一种粒子场全息同轴和离轴再现光路系统及方法技术方案

本发明专利技术具体涉及一种粒子场全息同轴和离轴再现光路系统及方法。系统包括光源扩束准直系统、反射镜系统、再现采集系统和调节光轴的辅助系统；光源扩束准直系统包括沿光路依次设置的再现光源、扩束镜、滤波针孔和准直镜；反射镜系统包括全反射镜一和全反射镜二；再现采集系统包括全息干板、成像物镜、采集相机、支架一、支架二、移动平台控制器和控制计算机；调节光轴的辅助系统包括氦氖激光器、光阑、十字圆圈半靶和十字圆圈全靶；本发明专利技术实现了粒子场同轴和离轴全息再现系统共用大部分光路的目的，提高了适应性。

A particle field holographic coaxial and off-axis reproduced optical path system and method

The invention specifically relates to a particle field holographic coaxial and a off-axis reproduced optical path system and method. The system includes a light source collimating system, mirror system, acquisition system and regulation of reproduction axis auxiliary system; light collimating system includes sequentially along the optical reproducing light source, a beam expander, filtering and pinhole collimating mirror; mirror system including a mirror and mirror two; reproduction acquisition system including holographic plate, imaging lens, camera, a bracket, a bracket two, a mobile platform controller and control computer auxiliary system; regulating the optical axis including helium neon laser, diaphragm, cross circle half target and cross circle full target; the invention realizes particle field in-line and off-axis holographic optical systems share the most objective to improve the adaptability.

【技术实现步骤摘要】
一种粒子场全息同轴和离轴再现光路系统及方法
本专利技术涉及粒子场脉冲激光全息测量领域，具体涉及一种粒子场全息同轴和离轴再现光路系统及方法。
技术介绍
粒子场脉冲激光全息测量(简称“粒子场全息测量”)是利用脉冲激光全息成像方法对某种机制产生的大量微小粒子(例如，雾化水滴、油滴、爆轰颗粒、微小浮游生物和粉尘等)的空间分布、粒径以及速度等参数进行定量化测量的一项技术，它是目前激光全息的一大应用领域。粒子场全息测量的记录方式包含同轴和离轴两种，具体光路如图1和图2所示。同轴记录使用扩束准直后的激光束照射粒子场，粒子的衍射光作为物光，未被衍射的直通光作为参考光，物光和参考光同时经过4F光学成像系统，照射到全息干板上。整个记录光路只有一条光轴，比较简单，适用于测量数密度较低的粒子场。如果粒子场的数密度较大，直通光大量减少，需要采用离轴方式进行记录。离轴记录方式中，首先将激光光束分成两束，分别进行扩束准直，其中一束照射粒子场，粒子的衍射光经过4F光学成像系统，作为物光照射到全息干板上，另一束作为参考光经全反射镜反射后照射到全息干板上。物光与参考光的夹角一般在30°左右，两者的光强比在1:2～1:4范围内。同时，物光与参考光的光程差小于激光光源的相干长度。由于粒子场中粒子直径在微米量级，对应的夫琅和费远场距很小(毫米～厘米量级)。同时，形成的粒子场特别是高速运动的粒子场会对全息干板造成干扰或破坏，影响全息图记录。若要克服上述两个问题，同轴和离轴记录方式中均需使用4F光学成像系统将粒子场成像到全息干板前表面之后的附近区域进行全息记录。另外，为了保证全息再现过程中粒子场的再现像不发生畸变，经过4F光学成像系统的物光光轴要与全息干板垂直。粒子场全息测量的一般再现光路：对全息干板进行再现时，为了得到无畸变的准确实像，再现光必须使用全息记录时参考光的共轭光照明全息干板，此时全息干板的乳胶面需要背向光源。粒子场全息测量分为同轴和离轴两种记录方式，再现光路也分为同轴和离轴两种。一.同轴再现光路。图3是最常用的一种同轴全息再现光路。再现光源采用单模连续激光器，波长与全息记录时所用的脉冲激光器波长相同。扩束镜采用显微物镜，综合考虑准直镜的口径及焦距来确定扩束镜的放大倍率。准直镜采用消像差透镜，根据干板尺寸来确定其扩束口径。准直后的平行光作为再现光垂直入射到全息干板上，衍射场的光轴(即再现粒子场的光轴)与再现光的光轴重合。三维移动平台的三个轴组成整体且相互垂直，从上往下依次是y轴、x轴和z轴。成像物镜采用消像差的小景深透镜组，具有一定的放大倍率，图像采集相机采用高分辨、低噪声的科学级CCD相机。再现采集时，再现粒子场位于成像物镜前工作面附近，采集相机的灵敏面与成像物镜的后工作面重合后，它们之间的间隔固定不变。控制三维移动平台，移动全息干板的位置，使再现粒子场以“逐层分幅”方式成像到采集相机的灵敏面上，从而实现对再现粒子场的采集。布置同轴再现光路时，先利用细激光束从后向前逐一校准各个光学元件的光轴。由于再现光必须垂直于全息干板，所以要求移动平台的z轴在移动过程中要始终平行于再现光的光轴，因此，在光路布放时需要对三维移动平台进行反复地调校。二.离轴再现光路。图4是一种常用的离轴全息再现光路，各光学元件的要求与同轴再现光路相同。再现采集时，再现光沿全息记录时参考光的共轭方向入射到全息干板上，衍射场的光轴与再现光的光轴所夹锐角即全息记录时物光和参考光的夹角。对再现粒子场进行采集时，需要用到“分层分幅”的采集方式，见文献3[罗振雄，粒子场全息图的再现和图像处理技术研究[D]，绵阳:中国工程物理研究院，2005:20-34]。全息干板在三维移动平台控制下，按图5所示顺序移动，使采集相机对再现的三维粒子场沿垂直于衍射场光轴的每个层面上进行分幅采集，沿衍射场光轴方向进行分层切片采集。分幅采集时，相邻两幅图像之间有一定的重叠区域，用于图像拼接，拼接后形成一个层面的整幅图像；分层切片采集时，需要根据粒子尺寸设置一定的分层采集间隔，从而实现对同一纵列不同层面切片图像的处理和对比，完成再现粒子像在焦定位的目的。由上述描述可知，现有的粒子场一般再现光路存在以下问题：1.同轴再现和离轴再现时无法共用光路。从图3和图4的光路结构可以看出，同轴再现和离轴再现时，衍射场的光轴方向不同。因此，无法在一条光路上同时实现同轴再现和离轴再现。对于经常进行不同全息记录方式(同轴记录或者离轴记录)的实验室而言，再现时需要同时布置同轴和离轴两条再现光路，或者只用一套光学元件反复搭建这两种再现光路，这样不仅会提高实验成本，也会浪费科研人员的时间和精力。2.离轴再现光路存在衍射场平移问题。如图6所示，当全息干板沿衍射光轴方向移动以得到该方向上不同再现层面的粒子图像时，由于再现光束入射到全息干板上的位置发生变化，文献1[赖天树，微粒场全息术理论、应用及微粒全息图的自动分析[D]，西安:西安交通大学，1990:96]，使得再现区域改变，并且衍射光场相对成像物镜发生横向平移，导致同一个粒子在不同层面的再现像的横向坐标发生改变，无法对粒子进行有效识别、定位和取舍，从而对测量结果产生较大影响。文献2[陈汉勇、马东，微粒场全息图全场的层析处理[J]，光子学报，1997，26(5):439-443]中提到用软件控制移动平台进行横向反向补偿移动，抵消衍射场的横向平移。但这种方法较为复杂，且当全息记录中物光与参光夹角不同时，衍射场的衍射角度不同，反向补偿的移动量也不同，实际应用中并不方便。3.原有离轴再现光路布置困难。原有再现光路结构的实质是采集相机和成像物镜不动，再现粒子场整体移动。光路布置看似简单，实际上操作难度很大：a)摆放采集相机与成像物镜时存在困难。为了使采集相机与成像物镜的光轴重合，需要将两者放置于同一根导轨上，并确定好两者间隔，再利用激光器的细光束校准它们的光轴。随后，在调节成像物镜的光轴与衍射场光轴重合的过程中，可以直接偏转导轨，使这两个器件同时偏转，并利用衍射光通过成像物镜时的光点是否共线来校准两者的偏转角度。由于采集相机、成像物镜、导轨以及相应的调节支架重量大，移动它们并精确地控制偏转角度难度较大，从而导致调节衍射场光轴与成像物镜光轴重合时存在较大困难。b)调节三维移动平台z轴与衍射场光轴平行时存在困难。由于三维移动平台质量大，将其z轴精确地转到与衍射场光轴平行的状态难度较大。同时，三维移动平台转动一定角度后，其上的固定沉孔一般与光学平台的螺纹孔不能对准，从而较难实现三维移动平台的稳定固定。c)全息干板沿衍射场光轴移动时造成衍射场相对成像物镜发生横向平移，给三维移动平台、全息干板及成像物镜初始位置的确定带来困难。这时，必须综合考虑三维移动平台在三个方向上的行程、衍射场的横向平移量、成像物镜有效工作距离等诸多因素，十分不利于操作。d)无法进行物光和参考光在垂直方向上的角度校正。全息记录过程中，入射到全息干板上的物光和参考光在垂直于光学台面方向可能存在一个较小的夹角，如图7所示。当出现这种情况时，再现光的光轴与衍射场的光轴也会存在同样的夹角。由于这种再现光路结构中再现光的光轴是确定的，无法对这一夹角进行校正，由此产生的误差也无法避免。e)原有离轴再现光路适应性不佳。原有再现光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粒子场全息同轴和离轴再现光路系统，其特征在于：包括光源扩束准直系统、反射镜系统、再现采集系统和调节光轴的辅助系统；所述光源扩束准直系统包括沿光路依次设置的再现光源、扩束镜、滤波针孔和准直镜；所述反射镜系统包括全反射镜一和全反射镜二，所述全反射镜一沿光路设置在准直镜的后方，所述全反射镜二设置在全反射镜一的侧面；全反射镜一和全反射镜二均安装在调节支架上；所述再现采集系统包括全息干板、成像物镜、采集相机、支架一、支架二、移动平台控制器和控制计算机；支架一用于夹持全息干板，两个支架二分别用于支撑成像物镜和采集相机，支架一设置在移动平台x轴y轴组合体上；两个支架二设置在移动平台z轴上；所述调节光轴的辅助系统包括氦氖激光器、光阑、十字圆圈半靶和十字圆圈全靶；所述氦氖激光器和光阑沿光路依次设置在全反射镜一后方；所述全息干板、十字圆圈半靶、成像物镜、十字圆圈全靶、采集相机沿光路依次设置在光阑后方；十字圆圈半靶和十字圆圈全靶均设置在具有复位功能的支架三上；所述移动平台控制器分别与移动平台x轴y轴组合体、移动平台z轴连接，所述控制计算机分别与采集相机和移动平台控制器连接。

【技术特征摘要】
1.一种粒子场全息同轴和离轴再现光路系统，其特征在于：包括光源扩束准直系统、反射镜系统、再现采集系统和调节光轴的辅助系统；所述光源扩束准直系统包括沿光路依次设置的再现光源、扩束镜、滤波针孔和准直镜；所述反射镜系统包括全反射镜一和全反射镜二，所述全反射镜一沿光路设置在准直镜的后方，所述全反射镜二设置在全反射镜一的侧面；全反射镜一和全反射镜二均安装在调节支架上；所述再现采集系统包括全息干板、成像物镜、采集相机、支架一、支架二、移动平台控制器和控制计算机；支架一用于夹持全息干板，两个支架二分别用于支撑成像物镜和采集相机，支架一设置在移动平台x轴y轴组合体上；两个支架二设置在移动平台z轴上；所述调节光轴的辅助系统包括氦氖激光器、光阑、十字圆圈半靶和十字圆圈全靶；所述氦氖激光器和光阑沿光路依次设置在全反射镜一后方；所述全息干板、十字圆圈半靶、成像物镜、十字圆圈全靶、采集相机沿光路依次设置在光阑后方；十字圆圈半靶和十字圆圈全靶均设置在具有复位功能的支架三上；所述移动平台控制器分别与移动平台x轴y轴组合体、移动平台z轴连接，所述控制计算机分别与采集相机和移动平台控制器连接。2.根据权利要求1所述的粒子场全息同轴和离轴再现光路系统，其特征在于：所述再现光源为单模连续激光器。3.根据权利要求1所述的粒子场全息同轴和离轴再现光路系统，其特征在于：所述扩束镜采用显微物镜。4.根据权利要求1或2或3所述的粒子场全息同轴和离轴再现光路系统，其特征在于：所述准直镜采用消像差透镜。5.根据权利要求4所述的粒子场全息同轴和离轴再现光路系统，其特征在于：所述成像物镜采用消像差的小景深透镜组。6.根据权利要求5所述的粒子场全息同轴和离轴再现光路系统，其特征在于：所述采集相机采用高分辨、低噪声的科学级CCD相机。7.基于权利要求1至6任一所述的粒子场全息同轴和离轴再现光路系统调节粒子场全息同轴再现光路的方法，其特征在于：包括以下步骤，1)分别组装移动平台x轴y轴组合体、支架一和支架二；2)使移动平台z轴平行于光学平台的边线，然后将移动平台z轴基座固定，将两个支架二通过长支板安装在移动平台z轴的移动台面上，将采集相机安装在后端的支架二上，使采集相机的轴线与移动平台z轴基座保持平行；3)调整单模连续激光器的位置，在移动平台z轴全部行程中，确保细光束始终垂直落在采集相机的灵敏面中心不变，固定单模连续激光器；4)在采集相机前安装十字圆圈全靶，使细光束垂直入射到十字圆圈全靶的靶板中心；5)将成像物镜安装在前端的支架二上，粗调成像物镜与采集相机的距离，同时保证成像物镜的光轴与细光束重合；6)将支架一安装在移动平台x轴y轴组合体中的y轴移动台面上，将全息干板夹持在支架一上，使细光束指向全息干板中间区域，调整支架一保证全息干板在x-y平面的整个行程范围内均与细光束垂直，同时控制移动平台x轴y轴组合体与移动平台z轴之间的距离，保证移动平台z轴的移动过程中，成像物镜的工作面能够扫过整个再现像的轴向范围，然后固定移动平台x轴基座；7)依次安装准直镜、滤波针孔与扩束镜，调节准直镜与扩束镜之间的相对位置和滤波针孔的位置，控制移动平台x轴y轴组合...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐青，曹娜，雷岚，马继明，韩长材，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61