CN103983344A - 一种超声光栅位相振幅的定量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声光栅位相振幅的定量测量方法。该定量测量方法具体如下：光源发出的单色光经扩束准直后垂直于超声波传播方向照射超声光栅，经透镜变换后得到超声光栅的衍射频谱；记录超声光栅的衍射频谱，计算得到衍射频谱的衍射光强比重，代入衍射光强比重与超声光栅位相振幅的定量关系式，求出超声光栅的位相振幅。本发明具有如下优点：可以得到位相光栅的平均位相振幅，测量速度快；容易实现自动测量；适合于正弦或余弦位相光栅的位相振幅测量；特别适合于测量动态周期性位相物体；操作简单。

Description

一种超声光栅位相振幅的定量测量方法

技术领域

本发明属于光学测量与计量技术领域，特别涉及一种超声光栅位相振幅的定量测量方法。

背景技术

超声波是一种纵向机械应力波，当超声波在透明介质中传播时，将引起介质密度在时间空间上的周期弹性应变，导致介质折射率的相应变化。若声光作用距离较小，由于光速远大于声速，在光波通过时，介质折射率随空间作周期性变化，其相位受到调制，如同经过一个正弦相位光栅，称为超声光栅。超声光栅主要分为两种：超声行波光栅及超声驻波光栅。前者形成的位相光栅是动态的，空间各点的位相随时间是不断变化的；后者是稳态的，空间存在固定位置的位相波谷及波峰。

目前国内外主要通过普通衍射方法测量超声光栅的参数，从而测出不同液体中的声速来探究液体的其他非声学性质，如弹性模量、浓度等，将其应用于对液体内杂质的探究、液体中微粒的大小的测量或激光特性的研究，或用于探究超声的传输机制、穿透特性、研制高灵敏度的超声探测设备等，但作为相位物体，超声光栅的位相振幅定量测量并不容易。若其位相振幅可测，则可能推算液体折射率的分布，从而用光学方法探究液体的弹性应变参数等。目前，定量测量位相物体的方法主要有单点扫描定量测量技术及全场干涉定量测量技术等。单点定量位相测量技术主要包括偏振灵OCT、相散显微技术、相散光层析技术、微分相衬光相干显微技术和谱域位相显微技术等。全场定量位相测量技术主要有傅里叶位相显微技术、希尔伯特位相显微技术、衍射位相显微技术和层析位相显微技术等。这些技术有的光路非常复杂；有的需拍摄多幅图像，对快速动态位相物体不适用；有的需逐点扫描，过程耗时较长；有的解包裹算法复杂等。这些方法多应用于生物细胞等空间低频非周期性位相物体，并未考虑动态及空间高频位相物体的衍射特点，对超声光栅位相振幅的定量位相测量不一定适用，实现起来并不容易，也未见相关报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种超声光栅位相振幅的定量测量方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种超声光栅位相振幅的定量测量方法，包含以下步骤，如图1所示：

(1)光源发出的单色光经扩束准直后垂直于超声波传播方向照射超声光栅，经透镜变换后得到超声光栅的衍射频谱；

(2)记录超声光栅的衍射频谱，计算得到衍射频谱的衍射光强比重，代入衍射光强比重与超声光栅位相振幅的定量关系式，求出超声光栅的位相振幅。

步骤(1)中所述的透镜优选为傅里叶透镜或普通凸透镜；

步骤(2)中所述的记录超声光栅的衍射频谱为通过摄像设备记录；

所述的摄像设备优选为CCD或CMOS摄像设备；

所述的频谱衍射光强比重优选通过如下公式计算得到：

①当超声光栅为超声行波光栅时，在0,1级衍射的光强比重为：

R₁＝(I₀+I₁)/I_总；

②当超声光栅为超声驻波光栅时，在0～2级衍射的光强比重为：

R₂＝(I₀'+I₁'+I₂')/I_总'；

所述的衍射光强比重与超声光栅位相振幅的定量关系式如下：

①当超声光栅为超声行波光栅时，超声光栅位相振幅的计算公式如下：

R₁为超声行波光栅的衍射光强比重；

②当超声光栅为超声驻波光栅时，超声光栅位相振幅的计算公式如下：

R₂为超声驻波光栅的衍射光强比重。

本发明的原理如下：

超声波沿X方向传播且声光作用距离非常小，则紧贴超声光栅后的光场位相分布为：

其中为无超声波时的位相(即衬底位相)，为位相振幅，ω_s及k_s分别为超声波的圆频率及波数，t为时间。上式呈行进波形式，因而其代表的超声光栅称为超声行波光栅。

若在超声波传播方向的距离超声波发生器表面的波长整数倍处放置一个反射片，可得一反射波，与原行进波叠加，形成一驻波，所得光栅成超声驻波光栅。紧贴超声驻波光栅后方的光场位相分布变为：

可见，超声驻波的位相振幅是随时间作周期性变化的。

I、超声行波光栅

在超声场作用下的透明液体介质，对均匀入射光的振幅吸收极少，仅改变其相位，则紧贴超声行波光栅后方的光场分布可以表示为

经透镜傅里叶变换得频谱面光场为：

式(4)中f为傅里叶变换透镜焦距，x_f为频谱面上的位置坐标，J_n为贝塞尔级数，ω、ωs分别为光波与超声波的圆频率，λ、λs分别为光波及超声波的波长，A为常数，表示入射光振幅。

为讨论方便，取A＝1，则第n级衍射频谱的归一化光强

可见，超声行波光栅各衍射级的光强均受影响，其中位相振幅对其0～6级衍射波光强的影响如图2所示。由图2可知，超声行波光栅各衍射波的光强随的增大作衰减式的剧烈震荡。当时，频谱面上的光强几乎全部集中在0，±1级衍射波，尤其0级衍射级上。值得注意的是，若令超声行波光栅0,1级衍射波的总光强比重为

R₁＝(I₀+I₁)/I_总                (6)

则R₁是的单调递减函数(如图3)，因此理应存在函数的反函数即超声行波光栅中超声波引起的位相振幅可由其衍射频谱0,1级衍射级的总光强比重R₁唯一地确定。考虑到函数不一定解析，使用软件MATLAB作出关系图并运用最小二乘法进行多项式拟合。得到其拟合函数为：

相关系数r₁＝0.987，非常接近1，说明拟合是显著的。同时，从图3中可以看出在R₁∈(0.55,1)的范围内，即超声行波光栅中超声波引起的位相振幅变化时，拟合曲线与理论数据尤其吻合。

(2)超声驻波光栅

类似地，超声驻波光栅的频谱面光场为(b与n一样，代表衍射级数)：

则第n级衍射的归一化光强为：

与超声行波光栅一样，超声驻波光栅各衍射级的光强亦均受影响，其中位相振幅对其0～6级衍射级光强的影响如图4所示。

超声驻波光栅的频谱与行波光栅最显著的差别在于，超声驻波光栅频谱的零级光强始终最大。此外，各级衍射光强虽也随着的增大作衰减式震荡，但震荡的剧烈程度较超声行波光栅而言明显弱得多。当时，光强基本全部分布在0，±1，±2级衍射点上，且随着的增大，0级衍射光强急剧下降，±1级衍射点光强急剧上升到达最高峰，±2级衍射光强则相对较缓慢上升。同时，与超声行波光栅相似，超声驻波光栅0～2级衍射的总光强比重R₂＝(I₀'+I₁'+I₂')/I'亦是的单调函数，因此也应存在函数同样，可以做出关系图(图5)并得到其关系函数：

相关系数r₂＝0.998，非常接近1，说明拟合是显著的。由图5也可以看出R₂与的映射关系比R₁更强烈。同时，R₂∈(0.4,1)范围内，即超声驻波光栅中单束超声波引起的位相振幅变化时，拟合曲线与理论数据尤其吻合，此时的测量尤为精确。

由以上分析可知，公式(7)及(10)就是本发明的频谱衍射光强比重R与光栅位相振幅的定量关系式。只要测量得到超声行波光栅或超声驻波光栅的衍射光强比重R，代入关系式(7)或(10)，就分别可以得到位相的振幅。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、可以得到位相光栅的平均位相振幅，测量速度快；

2、容易实现自动测量；

3、适合于正弦或余弦位相光栅的位相振幅测量；

4、特别适合于测量动态周期性位相物体；

5、设备简单、调节方便，不需定标。

附图说明

图1是本发明提供的测量方法的测量过程示意图。

图2是超声行波光栅各衍射级的光强与位相振幅关系图。

图3是超声行波光栅0、1级衍射光强比重与位相振幅的关系图。

图4是超声驻波光栅各衍射级的光强与位相振幅关系图。

图5是超声驻波光栅0、1、2级衍射光强比重与位相振幅的关系图。

图6是本发明测量方法的一种典型实现装置的结构示意图，其中：

1-单色光源、2-扩束滤波装置、3-准直透镜、4-可调光阑、5-水槽、6-超声波发生器、7-超声反射镜或吸声海绵、8-透镜、9-光衰减器、10-摄像设备。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种能定量测量超声光栅位相振幅的装置，如图6所示：单色光源1、扩束滤波装置2、准直透镜3、可调光阑4、水槽5、透镜8、光衰减器9和摄像设备10沿着光束前进方向依次排列，超声波发生器6和超声反射镜或吸声海绵7分别位于水槽5内部的平行于光束方向的两侧。

能定量测量超声光栅位相振幅的装置具体组成如下：单色光源1为He-Ne激光器或半导体激光器等；扩束滤波装置2由焦距1～3毫米凸透镜及直径10～30微米针孔组成，沿着光束前进方向，凸透镜和针孔依次排列；可调光阑4为手动改变直径的普通机械光阑，直径变化范围2mm～30mm；水槽5为透明水槽，可以透过激光；超声波发生器6是频率为2.5MHz，工作电压U＝20V的PZT超声换能器；超声反射镜的材质为金属、塑料或玻璃等；吸声海绵为橡胶海绵片；透镜8为傅里叶透镜；光衰减器9为镀膜玻璃或偏振片等；摄像设备10为GuppyPRO F125V3.0.1，分辨率为6.75μm/pixel的CCD摄像头。

使用上述设备进行超声光栅位相振幅的定量测量，包括如下步骤：

(1)调整单色光源1、扩束滤波装置2及准直透镜3，得到一束平行光；

(2)打开超声波发生器6；将步骤(1)得到的平行光通过可调光阑4照射水槽5中的超声光栅，得到衍射光；其中，当图6的部件7为吸声海绵时，得到超声行波光栅；当部件7为超声反射镜时，调节其位置于距超声波发生器为超声波长的整数倍处，使超声波垂直反射与原行进波叠加形成超声驻波光栅；

(3)衍射光经透镜8变换后在其焦平面得到超声光栅的衍射频谱，摄像设备10经光衰减器9记录光栅的衍射频谱；

(4)计算得到衍射频谱的衍射光强比重，代入衍射光强比重与超声光栅位相振幅的定量关系式，求出超声光栅的位相振幅。

所述的频谱衍射光强比重通过如下公式计算得到：

①当超声光栅为超声行波光栅时，在0,1级衍射的光强比重为：

R₁＝(I₀+I₁)/I_总；

②当超声光栅为超声驻波光栅时，在0～2级衍射的光强比重为：

R₂＝(I₀'+I₁'+I₂')/I_总'；

所述的衍射光强比重与超声光栅位相振幅的定量关系式如下：

①当超声光栅为超声行波光栅时，超声光栅位相振幅的计算公式如下：

R₁为超声行波光栅的衍射光强比重；

②当超声光栅为超声驻波光栅时，超声光栅位相振幅的计算公式如下：

R₂为超声行波光栅的衍射光强比重。

效果实施例

(1)为了证明本发明方法的可行性及稳定性，对驻波超声在水中的位相振幅进行了定量实验测量。调整不同入射光强，对同一超声光栅的测量结果见表1所示.

表1 超声驻波光栅位相振幅定量测量实验结果

由表1得平均相对误差En≈5.00％，对同一光栅的三次测量结果基本一致，相对误差较小，说明本方法有较好的重复性。

(2)由于找不到其他定量测量超声光栅位相振幅的技术及设备，为了验证本方法的准确性，采用与现有方法(见文献Zuohua Huang，Fengchao Chen,A New Method of Scanning Image for Phase Objects,SPIE,6150(2006)，pp.615030-615030-5)比较定量测量的方式，测量三块普通正弦位相光栅的不同位相振幅。

实验前，把正弦位相光栅取代水槽5，测量实验结果如表2所示。

表2 普通正弦光栅位相振幅定量测量比较实验结果

考虑实验误差，两种方法测得光栅位相很接近，本文方法所测数据略大于双点源位相干涉扫描成像系统测量值，可能是测量区域不完全相同及测量系统误差所致。可见本发明方法定量测量超声光栅的位相振幅是可行的和可靠的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超声光栅位相振幅的定量测量方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)光源发出的单色光经扩束准直后垂直于超声波传播方向照射超声光栅，经透镜变换后得到超声光栅的衍射频谱；

(2)记录超声光栅的衍射频谱，计算得到衍射频谱的衍射光强比重，代入衍射光强比重与超声光栅位相振幅的定量关系式，求出超声光栅的位相振幅；

所述的衍射光强比重与超声光栅位相振幅的定量关系式如下：

①当超声光栅为超声行波光栅时，超声光栅位相振幅的计算公式如下：

R₁为超声行波光栅的衍射光强比重；

②当超声光栅为超声驻波光栅时，超声光栅位相振幅的计算公式如下：

R₂为超声驻波光栅的衍射光强比重。

2.根据权利要求1所述的超声光栅位相振幅的定量测量方法，其特征在于：

所述的频谱衍射光强比重通过如下公式计算得到：

①当超声光栅为超声行波光栅时，在0,1级衍射的光强比重为：

R₁＝(I₀+I₁)/I_总；

②当超声光栅为超声驻波光栅时，在0～2级衍射的光强比重为：

R₂＝(I₀'+I₁'+I₂')/I_总'。

3.根据权利要求1所述的超声光栅位相振幅的定量测量方法，其特征在于：步骤(1)中所述的透镜为傅里叶透镜或普通凸透镜。

4.根据权利要求1所述的超声光栅位相振幅的定量测量方法，其特征在于：步骤(2)中所述的记录超声光栅的衍射频谱为通过摄像设备记录。

5.根据权利要求4所述的超声光栅位相振幅的定量测量方法，其特征在于：所述的摄像设备为CCD或CMOS摄像设备。