CN103760568A - 一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪，脉冲激光源、输入干涉测速腔、输出干涉测速腔、分束镜、反射镜、成像镜头和CCD相机；所述脉冲激光源发射的脉冲进入输入干涉测速腔，经过输入干涉测速腔输出的脉冲由成像透镜聚焦到待测靶面，从待测靶面发射回的脉冲由成像镜头收集并用分束镜分光到反射镜上再反射到输出干涉腔，经过输出干涉测速腔输出的梳状干涉条纹由CCD相机记录；本发明的实施可以实现超高时间分辨；同时可以在超高时间分辨的基础上实现空间相移面成像，只需要由两个CCD相机就可以记录四幅干涉条纹图像，实现更高的速度分辨。
Description
技术领域
本发明属于激光干涉测试技术领域，具体涉及能够实现时间和空间分辨速度测量的一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪。
背景技术
目前基于成像原理的激光干涉测速技术主要有线成像任意反射面速度干涉仪（VISAR）和分幅面成像任意反射面速度干涉仪，它们是传统点VISAR技术的发展，用梳状干涉条纹取代“牛眼”状环纹，用扫描相机或者分幅相机记录一维或者二维梳状干涉条纹随时间的变化过程，记录像面与靶面具有物像关系，能够实现空间分辨。线成像VISAR能够测量样品表面一条线上各点速度随时间变化的过程；分幅面成像VISAR能够测量多个时刻二维样品表面各点的绝对速度分布或者相对速度分布。分幅面成像VISAR技术（分幅面成像任意反射面速度干涉仪诊断激光驱动飞片全场速度，光学学报，2013，33（9））采用连续激光照明，超高速光电分幅相机记录二维空间分辨的梳状干涉条纹，但受到分幅相机曝光时间限制，速度测量时间分辨通常为1ns～5ns，难以满足激光驱动及各种碰撞试验的超快过程中材料的相变、层裂的亚纳秒甚至皮秒时间分辨要求。另外分幅面成像VISAR技术每一个时刻只记录一幅干涉条纹图像，需采用傅里叶变换方法对整幅图像进行相位分析，相位恢复精度只有1/20条纹，相应的速度分辨对应于1/20条纹常数。且由于傅里叶变换方法是对整幅图像而不是每个像素进行分析，因此对于超高速过程中的条纹错位、分裂等情况，是无能为力的。
通常超短脉冲的脉冲宽度是百皮秒以下，而VISAR干涉腔中标准具引起的两臂延迟时间差在百皮秒以上(300m/s/Fr的条纹常数对应于857 ps)。很显然直接用超短脉冲激光照明靶面，从靶面返回的漫反射光是无法在VISAR干涉腔中形成干涉。需要有新的结构来实现超短脉冲在VISAR干涉腔中的干涉。
传统点VISAR利用波片和偏振分束棱镜产生四路位相差为90°的“牛眼”状干涉信号，分出的光束在两对正交方向上。在点VISAR基础之上发展出一种线成像VISAR，用光纤传像束将偏振棱镜分开的四路相移干涉信号导入到扫描相机狭缝上。借鉴这样的结构实现空间相移面成像VISAR，则需要用到4根极大截面细芯径光纤传像束和1个大感光面积且高像元数的CCD相机，系统复杂、调节困难、成本昂贵。
发明内容
本发明的目的是在现有技术基础上提出一种光路，实现超高时间分辨；
本发明的另一目的是在超高时间分辨的基础上实现以空间相移面成像VISAR实现更高的速度分辨。
本发明采用的技术方案为：一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪，所述干涉仪包括脉冲激光源、输入干涉测速腔、输出干涉测速腔、分束镜、反射镜、成像镜头和CCD相机；所述脉冲激光源发射的脉冲进入输入干涉测速腔，经过输入干涉测速腔输出的脉冲由成像透镜聚焦到待测靶面，从待测靶面发射回的脉冲由成像镜头收集并用分束镜分光到反射镜上再反射到输出干涉腔，经过输出干涉测速腔输出的梳状干涉条纹由CCD相机记录。
在上述技术方案中，所述输入干涉测速腔和输出干涉测速腔分别包括一个干涉反射镜、两个小角度分束镜和一个标准具，所述输入干涉测速腔和输出干涉测速腔的脉冲输入输出口分别设置一个小角度分束镜，小角度分束镜的一侧设置标准具，另一侧设置干涉反射镜。
在上述技术方案中，所述小角度分束镜的一侧靠近输出端位置设置干涉反射镜，所述小角度分束镜的一侧靠近输入端位置设置标准具。
在上述技术方案中，所述反射镜与输出干涉测速腔之间设置起偏器，所述输出干涉测速腔的干涉反射镜与小角度分束镜之间设置波片，所述CCD相机与输出干涉测速腔之间设置有渥拉斯顿棱镜。
在上述技术方案中，所述CCD相机为两个。
一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪光路，包括脉冲激光源L、两个干涉测速腔、分束镜B、反射镜M、成像镜头I和CCD相机，所述光路分为两个部分，即输入干涉测速腔部分和输出干涉测速腔部分：
输入干涉腔部分：
脉冲激光源L发射的脉冲进入输入干涉测速腔，脉冲通过小角度分束器B1分为两路脉冲，一路脉冲被小角度分束器B1反射到标准具E1，然后通过标准具E1再次反射到小角度分束器B2，脉冲透射过小角度分束器B2依次经过分束镜和成像镜头聚焦照射到待测靶面T；
另一路脉冲透射过小角度分束器B1照射到干涉反射镜M1上，由干涉反射镜M1反射到小角度分束器B2上，再经过小角度分束器B2反射依次经过分束镜B和成像镜头I聚焦到待测靶面T；
输出干涉腔部分：
由待测靶面T反射回的脉冲经过成像镜头I、分束镜和反射镜M由起偏器P起偏后进入输出干涉测速腔，脉冲通过小角度分束器B3分为两路脉冲，其中一路脉冲透射过小角度分束器B3照射到标准具E2上，经过标准具E2反射到小角度分束器B4上，通过小角度分束器B4反射和透射分为两路脉冲， 两路脉冲通过渥拉斯顿棱镜WP由CCD相机记录；
小角度分束器B3分出的另一路脉冲通过小角度分束器B3反射到干涉反射镜M2上，再经干涉反射镜M2反射透过波片W照射到小角度分束器B4上，通过小角度分束器B4反射和透射分为两路脉冲， 两路脉冲通过渥拉斯顿棱镜由CCD相机记录。
在上述技术方案中，为脉冲通过输入干涉测速干涉腔后分成两组具有时间差的脉冲，再通过输出干涉测速腔后每一组脉冲再次分为具有时间差的两组脉冲。
在上述技术方案中，每一组脉冲输入可以由CCD相机记录四幅相移干涉图像。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明采用 “双干涉腔”结构解决超短脉冲时间相干性问题，实现超高时间分辨。本发明它具有两个相同的测速干涉腔（VISAR），延迟时间Δt相同。脉冲激光器发出的超短脉冲光经过输入干涉腔，变成间隔时间为Δt的两个脉冲光，依次照射到靶面，从靶面返回的两个脉冲光再经过输出干涉腔，最终产生四个脉冲光，中间两个脉冲光在时间轴上基本重合，满足时间相干性要求，能够形成干涉，另外两个脉冲光与其它三个中任意一个脉冲光都不满足时间相干性要求，只是作为本底存在于干涉图像中。最终用CCD相机记录干涉条纹。它的时间分辨本领不是由CCD相机的曝光时间决定，而是依靠光源本身的开关性质，实现超高时间分辨。其时间分辨最终由超短脉冲的脉冲宽度决定，能够做到百皮秒以下，甚至几个皮秒。
此光路只产生一幅干涉条纹图像。可以采用傅里叶变换方法对干涉条纹进行处理得到相位，进而得到全场速度分布。但其相位恢复精度最高约1/20条纹，对应速度分辨为1/20条纹常数。为此本发明采用起偏器、波片和偏振分束棱镜或沃拉斯顿棱镜的组合实现4幅具有一定相位差的空间相移的干涉条纹。在点VISAR基础之上，用4个CCD相机来记录4幅干涉条纹图像，避免4根光纤传像束和大感光面积且高像元数的CCD相机结构，简化系统，方便调节，降低成本。
更优的方案是用沃拉斯顿棱镜取代传统设计上的偏振分束棱镜，实现p光和s光在同一方向上以一定夹角分开，使得仅用一个CCD相机就可以记录两路相移信号，两个CCD相机就可以记录四路相移信号。进一步简化系统，方便调节，降低成本。
最后用相移算法对四路空间相移的干涉条纹图像进行处理，处理是以4幅干涉图像中匹配对应的像素点的4个强度数据为一组，用相移算法或者点VISAR的数据处理方法处理，即可以得到该像素点的相位，依次对图像中各像素点进行处理，就可以得到整幅图像条纹相位。能够实现1/50条纹的相位恢复精度和相应1/50条纹常数的速度分辨。由于相移算法是对图像中每一个像素点进行单独处理，因此，对于条纹不连续、错位、分裂等情况是免疫的。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是传统VISAR结构的空间相移面成像VISAR光路；
图2是本发明超高时间分辨面成像VISAR光路；
图3是本发明的空间相移面成像VISAR光路；
图4是超高时间分辨空间相移面成像VISAR光路图；
其中：L是激光器，B是分束器，M是反射镜，I是成像镜头，T是待测靶面，C是CCD相机，P是起偏器，W是波片，PB是偏振分束棱镜，WP是渥拉斯顿棱镜，M1、M2是干涉腔反射镜，B1、B2、B3、B4是分束器，E1、E2标准具。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
如图2所示，本发明中的超高时间分辨面成像VISAR光路采用两个干涉测速腔，脉冲激光源L发出的超短脉冲光经过输入干涉腔VISAR1后由成像透镜I聚焦到待测样品T表面，待测样品T表面的漫反射光由成像镜头I收集并用分束镜B分光到反射镜M上再反射到输出干涉腔VISAR2中，在输出干涉腔VISAR2中干涉形成梳状干涉条纹，再由CCD相机C记录此梳状条纹。脉冲激光器脉冲宽度根据时间分辨需求可以从皮秒量级到百皮秒量级。
如图1所示，传统技术记录具有一定相位差的四幅相移干涉条纹图像。从靶面返回的漫反射光，被起偏器P起偏成与竖直方向成45°的线偏振光、该线偏振光被分束镜B3分成两束，一束经过标准具后到达另一个分束镜B4，另外一束被反射镜M2反射经过1/4波片W变成椭圆偏振光后再到达分束镜B4，两束光在分束镜B4处合束形成干涉，再分别到达偏振分束棱镜PB，由偏振分束棱镜分成p光和s光，并形成干涉条纹，最终实现四路位相差一定的相移信号输出，然后采用四个CCD相机C记录干涉腔产生的二维梳状条纹。
如图3所示，在本发明中用渥拉斯顿棱镜WP取代偏振分束棱镜PB，实现p光和s光在同一方向上分离，分离角约为10°，然后用2个CCD相机C就可以记录四路相移干涉条纹图像。因此，大大减低系统调节难度，降低了系统成本。四路相移干涉条纹的相移量通常选择为90°。此相移干涉图像采用四步相移算法或者VISAR数据处理方法来处理，按像素点进行处理。
如图4所示，在前面图2、图3基础之上，将两个光路结合，得到超高时间分辨空间相移面成像VISAR，脉冲激光器L发出的超短脉冲激光输入干涉测速腔，脉冲通过小角度分束器B1分为两路脉冲，一路脉冲被小角度分束器B1反射到标准具E1，然后通过标准具E1再次反射到小角度分束器B2，脉冲透射过小角度分束器B2依次经过分束镜和成像镜头照射到待测靶面T；另一路脉冲透射过小角度分束器B1照射到干涉反射镜M1上，由干涉反射镜M1反射到小角度分束器B2上，再经过小角度分束器B2反射依次经过分束镜B和成像镜头I到待测靶面T；这样待测靶面T就会有两路波长相同的具有时间差的脉冲。由待测靶面T反射后的脉冲经过成像镜头I、450分束镜和反射镜M由起偏器P起偏后进入输出干涉测速腔，脉冲通过小角度分束器B3分为两路脉冲，其中一路脉冲透射过小角度分束器B3照射到标准具E2上，经过标准具E2反射到小角度分束器B4上，通过小角度分束器B4反射和透射分为两路脉冲， 两路脉冲通过沃拉斯顿棱镜WP由CCD相机记录；小角度分束器B3分出的另一路脉冲通过小角度分束器B3反射到干涉反射镜M2上，再经干涉反射镜M2反射透过波片W照射到小角度分束器B4上，通过小角度分束器B4反射和透射分为两路脉冲， 两路脉冲通过沃拉斯顿棱镜由CCD相机记录。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪，其特征为所述干涉仪包括脉冲激光源、输入干涉测速腔、输出干涉测速腔、分束镜、反射镜、成像镜头和CCD相机；所述脉冲激光源发射的脉冲进入输入干涉测速腔，经过输入干涉测速腔输出的脉冲由成像透镜聚焦到待测靶面，从待测靶面发射回的脉冲由成像镜头收集并用分束镜分光到反射镜上再反射到输出干涉腔，经过输出干涉测速腔输出的梳状干涉条纹由CCD相机记录。
2.根据权利要求1所述的一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪，其特征为所述输入干涉测速腔和输出干涉测速腔分别包括一个干涉反射镜、两个小角度分束镜和一个标准具，所述输入干涉测速腔和输出干涉测速腔的脉冲输入输出口分别设置一个小角度分束镜，小角度分束镜的一侧设置标准具，另一侧设置干涉反射镜。
3.根据权利要求2所述的一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪，其特征为所述小角度分束镜的一侧靠近输出端位置设置干涉反射镜，所述小角度分束镜的一侧靠近输入端位置设置标准具。
4.根据权利要求1所述的一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪，其特征为所述反射镜与输出干涉测速腔之间设置起偏器，所述输出干涉测速腔的干涉反射镜与小角度分束镜之间设置波片，所述CCD相机与输出干涉测速腔之间设置有渥拉斯顿棱镜。
5.根据权利要求1所述的一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪，其特征为所述CCD相机为两个。
6.一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪光路，其特征为包括脉冲激光源L、两个干涉测速腔、分束镜B、反射镜M、成像镜头I和CCD相机，所述光路分为两个部分，即输入干涉测速腔部分和输出干涉测速腔部分：
输入干涉腔部分：
脉冲激光源L发射的脉冲进入输入干涉测速腔，脉冲通过小角度分束器B1分为两路脉冲，一路脉冲被小角度分束器B1反射到标准具E1，然后通过标准具E1再次反射到小角度分束器B2，脉冲透射过小角度分束器B2依次经过分束镜和成像镜头聚焦照射到待测靶面T；
另一路脉冲透射过小角度分束器B1照射到干涉反射镜M1上，由干涉反射镜M1反射到小角度分束器B2上，再经过小角度分束器B2反射依次经过分束镜B和成像镜头I聚焦到待测靶面T；
输出干涉腔部分：
由待测靶面T反射回的脉冲经过成像镜头I、分束镜和反射镜M由起偏器P起偏后进入输出干涉测速腔，脉冲通过小角度分束器B3分为两路脉冲，其中一路脉冲透射过小角度分束器B3照射到标准具E2上，经过标准具E2反射到小角度分束器B4上，通过小角度分束器B4反射和透射分为两路脉冲， 两路脉冲通过渥拉斯顿棱镜WP由CCD相机记录；
小角度分束器B3分出的另一路脉冲通过小角度分束器B3反射到干涉反射镜M2上，再经干涉反射镜M2反射透过波片W照射到小角度分束器B4上，通过小角度分束器B4反射和透射分为两路脉冲， 两路脉冲通过渥拉斯顿棱镜由CCD相机记录。
7.根据权利要求7所述的一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪光路，其特征为脉冲通过输入干涉测速干涉腔后分成两组具有时间差的脉冲，再通过输出干涉测速腔后每一组脉冲再次分为具有时间差的两组脉冲；其中第一组的第二个脉冲和第二组胡第一个脉冲满足时间相干性条件，能够形成干涉。
8.根据权利要求8所述的一种超高时间分辨空间相移面成像任意反射面速度干涉仪光路，其特征为每一组脉冲输入可以由CCD相机记录四幅相移干涉图像。
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