一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置及测量方法，测量装置包括激光器、激光准直镜、第一偏振分束镜、电动光挡、载有反射镜的PZT、振镜、第一聚焦镜、第二聚焦镜、显微物镜、第二偏振分束镜、线偏振片、CCD图像传感器、高功率LED、光阑和电脑；测量方法包括：利用背光投影光路将靶丸定位，切换到干涉光路，利用振镜扫描靶丸，采集靶丸各角度下的四步移相干涉图，得到各角度下的二维平均折射率分布；其次设定层析过程中各层的阈值；将二维平均折射率分布转换为当前所需的投影折射率分布；应用ART方法逐层层析反演，应用偏折修正方法，得到正确的三维折射率重建。利用本发明专利技术，可以实现快速、非接触式三维折射率重建。非接触式三维折射率重建。非接触式三维折射率重建。

【技术实现步骤摘要】
一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置及测量方法


[0001]本专利技术属于光学精密测量
，尤其是涉及一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置及测量方法。

技术介绍

[0002]惯性约束聚变(ICF)要求以多束高能量脉冲激光，同时均匀照射在靶丸上从而产生均匀内爆，进而诱发核聚变。为了实现均匀内爆，对靶丸各层的参数提出了很高的要求。靶丸是由球壳、冰层及燃料气体等组成的多层球形，每一层的形状和密度都必须高度均匀。这些不均匀又可以分别表征为靶丸冰层厚度与折射率分布的不均匀。精确地获取靶丸冰层的厚度和折射率三维重建，不仅可以检验靶丸的合格与否，更可以为靶丸的制备过程提供有效的指导。
[0003]目前靶丸各层厚度的三维均匀性表征已经有了较为丰富的研究。俄罗斯Lebedev物理研究院利用背光投影方法(Nikitenko A I,Tolokonnikov S M.Optimal
‘
tomography
’
of 2
‑
layered targets:3D parameters reconstruction from shadow images[J].(Fusion science and technology,2007,51(4):705
‑
716))对靶丸进行各层的厚度表征，成功对各层表面实现三维重建。但是，该方法暂时却没有对各层折射率进行三维重建表征的相关报道。浙江大学利用基于背光投影和马赫
‑
曾德干涉系统(刘东，严天亮，陈楠等.一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量方法(专利号：202010133607.2))对靶丸的二维投影方向的折射率分布进行了表征，却没有三维折射率方面的进一步分析。层析相位显微(Choi W,Fang
‑
Yen C,Badizadegan K,et al.Tomographic phase microscopy[J].(Nature methods,2007,4(9):717
‑
719))被广泛应用于细胞等微生物的三维折射率表征，但是受限于靶丸的结构复杂、光线通过时发生的巨大偏折，难以直接应用于靶丸表征。上述检测方法，对于靶丸冰层三维折射率重建的表征暂无结果。
[0004]因此，设计出能精确测量ICF靶丸冰层三维折射率重建的装置及方法是很有必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置及测量方法，可以实现靶丸冰层三维折射率表征。
[0006]一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置，包括激光器、激光准直镜、第一偏振分束镜、电动光挡、载有反射镜的PZT、振镜、第一聚焦镜、第二聚焦镜、显微物镜、第二偏振分束镜、线偏振片、CCD图像传感器、高功率LED、光阑和电脑；
[0007]其中，激光器、激光准直镜、第一偏振分束镜、电动光挡、PZT上载有的平面反射镜沿同一水平线依次设置；第一分束镜透射光的出光口与PZT上载有的平面反射镜呈45
°
设置；
[0008]与激光器及第一偏振分束镜的连线垂直的第一偏振分束镜入光口方向上沿一水
平线依次设置高功率LED和光阑；其中，光阑出光口位于高功率LED的正中心，且与第一偏振分束镜的入光口对齐；
[0009]与激光器及第一偏振分束镜的连线垂直的第一偏振分束镜的出光口方向上沿一水平线依次设置振镜、第一聚焦镜、第二聚焦镜、待测靶丸、显微物镜、第二偏振分束镜、线偏振片和CCD图像传感器；其中，振镜与第一偏振分束镜呈45
°
设置；振镜与第一聚焦镜、第一聚焦镜与第二聚焦镜的距离，均设为第一聚焦镜的焦距；待测靶丸放置于显微物镜的工作距处，显微物镜的出光口对准第二偏振分束镜的入光口；第二偏振分束镜保持与PZT上载有的平面反射镜纵向对齐，并且其出光口对准线偏振片的入光口；CCD图像传感器与电脑连接，用于获取移相干涉图和背光投影图。
[0010]进一步地，光纤激光器和高功率LED分别作为干涉检测光路和背光投影检测光路的光源，两个光源同时只能打开一个，用于分别获取移相干涉图和背光投影图。
[0011]获取移相干涉图时，使待测靶丸的后表面、显微物镜、CCD图像传感器三者的设置距离满足成像共轭关系；获取背光投影图时，使待测靶丸的纵向截面、显微物镜、CCD图像传感器三者的设置距离满足成像共轭关系。
[0012]本专利技术还提供了一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量方法，使用上述的测量装置，包括以下步骤：
[0013](1)在干涉检测光路中，关闭高功率LED，打开激光器，并且使用电脑控制电动光挡，使之处于打开状态，不遮挡干涉光路；打开激光器电源，从激光器发出的激光经过激光准直镜扩束后成为准直激光束，经过第一偏振分束镜分为两束：一束透过第一偏振分束镜，并且在经过PZT台上载有的反射镜反射，到达第二偏振分束镜；另一束由第一偏振分束镜反射后被振镜反射，依次通过第一聚焦镜、第二聚焦镜、待测靶丸、显微物镜，并到达第二偏振分束镜与第一束光合束，经过线偏振片，最终在CCD图像传感器得到干涉图；其中，待测靶丸的后表面、显微物镜、CCD图像传感器的距离满足成像共轭关系；
[0014]在背光投影检测光路中，将激光器光源关闭，并且使用电脑控制电动光挡，使之处于关闭状态，遮挡干涉光路；打开高功率LED光源，从高功率LED发出的准直光束经过光阑后口径缩小，经过偏振分束镜后分为两束：一束偏折后被光挡阻蔽；一束被振镜反射后，依次通过第一聚焦镜、第二聚焦镜、待测靶丸、显微物镜、第二偏振分束镜、线偏振片，最终被成像在CCD图像传感器上，得到背光投影图；利用背光投影图将靶丸定位，使待测靶丸的纵向截面、显微物镜、CCD图像传感器的距离满足成像共轭关系；
[0015]在干涉光路中，通过电脑控制振镜的角度，使得通过待测靶丸的光线与光轴的夹角从
‑
20度至20度之间变换，间隔为1度；在每个扫描角度下，通过电脑控制PZT进行四步移相，并控制CCD图像传感器对应的四步移相干涉图，得到各角度下的二维平均折射率分布；
[0016](2)根据靶丸先验信息，设定每层层析初值范围；在进行靶丸三维折射率重建时，若对象层为冰层，则靶丸外半径R0、球壳折射率n1、球壳厚度t1、与冰层厚度t2均为已知信息；若对象层为球壳，则靶丸外半径与球壳厚度均为已知信息；设重建区域第j个体素的坐标是(x
j
,y
j
,z
j
)，坐标系原点位于靶丸球心；则以重建冰层三维折射率为例，有
[0017][0018]式中，Q
(1)
,Q
(2)
,P和Q
(3)
分别为位于靶丸外部空气区域、靶丸球壳区域、靶丸冰层区域和靶丸内部燃气层区域的体素集合，n
shell
表示球壳折射率，n
ice,min
和n
ice,max
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置，其特征在于，包括激光器(1)、激光准直镜(2)、第一偏振分束镜(3)、电动光挡(4)、载有反射镜的PZT(5)、振镜(6)、第一聚焦镜(7)、第二聚焦镜(8)、显微物镜(10)、第二偏振分束镜(11)、线偏振片(12)、CCD图像传感器(13)、高功率LED(14)、光阑(15)和电脑(16)；其中，激光器(1)、激光准直镜(2)、第一偏振分束镜(3)、电动光挡(4)、PZT(5)上载有的平面反射镜沿同一水平线依次设置；第一分束镜(3)透射光的出光口与PZT(5)上载有的平面反射镜呈45
°
设置；与激光器(1)及第一偏振分束镜(3)的连线垂直的第一偏振分束镜(3)的入光口方向上沿一水平线依次设置高功率LED(14)和光阑(15)；其中，光阑(15)出光口位于高功率LED(14)的正中心，且与第一偏振分束镜(3)的入光口对齐；与激光器(1)及第一偏振分束镜(3)的连线垂直的第一偏振分束镜(3)的出光口方向上沿一水平线依次设置振镜(6)、第一聚焦镜(7)、第二聚焦镜(8)、待测靶丸(9)、显微物镜(10)、第二偏振分束镜(11)、线偏振片(12)和CCD图像传感器(13)；其中，振镜(6)与第一偏振分束镜(3)呈45
°
设置；振镜(6)与第一聚焦镜(7)、第一聚焦镜(7)与第二聚焦镜(8)的距离，均设为第一聚焦镜(7)的焦距；待测靶丸(9)放置于显微物镜(10)的工作距处，显微物镜(10)的出光口对准第二偏振分束镜(11)的入光口；第二偏振分束镜(11)保持与PZT(5)上载有的平面反射镜纵向对齐，并且其出光口对准线偏振片(12)的入光口；CCD图像传感器(13)与电脑(16)连接，用于获取移相干涉图和背光投影图。2.根据权利要求1所述的ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置，其特征在于，光纤激光器(1)和高功率LED(11)分别作为干涉检测光路和背光投影检测光路的光源，两个光源同时只能打开一个，用于分别获取移相干涉图和背光投影图。3.根据权利要求2所述的ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置，其特征在于，获取移相干涉图时，使待测靶丸(9)的后表面、显微物镜(8)、CCD图像传感器(10)三者的设置距离满足成像共轭关系；获取背光投影图时，使待测靶丸(9)的纵向截面、显微物镜(8)、CCD图像传感器(10)三者的设置距离满足成像共轭关系。4.一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量方法，其特征在于，使用权利要求1～3任一所述的测量装置，包括以下步骤：(1)在干涉检测光路中，关闭高功率LED，打开激光器，并且使用电脑控制电动光挡，使之处于打开状态，不遮挡干涉光路；打开激光器电源，从激光器发出的激光经过激光准直镜扩束后成为准直激光束，经过第一偏振分束镜分为两束：一束透过第一偏振分束镜，并且在经过PZT台上载有的反射镜反射，到达第二偏振分束镜；另一束由第一偏振分束镜反射后被振镜反射，依次通过第一聚焦镜、第二聚焦镜、待测靶丸、显微物镜，并到达第二偏振分束镜与第一束光合束，经过线偏振片，最终在CCD图像传感器得到干涉图；其中，待测靶丸的后表面、显微物镜、CCD图像传感器的距离满足成像共轭关系；在背光投影检测光路中，将激光器光源关闭，并且使用电脑控制电动光挡，使之处于关闭状态，遮挡干涉光路；打开高功率LED光源，从高功率LED发出的准直光束经过光阑后口径缩小，经过偏振分束镜后分为两束：一束偏折后被光挡阻蔽；一束被振镜反射后，依次通过第一聚焦镜、第二聚焦镜、待测靶丸、显微物镜、第二偏振分束镜、线偏振片，最终被成像在CCD图像传感器上，得到背光投影图；利用背光投影图将靶丸定位，使待测靶丸的纵向截面、
显微物镜、CCD图像传感器的距离满足成像共轭关系；在干涉光路中，通过电脑控制振镜的角度，使得通过待测靶丸的光线与光轴的夹角从
‑
20度至20度之间变换，间隔为1度；在每个扫描角度下，通过电脑控制PZT进行四步移相，并控制CCD图像传感器对应的四步移相干涉图，得到各角度下的二维平均折射率分布；(2)根据靶丸先验信息，设定每层层析初值范围；在进行靶丸三维折射率重建时，若对象层为冰层，则靶丸外半径R0、球壳折射率n1、球壳厚度t1、与冰层厚度t2均为已知信息；若对象层为球壳，则靶丸外半径与球壳厚度均为已知信息；设重建区域第j个体素的坐标是(x
j
,y
j
,z
j
)，坐标系原点位于靶丸球心；则以重建冰层三维折射率为例，有式中，Q
(1)
,Q
(2)
,P和Q
(3)
分别为位于靶丸外部空气区域、靶丸球壳区域、靶丸冰层区域和靶丸内部燃气层区域的体素集合，n
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，严天亮，徐兆锐，臧仲明，彭韶婧，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：