CN105784845B - 一种超声波场的光学全息测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波场的光学全息测量方法，其采用的测量系统包括光全息光路，还包括计算机、压电晶片和功率放大器，计算机上接有同步控制器和数字相机，同步控制器上接有波形发生器和脉冲激光器；光全息光路包括物光光路、参考光光路和第一分束镜，物光光路包括依次设置的扩束镜、第二分束镜和第一反射镜，参考光光路包括设置在第二分束镜下方的第三分束镜和设置在第三分束镜下方的第二反射镜，第一分束镜设置在第一反射镜的下方，压电晶片设置在第一分束镜的正下方；其方法包括十个步骤，从全息图数据中重构得到超声波声场。本发明实现方便，灵敏度高，测量精度高，测量效率高，频带宽，空间分辨率高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于光学全息成像技术领域，具体涉及一种超声波场的光学全息测量方法。
背景技术
在传统声场测量中，常采用高灵敏度水听器对液体中的声场进行测量，而且水听器的尺寸一般只能达到1mm左右，测量的空间分辨力受到影响。而对于固体中的声场，只能对透明介质中采用光弹法进行测量，而对于其他非透明介质，因为固体中不方便安置传感器，所以非透明固体介质中的声场测量一直是一个重大的技术难题。为了解决这一难题，Mihai lovI.G.曾提出利用电动力学的方法对固体表面的声场进行测量，该方法将样品置于磁场中，在样品表面涂上一层窄而薄的金属带作为接收器，通过测量金属带两端的电势差进而得到固体中的声场，该方法灵敏度低，需要均匀的磁场，而且所测量的声场是金属带的平均声压，测量空间分辨率差。激光测振仪利用多普勒效应，可以对物体表面的振动进行测量，测量频率能够达到MHz，位移分辨率能达到nm级，但是空间分辨率受到激光的光斑大小的限制。而对于高频声场，频率高达几十MHz，因此亟需高频高空间分辨率的固体表面声场测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、实现方便、灵敏度高、测量精度高、测量效率高、频带宽、空间分辨率高、实用性强、使用效果好、便于推广使用的超声波场的光学全息测量系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种超声波场的光学全息测量系统，包括光全息光路，其特征在于：还包括计算机、用于放置固体样品的压电晶片和用于驱动压电晶片振动的功率放大器，所述计算机上接有同步控制器和与同步控制器连接的数字相机，所述同步控制器上接有波形发生器和脉冲激光器，所述功率放大器与波形发生器的输出端连接，所述压电晶片与功率放大器的输出端连接；所述光全息光路包括物光光路、参考光光路和第一分束镜，所述物光光路包括依次设置且与脉冲激光器设置在同一水平线上的扩束镜、第二分束镜和第一反射镜，所述参考光光路包括设置在第二分束镜下方的第三分束镜和设置在第三分束镜下方的第二反射镜，所述第一分束镜设置在第一反射镜的下方且与第三分束镜设置在同一水平线上，所述压电晶片设置在第一分束镜的正下方，所述数字相机设置在第一分束镜的旁侧，所述脉冲激光器设置在扩束镜的旁侧。
上述的一种超声波场的光学全息测量系统，其特征在于：所述功率放大器的型号为HSA4101。
上述的一种超声波场的光学全息测量系统，其特征在于：所述数字相机为CCD数字相机。
上述的一种超声波场的光学全息测量系统，其特征在于：所述CCD数字相机的型号为PCO1600。
上述的一种超声波场的光学全息测量系统，其特征在于：所述波形发生器的型号为AFG2021-SC。
上述的一种超声波场的光学全息测量系统，其特征在于：所述脉冲激光器为纳秒激光器。
上述的一种超声波场的光学全息测量系统，其特征在于：所述脉冲激光器的型号为Nimma-400。
本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、测量精度高、测量效率高、空间分辨率高、实用性强，使用效果好的超声波场的光学全息测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、将固体样品放置在压电晶片上；
步骤二、在计算机上设置同步控制器控制数字相机的第一同步延时时间t1、同步控制器控制脉冲激光器的第二同步延时时间t2和数字相机的曝光时间t3，计算机将数字相机的曝光时间t3传输给数字相机；其中，t1等于从压电晶片振动产生超声波到超声波传输到固体样品表面的时间t且h为固体样品的厚度，v为超声波在固体样品中传输的速度；t2比t1大15ns～30ns；t3的取值为500ns～1000ns；
步骤三、计算机通过同步控制器给波形发生器发送一个触发信号，波形发生器接收到触发信号后产生6～8个周期的正弦信号并输出给功率放大器，功率放大器对其接收到的正弦信号进行放大后输出给压电晶片，驱动压电晶片振动，产生超声波；同步控制器延时时间t1后控制数字相机启动，同步控制器延时时间t2后给脉冲激光器发送一个触发信号，脉冲激光器接收到触发信号后产生一个脉冲激光照射在扩束镜上；所述脉冲激光的脉宽不大于8ns；
步骤四、扩束镜对脉冲激光器产生的脉冲激光进行扩束后照射在第二分束镜上；
步骤五、第二分束镜将脉冲激光分离为一个物光光束和一个参考光光束；
步骤六、物光光束经过第一反射镜反射后，再穿过第一分束镜照射在固体样品的表面上，创建物光波前；
步骤七、参考光光束穿过第三分束镜照射在第二反射镜上，经过第二反射镜反射后，再穿过第三分束镜到达第一分束镜；
步骤八、经固体样品反射回来的物光波前到达第一分束镜，并经过第一分束镜将物光波前与参考光光束叠加在一起，在数字相机的感光元件表面产生干涉，形成一幅全息图H(x,y)；其中，x为全息图的横轴坐标，y为全息图的纵轴坐标；
步骤九、数字相机记录全息图H(x,y)，并将记录的全息图数据传输给计算机；
步骤十、计算机存储其接收到的全息图数据，并调用声场重构模块，从全息图数据中重构得到超声波声场。
上述的方法，其特征在于：步骤九中，所述数字相机为CCD数字相机，所述数字相机通过USB线与计算机连接，所述数字相机将记录的全息图数据通过USB线传输给计算机。
上述的方法，其特征在于：步骤十中计算机调用声场重构模块，从全息图数据中重构得到超声波声场的具体过程为：
步骤1001、计算机根据公式
计算得到重构平面的复幅值Uz(x,y)，其中，k为脉冲激光的波数且k＝2π/λ，λ为脉冲激光的波长，Z0为重构平面到数字相机的感光元件所在平面的距离且D0为数字相机的感光元件的宽度，pix为数字相机的感光元件的像素间的距离，i为虚数，fftshift()表示将零频率分量调整到数组中心的快速傅利叶变换，fft2()表示快速二维傅利叶变换；
步骤1002、计算机根据公式I(x,y)＝|Uz(x,y)|2计算得到超声波的幅值场I(x,y)；
步骤1003、计算机根据公式计算得到超声波的相位场ψ(x,y)；其中，Im(Uz(x,y))为Uz(x,y)的虚部，Re(Uz(x,y))为Uz(x,y)的实部；
步骤1004、计算机根据公式P(x,y)＝I(x,y)sin(ψ(x,y))计算得到超声波声场P(x,y)。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明超声波场的光学全息测量系统的结构简单，设计合理，实现方便。
2、本发明超声波场的光学全息测量方法的方法步骤简单，设计合理，实现方便。
3、本发明利用数字激光全息的办法对固体表面的声场进行动态测量，通过对脉冲激光器和数字相机的同步控制，获得固体样品表面瞬态声场不同时刻的全息图，然后通过声场重构获得固体样品表面的超声波的相位和幅值，灵敏度高，测量精度高。
4、本发明只需要数字相机捕获一幅全息图，就能够同时重建超声波的相位和幅值，与传统电视全息术至少需要捕获3副全息图相比，操作方便，测量效率高。
5、本发明采用数字相机捕获全息图，等效于用数字相机替代超声阵列探头来接收超声场，克服了传统超声相控阵成像的很多技术局限，由于数字相机的阵元尺寸密度高，因此能够实现很多超声阵列探头无法达到的性能，例如宽带性能和高空间分辨率等。
6、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明的设计合理，实现方便，灵敏度高，测量精度高，测量效率高，频带宽，空间分辨率高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明超声波场的光学全息测量系统的结构示意图。
附图标记说明:
1—计算机； 2—固体样品； 3—压电晶片；
4—功率放大器； 5—同步控制器； 6—数字相机；
7—波形发生器； 8—脉冲激光器； 9—第一分束镜；
10—扩束镜； 11—第二分束镜； 12—第一反射镜；
13—第三分束镜； 14—第二反射镜。
具体实施方式
如图1所示，本发明的超声波场的光学全息测量系统，包括光全息光路，还包括计算机1、用于放置固体样品2的压电晶片3和用于驱动压电晶片3振动的功率放大器4，所述计算机1上接有同步控制器5和与同步控制器5连接的数字相机6，所述同步控制器5上接有波形发生器7和脉冲激光器8，所述功率放大器4与波形发生器7的输出端连接，所述压电晶片3与功率放大器4的输出端连接；所述光全息光路包括物光光路、参考光光路和第一分束镜9，所述物光光路包括依次设置且与脉冲激光器8设置在同一水平线上的扩束镜10、第二分束镜11和第一反射镜12，所述参考光光路包括设置在第二分束镜11下方的第三分束镜13和设置在第三分束镜13下方的第二反射镜14，所述第一分束镜9设置在第一反射镜12的下方且与第三分束镜13设置在同一水平线上，所述压电晶片3设置在第一分束镜9的正下方，所述数字相机6设置在第一分束镜9的旁侧，所述脉冲激光器8设置在扩束镜10的旁侧。
本实施例中，所述功率放大器4的型号为HSA4101。
本实施例中，所述数字相机6为CCD数字相机。
本实施例中，所述CCD数字相机的型号为PCO1600。
本实施例中，所述波形发生器7的型号为AFG2021-SC。
本实施例中，所述脉冲激光器8为纳秒激光器。
本实施例中，所述脉冲激光器8的型号为Nimma-400。
本发明的超声波场的光学全息测量方法，包括以下步骤：
步骤一、将固体样品2放置在压电晶片3上；
步骤二、在计算机1上设置同步控制器5控制数字相机6的第一同步延时时间t1、同步控制器5控制脉冲激光器8的第二同步延时时间t2和数字相机6的曝光时间t3，计算机1将数字相机6的曝光时间t3传输给数字相机6；其中，t1等于从压电晶片3振动产生超声波到超声波传输到固体样品2表面的时间t且h为固体样品2的厚度，v为超声波在固体样品2中传输的速度；t2比t1大15ns～30ns；t3的取值为500ns～1000ns；
步骤三、计算机1通过同步控制器5给波形发生器7发送一个触发信号，波形发生器7接收到触发信号后产生6～8个周期的正弦信号并输出给功率放大器4，功率放大器4对其接收到的正弦信号进行放大后输出给压电晶片3，驱动压电晶片3振动，产生超声波；同步控制器5延时时间t1后控制数字相机6启动，同步控制器5延时时间t2后给脉冲激光器8发送一个触发信号，脉冲激光器8接收到触发信号后产生一个脉冲激光照射在扩束镜10上；所述脉冲激光的脉宽不大于8ns；
步骤四、扩束镜10对脉冲激光器8产生的脉冲激光进行扩束后照射在第二分束镜11上；
步骤五、第二分束镜11将脉冲激光分离为一个物光光束和一个参考光光束；
步骤六、物光光束经过第一反射镜12反射后，再穿过第一分束镜9照射在固体样品2的表面上，创建物光波前；
步骤七、参考光光束穿过第三分束镜13照射在第二反射镜14上，经过第二反射镜14反射后，再穿过第三分束镜13到达第一分束镜9；
步骤八、经固体样品2反射回来的物光波前到达第一分束镜9，并经过第一分束镜9将物光波前与参考光光束叠加在一起，在数字相机6的感光元件表面产生干涉，形成一幅全息图H(x,y)；其中，x为全息图的横轴坐标，y为全息图的纵轴坐标；
步骤九、数字相机6记录全息图H(x,y)，并将记录的全息图数据传输给计算机1；
步骤十、计算机1存储其接收到的全息图数据，并调用声场重构模块，从全息图数据中重构得到超声波声场。
本实施例中，步骤九中，所述数字相机6为CCD数字相机，所述数字相机6通过USB线与计算机1连接，所述数字相机6将记录的全息图数据通过USB线传输给计算机1。
本实施例中，步骤十中计算机1调用声场重构模块，从全息图数据中重构得到超声波声场的具体过程为：
步骤1001、计算机1根据公式
计算得到重构平面的复幅值Uz(x,y)，其中，k为脉冲激光的波数且k＝2π/λ，λ为脉冲激光的波长，Z0为重构平面到数字相机6的感光元件所在平面的距离且D0为数字相机6的感光元件的宽度，pix为数字相机6的感光元件的像素间的距离，i为虚数，fftshift()表示将零频率分量调整到数组中心的快速傅利叶变换，fft2()表示快速二维傅利叶变换；
步骤1002、计算机1根据公式I(x,y)＝|Uz(x,y)|2计算得到超声波的幅值场I(x,y)；
步骤1003、计算机1根据公式计算得到超声波的相位场ψ(x,y)；其中，Im(Uz(x,y))为Uz(x,y)的虚部，Re(Uz(x,y))为Uz(x,y)的实部；
步骤1004、计算机1根据公式P(x,y)＝I(x,y)sin(ψ(x,y))计算得到超声波声场P(x,y)。
综上所述，本发明利用数字激光全息的办法对固体表面的声场进行动态测量，通过对脉冲激光器和数字相机的同步控制，获得固体样品表面瞬态声场不同时刻的全息图，然后通过声场重构获得固体样品表面的超声波的相位和幅值，灵敏度高，测量精度高，操作方便，测量效率高，能够实现宽带性能和高空间分辨率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种超声波场的光学全息测量方法，其采用的测量系统包括光全息光路，还包括计算机(1)、用于放置固体样品(2)的压电晶片(3)和用于驱动压电晶片(3)振动的功率放大器(4)，所述计算机(1)上接有同步控制器(5)和与同步控制器(5)连接的数字相机(6)，所述同步控制器(5)上接有波形发生器(7)和脉冲激光器(8)，所述功率放大器(4)与波形发生器(7)的输出端连接，所述压电晶片(3)与功率放大器(4)的输出端连接；所述光全息光路包括物光光路、参考光光路和第一分束镜(9)，所述物光光路包括依次设置且与脉冲激光器(8)设置在同一水平线上的扩束镜(10)、第二分束镜(11)和第一反射镜(12)，所述参考光光路包括设置在第二分束镜(11)下方的第三分束镜(13)和设置在第三分束镜(13)下方的第二反射镜(14)，所述第一分束镜(9)设置在第一反射镜(12)的下方且与第三分束镜(13)设置在同一水平线上，所述压电晶片(3)设置在第一分束镜(9)的正下方，所述数字相机(6)设置在第一分束镜(9)的旁侧，所述脉冲激光器(8)设置在扩束镜(10)的旁侧；其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将固体样品(2)放置在压电晶片(3)上；
步骤二、在计算机(1)上设置同步控制器(5)控制数字相机(6)的第一同步延时时间t1、同步控制器(5)控制脉冲激光器(8)的第二同步延时时间t2和数字相机(6)的曝光时间t3，计算机(1)将数字相机(6)的曝光时间t3传输给数字相机(6)；其中，t1等于从压电晶片(3)振动产生超声波到超声波传输到固体样品(2)表面的时间t且h为固体样品(2)的厚度，v为超声波在固体样品(2)中传输的速度；t2比t1大15ns～30ns；t3的取值为500ns～1000ns；
步骤三、计算机(1)通过同步控制器(5)给波形发生器(7)发送一个触发信号，波形发生器(7)接收到触发信号后产生6～8个周期的正弦信号并输出给功率放大器(4)，功率放大器(4)对其接收到的正弦信号进行放大后输出给压电晶片(3)，驱动压电晶片(3)振动，产生超声波；同步控制器(5)延时时间t1后控制数字相机(6)启动，同步控制器(5)延时时间t2后给脉冲激光器(8)发送一个触发信号，脉冲激光器(8)接收到触发信号后产生一个脉冲激光照射在扩束镜(10)上；所述脉冲激光的脉宽不大于8ns；
步骤四、扩束镜(10)对脉冲激光器(8)产生的脉冲激光进行扩束后照射在第二分束镜(11)上；
步骤五、第二分束镜(11)将脉冲激光分离为一个物光光束和一个参考光光束；
步骤六、物光光束经过第一反射镜(12)反射后，再穿过第一分束镜(9)照射在固体样品(2)的表面上，创建物光波前；
步骤七、参考光光束穿过第三分束镜(13)照射在第二反射镜(14)上，经过第二反射镜(14)反射后，再穿过第三分束镜(13)到达第一分束镜(9)；
步骤八、经固体样品(2)反射回来的物光波前到达第一分束镜(9)，并经过第一分束镜(9)将物光波前与参考光光束叠加在一起，在数字相机(6)的感光元件表面产生干涉，形成一幅全息图H(x,y)；其中，x为全息图的横轴坐标，y为全息图的纵轴坐标；
步骤九、数字相机(6)记录全息图H(x,y)，并将记录的全息图数据传输给计算机(1)；
步骤九中，所述数字相机(6)为CCD数字相机，所述数字相机(6)通过USB线与计算机(1)连接，所述数字相机(6)将记录的全息图数据通过USB线传输给计算机(1)；
步骤十、计算机(1)存储其接收到的全息图数据，并调用声场重构模块，从全息图数据中重构得到超声波声场。
2.按照权利要求1所述的一种超声波场的光学全息测量方法，其特征在于：所述功率放大器(4)的型号为HSA4101。
3.按照权利要求1所述的一种超声波场的光学全息测量方法，其特征在于：所述CCD数字相机的型号为PCO1600。
4.按照权利要求1所述的一种超声波场的光学全息测量方法，其特征在于：所述波形发生器(7)的型号为AFG2021-SC。
5.按照权利要求1所述的一种超声波场的光学全息测量方法，其特征在于：所述脉冲激光器(8)为纳秒激光器。
6.按照权利要求1所述的一种超声波场的光学全息测量方法，其特征在于：所述脉冲激光器(8)的型号为Nimma-400。
7.按照权利要求1所述的一种超声波场的光学全息测量方法，其特征在于：步骤十中计算机(1)调用声场重构模块，从全息图数据中重构得到超声波声场的具体过程为：
步骤1001、计算机(1)根据公式
计算得到重构平面的复幅值Uz(x,y)，其中，k为脉冲激光的波数且k＝2π/λ，λ为脉冲激光的波长，Z0为重构平面到数字相机(6)的感光元件所在平面的距离且D0为数字相机(6)的感光元件的宽度，pix为数字相机(6)的感光元件的像素间的距离，i为虚数，fftshift()表示将零频率分量调整到数组中心的快速傅利叶变换，fft2()表示快速二维傅利叶变换；
步骤1002、计算机(1)根据公式I(x,y)＝|Uz(x,y)|2计算得到超声波的幅值场I(x,y)；
步骤1003、计算机(1)根据公式计算得到超声波的相位场ψ(x,y)；其中，Im(Uz(x,y))为Uz(x,y)的虚部，Re(Uz(x,y))为Uz(x,y)的实部；
步骤1004、计算机(1)根据公式P(x,y)＝I(x,y)sin(ψ(x,y))计算得到超声波声场P(x,y)。
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