CN104132676A - 一种基于双fp腔的同轴分幅高速成像和干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双FP腔的同轴分幅高速成像和干涉测量方法，包括将激光分为若干路光束，光束通过光程不等的前FP腔，使得每束光具有不同的脉冲间隔，再通过分光镜将光束合成一路照明光照射物体，经物体反射或透射后的光通过分光镜分成若干路光束，每一束光通过一个后FP腔后到CCD。本发明无参考光全光光路将FP干涉图像在时间和空间上分开，而不需要借助机械或光电快门，可以同时实现高的时间分辨和空间分辨能力；具备同轴分幅成像能力，即每幅图像具有相同的视角；可用于任意反射物体和透射物体的测量。

Description

一种基于双FP腔的同轴分幅高速成像和干涉测量方法

技术领域

本发明属于高速成像和激光干涉测量技术领域，特别是涉及一种基于双FP腔的同轴分幅高速成像和干涉测量方法。

背景技术

激光干涉测量技术可用于速度、位移、密度、温度等物理量的测量，在科研和工业领域均具有重要的作用。由于激光干涉测量技术具有测量精度高、非接触测量、响应速度快等优点，在前沿科技领域，如高压物理、等离子体物理、材料动态响应特性研究、惯性约束聚变研究等领域均具有广泛的应用。激光干涉仪主要由激光器、干涉仪和记录系统组成。激光器发射激光到目标，从目标返回或经过的带有物质参量信息的激光被干涉仪接收，再由记录系统记录干涉信号，根据干涉条纹的相位和振幅与相应物理量的关系，通过计算便能给出物理量的测量结果。

根据不同的测量需求，激光干涉测量技术可分成点测量、线测量和面测量三种方式。点测量对目标上一个或几个投影点的物理量进行测量，线测量对目标上一条线投影区域的物理量分布进行测量。面测量对目标上一个面投影区域的物理量分布进行测量，是三种方式里空间分辨能力最好的，但是欠缺时间分辨能力。最简单的面测量技术采用单脉冲激光器照明，CCD相机记录，只能拍摄一个时刻的图像。但是对于快速变化的复杂物理过程来说，只能拍摄一个时刻的图像对于了解整个过程是远远不够的。

为了提高面干涉测量的时间分辨能力，需要将面干涉测量技术和高速成像技术结合起来。通常采用连续激光器或序列脉冲激光器照明，高速分幅相机记录，可以拍摄几个至几十个时刻的图像，曝光时间取决于相机快门速度或激光脉冲宽度，幅间隔取决于相机的分幅速度，时间分辨能力（取曝光时间和幅间隔之大者）通常大于5 ns，空间分辨能力受像增强器、转像机构等器件影响，明显降低。

另一种常用的面干涉测量技术采用的方案是：利用序列脉冲激光从不同角度照明被测物体，并利用CCD从不同角度接收干涉图像。这种方案实现起来最简单，但是有两个缺点，首先这不是同轴测量，不同的图像之间有视差，其次这种方案只能用于透明物体和镜面反射物体的测量，而不能用于散射物体和漫反射物体的测量。

本人还曾经提出过一种面干涉测量技术方案：利用序列脉冲激光同轴照明被测物体，利用参考光选通不同子脉冲包含的光信息。该技术具有极高的时间分辨能力和同轴分幅测量能力，但是需要参考光，在有些没有参考光的应用中，如面成像速度干涉测量，该技术不能发挥作用，此外在用于散射物体和漫反射物体的相位测量时也会遇到困难。

发明内容

本发明的目的是采用无参考光全光光路将干涉图像在时间和空间上分开，可以同时实现高的时间分辨和空间分辨能力；二是具备同轴分幅成像能力，即每幅图像具有相同的视角；三是可用于任意反射物体和透射物体的测量。

本发明采用的技术方案为：

一种基于双FP腔的同轴分幅高速成像和干涉测速方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：由短脉冲激光器发射一束短脉冲激光，通过分光镜分为若干路光束，每一路光束分别经过一个独立的前FP腔后形成若干路梳状脉冲串；

步骤二：步骤一中的每一路梳状脉冲串通过分光镜合成为沿着同一路径传播的照明光，照射到被测物；

步骤三：从被测物上反射或透射的光通过前组镜头后，被分光镜分为若干路光束，每一路光束分别经过一个独立的后FP腔和后组镜头后由CCD接收。

在上述技术方案中，所述每一个前FP腔的光程均不相等，每一个后FP腔的光程均不相等，且每一个后FP腔对应一个前FP腔。 

在上述技术方案中，所述后FP腔与相对应的前FP腔的光程相同，该前FP腔输出的梳状脉冲串将在通过该后FP腔后产生多光束干涉效应，形成细锐的FP干涉条纹。

在上述技术方案中，所述后FP腔与非对应的前FP腔的光程不相等，并且该后FP腔的任意1～10整数倍光程与该前FP腔的任意1～10整数倍光程也不相等，该前FP腔输出的梳状脉冲串在通过该后FP腔后将不会形成多光束干涉，只以本底的形式存在于图像中。

在上述技术方案中，所述照明光由若干路沿同一路径传播的梳状脉冲串组成，每一路梳状脉冲串的脉冲间隔由前FP腔的光程决定，每一路梳状脉冲串的相对时延由分光与合束光路决定。

在上述技术方案中，所述成像系统包括一个前组镜头和若干个后组镜头，被测物体位于前组镜头的前焦面，CCD位于后组镜头的后焦面。

基于本发明的装置由短脉冲激光器、分光延时光路、前FP腔、后FP腔和成像系统组成，其中FP腔由两个平行的端面构成，端面的反射率介于80%~99%之间。将一束短脉冲激光分成n束，每一束分别经过一个前FP腔形成一个梳状脉冲串，再将n个梳状脉冲串合成一束照明被测物体，分束与合束都由分光延时光路来完成。梳状脉冲串的子脉冲间隔由前FP腔的光程决定（即腔长乘以折射率），子脉冲间隔等于前FP腔的两倍光程除以真空光速，即光在前FP腔的两个端面之间往返一次所需的时间。n个前FP腔的光程都不相等，因此照明光中包含了n个具有不同子脉冲间隔的梳状脉冲串。从被测物体反射或透射的激光被前组镜头接收，然后被分光镜分成n束，每一束都包含n个梳状脉冲串，每一束分别进入一个后FP腔并被展开成更多的子脉冲。当光在后FP腔的两个端面之间往返一次所需的时间与其中一个梳状脉冲串的子脉冲间隔相等时，或者说当后FP腔与一个前FP腔的光程相等时，后FP腔输出的部分子脉冲将在时间上重合，Fabry-Perot多光束干涉条件得到满足，该梳状脉冲串将在后组镜头的后焦面形成细锐的FP干涉条纹，而其它梳状脉冲串不满足多光束干涉条件，只以本底的形式存在于干涉图像中。利用n个具有不同光程的后FP腔可以将n个梳状脉冲串包含的光信息分别提取出来，形成n幅干涉图像。通过改变分光延时光路的不同支路的延迟时间，可以得到n幅具有一定时间间隔的干涉图像，从而实现同轴分幅高速成像和干涉测量。

需要说明的是，后FP腔与前FP腔的光程相等是实现Fabry-Perot多光束干涉的充分条件，但并不是必要条件。理论上，只要后FP腔的任意整数倍光程与前FP腔的任意整数倍光程相等就能产生多光束干涉，例如3倍的后FP腔光程与2倍的前FP腔光程相等。但是倍数越大，干涉信号强度越弱，锐度越差，当倍数大到一定程度，干涉信号就完全被噪声淹没了。因此为了使一对FP腔只输出一幅干涉图像，除了使这对FP腔的光程相等之外，还需要使其中的后FP腔的任意1～10整数倍光程与其余前FP腔的任意1～10整数倍光程也不相等。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

不需要借助机械或光电快门，采用无参考光全光光路就可以将FP干涉图像在时间和空间上分开，可以同时实现高的时间分辨和空间分辨能力；二是具备同轴分幅成像能力，即每幅图像具有相同的视角；三是可用于任意反射物体和透射物体的测量。

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 是基于双FP腔的同轴分幅高速成像和干涉测量装置示意图（被测物体是反射物体）；

图2 是基于双FP腔的同轴分幅高速成像和干涉测量装置示意图（被测物体是透射物体）；

图3 是照明光的产生及其时间结构；

图4是干涉条纹的强度分布；

其中：B0-B3是分光镜，M1-M3是反光镜，L1是前组镜头，L2是后组镜头，E1是前FP腔，E2是后FP腔。

具体实施方式

当被测物体为反射物体时，如图1 所示，短脉冲激光器发出的脉冲光被分光镜B11~B1n-1分成了n束，第n束光由反光镜M1反射，这n束光分别经过n个具有不同光程的前FP腔E11~E1n后形成n个梳状脉冲串，不同梳状脉冲串的子脉冲间隔不同。如图3所示，分光镜B21~B2n-1将n个梳状脉冲串合成为沿着同一路径传播（即同轴传播）的照明光，由于光路对每个梳状脉冲串的延时不一样，照明光中的n个梳状脉冲串在时间上错开。从物体反射的照明光经分光镜B0反射后经过前组镜头L1，然后被分光镜B21~B2n-1分成n束，这n束光分别经过n个后FP腔E21~E2n和n个后组镜头L21~L2n，再被n个CCD接收。每个后FP腔都与一个相对应的前FP腔具有相等的光程，构成双FP腔，该后FP腔的任意1～10整数倍光程与其余前FP腔的任意1～10整数倍光程不相等。前组镜头与后组镜头组成n个传像系统，前组镜头是共用的，被测物体位于前组镜头的前焦面，CCD位于后组镜头的后焦面。

当被测物体为透射物体时，如图2 所示，移除了分光镜B0，从被测物体透射的照明光直接进入前组镜头L1，其余特征与图1相同。

如图4所示，当后FP腔与前FP腔的光程相等时，通过这对FP腔的光束形成的干涉图像模拟结果（FP腔端面反射率取为0.9）。

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 (6)

1.一种基于双FP腔的同轴分幅高速成像和干涉测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一：由短脉冲激光器发射一束短脉冲激光，通过分光镜分为若干路光束，每一路光束分别经过一个独立的前FP腔后形成若干路梳状脉冲串；

步骤二：步骤一中的每一路梳状脉冲串通过分光镜合成为沿着同一路径传播的照明光，照射到被测物；

步骤三：从被测物上反射或透射的光通过前组镜头后，被分光镜分为若干路光束，每一路光束分别经过一个独立的后FP腔和后组镜头后由CCD接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于双FP腔的同轴分幅高速成像和干涉测量方法，其特征在于：所述每一个前FP腔的光程均不相等，每一个后FP腔的光程均不相等，且每一个后FP腔对应一个前FP腔。

3.根据权利要求2所述的一种基于双FP腔的同轴分幅高速成像和干涉测量方法，其特征在于：所述后FP腔与相对应的前FP腔的光程相同，该前FP腔输出的梳状脉冲串将在通过该后FP腔后产生多光束干涉效应，形成细锐的FP干涉条纹。

4.根据权利要求2所述的一种基于双FP腔的同轴分幅高速成像和干涉测量方法，其特征在于：所述后FP腔与非对应的前FP腔的光程不相等，并且该后FP腔的任意1～10整数倍光程与该前FP腔的任意1～10整数倍光程也不相等，该前FP腔输出的梳状脉冲串在通过该后FP腔后将不会形成多光束干涉，只以本底的形式存在于图像中。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于双FP腔的同轴分幅高速成像和干涉测量方法，其特征在于：所述照明光由若干路沿同一路径传播的梳状脉冲串组成，每一路梳状脉冲串的脉冲间隔由前FP腔的光程决定，每一路梳状脉冲串的相对时延由分光与合束光路决定。

6.根据权利要求1所述的一种基于双FP腔的同轴分幅高速成像和干涉测量方法，其特征在于：所述成像系统包括一个前组镜头和若干个后组镜头，被测物体位于前组镜头的前焦面，CCD位于后组镜头的后焦面。