CN102841452B - 激光偏振纹影检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用偏振激光成像的纹影检测装置，属于检测技术领域。该装置是由激光光源、二分之一波片、整形透镜组、分光棱镜、小孔、球面反射镜、四分之一波片、偏振片、窗口片、纹影刀口、成像透镜组、成像元件构成的纹影成像检测系统。所述的纹影检测采用偏振激光作为成像光源，能够实现同轴的激光纹影成像。装置可以采用常规的机械纹影刀口，也可以采用液晶光阀作为纹影刀口，实现非聚焦的纹影成像。本发明所阐述的装置结构稳定，在微重力环境和大加速度冲击下不易失谐，对于微重力环境火焰研究中具有很好的实用意义。

Description

激光偏振纹影检测装置

技术领域

本发明涉及一种新型激光纹影检测装置，特别是涉及一种采用偏振激光成像的纹影检测装置，属于检测技术领域。

背景技术

微重力条件下的燃烧过程是燃烧学中的新兴研究领域。一方面，微重力条件提供了最佳的减小自然对流作用的方法，对于燃烧过程的机理研究有重要价值，这对粉尘燃烧和爆炸等重要的工业安全过程研究很有意义。另一方面，微重力条件下的着火和火蔓延对于空间飞行器的火灾安全具有重要的意义，微重力火蔓延的研究将为航天舱防、灭火安全工程的实施提供科学依据。微重力燃烧已经成为燃烧学中的重要研究方向，本发明所述的激光纹影检测装置主要针对微重力、大加速度条件的特殊环境，具有高稳定性、可适应大口径等优点。

纹影成像最初由L.Fuoacutl用于光学玻璃折射率的检测中。纹影系统按照光线通过被测流场区的形状，可以分为平行光纹影仪和锥形光纹影仪两大类，两类纹影仪的光学成像原理及纹影图的分析方法相同，区别在于通过被测量流场区的是平行光线还是锥形汇聚光线。平行光纹影仪分为透射式和反射式两种，透射式纹影成像系统采用透镜作为主要聚焦光学元件，而反射式纹影成像系统采用凹面反射镜作为主要聚焦光学元件。透射式的光学成像质量好，但要加工大口径的球面透镜非常困难；现有的反射式纹影成像系统通常采用离轴成像的方案，光学系统存在象散和慧差两类像差，光学成像质量差。

液晶光阀作为一种整形器件，能够实现对注入激光束的精确整形。液晶光阀是在两片透明电极基板之间充入10微米左右厚的向列扭转液晶，使液晶分子的长轴在基板间发生90°的扭曲。向列扭转液晶(twistednematicliquidcrystal，TNLC)分子材料没有电压加载时，光经过光阀后偏振态被旋转90°，如果有电压加载在向列扭转液晶上，分子的取向受到外加电场的影响，而通过光的偏振态会沿着分子取向而改变。这就使得外加电压能够精确控制透过光的偏振态。将这一结构放在两个正交的偏振片之间，就可以实现激光振幅的调制。液晶光阀就是由上述整形微元构成的阵列，每个微元的长和宽均在10微米至40微米之间，阵列横向包括紧密排布的1至2048个微元，纵向也可以包括1至2048个微元，这样的一个阵列可以将光束细分成微元数目的子光束，实现对光束的精确调制。通过快速更换加载的整形图形，可以对直写激光的能量(功率)分布进行整形，并且整形的速度可以达到微秒量级。液晶光阀包括透射式和反射式两种。透射式液晶光阀是对入射光束调制并散射和反射不必要的光，在透射方向上形成所需要的图形；反射式液晶光阀是对入射光束调制并散射不必要的光，在反射方向上形成所需要的图形。

在现有专利中，针对纹影成像结构的专利很多，比如美国专利US3582185、US3617130、US3631409、US20030103194、US20090060134等。其中美国专利US3847484阐述了透射式纹影检测系统，采用多个透镜聚集成像的技术方案；对于反射式纹影成像，比如美国专利US3582185、US3617130分别阐述了各自的要求范围。US3582185要求了一种阵列刀口分割光束进行检测的技术方案，US3617130则要求了一种采用反射镜两个面进行反光的纹影成像系统。

目前的反射式激光纹影成像系统均采用离轴的结构，如果采用球面反射镜会存在很大的光程差，因此必须采用非球面来消除各类像差。然而非球面反射镜价格昂贵、稳定性差、在重力环境下装校后，在非重力环境和大加速度的环境中会发生失谐，降低系统检测精度。本发明能够有效解决上述问题，在非重力环境和大加速度的环境中保持系统稳定性，并且可以制作口径大于1米的大型纹影成像系统，具有较好的实用意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型的激光纹影检测装置，通过偏振结构实现高质量成像。本发明的目的是这样实现的：

本发明涉及的激光纹影检测装置如图1所示，包括：激光光源1、第一片二分之一波片2、整形透镜组3、分光棱镜4、小孔5、第二片二分之一波片6、第一片球面反射镜7、第一片四分之一波片8、第一片偏振片9、第一片窗口片10、第二片窗口片11、第二片偏振片12、第二片四分之一波片13、第二片球面反射镜14、纹影刀口15、成像透镜组16、成像元件17。

在所述的技术方案中，所述的激光光源1用来产生纹影检测用的激光。

在所述的技术方案中，所述的第一片二分之一波片2用来调整所述的激光光源1发出的光的偏振方向。

在所述的技术方案中，所述的整形透镜组3用来将所述的激光光源1发出的光汇聚到很小的一个焦点。

在所述的技术方案中，所述的分光棱镜4用来从检测激光束中分离出平行偏振激光光束。

在所述的技术方案中，所述的小孔5用来进行空间滤波。

在所述的技术方案中，所述的第二片二分之一波片6用来将平行偏振激光光束旋转成垂直偏振激光光束。

在所述的技术方案中，所述的第一片球面反射镜7用来反射并汇聚激光光束为平行光。

在所述的技术方案中，所述的第一片四分之一波片8用来将垂直偏振激光光束旋转成圆偏振激光光束，或将圆偏振激光光束旋转成平行偏振激光光束。

在所述的技术方案中，所述的第一片偏振片9用来反射照射在上面的垂直偏振激光光束，并透射平行偏振激光光束。

在所述的技术方案中，所述的第一片窗口片10和第二片窗口片11用来隔离出被检测区域。

在所述的技术方案中，所述的第二片偏振片12用来反射照射在上面的垂直偏振激光光束，并透射平行偏振激光光束。

在所述的技术方案中，所述的第二片四分之一波片13用来将平行偏振激光光束旋转成圆偏振激光光束，或将圆偏振激光光束旋转成垂直偏振激光光束。

在所述的技术方案中，所述的第二片球面反射镜14用来反射并汇聚激光光束为平行光。

在所述的技术方案中，所述的纹影刀口15用来遮挡通过的光束，可以是常规的机械刀口，也可以是液晶光阀构成的等效刀口。

在所述的技术方案中，所述的成像透镜组16用来将检测光束汇聚到成像器件中。

在所述的技术方案中，所述的成像元件17用来检测通过的激光光照度。

本发明与已有技术相比具有如下的优点：

通常的反射式纹影成像系统采用离轴的非球面反射镜结构聚光，这样系统的稳定性差，尤其在微重力环境和大加速度冲击下会发生失谐，由于光学成像质量下降而导致测量精度降低。本发明所阐述的装置结构更稳定，在微重力环境和大加速度冲击下不易失谐，对于微重力环境火焰研究中具有很好的实用意义。

附图说明

图1是一种激光纹影成像系统的结构。

图2是另一种激光纹影成像系统的结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例将对本发明进一步详细说明。

实施例1

参考图1，制作一个激光偏振纹影检测装置。该装置选用Coherent公司的面发射激光二极管作为激光光源1。激光光源1发出的激光经过第一片二分之一波片2后调节为水平偏振光，然后经过由2片平凸透镜构成的整形透镜组3。整形透镜组3将检测激光光束汇聚到一个点。分光棱镜4置于整形透镜组3的后面，整形透镜组3焦点前，用来将激光束彻底变成高消光比的水平偏振光。小孔5放置在检测激光光束的焦点上，用来进行空间滤波。第二片二分之一波片6放置在小孔5的后面，用来将检测激光光束旋转成垂直偏振光。垂直偏振的检测激光光束经过第一片偏振片9的反射后，再经过第一片四分之一波片8，变成圆偏振光，同轴的照射在第一片球面反射镜7上。第一片球面反射镜7将发散的光束汇聚成平行光，并反射经过第一片四分之一波片8，检测激光光束被旋转成水平偏振激光，透射第一片偏振片9。透射的检测光束穿过包含检测区域的第一片窗口片10、第二片窗口片11，以及第二片偏振片12，由第二片四分之一波片13旋转成圆偏振光。然后经过第二片球面反射镜14反射后，再由第二片四分之一波片13旋转成垂直偏振光。检测激光光束经过第二片偏振片12的反射后，依次经过纹影刀口15、成像透镜组16，进入成像元件17中。这里的透镜组16是选购的一款科学CCD附带的成像镜头，纹影刀口15选取的是箭头形状的硬边刀口，用来降低衍射的影响。成像元件为Thorlabs公司的科学CCD产品。

实施例2

参考图2，制作一个激光偏振纹影检测装置。该装置选用一台全固态YLF激光器作为激光光源1，激光光源1发出的光即为垂直方向的线偏振激光。垂直偏振的检测激光光束经过第一片偏振片9的反射后，经过第一片四分之一波片8，变成圆偏振光，同轴的照射在球面反射镜7上。球面反射镜7将发散的光束汇聚成平行光，并反射经过四分之一波片8，检测激光光束被旋转成水平偏振激光，透射第一片偏振片9。透射的检测光束穿过包含检测区域的第一片窗口片10、第二片窗口片11，以及第二片偏振片12，由第二片四分之一波片13旋转成圆偏振光。然后经过第二片球面反射镜14反射后，再由第二片四分之一波片13旋转成垂直偏振光。检测激光光束经过第二片偏振片12的反射后，依次经过由液晶光阀构成的纹影刀口15进入成像元件17中。这里的纹影刀口15选取的是在液晶光阀上实时调整、显示的多条纹刀口，可以同时实现多点的同时纹影遮挡检测，也可以通过加载软边光阑来实现无衍射的纹影检测，液晶光阀为SONY公司的LCX016AL-6型透射液晶光阀产品。成像元件17为陕西维视公司的CMOS摄像头产品。

Claims (4)

1.一种采用偏振结构实现的激光纹影检测装置，包括：激光光源、第一片二分之一波片、整形透镜组、分光棱镜、小孔、第二片二分之一波片、第一片球面反射镜、第一片四分之一波片、第一片偏振片、第一片窗口片、第二片窗口片、第二片偏振片、第二片四分之一波片、第二片球面反射镜、纹影刀口、成像透镜组、成像元件；

所述的激光光源用来产生检测激光；

所述的第一片二分之一波片置于整形透镜组附近，分光棱镜前，用来调节激光束的偏振方向；

所述的整形透镜组用来对激光光源发出的光进行整形聚焦，使其汇聚经过小孔；

所述的分光棱镜用来对检测激光进行过滤，提取水平偏振光；

所述的小孔用来对检测激光进行过滤，提高光束质量；

所述的第二片二分之一波片放置在小孔后面，用来将检测激光光束旋转成垂直偏振光；

所述的第一片偏振片放置在第二片二分之一波片之后，用来同轴的将垂直偏振检测激光光束反射到第一片球面反射镜上，并透射水平偏振检测激光光束；

所述的第一片四分之一波片沿光路放置在第一片偏振片之后，用来将垂直偏振检测激光光束旋转成圆偏振光，或者将圆偏振光旋转成水平偏振检测激光，并透射水平偏振检测激光光束；

所述的第一片球面反射镜沿光路放置在第一片四分之一波片之后，用来反射检测激光光束；

所述的第一片窗口片和第二片窗口片为高透过率平板，之间的区域为纹影成像检测区域；

所述的第二片偏振片放置在第二片窗口片之后，作用与第一片偏振片相同，即透射水平偏振检测激光光束，并用来反射所述第二片球面反射镜反射的垂直检测激光光束；

所述的第二片四分之一波片沿光路放置在第二片偏振片之后，作用与第一片四分之一波片相同，即用来将水平偏振检测激光光束旋转成圆偏振光，或者将圆偏振光旋转成垂直偏振检测激光，并透射垂直偏振检测激光光束；

所述的第二片球面反射镜放置在第二片四分之一波片之后，作用与第一片球面反射镜相同，即用来反射检测激光光束；

所述的纹影刀口放置在第二片偏振片的反射光路上，用来对检测光束进行遮挡，实现纹影成像；

所述的成像透镜组放置在纹影刀口之后，用来在成像元件上聚焦成像；

所述的成像元件放置在成像透镜组之后，用来采集图像。

2.按权利要求1所述的激光纹影检测装置，其特征在于，所述的纹影刀口可以是常规的机械光阑刀口，也可以是液晶光阀及其加载的图像构成的等效刀口；如果是常规的机械光阑刀口，可以是平边刀口，也可是箭头等特殊形状的刀口，或者多个图案的组合或阵列刀口。

3.按权利要求1所述的激光纹影检测装置，其特征在于，所述的纹影刀口可以是液晶光阀及其加载的图像构成的等效刀口，液晶光阀可以通过外部程序进行实时的控制，加载动态变化的透过图像，等效光阑的移动，替代刀口外部的机械移动系统。

4.按权利要求3所述的激光纹影检测装置，其特征在于，所述的纹影刀口可以是液晶光阀及其加载的图像构成的等效刀口，液晶光阀可以通过外部程序进行实时的控制，加边缘透射率逐渐变化的软边光阑图像，构成无衍射刀口；可以加载等效的刀口阵列或者随时间变化的刀口，实现动态检测的补偿。