本发明专利技术公开的双边错位差动共焦干涉靶丸形貌轮廓参数测量方法与装置，属于共焦显微成像、激光惯性约束核聚变及干涉测量技术领域。本发明专利技术将激光双边错位差动共焦技术与短相干干涉测量技术结合，利用双边错位差动共焦技术对激光聚变靶丸的内、外表面进行精密层析定焦，利用短相干干涉技术对靶丸外表面进行干涉测量，并进一步通过正交回转驱动技术对靶丸进行三维回转驱动获得聚变靶丸的内、外表面三维轮廓、外表面形貌和壳层厚度分布等参数，实现聚变靶丸形貌轮廓参数综合测量。本发明专利技术为激光惯性约束核聚变仿真实验研究、靶丸制备工艺研究和靶丸筛选提供数据基础和检测手段，在激光惯性约束核聚变、高能物理和精密检测领域有广泛的应用前景。
Measurement Method and Device of Shape Profile Parameters of Bilateral Dislocation Differential Confocal Interference Target
【技术实现步骤摘要】
双边错位差动共焦干涉靶丸形貌轮廓参数测量方法与装置
本专利技术属于共焦显微成像、激光惯性约束核聚变及精密光电测量
，将激光双边错位差动共焦技术与短相干干涉技术结合，涉及一种激光共焦干涉核聚变靶丸形貌轮廓参数综合测量方法与装置，在激光惯性约束核聚变、高能物理和精密检测领域有广泛的应用前景。
技术介绍
激光惯性约束核聚变(ICF)是人工模拟核爆和天体演化的重要手段，也是人类探索未来清洁能源的重要方向，因此具有十分重要科研和实用意义。激光惯性约束核聚变实验中，内部填充氘氚(DT)气体的空心激光聚变靶丸是其核心器件，多路激光同时对靶丸进行会聚向心压缩点火引发核爆，激光聚变靶丸的质量是决定激光聚变实验是否成功的关键。美国国家点火装置(NIF)进行的ICF试验失败的一个主要原因是点火过程中靶丸不对称压缩进而导致其中心压力和温度降低以及其内部氘氚(DT)燃料混合不均衡，靶丸壳层和表面的微小缺陷都有可能被放大产生不对称压缩进而导致点火失败。因此精确测量激光聚变靶丸的几何形貌和物理属性参数对于保证激光惯性约束核聚变实验的成功具有重要意义。目前国际上用于激光聚变靶丸几何形貌参数测量的方法主要采用各类显微镜进行观察，包括扫描电镜法、原子力显微镜法、X射线法、光纤点衍射法和干涉法等，上述方法测量分辨力已达纳米量级，但只能对靶丸外表面轮廓进行无损测量(目前测量内表面是通过破坏性切割后进行测量)，而对于靶丸的内轮廓、壳层厚度等内部几何参数无能为力。随着激光惯性约束核聚变技术的发展和工程的推进，上述方法已经无法满足激光惯性约束核聚变技术研究对靶丸形貌和轮廓参数测量的需求，主要存在如下问题：1)不能无损测量靶丸内部参数，现有方法需要对靶丸进行破坏性切割，测量后靶丸被破坏无法应用于下一步工艺处理或者打靶实验；2)形貌、轮廓等参数测量过程分离，不能全面揭示靶丸制备和核聚变反应过程中发生的结构变化现象和规律；3)综合测量能力不足，每种仪器仅能测量一、两种参数，靶丸综合参数测量需在不同仪器上反复装调，效率低下且量值基准不统一。而激光惯性约束核聚变研究中，靶丸的参数是对核聚变过程进行模拟仿真和对靶丸制备工艺进行提升的基础，因此如何对靶丸形貌和轮廓参数进行高精度、无损的综合测量是激光惯性约束核聚变国家重大工程中的关键技术问题。激光共焦技术具有独特的光学层析成像特性，可实现靶丸的壳层内外表面的高精度层析定焦测量，短相干干涉测量技术利用球面干涉条纹实现靶丸表面形貌的测量，两者结合为靶丸形貌和轮廓参数的高精度无损测量提供了思路。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决激光惯性约束核聚变靶丸形貌轮廓参数高精度综合测量难题，提供一种双边错位差动共焦干涉聚变靶丸形貌轮廓参数测量方法与装置，以期实现靶丸内/外表面三维轮廓、外表面形貌和壳层厚度分布等参数，实现核聚变靶丸形貌轮廓参数综合测量。本专利技术能够为激光聚变靶丸参数的综合检测提供有效技术手段，对于靶丸制备、激光核聚变实验仿真、数据分析和技术革新具有重要意义。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术的双边错位差动共焦干涉聚变靶丸形貌轮廓参数测量方法，利用双边错位激光差动共焦技术对聚变靶丸壳层的内、外表面进行精密层析定焦获得内、外表面的几何轮廓参数和壳层厚度分布，利用短相干干涉技术对聚变靶丸进行干涉测量获得外表面形貌参数，进而实现核聚变靶丸形貌轮廓参数的综合测量，所述核聚变靶丸形貌轮廓参数包括核聚变靶丸的内、外表面三维轮廓、外表面形貌和壳层厚度分布，包括以下步骤：步骤一、光源系统经过准直透镜准直为平行光束，平行光束被第一分光镜透射后被第二分光镜分为透射照明光束和反射照明光束，透射照明光束由测量物镜会聚为一点对聚变靶丸进行照明并被反射；携带聚变靶丸信息的反射光束透过测量物镜后形成测量光束，测量光束被第二分光镜分为透射测量光束和反射测量光束，透射测量光束由第一分光镜反射后经会聚镜进入横向相减共焦探测系统；反射照明光束进入干涉臂被反射后再次被第二分光镜透射，与反射测量光束形成共路干涉，干涉光束经过成像会聚镜会聚后被干涉CCD接收；步骤二、测量控制系统控制物镜驱动系统带动测量物镜对聚变靶丸进行轴向扫描，使测量光束的焦点与聚变靶丸的外表面顶点位置重合；在外表面顶点位置附近扫描聚变靶丸的外表面，将横向相减共焦探测系统中大虚拟针孔探测域探测的归一化大虚拟针孔共焦特性曲线IB(z)，和小虚拟针孔探测域探测到的归一化小虚拟针孔共焦特性曲线IS(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线I(z)＝IS(z)-γIB(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；步骤三、将锐化共焦特性曲线沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线，并使锐化共焦特性曲线和平移锐化共焦特性曲线的侧边交汇；对锐化共焦特性曲线和平移锐化共焦特性曲线分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线ID(z)＝I(z)-I(z,-S)，利用差动共焦线性拟合直线对错位相减差动共焦特性曲线的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦线性拟合直线S/2位置得到回移差动共焦拟合直线，并利用回移差动共焦拟合直线的移位拟合直线零点来精确确定测量光束定焦与聚变靶丸外表面顶点重合，进而确定聚变靶丸外表面顶点位置Zo；步骤四、测量控制系统控制物镜驱动系统带动测量物镜对聚变靶丸进行轴向扫描，使测量光束的焦点分别与聚变靶丸的内表面顶点和球心位置重合，重复步骤三，依次得到聚变靶丸对应光轴方向的内表面顶点和球心位置Zi和Zc，即得到聚变靶丸对应光轴方向的内、外表面测量点以及球心的轴向光学坐标Zo,Zi和Zc；步骤五、对定焦测量得到的聚变靶丸的外表面和球心位置坐标Zo和Zc进行相减即得到聚变靶丸的外表面曲率半径Ro；步骤六、将聚变靶丸的壳层材料折射率n和外表面曲率半径Ro带入如下公式，计算得到聚变靶丸的壳层光轴方向的厚度t；其中NA为测量物镜的数值孔径；步骤七、利用聚变靶丸的内、外表面以及球心的光学坐标Zo、Zi和Zc和厚度t计算得到聚变靶丸的内、外表面物理坐标zi和zo：步骤八、当测量物镜的会聚光束聚焦到聚变靶丸的球心位置Zc附近时，使测量控制系统驱动干涉臂轴向运动产生光束相位变化，通过干涉CCD获得聚变靶丸外表面的光轴区域的移相干涉图Ψ；步骤九、利用回转驱动系统驱动聚变靶丸进行水平回转一周，在聚变靶丸水平圆周上的各个点位置重复步骤二至步骤八，依次获得聚变靶丸水平面圆周的内外表面物理坐标点集合(zo,zi)i和移相干涉图Ψi；步骤十、利用正交回转系统驱动聚变靶丸进行步进正交回转驱动，每驱动一次重复步骤一至步骤九，依次获得聚变靶丸的内外表面三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}和移相干涉图(Ψi)j；步骤十一、对三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}和移相干涉图(Ψi)j进行三维重构和解包裹计算即得到聚变靶丸的内、外表面三维轮廓、外表面形貌和壳层厚度分布，实现核聚变靶丸形貌轮廓参数的综合测量。本专利技术的双边错位差动共焦干涉聚变靶丸形貌轮廓参数测量方法，通过横向相减共焦探测系统得到锐化共焦特性曲线的方法如下：a)在测量物镜扫描过程中，通过CCD探测器探测测量艾里斑，以测量艾里斑的重心为中心，在CCD探测器每帧探测图像上优化选取预定大小的大本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.双边错位差动共焦干涉靶丸形貌轮廓参数测量方法，其特征在于：利用双边错位激光差动共焦技术对聚变靶丸(13)壳层的内、外表面进行精密层析定焦获得内、外表面的几何轮廓参数和壳层厚度分布，利用短相干干涉技术对聚变靶丸(13)进行干涉测量获得外表面形貌参数，进而实现核聚变靶丸(13)形貌轮廓参数的综合测量，所述核聚变靶丸(13)形貌轮廓参数包括核聚变靶丸(13)的内、外表面三维轮廓、外表面形貌和壳层厚度分布，包括以下步骤：步骤一、光源系统(1)经过准直透镜(2)准直为平行光束，平行光束被第一分光镜(3)透射后被第二分光镜(21)分为透射照明光束和反射照明光束，透射照明光束由测量物镜(5)会聚为一点对聚变靶丸(13)进行照明并被反射；携带聚变靶丸(13)信息的反射光束透过测量物镜(5)后形成测量光束，测量光束被第二分光镜(21)分为透射测量光束和反射测量光束，透射测量光束由第一分光镜(3)反射后经会聚镜(6)进入横向相减共焦探测系统(7)；反射照明光束进入干涉臂(24)被反射后再次被第二分光镜(21)透射，与反射测量光束形成共路干涉，干涉光束经过成像会聚镜(22)会聚后被干涉CCD(23)接收；步骤二、测量控制系统(16)控制物镜驱动系统(4)带动测量物镜(5)对聚变靶丸(13)进行轴向扫描，使测量光束的焦点与聚变靶丸(13)的外表面顶点位置重合；在外表面顶点位置附近扫描聚变靶丸(13)的外表面，将横向相减共焦探测系统(7)中大虚拟针孔探测域(11)探测的归一化大虚拟针孔共焦特性曲线(18)IB(z)，和小虚拟针孔探测域(12)探测到的归一化小虚拟针孔共焦特性曲线(19)IS(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线(20)I(z)＝IS(z)‑γIB(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；步骤三、将锐化共焦特性曲线(20)沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线(28)，并使锐化共焦特性曲线(20)和平移锐化共焦特性曲线(28)的侧边交汇；对锐化共焦特性曲线(20)和平移锐化共焦特性曲线(28)分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线(17)ID(z)＝I(z)‑I(z,‑uS)，利用差动共焦线性拟合直线(29)对错位相减差动共焦特性曲线(17)的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦线性拟合直线(29)S/2位置得到回移差动共焦拟合直线(31)，并利用回移差动共焦拟合直线(31)的移位拟合直线零点(32)来精确确定测量光束定焦与聚变靶丸(13)外表面顶点重合，进而确定聚变靶丸(13)外表面顶点位置Zo；步骤四、测量控制系统(16)控制物镜驱动系统(4)带动测量物镜(5)对聚变靶丸(13)进行轴向扫描，使测量光束的焦点分别与聚变靶丸(13)的内表面顶点和球心位置重合，重复步骤三，依次得到聚变靶丸(13)对应光轴方向的内表面顶点和球心位置Zi和Zc，即得到聚变靶丸(13)对应光轴方向的内、外表面测量点以及球心的轴向光学坐标Zo,Zi和Zc；步骤五、对定焦测量得到的聚变靶丸(13)的外表面和球心位置坐标Zo和Zc进行相减即得到聚变靶丸(13)的外表面曲率半径Ro；步骤六、将聚变靶丸(13)的壳层材料折射率n和外表面曲率半径Ro带入如下公式，计算得到聚变靶丸(13)的壳层光轴方向的厚度t；...
【技术特征摘要】
1.双边错位差动共焦干涉靶丸形貌轮廓参数测量方法，其特征在于：利用双边错位激光差动共焦技术对聚变靶丸(13)壳层的内、外表面进行精密层析定焦获得内、外表面的几何轮廓参数和壳层厚度分布，利用短相干干涉技术对聚变靶丸(13)进行干涉测量获得外表面形貌参数，进而实现核聚变靶丸(13)形貌轮廓参数的综合测量，所述核聚变靶丸(13)形貌轮廓参数包括核聚变靶丸(13)的内、外表面三维轮廓、外表面形貌和壳层厚度分布，包括以下步骤：步骤一、光源系统(1)经过准直透镜(2)准直为平行光束，平行光束被第一分光镜(3)透射后被第二分光镜(21)分为透射照明光束和反射照明光束，透射照明光束由测量物镜(5)会聚为一点对聚变靶丸(13)进行照明并被反射；携带聚变靶丸(13)信息的反射光束透过测量物镜(5)后形成测量光束，测量光束被第二分光镜(21)分为透射测量光束和反射测量光束，透射测量光束由第一分光镜(3)反射后经会聚镜(6)进入横向相减共焦探测系统(7)；反射照明光束进入干涉臂(24)被反射后再次被第二分光镜(21)透射，与反射测量光束形成共路干涉，干涉光束经过成像会聚镜(22)会聚后被干涉CCD(23)接收；步骤二、测量控制系统(16)控制物镜驱动系统(4)带动测量物镜(5)对聚变靶丸(13)进行轴向扫描，使测量光束的焦点与聚变靶丸(13)的外表面顶点位置重合；在外表面顶点位置附近扫描聚变靶丸(13)的外表面，将横向相减共焦探测系统(7)中大虚拟针孔探测域(11)探测的归一化大虚拟针孔共焦特性曲线(18)IB(z)，和小虚拟针孔探测域(12)探测到的归一化小虚拟针孔共焦特性曲线(19)IS(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线(20)I(z)＝IS(z)-γIB(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；步骤三、将锐化共焦特性曲线(20)沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线(28)，并使锐化共焦特性曲线(20)和平移锐化共焦特性曲线(28)的侧边交汇；对锐化共焦特性曲线(20)和平移锐化共焦特性曲线(28)分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线(17)ID(z)＝I(z)-I(z,-uS)，利用差动共焦线性拟合直线(29)对错位相减差动共焦特性曲线(17)的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦线性拟合直线(29)S/2位置得到回移差动共焦拟合直线(31)，并利用回移差动共焦拟合直线(31)的移位拟合直线零点(32)来精确确定测量光束定焦与聚变靶丸(13)外表面顶点重合，进而确定聚变靶丸(13)外表面顶点位置Zo；步骤四、测量控制系统(16)控制物镜驱动系统(4)带动测量物镜(5)对聚变靶丸(13)进行轴向扫描，使测量光束的焦点分别与聚变靶丸(13)的内表面顶点和球心位置重合，重复步骤三，依次得到聚变靶丸(13)对应光轴方向的内表面顶点和球心位置Zi和Zc，即得到聚变靶丸(13)对应光轴方向的内、外表面测量点以及球心的轴向光学坐标Zo,Zi和Zc；步骤五、对定焦测量得到的聚变靶丸(13)的外表面和球心位置坐标Zo和Zc进行相减即得到聚变靶丸(13)的外表面曲率半径Ro；步骤六、将聚变靶丸(13)的壳层材料折射率n和外表面曲率半径Ro带入如下公式，计算得到聚变靶丸(13)的壳层光轴方向的厚度t；其中NA为测量物镜(5)的数值孔径；步骤七、利用聚变靶丸(13)的内、外表面以及球心的光学坐标Zo、Zi和Zc和厚度t计算得到聚变靶丸(13)的内、外表面物理坐标z...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，邱丽荣，王允，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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