CN101285702A - 超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统，技术特征在于：将激光器发出的光束分为第一和第二两组平行光束；将第一平行光束穿过待测超声场后被反射沿原路穿过待测超声场形成测量物光；将第二平行光束作为参考光与测量物光发生干涉成像于面阵CCD。优越性在于：进行测量的过程中避免产生误差，实现其瞬时记录，可以探测声场扰动使空气产生的微小折射率变化造成的干涉条纹分布，使测量结果更加直观、精确。利用本测量装置CCD得到的数字全息图经过数值再现，实现真正意义上的各种复振幅运算和操作，使数据处理过程简单快速且精度高。本测量装置可以进行较大体积流场的实时测量，对实现超声悬浮场的无扰测量具有很大的优势。

Description

超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统

技术领域

本发明涉及一种超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统，利用数字全息技术实现超声悬浮场的测量。

背景技术

声悬浮技术主要利用的是高强度超声驻波场产生的声辐射力(Acoustic RadiationForce)或声辐射压力(Acoustic Radiation Pressure)，它可以使密度比空气大几百甚至几万倍的常见固体或液体克服地球引力而悬浮于空气中，也可以将密度很小的气泡定位于液体中某一位置而不漂浮到液面上，是一种无容器处理的重要手段。

由于超声悬浮场是声波在空气中形成的驻波场，不能直接用眼睛或视频装置接收，加上探测过程不能干扰声场，使得常规探测仪器无法使用。又由于引入测量器件后，会对声悬浮场产生影响且难于实现全场测量。所以，到目前为止，对超声悬浮场的研究工作多集中于利用声学理论进行数值计算。西北工业大学张琳等人用传统光学全息方法首次对声悬浮场分布进行了测量(张琳，李恩普，冯伟，洪振宇，解文军，马仰华，声悬浮过程的激光全息干涉研究，物理学报，54(5)(2005))。不过，由于其方法的局限性，测量结果比较粗糙，该方法以全息干板作为记录介质，需要经过复杂的物理和湿化学处理过程，记录的信息和记录效果极易受到人为操作的影响，而且信息处理手段有限，不能解调出干涉场的相位信息；随后，张琳等人(张琳，声悬浮过程的激光全息干涉研究，硕士学位论文，西北工业大学，(2005)进一步应用数字全息方法并采用双共聚焦光路对超声悬浮场进行了测量，由于其光路结构的限制，测量弱相位场的灵敏度低，测量过程较复杂，难以做到定量分析，且测量范围固定不可调。

总之，超声悬浮场属于弱相位场，而现有的测量灵敏度低，测量过程较复杂，且测量范围固定不可调。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统，可以克服在测量超声悬浮场的弱相位场过程中灵敏度低，且测量范围固定不可调，测量过程较复杂的问题。

技术方案

本发明提出一种超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统的技术特征在于：将激光器发出的光束分为第一和第二两组平行光束；第一平行光束穿过待测超声场后被反射沿原路穿过待测超声场形成测量物光；第二平行光束作为参考光与测量物光发生干涉成像于面阵CCD。

一种实现上述测量方法的测量系统，其特征在于：系统包括激光器12，分束装置6，二个扩束准直装置5、7，半透半反镜4，全反射镜3，凸透镜2和面阵CCD1。在激光器12发出的光束中设置形成第一光束和第二光束的分束装置6。在第一光束的光路中，依次设置扩束准直装置5和全反射镜3，待测超声场位于光路中，设置在扩束准直装置5和全反射镜3之间，在扩束准直装置5与待测超声场之间设置一个将物光反射到与第一光束方向垂直的另外一侧的半透半反镜4。在第二光束的光路中，设置一个将光束变为平行参考光的扩束准直装置7；在两束光以一定倾角发生干涉后形成的光路中，依次设置将干涉图样成像的凸透镜2和记录数字全息图的面阵CCD1。

在上述方案中，可以在激光器12与分束装置6的光路之间设置衰减器11和改变光路方向的全反射镜10。

在第二光束的光路中，分束装置(6)与扩束装置(7)之间设置改变光路方向的全反射镜(8)。形成如图3所示的测量光路。

在第二光束的光路中，与上述方案不同的是：扩束准直装置7之后依次设置改变光路方向的全反射镜8和半透半反镜9，半透半反镜9位于半透半反镜4和凸透镜2之间。形成如图2所示的测量光路。

在图3所示的测量光路基础上，在半透半反镜9与半透半反镜4之间依次设置凸透镜15和凸透镜14。形成如图4所示的测量光路。

在图2所示的测量光路基础上，在激光器12发出的光路中将原有的二个扩束装置5、7合并为一个扩束准直器5，并设置在分束镜17之前端，所述的分束镜17设置在原有的分束装置6的位置，且分束镜17的透反比为7∶3。形成如图5所示的测量光路。

所述的分束装置6为固定分光比分束镜，或分光比可调分束镜。

所述的扩束准直装置7为扩束镜，或透镜组。

所述线阵CCD1为一面阵列分布的电荷耦合器件。

所述的分束装置17为固定分光比分束镜，透射光与反射光强比为7∶3。

有益效果

本发明提出的超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统，相比现有技术的优越性在于：(1)由于在利用本测量系统对超声场进行测量的过程中没有仪器探头等扰动流场，光束通过待测超声悬浮场后并不对其造成干扰，从而避免由此而产生误差；(2)由于光线的无惯性，本测量系统可用来研究超声场的瞬态过程，实现其瞬时记录；(3)本测量系统运用倍增光路，从而可以探测声场扰动所引起的微小折射率变化造成的干涉条纹分布，使测量结果更加直观、精确；(4)本测量系统在CCD前放置一成像透镜，通过调节CCD、成像透镜与参考光和物光的干涉场之间距离达到改变测量范围的目的，可以测量不同谐振模式声场(发射端和反射端之间的距离不同)，增加测量过程的灵活性，解决CCD靶面尺寸有限的问题；(5)利用本测量系统，CCD所记录的数字全息图经过计算机处理，数值再现全息图获得包含振幅和相位的物光波场的复振幅分布，可实现真正意义上的各种复振幅运算和操作(如两个或多个全息图的加减、背景图像的增减、图像的叠加等)，使数据处理过程简单快速且精度高，有利于实时化。(6)本测量系统可以进行较大体积流场的实时测量，对实现超声悬浮场的无扰测量具有很大的优势。

附图说明

图1是本发明的原理示意图

图2是本发明超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统第一实施方式的结构示意图；

图3是本发明超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统第二实施方式的结构示意图；

图4是本发明超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统第三实施方式的结构示意图；

图5是本发明超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统第四实施方式的结构示意图。

1-面阵CCD；2-凸透镜；3-全反射镜；4-半透半反镜；5-扩束准直器；6-分束镜；7-扩束准直器；8-全反射镜；9-半透半反镜；10-全反射镜；11-衰减器；12-气体激光器；13-计算机；14、15-凸透镜；16-半导体激光器；17-透反比为7∶3的分束镜；A-超声场。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

实施例1：如图2所示的测量系统包括气体激光器12、衰减器11、全反射镜10、分束镜6、扩束准直器5、半透半反镜4、全反射镜3、扩束准直器7、全反射镜8、半透半反镜9、凸透镜2和面阵CCD1，以及包含于其中的待测超声场A。

衰减器11为可调通光衰减器，其设置在气体激光器12所发出光束的光路上，为了使成在CCD上的像不至于过亮，起到衰减光强的作用。全反射镜10将衰减后的光反射至分束器6，分束器6为一分光比可调分束器，将该光束分成第一光束和第二光束。第一光束由扩束准直器5扩束并准直后成平行光，再穿过超声悬浮场A后被全反射镜3沿原路返回，再由半透半反镜4反射，透过半透半反镜9后被述凸透镜2成像在面阵CCD1上。其中，待测超声悬浮场A为一透明状态的透射型场。

第二束光由扩束准直器7扩束并准直成平行光后，依次被全反射镜8和半透半反镜9反射，调整夹角形成干涉区域，经凸透镜2成像在CCD1上。

所述CCD1为一像素分布1040*1392的面阵电荷耦合器件，其面积大小为1平方厘米，位于凸透镜2的一倍焦距与二倍焦距之间。调节凸透镜2和CCD1与待测超声悬浮场A三者之间的距离，使待测超声悬浮场A经过凸透镜2后清晰成像在CCD1上。在CCD1记录范围内调节第一、二光束之间的夹角，使得记录图像频谱可以分离，然后分别拍摄不加超声悬浮场和加超声悬浮场两种情况下的数字全息干涉图，最后，二两种情况的数字全息图可由计算机13通过快速傅里叶变换算法和数字图像处理等手段进行数值重构，即可以获得声悬浮场的数字全息干涉再现像。

在条纹纪录过程中，条纹数与物光和参考光夹角的关系为N∝sinθ，其中N为单位长度的干涉条纹数目，θ为所述第一、二光束干涉时的夹角。

由于CCD1分辨率较低，进行全息记录时，对物光和参考光的夹角要求较高，物光与参考光夹角较大时会损失物光波频谱信息，较小则引起频谱混叠。实验中第一束光与所述第二束光夹角取1.10±0.05°左右。本发明超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统的光源用的是波长为632.8nm的He-Ne激光器，假设超声悬浮场声压在140dB～160dB之间，根据相关理论可知，本系统可测量折射率变化数量级约为10^-7～10^-6的声场，完全满足测量要求。

本发明超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统第一实施方式的主要工作过程为：气体激光器12所发出光束经过所述衰减器11后，被全反射镜10反射至分束器6。分束器6将该光束分成第一光束和第二光束。第一光束经扩束准直器5扩束并准直后成平行光，再穿过超声悬浮场A后被全反射镜3沿原路返回，再由半透半反镜4反射，透过半透半反镜9后被凸透镜2成像在面阵CCD1上。同时，第二束光由扩束准直器7扩束并准直成平行光后，依次被全反射镜8和半透半反镜9反射，以一定的夹角与第一束光形成干涉区域，经凸透镜2也成像在CCD1上。

由于CCD1位于凸透镜2的一倍焦距与二倍焦距之间。调节凸透镜2和CCD1与待测超声悬浮场A三者之间的距离，使待测超声悬浮场A经过凸透镜2后清晰成像在CCD1上。在CCD1记录范围内调节第一、二光束之间的夹角，使得记录图像频谱可以分离，然后分别拍摄不加超声悬浮场和加超声悬浮场两种情况下的数字全息干涉图，最后，将两种情况的数字全息图由计算机13通过快速傅里叶变换算法和数字图像处理等手段进行数值重构，即可以获得声悬浮场的数字全息再现像。

实施例2如图3所示：包括气体激光器12、衰减器11、全反射镜10、分束镜6、扩束准直器5、半透半反镜4、待测超声场A、全反射镜3、扩束准直器7、全反射镜8、凸透镜2和面阵CCD1。

本实施例中，在实施例一的基础上去掉了半透半反镜9，从而使系统简化。方式的主要工作过程与第一实施方式的主要工作过程基本相同。

实施例3如图4所示：包括半导体激光器16、衰减器11、全反射镜10、分束镜6、扩束准直器5、半透半反镜4、待测超声场A、全反射镜3、凸透镜14、凸透镜15、扩束准直器7、全反射镜8、半透半反镜9、凸透镜2和面阵CCD1。

本实施例中，在实施例一的基础上在第一束光路中的半透半反镜4和半透半反镜9之间增加了一个由凸透镜14与凸透镜15组成的倒装望远镜系统。主要工作过程与第一实施方式的主要工作过程基本相同，所不同的是在第三实施方式的主要工作过程中，由于增加了倒装望远镜系统，使得测量系统能够适应待测超声场面积变大、超出CCD接受范围的情况。

工作过程中，当被测超声场模式增大(被测范围增大)时，待测超声场经过凸透镜2成的像超出CCD1的接收范围。此时，在第一束光路中的半透半反镜4和半透半反镜9之间增加的由凸透镜14与凸透镜15组成的倒装望远镜系统，使得待测超声场得到缩小，满足测量条件，解决了CCD靶面尺寸不足的问题。

实施例4如图5所示：包括半导体激光器16、衰减器11、全反射镜10、扩束准直器5、透反比为7∶3的分束镜17、半透半反镜4、待测超声场A、全反射镜3、全反射镜8、半透半反镜9、凸透镜2和面阵CCD1。

本发明超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统第四实施方式的主要工作过程为：气体激光器12所发出光束经过所述衰减器11后，被全反射镜10反射至扩束准直器5，再由透反比为7∶3的分束镜17将扩束平行光分为第一光束和第二光束。第一光束穿过超声悬浮场A后被全反射镜3沿原路返回，再由半透半反镜4反射，透过半透半反镜9后被凸透镜2成像在面阵CCD1上。同时，第二束光依次被全反射镜8和半透半反镜9反射，以一定的夹角与第一光束形成干涉区域，经凸透镜2也成像在CCD1上。本实施方式采用先扩束准直，再分光，节省了光学器件的同时也减少了测量误差。同理，前三种实施方式也可采用先扩束准直，再分光的措施。

本超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统用CCD记录全息图并用数值方法再现全息图，省去了对全息干板的物理、化学等湿处理过程，使整个记录和再现过程数字化，避免了复杂的人工处理，在提高了效率的同时更有利于实现实时化。另外本实施方式通过透镜将全息图成像在CCD靶面上，当声场模式改变后，不用移动主光路，只要通过调节透镜和CCD与所述被测超声悬浮场之间的距离就可以适应超声悬浮场大小的改变，便于测量。本实施方式超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统在全息图记录过程中，由于采用平行光作为物光照声场获得数字全息图，在对所述数字全息图数值重构之后，可以直接获得透过所述声场的物光波的相位以及强度分布信息，进而结合相应的算法获得声悬浮场折射率变化信息，反推出声压变化信息。本实施方式超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统在全息图记录过程中，利用相位倍增光路，使测量结果更加精确。

Claims (9)

1.一种超声悬浮场可视化测量方法，其特征在于：

(1)将激光器发出的光束分为第一和第二两组平行光束；

(2)将第一平行光束穿过待测超声场后被反射沿原路穿过待测超声场形成测量物光；

(3)将第二平行光束作为参考光与测量物光发生干涉成像于面阵CCD。

2.一种实现权利要求1所述的测量方法的测量系统，其特征在于：系统包括激光器(12)，分束装置(6)，二个扩束装置(5)、(7)，半透半反镜(4)，全反射镜(3)，凸透镜(2)和面阵CCD(1)；在激光器(12)发出的光路中设置形成第一光束和第二光束的分束装置(6)；在第一光束的光路中，依次设置扩束装置(5)和全反射镜(3)，待测超声场位于光路中设置在扩束装置(5)和全反射镜(3)之间，在扩束装置(5)与待测超声场之间设置一个将物光反射到与第一光束方向垂直的另外一侧的半透半反镜(4)；在第二光束的光路中，设置一个将光束变为平行参考光的扩束装置(7)；在两束光以一定倾角发生干涉后形成的光路中，依次设置将干涉图样成像的凸透镜2和记录数字全息图的面阵CCD1。

3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于：在激光器(12)与分束装置(6)的光路之间设置衰减器(11)和改变光路方向的全反射镜(10)。

4.根据权利要求2～3所述的测量系统，其特征在于：在第二光束的光路中，分束装置(6)与扩束装置(7)之间设置改变光路方向的全反射镜(8)。

5.根据权利要求2～3所述的测量系统，其特征在于：在第二光束的光路中，扩束装置(7)之后依次设置改变光路方向的全反射镜(8)和半透半反镜(9)，半透半反镜(9)位于半透半反镜(4)和凸透镜(2)之间。

6.根据权利要求2～3所述的测量系统，其特征在于：在激光器(12)发出的光路中将原有的二个扩束装置(5)、(7)合并为一个扩束准直器(5)，并设置在分束镜(17)之前端，所述的分束镜(17)设置在原有的分束装置(6)的位置，且分束镜(17)的透反比为7∶3。

7.根据权利要求2～4所述的测量系统，其特征在于：所述的分束装置(6)为固定分光比分束镜，或分光比可调分束镜。

8.根据权利要求2～5所述的测量系统，其特征在于：所述的扩束装置(7)为扩束镜，或透镜组。

9.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于：所述线阵CCD(1)为一面阵列分布的电荷耦合器件。

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