CN112577433B - 一种氢同位素结晶生长高度实时测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢同位素结晶生长高度实时测量装置及方法，其中，测量方法包括：(1)在氢同位素结晶生长最初阶段，控制电动五维调整架进行Z方向调节完成对焦，并控制电动五维调整架在XY平面内移动，直到所需观察记录的区域位于系统视场中心为止；(2)通过电动五维调整架调整干涉测量系统的角度，得到合适的干涉图像；在开始监控之前，选择结晶初始位置背景上一点作为参考点，用于区域分割的基准，设定好监控时间间隔后，开始进行测量；(3)在监控时间节点，使用同步移相干涉测量方法，实时精确地计算出该时刻监控点的相位ΔΦ(t)及监控点绝对高度HDT(x,y)。利用本发明，可以有效且高精度的对氢同位素结晶生长高度进行实时计算。
Description
技术领域
本发明属于光学精密检测技术领域，尤其是涉及一种氢同位素结晶生长高度实时测量装置及方法。
背景技术
惯性约束核聚变采用高能激光束或离子束打在直径为毫米级的燃料靶丸上，通过靶丸表面的消融、聚爆等物理过程，最终使靶丸中的燃料发生聚变而释放能量。燃料靶丸由外部球形壳层、内部的固态氘氚燃料层及中心的气态氘氚层组成，其中对固体氘氚燃料层生长高度的实时监控和数据记录是结晶形态控制的重要参考依据，即结晶生长高度检测系统需满足实时、非接触、高精度等要求。
氢同位素低温结晶颗粒大小约1mm甚至更小，对其高度进行非接触和高精度测量的常见手段为移相干涉显微镜，在进行干涉检测过程中，系统获得的原始数据是各生长时间对应的干涉图，要实现实时高度监控，必须要选用高效的干涉图处理算法。通常，对于单一时刻获取的干涉图处理算法包含预处理滤波、相位解调、相位连续化处理以及高度换算等步骤，其中相位连续化处理算法复杂度最高，主要分为路径跟踪算法和路径无关算法两大类，前者计算时间较短，但是容易出现跳变，影响测量精度；后者计算时间较长，测量精度较高。除此之外，无论选用哪种相位连续化处理算法，计算结果都是相对相位值，在进行高度换算时，需要结合相应的系统特征和其他辅助算法进行校准。综上，所有算法步骤相互配合，可以得到单一时刻的高度计算结果，再综合分析相邻两时刻的高度数据，即可得到高度监控结果。但是此过程无法分析结晶生长边缘存在跳变引起的高度测试不准确这种情况。
常见的移相干涉时域分析算法可以解决上述问题，其主要思路是结合两个时刻获得的两组移相干涉图，利用强度变化关系推导出相位分布的绝对变化，从而得到高度绝对变化，再根据初始时刻的高度标定结果，计算得到最终时刻的结晶绝对高度。但是在移相干涉显微镜系统中应用此方法时，对于条纹变化较大或者条纹较密集的干涉图，处理结果不尽如人意。
因此，需要更加有效且高精度的算法实现氢同位素结晶生长高度的实时计算。
发明内容
本发明提供了一种氢同位素结晶生长高度实时测量装置及方法，可以有效且高精度的对氢同位素结晶生长高度进行实时计算。
一种氢同位素结晶生长高度实时测量装置，包括干涉测量系统、位移系统和计算机处理模块；
所述的干涉测量系统安装在铝合金底板上，包括光纤激光器、单模保偏光纤、双胶合透镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、显微物镜、透镜组、平面反射镜和偏振相机；
光纤激光器产生的激光经过单模保偏光纤出射，发散高斯光束经双胶合透镜后变为汇聚光波被偏振分光棱镜分光，分成参考路和检测路两路光线；其中参考路的垂直偏振光被偏振分光棱镜反射后经过四分之一波片，被显微物镜准直为平行光，之后经过平面反射镜反射后原路返回作为参考光；检测路的水平偏振光透射偏振分光棱镜后经过四分之一波片，被相同型号显微物镜准直为平行光，之后经玻璃窗口入射至低温真空靶室的待测氢同位素结晶生长面，反射后原路返回作为检测光；
两束光波两次通过四分之一波片后偏振态转换，再依次通过偏振分光棱镜和四分之一波片后转换为圆偏光，发生干涉；最后经透镜组被成像于偏振相机处；
所述的位移系统包括龙门架以及安装在龙门架上的电动五维调整架，所述干涉测量系统的安装板固定在电动五维调整架上；
所述的计算机处理模块包括位移台控制模块、图像采集模块、干涉图数据分析处理模块；图像采集模块与偏振相机相连，在得到待测结晶生长显微图像及干涉图图像后，将数据传输至干涉图数据分析处理模块进行分析，并通过位移台控制模块微调干涉测量系统的位置。
进一步地，所述的光纤激光器采用532nm短相干光，以降低玻璃窗片杂散条纹的影响。
进一步地，所述偏振相机的感光面由超像素紧密排列而成，每个超像素均由4个相移分别为0，π/2，π，3π/2的普通像素组成，在计算机处理模块中，利用普通像素与超像素的位置关系可以重构出四幅移相干涉图。
本发明还提供了一种氢同位素结晶生长高度实时测量方法，使用上述氢同位素结晶生长高度实时测量装置，包括以下步骤：
(1)在氢同位素结晶生长最初阶段，控制电动五维调整架进行Z方向调节完成对焦，并控制电动五维调整架在XY平面内移动，直到所需观察记录的区域位于系统视场中心为止；
(2)通过电动五维调整架调整干涉测量系统的角度，得到合适的干涉图像；在开始监控之前，选择结晶初始位置背景上一点作为参考点，用于区域分割的基准，设定好监控时间间隔后，开始进行测量；
(3)在监控时间节点，使用同步移相干涉测量方法，同时获得相位差为0，π/2，π，3π/2的结晶表面干涉图，通过干涉条纹实时处理，结合基底背景光强信息，实时精确地计算出该时刻监控点的相位ΔΦ(t)及监控点绝对高度HDT(x,y)。
为体现实时性，步骤(2)中，所述的监控时间间隔设置在2-20s之间。由于氢同位素结晶初期生长极其缓慢，步骤(1)和(2)步操作速度较快，在这段时间内结晶边缘不会出现跳变，由此引入的误差可忽略不计。
步骤(3)的具体过程为：
(3-1)解调相位计算高度分布：采用透射式测量，根据两路光程差关系计算得到结晶表面高度分布h(x,y)与干涉图相位
的对应关系，如下：
式中，λ为光纤激光器的检测光波长，为532nm，n为氢同位素固态折射率，为1.16；其中，
可以由四步移相解调算法搭配相应的相位连续化处理算法计算得到。公式(1)在结晶生长的每一时刻都适用，由此可以计算得到每一时刻结晶表面高度分布h(x,y)。
(3-2)去除基准面形：在进行结晶高度测量时，需要对基底干涉条纹对应的相位进行分析，拟合出其倾斜系数，作为基准面形在结晶测量结果中去除，以得到更加精确的测量结果。
(3-3)时序监控记录单点相位变化：监控结晶生长最高点位置(x0,y0)，以远小于生长速度的时间间隔获取两组四步移相干涉图，可计算点(x0,y0)与其N×N邻域内各点(xi,yi)的相位变化均值
具体表达式为：
式中，ΔIab(t,xi,yi)＝Ia(t,xi,yi)-Ib(t,xi,yi)，下标a，b代表干涉系统同步移相得到的四幅干涉图；由此得到的
可以反映监控点真实的相位变化，可用于确定结晶绝对高度。
(3-4)被动抗振：为降低低温系统振动对高度计算的影响，应用被动抗振算法统计相邻两帧之间背景基底区域像素光强均值的波动情况，计算得到每一帧因系统振动引起的相位变化ΔΦV(t)，具体计算表达式如下：
式中，Iia为背景区域第i个像素的光强值，角标a代表同步移相得到的四幅干涉图；为了保证后续处理准确度，需要去除振动对计算结果的影响，记去除振动后的相位变化值为ΔΦNV(t)，具体表达式如下：
(3-5)相位2π修正：因结晶生长过程不可逆，故两帧之间监控点相位差应为正。结晶生长过程较为缓慢，在较短的监控间隔去除振动影响后不会出现两帧相位变化超过一个周期的情况，如果出现类似情况，说明此时生长速度较快，受反正切函数的值域(-π,π)所限，此时ΔΦNV(t)将小于0，与先验条件不符，需对ΔΦNV(t)进行2π修正，调整为正值，修正后的结果记为ΔΦ(t)具体表达式如下：
(3-6)监控点绝对高度计算：记0时刻监控点的相位为Φ(0)，则监控点T时刻的绝对高度HT根据公式(1)～(5)得到：
(3-7)基底背景与结晶区域分割：在监控T时刻通过软件手动选择基底背景中的一个像素点(xr,yr)，计算该点的高度值h(xr,yr)，并用整幅图计算的高度值减去h(xr,yr)，得到修正后的高度分布，此时背景高度在零值附近；
区域分割方法采用双阈值判定法，根据结晶高度分布特征设置合适的梯度阈值δ1和绝对阈值δ2，构造二值MASK矩阵，数值为1代表结晶生长区域，数值为0代表背景区域；具体阈值条件如下：
(3-8)结晶高度计算结果：在T时刻应用式(1)处理干涉图得到监控点(x0,y0)的高度，记为hT，则结晶生长区域的高度修正量为HT-hT；结合前述步骤可得，结晶的绝对高度分布为：
式中，h(x,y)代表T时刻应用公式(1)计算得到的结晶高度分布，h(xr,yr)代表所选基底背景中像素点(xr,yr)的高度值。
上述计算方法通过时序监控搭配被动抗振等算法，可以实时计算得到准确的结晶高度分布，整个流程可以编程自动实现，运算用时较短，满足实际检测需求。
本发明的方法，可实现对氢同位素低温结晶生长高度非接触式实时监控，消除真空室玻璃、生长基底强反射光及结晶生长过程相位跳变等对常见干涉显微系统的影响，实现高精度实时干涉测量氢同位素结晶生长高度。
附图说明
图1为本发明一种氢同位素结晶生长高度实时测量装置示意图；
图2为本发明方法应用于测量水滴蒸发实验的结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种氢同位素结晶生长高度实时测量装置，整个装置固定于大理石平台18上，包括干涉测量系统、位移系统和计算机处理模块。
干涉测量系统中，光纤激光器1作为光源，选用532nm短相干光，以降低玻璃窗片杂散条纹的影响；光源发出的激光经单模保偏光纤2射入整个干涉系统，为发散高斯光束，经双胶合透镜3后变为汇聚光波，传输至偏振分光棱镜4。其中，垂直偏振光将反射经过四分之一波片5，再由显微物镜6准直为平行光，之后经过平面反射镜7反射后，沿原路返回，再次经过四分之一波片5至偏振分光棱镜4，此时已转变为水平偏振光，将直接透射经过棱镜，作为参考光。另一路水平偏振光透射经过偏振分光棱镜4与四分之一波片5，再经过同型号显微物镜6准直为平行光，之后经过玻璃窗口15进入低温真空靶室17，透射经过待测结晶16的生长面反射，沿原路返回，再次经过四分之一波片5至偏振分光棱镜4，此时已转变为垂直偏振光，将被棱镜反射，作为检测光。两路光波再次通过偏振分光棱镜4和四分之一波片8后，两线偏光将转换为圆偏光，发生干涉，并经过透镜组9与45度反射镜10成像在偏振相机11像面上。偏振相机11的感光面由超像素紧密排列而成，每个超像素均由4个相移分别为0，π/2，π，3π/2的普通像素组成，在计算机处理模块中，利用普通像素与超像素的位置关系可以重构出四副移相干涉图，与传统系统利用PZT拍摄出的四步移相干涉图效果一致。整个干涉测量系统均安装在铝合金底板12上。
位移系统包括电动五维位移台13以及龙门架14。铝合金底板12安装在电动五维位移台13上，可以通过软件控制，实现XYZ三轴平移调节，还可以通过手动调节外部旋钮的方式，实现XY方向的角度调节。将龙门架14调整至合适位置固定，通过软件调整位移台至低温真空靶室17正上方，测量光可垂直入射至靶室中进行干涉测量。
计算机处理模块包括位移台控制模块、图像采集模块、干涉图数据分析处理模块。图像采集模块主要和偏振相机11进行互联，控制相机按照需求采集待测区域的同步移相干涉图，并将数据传输至干涉图数据分析处理模块，进行干涉图处理、绝对高度计算等操作。如果需要更换监控区域，可以通过位移台控制模块控制位移台微调干涉系统位置来实现。
利用上述装置进行氢同位素结晶生长高度实时测量的方法如下：
步骤1，在氢同位素结晶生长最初阶段，需要控制电动调整架进行Z方向调节完成对焦，并控制电动调整架在XY平面内移动，直到所需观察记录的区域位于系统视场中心为止。
步骤2，利用电动五维位移台13调整干涉测量系统的角度，得到合适的干涉图像。在开始监控之前，需选择结晶初始位置背景上一点作为参考点，用于区域分割的基准，设定好监控时间间隔后，开始进行测量。为体现实时性，测量监控时间间隔应设置在2-20s之间。由于氢同位素结晶初期生长极其缓慢，步骤1和步骤2操作速度较快，在这段时间内结晶边缘不会出现跳变，由此引入的误差可忽略不计。
步骤3，在监控时间节点，使用所述氢同位素结晶生长高度实时监控方法计算此时刻高度。该方法结合了同步移相、主动抗振、时域处理以及波面相位连续化处理等算法，最终可根据公式(1)-(8)计算得到该时刻的ΔΦ(t)及监控点绝对高度HDT(x,y)。
图2展示了本发明方法应用于测量水滴蒸发实验的结果，其中左列图片是干涉图，右列图片是本发明方法处理得到的三维高度图以及colorbar，选用的实验数据是干涉测量系统拍摄记录的水滴蒸发过程干涉图，其逆过程与结晶生长过程类似，同样也会出现边缘跳变情况。实际处理结果和与直接读取条纹信息估算的水滴高度相符，可以本发明方法具备所述功能。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种氢同位素结晶生长高度实时测量装置，包括干涉测量系统、位移系统和计算机处理模块，其特征在于：
所述的干涉测量系统安装在铝合金底板上，包括光纤激光器、单模保偏光纤、双胶合透镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、显微物镜、透镜组、平面反射镜和偏振相机；
光纤激光器产生的激光经过单模保偏光纤出射，发散高斯光束经双胶合透镜后变为汇聚光波被偏振分光棱镜分光，分成参考路和检测路两路光线；其中参考路的垂直偏振光被偏振分光棱镜反射后经过四分之一波片，被显微物镜准直为平行光，之后经过平面反射镜反射后原路返回作为参考光；检测路的水平偏振光透射偏振分光棱镜后经过四分之一波片，被相同型号显微物镜准直为平行光，之后经玻璃窗口入射至低温真空靶室的待测结晶的生长面，反射后原路返回作为检测光；
两束光波两次通过四分之一波片后偏振态转换，再依次通过偏振分光棱镜和四分之一波片后转换为圆偏光，发生干涉；最后经透镜组被成像于偏振相机处；
所述的位移系统包括龙门架以及安装在龙门架上的电动五维调整架，所述干涉测量系统的安装板固定在电动五维调整架上；
所述的计算机处理模块包括位移台控制模块、图像采集模块、干涉图数据分析处理模块；图像采集模块与偏振相机相连，在得到待测结晶生长显微图像及干涉图图像后，将数据传输至干涉图数据分析处理模块进行分析，并通过位移台控制模块微调干涉测量系统的位置；
利用氢同位素结晶生长高度实时测量装置进行测量的方法包括以下步骤：
(1)在氢同位素结晶生长最初阶段，控制电动五维调整架进行Z方向调节完成对焦，并控制电动五维调整架在XY平面内移动，直到所需观察记录的区域位于系统视场中心为止；
(2)通过电动五维调整架调整干涉测量系统的角度，得到合适的干涉图像；在开始监控之前，选择结晶初始位置背景上一点作为参考点，用于区域分割的基准，设定好监控时间间隔后，开始进行测量；
(3)在监控时间节点，使用同步移相干涉测量方法，同时获得相位差为0，π/2，π，3π/2的结晶表面干涉图，通过干涉条纹实时处理，结合基底背景光强信息，实时精确地计算出该时刻监控点的相位ΔΦ(t)及监控点绝对高度HDT(x,y)；具体过程为：
(3-1)解调相位计算高度分布：采用透射式测量，根据两路光程差关系计算得到结晶表面高度分布h(x,y)与干涉图相位
的对应关系，如下：
式中，λ为光纤激光器的检测光波长，为532nm，n为氢同位素固态折射率，为1.16；
(3-2)去除基准面形：在进行结晶高度测量时，对基底干涉条纹对应的相位进行分析，拟合出其倾斜系数，作为基准面形在结晶测量结果中去除；
(3-3)时序监控记录单点相位变化：监控结晶生长最高点位置(x0,y0)，以远小于生长速度的时间间隔获取两组四步移相干涉图，可计算点(x0,y0)与其N×N邻域内各点(xi,yi)的相位变化均值
具体表达式为：
式中，ΔIab(t,xi,yi)＝Ia(t,xi,yi)-Ib(t,xi,yi)，下标a，b代表干涉系统同步移相得到的四幅干涉图；
(3-4)被动抗振：应用被动抗振算法统计相邻两帧之间背景基底区域像素光强均值的波动情况，计算得到每一帧因系统振动引起的相位变化ΔΦV(t)，具体计算表达式如下：
式中，Iia为背景区域第i个像素的光强值，角标a代表同步移相得到的四幅干涉图；去除振动后的相位变化值为ΔΦNV(t)，具体表达式如下：
(3-5)相位2π修正：对ΔΦNV(t)进行2π修正，调整为正值，修正后的结果记为ΔΦ(t)具体表达式如下：
(3-6)监控点绝对高度计算：记0时刻监控点的相位为Φ(0)，则监控点T时刻的绝对高度HT根据公式(1)～(5)得到：
(3-7)基底背景与结晶区域分割：在监控T时刻通过软件手动选择基底背景中的一个像素点(xr,yr)，计算该点的高度值h(xr,yr)，并用整幅图计算的高度值减去h(xr,yr)，得到修正后的高度分布，此时背景高度应该在零值附近；
区域分割方法采用双阈值判定法，根据结晶高度分布特征设置合适的梯度阈值δ1和绝对阈值δ2，构造二值MASK矩阵，数值为1代表结晶生长区域，数值为0代表背景区域；具体阈值条件如下：
(3-8)结晶高度计算结果：在T时刻应用式(1)处理干涉图得到监控点(x0,y0)的高度，记为hT，则结晶生长区域的高度修正量为HT-hT；结合前述步骤可得，结晶的绝对高度分布为：
式中，h(x,y)代表T时刻应用公式(1)计算得到的结晶高度分布，h(xr,yr)代表所选基底背景中像素点(xr,yr)的高度值。
2.根据权利要求1所述的氢同位素结晶生长高度实时测量装置，其特征在于，所述的光纤激光器采用532nm短相干光。
3.根据权利要求1所述的氢同位素结晶生长高度实时测量装置，其特征在于，所述偏振相机的感光面由超像素紧密排列而成，每个超像素均由4个相移分别为0，π/2，π，3π/2的普通像素组成。
4.根据权利要求1所述的氢同位素结晶生长高度实时测量装置，其特征在于，步骤(2)中，所述的监控时间间隔设置在2-20s之间。
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| 《形貌与微变形全场光学同时测量方法》;蒋艳鹏;《应用光学》;20170131;第67-71页 * |
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