CN109444077B - 一种基于相位标定的折射率场定量测量***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相位标定的折射率场定量测量***与方法，该***包括光源及在光源后方依次设置的聚焦透镜、小孔光阑、准直透镜、探测区域、成像透镜、刀口和探测器，在标定时探测区域用于放置标准相位调控元件，在测量时将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域；还包括用于控制探测器及标准相位调控元件的控制单元；在标定时控制单元控制标准相位调控元件在不同位置产生不同强度的折射率梯度，并控制探测器记录，以获取该***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器上产生的响应关系；在测量时控制探测器探测待测场，并根据所述响应关系以获取待测场的折射率分布。本发明能减小测量误差，实现对折射率场准确、定量的测量。
Description
技术领域
本发明涉及探测流体折射率场分布的纹影光学成像技术领域，更具体地，涉及一种基于相位标定的折射率场定量测量***与方法。
背景技术
纹影技术最早由德国物理学家August Toepler提出并使用，经过不断的改进与发展，现已发展出黑白纹影、彩色纹影、干涉纹影等多种纹影成像技术。纹影技术可用于观测待测场的折射率分布，并由流体折射率与密度、压强、温度、化学成分等其他性质之间的关系，得到相应物理量的分布场信息，在声学研究、风洞实验、燃烧实验以及弹道学研究中具有广泛的应用。
在上述各种纹影技术中，都会由于***存在像差、光源存在非均匀性以及光路受到扰动等原因，使所成的像存在一定的误差，进而导致计算所得的折射率产生误差。出现的误差主要有两方面：在待测场不同位置出现的相同的折射率变化所产生的响应不同；在待测场固定位置出现的不同强度的折射率变化，由于***“过载”、光学元件口径有限等原因，产生的响应偏离理论中的线性关系。总之，由于多种因素影响，实际情况下纹影成像***对于折射率梯度并非理论上的线性空间不变***，不同位置对相同折射率梯度的响应不同，而即使同一位置对折射率梯度的响应也会偏离线性关系。
要解决上述的成像误差问题，需要使用标准元件对***进行标定，得出不同的折射率变化与***在图像中响应之间实际的对应关系，进而提高探测的准确性。
干涉法是较为严格的测量方法，常用于需要定量分析的纹影***中，但干涉法需要使用激光作为光源，普通的非相干光无法使用。彩色纹影利用不同颜色显示折射率梯度，需要使用白光光源，要求光源光谱较宽。上述两种方法都对光源有严格的要求，而对于黑白纹影，对光源的限制较少，但由于对比度不足且光路误差对结果影响较大，很少用于定量分析中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于相位标定的折射率场定量测量***，能减小测量误差，实现对折射率场准确、定量的测量。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于相位标定的折射率场定量测量***，包括光源及在光源后方依次设置的聚焦透镜、小孔光阑、准直透镜、探测区域、成像透镜、刀口和探测器，在标定时探测区域用于放置标准相位调控元件，在测量时将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域；光源发出的光经聚焦透镜汇聚于小孔光阑处，再经准直透镜变为平行光，最后经探测区域后由成像透镜出射的光经刀口切割后在探测器探测面上成像；还包括用于控制探测器及标准相位调控元件的控制单元；在标定时控制单元控制标准相位调控元件在不同位置产生不同强度的折射率梯度，并控制探测器记录，以获取该***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器上产生的响应关系；在测量时控制探测器探测待测场，并根据所述响应关系以获取待测场的折射率分布。
上述方案中，使用标准相位调控元件对测量***进行标定，标准相位调控元件将在其所在平面产生已知的相位分布，使光线发生已知的偏折，用探测器记录，以获得该***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器上产生的响应关系即标定结果，而后在测量时将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域并用探测器记录，即可应对以往纹影成像***由于多种原因造成的对不同位置的响应强度不同以及偏折角与响应非线性的问题，减小测量误差，实现对折射率场准确、定量的测量。
优选地，控制单元为计算机，在测量时，根据标定结果，控制单元控制探测器进行单次测量或连续测量。
优选地，所述光源为激光光源或非相干光。
进一步优选地，所述光源为单模稳频激光、白光或准单色光。对灵敏度要求较高的情况优先选用激光，对于彩色纹影***须使用白光。
优选地，所述小孔光阑包括用于调节光阑大小的光阑元件。光阑元件可手动或电动调节，这样设置使得可根据实际情况，改变小孔光阑的通光尺寸，且操作方便。
优选地，标准相位调控元件为能相位调制的空间光调制器或相位分布固定不变的标准元件。空间光调制器能提高标定速度，简化标定流程，相位分布固定不变的标准元件能提高相位标定的精确度。
优选地，所述刀口可按照不同方向放置，可水平、竖直或按一定角度倾斜放置；从成像透镜出射的光为彩色时，刀口为滤光片；也可根据所用纹影成像方法不同改用小孔或狭缝光阑代替。
优选地，探测器为用于探测光照强度的阵列式光电探测器。探测器可采用CCD或CMOS相机。
本发明的另一个目的，是提供一种基于相位标定的折射率场定量测量方法，使用上述定量测量***，包括如下步骤：
S1.打开光源，调整光路，调节刀口位置，使所述定量测量***符合纹影成像光路的要求；
S2.确定光路中探测区域的位置，即探测器成像面对应的物面，放置标准相位调控元件；
S3.控制单元控制标准相位调控元件在不同位置产生不同强度的折射率梯度，并控制探测器探测记录，以获取用于标定的定量测量***对不同位置、不同强度折射率梯度的响应结果；
S4.根据相位梯度与光线偏折角度之间的关系，获取标定过程中经过标准相位调控元件的光在不同位置的偏折角度分布；相位梯度为折射率梯度；
S5.结合步骤S3和S4，获取所述定量测量***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器上产生的响应结果；标定过程结束；
S6.保持光路不变，将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域，控制单元控制探测器进行探测记录；
S7.根据探测器记录结果，结合步骤S5得到的定量测量***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器上产生的响应结果，获取待测场不同位置的出射光线偏折角大小；
S8.根据折射率梯度与出射光线偏折角的关系，获取待测场的折射率分布。
优选地，对于刀口位置可定量变化的测量***，也可在标定过程中标定不同的刀口位置对应的测量***对不同位置、不同强度的折射率梯度的响应，在纹影成像光路其他参数不发生改变的情况下测量过程可只利用一次标定的数据而不必每次使用前都进行标定，只需测量时也选用相同的刀口位置对应的标定数据即可，只有当光路发生了不可忽略的扰动后再重新标定。
优选地，步骤S3中，控制单元控制相位调控元件产生有规律的相位分布场，一般若使用刀口，则在垂直于刀口方向上产生相位梯度，并不断改变该梯度分布的空间位置，相当于对空间进行扫描，扫描一轮后改变梯度大小，再次扫描，如此往复直至达到预先设置的阈值，这样便获得了该测量***在不同位置、对不同的相位梯度的响应。但并不只限于如此，能够由探测器探测结果与相位分布得到该测量***在不同位置、不同强度相位梯度响应的方法均可达到标定目的。
优选地，步骤S4中，相位梯度与光线偏折角度之间的关系采用公式(1)；
其中,λ0为光在真空中的波长，
为在垂直于刀口(7)方向上的相位梯度，θ为光线偏折角。
优选地，步骤S8中，折射率梯度与出射光线偏折角的关系采用公式(2)；
其中，x为折射率，
为折射率沿垂直于刀口方向的梯度，z为光传播的方向。
公式(2)可化为积分关系式(3)：
其中，x为折射率，
为折射率沿垂直于刀口方向的梯度，z为光传播的方向，当所测区域沿z方向厚度为一固定的较小的值且折射率分布沿z方向几乎不变时，可将积分化关系式(3)简化为乘法公式(4)：
其中Δz为探测区域的厚度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种基于相位标定的折射率场定量测量***与方法，使用标准相位调控元件对测量***进行标定，标准相位调控元件将在其所在平面产生已知的相位分布，使光线发生已知的偏折，用探测器记录，以获得该***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器上产生的响应关系即标定结果，而后在测量时将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域并用探测器记录，即可应对以往纹影成像***由于多种原因造成的对不同位置的响应强度不同以及偏折角与响应非线性的问题，减小测量误差，实现对折射率场准确、定量的测量。
附图说明
图1为本实施例一种基于相位标定的折射率场定量测量***的示意图；
附图标记：1光源；2聚焦透镜；3小孔光阑；4准直透镜；5探测区域；6成像透镜；7刀口；8探测器；9控制单元。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
本实施例提供一种基于相位标定的折射率场定量测量***，如图1所示，包括光源1及在光源1后方依次设置的聚焦透镜2、小孔光阑3、准直透镜4、探测区域5、成像透镜6、刀口7和探测器8，在标定时探测区域5用于放置标准相位调控元件，在测量时将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域5；光源1发出的光经聚焦透镜2汇聚于小孔光阑3处，再经准直透镜4变为平行光，最后经探测区域5后由成像透镜6出射的光经刀口7切割后在探测器8探测面上成像；还包括用于控制探测器8及标准相位调控元件的控制单元9；在标定时控制单元9控制标准相位调控元件在不同位置产生不同强度的折射率梯度，并控制探测器8记录，以获取该***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器8上产生的响应关系；在测量时控制探测器8探测待测场，并根据所述响应关系以获取待测场的折射率分布。
本发明使用标准相位调控元件对测量***进行标定，标准相位调控元件将在其所在平面产生已知的相位分布，使光线发生已知的偏折，用探测器8记录，以获得该***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器8上产生的响应关系即标定结果，而后在测量时将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域5并用探测器8记录，即可应对以往纹影成像***由于多种原因造成的对不同位置的响应强度不同以及偏折角与响应非线性的问题，减小测量误差，实现对折射率场准确、定量的测量。
其中，小孔光阑3与刀口7互为共轭面，标准相位调控元件与探测器8探测面互为共轭面。
另外，所述光源1可采用LED光源，为准单色光；控制单元9为计算机，在测量时，根据标定结果，控制单元9控制探测器8进行单次测量或连续测量。
当然，对灵敏度要求较高的情况，光源1可采用激光光源；对于彩色纹影***，光源1须使用白光。
其中，所述聚焦透镜2将光源1发出的光进行聚焦，所述小孔光阑3放在焦点处，令小孔光阑3的小孔足够小，可将其近似视为点光源；所述准直透镜4的焦点同样位于小孔光阑3的小孔处，将近似点光源发出的光变为平行光，之后平行光将经过标准相位调控元件。
另外，所述小孔光阑3包括用于调节光阑大小的光阑元件。光阑元件可手动或电动调节，这样设置使得可根据实际情况，改变小孔光阑3的通光尺寸，且操作方便。
其中，所述标准相位调控元件采用具有纯相位调制功能的液晶空间光调制器，其像素大小与像素个数需保证在探测器拍摄区域都可以拍摄到空间光调制器的通光面，且拍摄区域对应的实际区域应与液晶盒总大小相当，略小于液晶盒总面积但不可过小。拍摄区域中心与液晶盒中心应尽量接近。空间光调制器与计算机相连，计算机可控制空间光调制器各像素对相位的调制强度。空间光调制器能提高标定速度，简化标定流程。
当然，标准相位调控元件也可采用相位分布固定不变的标准元件，这能提高相位标定的精确度。
另外，所述刀口7为水平放置的金属刀片，放置在成像透镜6的焦点处，同时也是小孔光阑3产生的点光源的共轭面。平行光经过空间光调制器后经成像透镜6在刀口7处会聚，并将空间光调制器的像成在探测器8处。
当从成像透镜6出射的光为彩色时，刀口7为滤光片；也可根据所用纹影成像方法不同改用小孔或狭缝光阑代替。
其中，所述探测器8为CCD相机，位于空间光调制器的共轭面，成像的放大率应满足上述“CCD照片视场略小于空间光调制器液晶盒区域且两者中心相近”的要求。CCD相机与计算机相连。
所述计算机可使用程序控制空间光调制器与CCD相机，使两者联动工作，每次改变空间光调制器的调制相位分布后令CCD相机拍照，保存并分析图片。
本实施例还提供一种基于相位标定的折射率场定量测量方法，使用上述定量测量***，包括如下步骤：
S1.打开光源1，调整光路，调节刀口7位置，使所述定量测量***符合纹影成像光路的要求；
S2.确定光路中探测区域5的位置，即探测器8成像面对应的物面，放置标准相位调控元件；
S3.控制单元9控制标准相位调控元件在不同位置产生不同强度的折射率梯度，并控制探测器8探测记录，以获取用于标定的定量测量***对不同位置、不同强度折射率梯度的响应结果；
S4.根据相位梯度与光线偏折角度之间的关系，获取标定过程中经过标准相位调控元件的光在不同位置的偏折角度分布；相位梯度为折射率梯度；
S5.结合步骤S3和S4，获取所述定量测量***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器8上产生的响应结果；标定过程结束；
S6.保持光路不变，将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域5，控制单元9控制探测器8进行探测记录；
S7.根据探测器8记录结果，结合步骤S5得到的定量测量***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器8上产生的响应结果，获取待测场不同位置的出射光线偏折角大小；
S8.根据折射率梯度与出射光线偏折角的关系，获取待测场的折射率分布。
其中，对于刀口位置可定量变化的测量***，也可在标定过程中标定不同的刀口位置对应的测量***对不同位置、不同强度的折射率梯度的响应，在纹影成像光路其他参数不发生改变的情况下测量过程可只利用一次标定的数据而不必每次使用前都进行标定，只需测量时也选用相同的刀口位置对应的标定数据即可，只有当光路发生了不可忽略的扰动后再重新标定。
另外，步骤S3中，控制单元9控制相位调控元件产生有规律的相位分布场，一般若使用刀口7，则在垂直于刀口7方向上产生相位梯度，并不断改变该梯度分布的空间位置，相当于对空间进行扫描，扫描一轮后改变梯度大小，再次扫描，如此往复直至达到预先设置的阈值，这样便获得了该测量***在不同位置、对不同的相位梯度的响应。但并不只限于如此，能够由探测器8探测结果与相位分布得到该测量***在不同位置、不同强度相位梯度响应的方法均可达到标定目的。
其中，步骤S4中，相位梯度与光线偏折角度之间的关系采用公式(1)；
其中,λ0为光在真空中的波长，
为在垂直于刀口(7)方向上的相位梯度，θ为光线偏折角。
另外，步骤S8中，折射率梯度与出射光线偏折角的关系采用公式(2)；
其中，x为折射率，
为折射率沿垂直于刀口方向的梯度，z为光传播的方向。
公式(2)可化为积分关系式(3)：
其中，x为折射率，
为折射率沿垂直于刀口方向的梯度，z为光传播的方向，当所测区域沿z方向厚度为一固定的较小的值且折射率分布沿z方向几乎不变时，可将积分化关系式(3)简化为乘法公式(4)：
其中Δz为探测区域的厚度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于相位标定的折射率场定量测量***，其特征在于，包括光源(1)及在光源(1)后方依次设置的聚焦透镜(2)、小孔光阑(3)、准直透镜(4)、探测区域(5)、成像透镜(6)、刀口(7)和探测器(8)，在标定时探测区域(5)用于放置标准相位调控元件，在测量时将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域(5)；光源(1)发出的光经聚焦透镜(2)汇聚于小孔光阑(3)处，再经准直透镜(4)变为平行光，最后经探测区域(5)后由成像透镜(6)出射的光经刀口(7)切割后在探测器(8)探测面上成像；还包括用于控制探测器(8)及标准相位调控元件的控制单元(9)；在标定时控制单元(9)控制标准相位调控元件在不同位置产生不同强度的折射率梯度，并控制探测器(8)记录，以获取该***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器(8)上产生的响应关系；在测量时控制探测器(8)探测待测场，并根据所述响应关系以获取待测场的折射率分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位标定的折射率场定量测量***，其特征在于，所述光源(1)为激光光源或非相干光。
3.根据权利要求2所述的一种基于相位标定的折射率场定量测量***，其特征在于，所述光源(1)为单模稳频激光、白光或准单色光。
4.根据权利要求1所述的一种基于相位标定的折射率场定量测量***，其特征在于，所述小孔光阑(3)包括用于调节光阑大小的光阑元件。
5.根据权利要求1所述的一种基于相位标定的折射率场定量测量***，其特征在于，标准相位调控元件为能相位调制的空间光调制器或相位分布固定不变的标准元件。
6.根据权利要求1所述的一种基于相位标定的折射率场定量测量***，其特征在于，从成像透镜(6)出射的光为彩色时，刀口(7)为滤光片。
7.根据权利要求1所述的一种基于相位标定的折射率场定量测量***，其特征在于，探测器(8)为用于探测光照强度的阵列式光电探测器。
8.一种基于相位标定的折射率场定量测量方法，其特征在于，使用权利要求1-6任一项所述的定量测量***，包括如下步骤：
S1.打开光源(1)，调整光路，调节刀口(7)位置，使所述定量测量***符合纹影成像光路的要求；
S2.确定光路中探测区域(5)的位置，即探测器(8)成像面对应的物面，放置标准相位调控元件；
S3.控制单元(9)控制标准相位调控元件在不同位置产生不同强度的折射率梯度，并控制探测器(8)探测记录，以获取用于标定的定量测量***对不同位置、不同强度折射率梯度的响应结果；
S4.根据相位梯度与光线偏折角度之间的关系，获取标定过程中经过标准相位调控元件的光在不同位置的偏折角度分布；相位梯度为折射率梯度；
S5.结合步骤S3和S4，获取所述定量测量***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器(8)上产生的响应结果；标定过程结束；
S6.保持光路不变，将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域(5)，控制单元(9)控制探测器(8)进行探测记录；
S7.根据探测器(8)记录结果，结合步骤S5得到的定量测量***对不同位置、不同大小的偏折角在探测器(8)上产生的响应结果，获取待测场不同位置的出射光线偏折角大小；
S8.根据折射率梯度与出射光线偏折角的关系，获取待测场的折射率分布。
9.根据权利要求8所述的一种基于相位标定的折射率场定量测量方法，其特征在于，步骤S4中，相位梯度与光线偏折角度之间的关系采用公式(1)；
其中,λ0为光在真空中的波长，
为在垂直于刀口(7)方向上的相位梯度，θ为光线偏折角。
10.根据权利要求8所述的一种基于相位标定的折射率场定量测量方法，其特征在于，步骤S8中，折射率梯度与出射光线偏折角的关系采用公式(2)；
其中，x为折射率，
为折射率沿垂直于刀口方向的梯度，z为光传播的方向。
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