn)粒子的尺度及空間位置等參數(shù)，因此在圖像采集開始之前，必須將 再現(xiàn)粒子場的基準(zhǔn)面和CCD的靈敏面分別精確定位到成像透鏡的前焦面和后焦面處。由于成像透鏡和C⑶靈敏面存在外部機械接口部件，實驗中直接通過長度測量無 法精確確定全息干板和CCD的位置。在當(dāng)前使用的粒子場光學(xué)全息再現(xiàn)采集系統(tǒng)中，通常 先按照成像透鏡給定的物距和像距，粗略地放置全息干板和CCD，然后再細微調(diào)節(jié)。其調(diào) 節(jié)的依據(jù)為當(dāng)再現(xiàn)粒子場的基準(zhǔn)面和CCD的靈敏面分別精確定位到成像透鏡的前焦面和 后焦面時，基準(zhǔn)面上標(biāo)準(zhǔn)絲的再現(xiàn)像清晰且其放大倍數(shù)與成像透鏡設(shè)計使用的放大倍數(shù)相 同。由于調(diào)節(jié)過程沒有固定的參照，且像的清晰度對像大小的度量精度有直接的影響，使得 調(diào)節(jié)過程就很盲目，不但耗費時間多，而且定位精度低，影響了系統(tǒng)最終的數(shù)據(jù)精度。為了避免盲目性，提高工作效率，另一種做法是估測CCD的靈敏面到其機械接口 的距離，結(jié)合透鏡像距的給定值，直接通過長度測量來確定CCD的位置；再以CCD的靈敏面 為透鏡的后焦面，根據(jù)透鏡成像原理，通過判讀基準(zhǔn)面上標(biāo)準(zhǔn)絲的再現(xiàn)像清晰度來確定全 息干板的位置。這個做法中，由于存在估測誤差和長度測量誤差，使得CCD的定位不夠精 確，往往有mm量級的偏差，降低了系統(tǒng)最終的數(shù)據(jù)精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有粒子場光學(xué)全息再現(xiàn)采集技術(shù)中光路調(diào)節(jié)的效率低、精度低及其導(dǎo) 致的系統(tǒng)最終數(shù)據(jù)精度低的問題，本發(fā)明提供了一種粒子場光學(xué)全息高精度再現(xiàn)采集的系 統(tǒng)及方法，借助透鏡焦面定位裝置，依據(jù)透鏡成像原理快速實現(xiàn)了系統(tǒng)光路的精確調(diào)節(jié)，提 高了系統(tǒng)最終的數(shù)據(jù)精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種粒子場光學(xué)全息高精度再現(xiàn)采集系統(tǒng)，包括激光器1、擴束準(zhǔn)直裝置2、粒子 場信息載體、載體定位及移動裝置、成像透鏡5、(XD7、CXD定位及移動裝置、計算機9 ；所述 擴束準(zhǔn)直裝置2、粒子場信息載體、成像透鏡5、(XD7依次設(shè)置在激光器1的輸出光路上，所述(XD7與計算機9相連；所述(XD7的靈敏面設(shè)置在成像透鏡5后焦面處；所述粒子場信息載體為承載有粒子場信息的全息干板3 ；所述載體定位及移動裝置包括用于粒子場信息載 體安裝及移動控制的三維平移臺4 ；所述CXD定位及移動裝置包括用于CXD安裝及移動控 制的一維平移臺8，其特殊之處是所述CCD定位及移動裝置還包括透鏡焦面定位裝置；所 述透鏡焦面定位裝置包括定位部件6和標(biāo)準(zhǔn)分劃板10 ；所述標(biāo)準(zhǔn)分劃板安裝在定位部件6 的一端面，所述定位部件6的另一端面與成像透鏡5的物面?zhèn)冗B接；所述定位部件用于確保 標(biāo)準(zhǔn)分劃板10的光刻面位于成像透鏡5的前焦面上。上述標(biāo)準(zhǔn)分劃板10最好與定位部件6固定連接；上述定位部件6最好與成像透鏡 5活動連接。上述定位部件6優(yōu)選空心套筒。一種粒子場光學(xué)全息高精度再現(xiàn)采集方法，包括以下步驟1]圖像接受器件CXD的精確定位，具體步驟如下1. 1]在激光器1輸出的光路上依次設(shè)置擴束準(zhǔn)直裝置2和成像透鏡5，并將成像 透鏡5固定；1. 2]在成像透鏡5的物面?zhèn)劝惭b透鏡焦面定位裝置；所述透鏡焦面定位裝置包括 定位部件6和標(biāo)準(zhǔn)分劃板10 ；所述標(biāo)準(zhǔn)分劃板安裝在定位部件的一端面，所述定位部件的 另一端面與成像透鏡的物面?zhèn)冗B接；所述定位部件用于確保標(biāo)準(zhǔn)分劃板10的光刻面位于 成像透鏡5的前焦面上；1. 3]將(XD7安裝在一維平移臺8上，并將CXD設(shè)置在激光器1輸出光路上的成像 透鏡5后焦面附近，并將CCD與計算機9連接，然后沿光軸方向移動CCD7，同時在計算機上 判讀標(biāo)準(zhǔn)分劃板10的光刻面上相應(yīng)線對在CCD上所成圖像的質(zhì)量，直到圖像清晰時將CCD 固定好，則CCD7的靈敏面定位于成像透鏡的后焦面處；2]確定粒子場的軸向初始采集位置及軸向坐標(biāo)的參考零點，具體步驟如下2. 1]將成像透鏡5上的透鏡焦面定位裝置拆下取走；2. 2]將載有粒子場信息的全息干板3安裝在三維平移臺4上，并將全息干板3設(shè) 置在激光器1輸出光路上的成像透鏡5前焦面附近，然后沿光軸方向移動全息干板，同時在 計算機上判讀再現(xiàn)粒子場基準(zhǔn)面上的標(biāo)準(zhǔn)絲在CCD上的像，直到圖像清晰時，記錄全息干 板的軸向坐標(biāo)，作為粒子場的軸向初始采集位置及軸向坐標(biāo)的參考零點；3]采集粒子場圖像通過三維平移臺4順序移動全息干板3進行粒子場圖像采 集，直到全部圖像采集完成。上述的三維平移臺為步長0. Ιμπι的三維空間移動平臺；上述的一維平移臺為步 長0. 1 μ m的一維空間移動平臺。本發(fā)明的優(yōu)點1、本發(fā)明的核心特征是設(shè)計了一個透鏡焦面定位裝置(空心套筒)，該裝置用標(biāo) 準(zhǔn)分劃板的光刻面標(biāo)志透鏡前焦面的精確位置，進而借助標(biāo)準(zhǔn)分劃板根據(jù)透鏡成像原理快 速完成了 CCD的精確定位，實現(xiàn)了系統(tǒng)光路的精確調(diào)節(jié)，保證了系統(tǒng)最終的數(shù)據(jù)精度。本發(fā) 明解決了現(xiàn)有技術(shù)中光路調(diào)節(jié)的效率低、精度低以及系統(tǒng)最終數(shù)據(jù)精度低的問題。2、本發(fā)明標(biāo)準(zhǔn)分劃板10與空心套筒固定連接可避免出現(xiàn)復(fù)位精度差的問題。


圖1是本發(fā)明粒子場光學(xué)全息高精度再現(xiàn)采集方法的原理示意圖；圖2是本發(fā)明實現(xiàn)方法中步驟1]的安裝示意
圖3是本發(fā)明實現(xiàn)方法中步驟2]的安裝示意圖；圖4是本發(fā)明中透鏡焦面定位裝置與透鏡的連接的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1-激光器，2-擴束準(zhǔn)直裝置，3-全息干板，4-三維平移臺，5-成像透鏡， 6-定位部件，7-CCD，8- —維平移臺，9-計算機，10-標(biāo)準(zhǔn)分劃板。
具體實施例方式本發(fā)明粒子場光學(xué)全息高精度再現(xiàn)采集系統(tǒng)，包括激光器1、擴束準(zhǔn)直裝置2、粒 子場信息載體、載體定位及移動裝置、成像透鏡5、(XD7、CXD定位及移動裝置、計算機9 ；粒 子場信息載體為承載有粒子場信息的全息干板3，載體定位及移動裝置包括用于粒子場信 息載體安裝及移動控制的三維平移臺4，CCD定位及移動裝置包括用于CCD安裝及移動控制 的一維平移臺8以及透鏡焦面定位裝置，透鏡焦面定位裝置包括定位部件6和標(biāo)準(zhǔn)分劃板 10，定位部件6為空心套筒；擴束準(zhǔn)直裝置2、全息干板3、成像透鏡5、(XD7依次設(shè)置在激光 器1的輸出光路上，(XD7與計算機9相連；(XD7的靈敏面設(shè)置在成像透鏡5后焦面處；標(biāo) 準(zhǔn)分劃板固定安裝在空心套筒的一端面，空心套筒的另一端面與成像透鏡5的物面?zhèn)然顒?連接；空心套筒用于確保標(biāo)準(zhǔn)分劃板10的光刻面位于成像透鏡5的前焦面上。系統(tǒng)光路調(diào)節(jié)中，先將透鏡焦面定位裝置安裝在成像透鏡的物面?zhèn)?，將CXD的靈 敏面調(diào)節(jié)設(shè)置在成像透鏡后焦面處；再將透鏡焦面定位裝置拆下取走，將承載粒子場信息 的全息干板放置在成像透鏡的前焦面附近處，并調(diào)節(jié)其位置使再現(xiàn)粒子場基準(zhǔn)面上的標(biāo)準(zhǔn) 絲清晰成像在C⑶上。本發(fā)明系統(tǒng)的工作原理是通過成像透鏡將再現(xiàn)粒子場成像在圖像接受器件CXD 上，后將接受像輸入計算機以完成圖像的處理和存儲。本發(fā)明系統(tǒng)的工作步驟為步驟1、首先將CXD的靈敏面精確地定位于成像透鏡的后焦面處。具體步驟為在激光器1的輸出光路上設(shè)擴束準(zhǔn)直裝置2，在擴束準(zhǔn)直裝置2的 輸出光路上設(shè)成像透鏡5，并將成像透鏡5固定在光學(xué)導(dǎo)軌上，透鏡焦面定位裝置包括空心 套筒和標(biāo)準(zhǔn)分劃板10 ；標(biāo)準(zhǔn)分劃板固定安裝在空心套筒的一端面，空心套筒的另一端面與 成像透鏡活動連接；通過事先確定的空心套筒軸向尺寸，可使安裝在空心套筒另一端面的 標(biāo)準(zhǔn)分劃板的光刻面處于成像透鏡5的前焦面處；然后在成像透鏡5的后焦面附近處設(shè)置 (XD7，并將(XD7安裝在一維平移臺8上，將(XD7上接受的圖像輸入計算機9，在計算機9上 判讀標(biāo)準(zhǔn)分劃板的光刻面上第6組6對線的圖像質(zhì)量。通過一維平移臺8移動(XD7在光軸 上的位置，直到圖像清晰時將CCD7固定好。判讀哪個線對的圖像質(zhì)量實際上與采用的CCD 的像素有關(guān)系，像素越高所能成清晰像的線對數(shù)越大。步驟2、確定粒子場的軸向初始采集位置及軸向坐標(biāo)的參考零點。具體步驟為將步驟1光路中的透鏡焦面定位裝置拆卸下取走，在大約為成像透 鏡5的前焦面處設(shè)置載有粒子場信息的全息干板3，并將全息干板3安裝在三維平移臺4 上，在全息干板3前后對稱位置處形成被測粒子場及標(biāo)準(zhǔn)絲的再現(xiàn)實像和再現(xiàn)虛像，其再現(xiàn)實像通過成像透鏡5成像在(XD7上，在計算機9上判讀標(biāo)準(zhǔn)絲的像，通過三維平移臺4 調(diào)節(jié)全息干板3在光軸上的位置，直到標(biāo)準(zhǔn)絲圖像清晰時，記錄全息干板3的軸向坐標(biāo)，作 為粒子場的軸向初始采集位置及軸向坐標(biāo)的參考零點。步驟3、順序采集粒子場，完成全場圖像采集。

具體步驟為通過三維平移臺4順序移動全息干板3進行粒子場圖像采集，直到全 部圖像采集完成。其中激光器1是一臺連續(xù)半導(dǎo)體泵浦Nd:YAG激光光源；擴束準(zhǔn)直裝置2是一 個能將Nd:YAG激光器的輸出光擴束并準(zhǔn)直成平行光的光學(xué)裝置；載有粒子場信息的全 息干板3上有記錄粒子場信息的全息干涉圖；三維平移臺4由計算機控制，可以實現(xiàn)步長 0. Iym的三維空間移動；成像透鏡5具有小景深及恒定的放大倍數(shù)；透鏡焦面定位裝置的 一端可精確安裝在成像透鏡5的物面?zhèn)?，其另一端固定安裝有標(biāo)準(zhǔn)分劃板，標(biāo)準(zhǔn)分劃板的 光刻面用于標(biāo)志成像透鏡5前焦面的精確位置；CCD7是一種圖像接受器件，其像素大小為 7. 9 μ m ；—維平移臺8由計算機控制，可以實現(xiàn)步長0. 1 μ m的一維空間移動；計算機9上安 裝有圖像采集控制軟件。本發(fā)明步驟1中借助透鏡焦面定位裝置給出透鏡前焦面的精確位置，從而根據(jù)透 鏡成像原理，實現(xiàn)了圖像接受器件CCD的精確定位；以CCD的精確定位為基礎(chǔ)，根據(jù)透鏡成 像原理，通過步驟2精確給出了粒子場軸向坐標(biāo)的參考零點。
權(quán)利要求
1.一種粒子場光學(xué)全息高精度再現(xiàn)采集系統(tǒng)，包括激光器(1)、擴束準(zhǔn)直裝置O)、粒 子場信息載體、載體定位及移動裝置、成像透鏡( 、C⑶(7)、CXD定位及移動裝置、計算機 (9)；所述擴束準(zhǔn)直裝置( 、粒子場信息載體、成像透鏡( 、CCD(7)依次設(shè)置在激光器(1) 的輸出光路上，所述CCD (7)與計算機(9)相連；所述CCD (7)的靈敏面設(shè)置在成像透鏡(5) 后焦面處；所述粒子場信息載體為承載有粒子場信息的全息干板(3)；所述載體定位及移 動裝置包括用于粒子場信息載體安裝及移動控制的三維平移臺(4)；所述CCD定位及移動 裝置包括用于CCD安裝及移動控制的一維平移臺(8)；其特征在于所述CCD定位及移動裝置還包括透鏡焦面定位裝置；所述透鏡焦面定位裝置包括定位部件(6)和標(biāo)準(zhǔn)分劃板(10)；所述標(biāo)準(zhǔn)分劃板安裝在 定位部件(6)的一端面，所述定位部件(6)的另一端面與成像透鏡( 的物面?zhèn)冗B接；所述 定位部件用于確保標(biāo)準(zhǔn)分劃板(10)的光刻面位于成像透鏡(5)的前焦面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粒子場光學(xué)全息高精度再現(xiàn)采集系統(tǒng)，其特征在于所述標(biāo) 準(zhǔn)分劃板(10)與定位部件(6)固定連接；所述定位部件(6)與成像透鏡( 活動連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的粒子場光學(xué)全息高精度再現(xiàn)采集系統(tǒng)，其特征在于所 述定位部件(6)為空心套筒。
4.一種粒子場光學(xué)全息高精度再現(xiàn)采集方法，其特征在于包括以下步驟1]圖像接受器件CCD的精確定位，具體步驟如下1. 1]在激光器(1)輸出的光路上依次設(shè)置擴束準(zhǔn)直裝置( 和成像透鏡(5)，并將成 像透鏡⑶固定；1. 2]在成像透鏡( 的物面?zhèn)劝惭b透鏡焦面定位裝置；所述透鏡焦面定位裝置包括定 位部件(6)和標(biāo)準(zhǔn)分劃板(10)；所述標(biāo)準(zhǔn)分劃板安裝在定位部件的一端面，所述定位部件 的另一端面與成像透鏡的物面?zhèn)冗B接；所述定位部件用于確保標(biāo)準(zhǔn)分劃板(10)的光刻面 位于成像透鏡(5)的前焦面上；1.3]將(XD7安裝在一維平移臺(8)上，并將CXD設(shè)置在激光器(1)輸出光路上的成像 透鏡( 后焦面附近，并將C⑶與計算機(9)連接，然后沿光軸方向移動(XD，同時在計算機 上判讀標(biāo)準(zhǔn)分劃板(10)的光刻面上相應(yīng)線對在CCD上所成圖像的質(zhì)量，直到圖像清晰時將 CCD固定好，則CCD的靈敏面定位于成像透鏡的后焦面處；2]確定粒子場的軸向初始采集位置及軸向坐標(biāo)的參考零點，具體步驟如下2.1]將成像透鏡( 上的透鏡焦面定位裝置拆下取走；2.2]將載有粒子場信息的全息干板(3)安裝在三維平移臺(4)上，并將全息干板(3) 設(shè)置在激光器(1)輸出光路上的成像透鏡( 前焦面附近，然后沿光軸方向移動全息干板， 同時在計算機上判讀再現(xiàn)粒子場基準(zhǔn)面上的標(biāo)準(zhǔn)絲在CCD上的像，直到圖像清晰時，記錄 全息干板的軸向坐標(biāo)，作為粒子場的軸向初始采集位置及軸向坐標(biāo)的參考零點；3]采集粒子場圖像通過三維平移臺(4)順序移動全息干板C3)進行粒子場圖像采 集，直到全部圖像采集完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的粒子場光學(xué)全息高精度再現(xiàn)采集方法，其特征在于所述的 三維平移臺為步長0. 1 μ m的三維空間移動平臺；所述的一維平移臺為步長0. 1 μ m的一 維 空間移動平臺。
全文摘要
本發(fā)明涉及粒子場光學(xué)全息高精度再現(xiàn)采集系統(tǒng)及方法，擴束準(zhǔn)直裝置、粒子場信息載體、成像透鏡、CCD依次設(shè)置在激光器的輸出光路上，CCD與計算機相連；CCD的靈敏面設(shè)置在成像透鏡后焦面處；粒子場信息載體為承載有粒子場信息的全息干板；載體定位及移動裝置包括三維平移臺；CCD定位及移動裝置包括一維平移臺和透鏡焦面定位裝置；透鏡焦面定位裝置包括定位部件和標(biāo)準(zhǔn)分劃板；標(biāo)準(zhǔn)分劃板安裝在定位部件的一端面，定位部件的另一端面與成像透鏡的物面?zhèn)冗B接。本發(fā)明解決了現(xiàn)有光路調(diào)節(jié)的效率低、精度低及其導(dǎo)致的系統(tǒng)最終數(shù)據(jù)精度低的問題，依據(jù)透鏡成像原理快速實現(xiàn)了系統(tǒng)光路的精確調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)最終的數(shù)據(jù)精度。
文檔編號G01T1/29GK102096091SQ20111000207
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者徐青, 曹亮, 曹娜, 雷嵐 申請人:西北核技術(shù)研究所