CN113552094B - 一种icf靶丸冰层折射率三维重建的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置及测量方法，测量装置包括激光器、激光准直镜、第一偏振分束镜、电动光挡、载有反射镜的PZT、振镜、第一聚焦镜、第二聚焦镜、显微物镜、第二偏振分束镜、线偏振片、CCD图像传感器、高功率LED、光阑和电脑；测量方法包括：利用背光投影光路将靶丸定位，切换到干涉光路，利用振镜扫描靶丸，采集靶丸各角度下的四步移相干涉图，得到各角度下的二维平均折射率分布；其次设定层析过程中各层的阈值；将二维平均折射率分布转换为当前所需的投影折射率分布；应用ART方法逐层层析反演，应用偏折修正方法，得到正确的三维折射率重建。利用本发明，可以实现快速、非接触式三维折射率重建。

Description

一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，尤其是涉及一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置及测量方法。

背景技术

惯性约束聚变(ICF)要求以多束高能量脉冲激光，同时均匀照射在靶丸上从而产生均匀内爆，进而诱发核聚变。为了实现均匀内爆，对靶丸各层的参数提出了很高的要求。靶丸是由球壳、冰层及燃料气体等组成的多层球形，每一层的形状和密度都必须高度均匀。这些不均匀又可以分别表征为靶丸冰层厚度与折射率分布的不均匀。精确地获取靶丸冰层的厚度和折射率三维重建，不仅可以检验靶丸的合格与否，更可以为靶丸的制备过程提供有效的指导。

目前靶丸各层厚度的三维均匀性表征已经有了较为丰富的研究。俄罗斯Lebedev物理研究院利用背光投影方法(Nikitenko A I,Tolokonnikov S M.Optimal‘tomography’of 2-layered targets:3D parameters reconstruction from shadow images[J].(Fusion science and technology,2007,51(4):705-716))对靶丸进行各层的厚度表征，成功对各层表面实现三维重建。但是，该方法暂时却没有对各层折射率进行三维重建表征的相关报道。浙江大学利用基于背光投影和马赫-曾德干涉系统(刘东，严天亮，陈楠等.一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量方法(专利号：202010133607.2))对靶丸的二维投影方向的折射率分布进行了表征，却没有三维折射率方面的进一步分析。层析相位显微(ChoiW,Fang-Yen C,Badizadegan K,et al.Tomographic phase microscopy[J].(Naturemethods,2007,4(9):717-719))被广泛应用于细胞等微生物的三维折射率表征，但是受限于靶丸的结构复杂、光线通过时发生的巨大偏折，难以直接应用于靶丸表征。上述检测方法，对于靶丸冰层三维折射率重建的表征暂无结果。

因此，设计出能精确测量ICF靶丸冰层三维折射率重建的装置及方法是很有必要的。

发明内容

本发明提供了一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置及测量方法，可以实现靶丸冰层三维折射率表征。

一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置，包括激光器、激光准直镜、第一偏振分束镜、电动光挡、载有反射镜的PZT、振镜、第一聚焦镜、第二聚焦镜、显微物镜、第二偏振分束镜、线偏振片、CCD图像传感器、高功率LED、光阑和电脑；

其中，激光器、激光准直镜、第一偏振分束镜、电动光挡、PZT上载有的平面反射镜沿同一水平线依次设置；第一分束镜透射光的出光口与PZT上载有的平面反射镜呈45°设置；

与激光器及第一偏振分束镜的连线垂直的第一偏振分束镜入光口方向上沿一水平线依次设置高功率LED和光阑；其中，光阑出光口位于高功率LED的正中心，且与第一偏振分束镜的入光口对齐；

与激光器及第一偏振分束镜的连线垂直的第一偏振分束镜的出光口方向上沿一水平线依次设置振镜、第一聚焦镜、第二聚焦镜、待测靶丸、显微物镜、第二偏振分束镜、线偏振片和CCD图像传感器；其中，振镜与第一偏振分束镜呈45°设置；振镜与第一聚焦镜、第一聚焦镜与第二聚焦镜的距离，均设为第一聚焦镜的焦距；待测靶丸放置于显微物镜的工作距处，显微物镜的出光口对准第二偏振分束镜的入光口；第二偏振分束镜保持与PZT上载有的平面反射镜纵向对齐，并且其出光口对准线偏振片的入光口；CCD图像传感器与电脑连接，用于获取移相干涉图和背光投影图。

进一步地，光纤激光器和高功率LED分别作为干涉检测光路和背光投影检测光路的光源，两个光源同时只能打开一个，用于分别获取移相干涉图和背光投影图。

获取移相干涉图时，使待测靶丸的后表面、显微物镜、CCD图像传感器三者的设置距离满足成像共轭关系；获取背光投影图时，使待测靶丸的纵向截面、显微物镜、CCD图像传感器三者的设置距离满足成像共轭关系。

本发明还提供了一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量方法，使用上述的测量装置，包括以下步骤：

(1)在干涉检测光路中，关闭高功率LED，打开激光器，并且使用电脑控制电动光挡，使之处于打开状态，不遮挡干涉光路；打开激光器电源，从激光器发出的激光经过激光准直镜扩束后成为准直激光束，经过第一偏振分束镜分为两束：一束透过第一偏振分束镜，并且在经过PZT台上载有的反射镜反射，到达第二偏振分束镜；另一束由第一偏振分束镜反射后被振镜反射，依次通过第一聚焦镜、第二聚焦镜、待测靶丸、显微物镜，并到达第二偏振分束镜与第一束光合束，经过线偏振片，最终在CCD图像传感器得到干涉图；其中，待测靶丸的后表面、显微物镜、CCD图像传感器的距离满足成像共轭关系；

在背光投影检测光路中，将激光器光源关闭，并且使用电脑控制电动光挡，使之处于关闭状态，遮挡干涉光路；打开高功率LED光源，从高功率LED发出的准直光束经过光阑后口径缩小，经过偏振分束镜后分为两束：一束偏折后被光挡阻蔽；一束被振镜反射后，依次通过第一聚焦镜、第二聚焦镜、待测靶丸、显微物镜、第二偏振分束镜、线偏振片，最终被成像在CCD图像传感器上，得到背光投影图；利用背光投影图将靶丸定位，使待测靶丸的纵向截面、显微物镜、CCD图像传感器的距离满足成像共轭关系；

在干涉光路中，通过电脑控制振镜的角度，使得通过待测靶丸的光线与光轴的夹角从-20度至20度之间变换，间隔为1度；在每个扫描角度下，通过电脑控制PZT进行四步移相，并控制CCD图像传感器对应的四步移相干涉图，得到各角度下的二维平均折射率分布；

(2)根据靶丸先验信息，设定每层层析初值范围；在进行靶丸三维折射率重建时，若对象层为冰层，则靶丸外半径R₀、球壳折射率n₁、球壳厚度t₁、与冰层厚度t₂均为已知信息；若对象层为球壳，则靶丸外半径与球壳厚度均为已知信息；设重建区域第j个体素的坐标是(x_j,y_j,z_j)，坐标系原点位于靶丸球心；则以重建冰层三维折射率为例，有

式中，Q⁽¹⁾,Q⁽²⁾,P和Q⁽³⁾分别为位于靶丸外部空气区域、靶丸球壳区域、靶丸冰层区域和靶丸内部燃气层区域的体素集合，n_shell表示球壳折射率，n_ice,min和n_ice,max分别表示冰层折射率的下限值和上限值；

(3)结合上步预设的靶丸先验信息，将二维分布结果的转化为下一步ART算法输入端所需的投影值；ART法所需输入的该列的投影值为b_j，设待测层范围像素对第i条光线的贡献为A_ip，已知层范围像素对第i条光线的贡献为A_iq；由于投影值b_i代表沿第i条射线路径的折射率的线积分，而射线路径由待求解的冰层区域P和已知折射率的其它区域Q组成，因此有：

式中，n_q为第i条射线在已知层区域Q的折射率平均值，

为第i条射线在冰层区域P内的折射率平均值；

直接从冰层二维折射率分布的测量结果中得到；通过式(2)，将干涉检测得到的二维折射率平均值转化为输入的各方向投影值；

(4)应用ART方法进行反演；将ART视作一组线性方程组系统的迭代求解，该线性系统为：

进一步写为，

Ax＝b (4)

式中，A为m×n的稀疏矩阵，代表每个体素对于投影的相对贡献，m为投影线数，n为输出像素数；x为n×n矩阵，为输出图各像素数待求值；b代表投影图，为m×1矩阵，每行投影都由离散值组成，并且沿横轴排列，b由这些独立的投影组成；每个体素对投影的相对贡献由线积分得到，

A_ij＝∫_Ldx (5)

对于一个实或复矩阵A，以及一个实或复向量b，ART方法使用如下公式计算线性系统的解，

式中，a_i为矩阵A的第i行，b_i为向量b的第i个元素，λ_k为可选的松弛参数，范围为0＜λ_k≤1；

(5)分别考虑前半球180度入射的光线和后半球入射的光线，并分别对偏折进行修正，从而得到正确的折射率分布；

经过各个表面的偏折角与靶丸的参数有关，于是有：

ζ＝θ₅-(θ₀+θ₂-θ₁+θ₄-θ₃) (13)

其中，n₀，n₁，n₂，n₃分别为空气，球壳，燃料冰层和燃料气体层的折射率；t₁，t₂分别为被测靶丸的球壳和冰层的厚度。

光线在每一界面的交点与球心的夹角为：

以靶丸球心为原点，设定球坐标系(r,azimuth,elevation)，其中r代表径向距离，azimuth代表高度角，elevation代表方位角；对于以入射高度为x入射的光线，应用式(7)-(19)，得到此光线在靶丸内的路径；

未修正偏折的各点球坐标设为(r,azimuth,T_i)，式中，i为光线所经过的面数且i＝1…6，依次为球壳外表面的前部、球壳内表面的前部、冰层内表面的前部、冰层内表面的后部、球壳内表面的后部、球壳外表面的后部；对于每一组T_i，有T₁＝θ₀；

经过靶丸发生偏折的光线，与6个面依次交点处的方位角分别为式(14)-(19)中的

其对应的球坐标为

通过公式(7)-(19)得到T_i与

之间的对应关系，从而完成偏折修正，将各像素点映射到了正确位置，所重建的三维折射率均为正确位置处的值。

本发明的方法，利用背光投影检测光路将靶丸定位好后，通过干涉光路采集靶丸的四步移相干涉图；对移相干涉图进行解相位、解包裹、以及Zernike拟合等操作，在所得的波面上选取两个相近的环带；利用基于OPD的反演方法，依次求出环带折射率、基准折射率，从而得出折射率分布。再次应用坐标转换，即得到靶丸坐标系的折射率分布。

步骤(1)中，背光投影检测光路中，依据背光投影图亮环的锐度判定对靶丸进行定位，干涉检测光路在此基础上进行定位。

进一步地，依据背光投影图亮环的锐度判定对靶丸进行定位的具体步骤为：

以3-5μm的微小步长移动靶丸，对各位置采集到的背光投影图进行滤波、提取孔径操作；针对这些处理后的图像，依据梯度函数，计算亮环附近环形区域的锐度；找出锐度最大的背光图，将靶丸移向其所对应的位置，从而形成待测靶丸的纵向截面、显微物镜、CCD图像传感器的距离满足成像共轭关系。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明首次提出ICF靶丸冰层的三维折射率重建方法，实现了靶丸冰层三维折射率的表征，为靶丸冰层制造过程提供了良好的指导。

2、本发明将ART算法与靶丸冰层表征有机地结合在了一起，拓展了ART方法只可应用于非偏折光线情况下的应用范围，从而实现了剧烈光线偏折、多数投影光线损失的情况下，依然能够完成三维反演重建，并将反演中存在的偏折效应消除。

3、装置中所使用的干涉检测光路与背光投影检测光路均为光学测量方法，均具有快速、非接触式测量的优点，可以实现对靶丸的无损检测。

4、本系统紧凑、具有普适性，可对不同尺寸的靶丸进行原位在线检测，具有良好的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明一种ICF靶丸冰层三维折射率重建检测装置的整体结构示意图；

图2为基于ART的投影层析模型原理图；

图3为反演三维采样点偏折修正原理图；

图4为本发明实施例中靶丸球壳折射率三维重建仿真结果图；

图5为本发明实施例中靶丸冰层折射率三维重建仿真结果图。

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ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置，包括激光器1、激光准直镜2、第一偏振分束镜3、电动光挡4、载有反射镜的PZT5、振镜6、第一聚焦镜7、第二聚焦镜8、待测靶丸9、显微物镜10、第二偏振分束镜11、线偏振片12、CCD图像传感器13、高功率LED14、光阑15、电脑16、干涉图17、背光投影图18。

其中，激光器1、激光准直镜2、第一偏振分束镜3、电动光挡4、PZT上载有的平面反射镜沿同一水平线依次设置，激光器1的出光口对准激光准直镜2的入光口，激光准直镜2的出光口与第一偏振分束镜3的入光口对齐，第一偏振分束镜3透射光的出光口与PZT上载有的平面反射镜呈45°设置。

与激光器及第一偏振分束镜的连线垂直的第一偏振分束镜3的入光口方向上沿一水平线依次设置高功率LED14、光阑15。其中，光阑15出光口位于高功率LED14的正中心，且与第一偏振分束镜3的入光口对齐。

与激光器及第一偏振分束镜的连线垂直的第一偏振分束镜3的出光口方向上沿一水平线依次设置振镜6、第一聚焦镜7、第二聚焦镜8、待测靶丸9、显微物镜10、第二偏振分束镜11、线偏振片12和CCD图像传感器13。其中，振镜6与第一偏振分束镜3呈45°设置，振镜6与第一聚焦镜7、第一聚焦镜7与第二聚焦镜8的距离，均设为第一聚焦镜7的焦距。待测靶丸9放置于显微物镜10的工作距处，显微物镜10的出光口对准第二偏振分束镜11的入光口。第二偏振分束镜11保持与PZT上载有的平面反射镜纵向对齐，并且其出光口对准线偏振片12的入光口；CCD图像传感器13与电脑16连接，用于获取移相干涉图17和背光投影图18。

基于上述装置，一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量方法步骤为：

步骤一：安装干涉检测光路和背光投影检测光路；在干涉检测光路中，关闭高功率LED，打开激光器，并且控制电动光挡，使之不遮挡所在路光线。从激光器发出激光经过准直器扩束后成为准直激光束，经过第一偏振分束镜分为两束：一束透过第一偏振分束镜，并且在经过PZT台上载有的反射镜反射，到达第二偏振分束镜；另一束由第一偏振分束镜反射后被振镜反射，依次通过第一聚焦镜、第二聚焦镜、待测靶丸、显微物镜，并到达第二偏振分束镜与第一束光合束，经过线偏振片，最终在CCD图像传感器得到干涉图；其中，待测靶丸的后表面、显微物镜、CCD图像传感器的距离满足成像共轭关系；

在背光投影检测光路中，将激光器光源关闭，并且使用电脑控制电动光挡，使得光挡所在的一路光线被阻蔽。打开高功率LED光源，从高功率LED发出的准直光束经过光阑后口径缩小，经过偏振分束镜后分为两束：一束偏折后被光挡阻蔽；一束被振镜反射后，依次通过第一聚焦镜、第二聚焦镜、待测靶丸、显微物镜、第二偏振分束镜、线偏振片，最终被成像在CCD图像传感器上，得背光投影图。利用背光投影图将靶丸定位(刘东，严天亮，臧仲明等，一种ICF靶丸的检测新装置及定位方法，公开号为CN108333145A)，使待测靶丸的纵向截面、显微物镜、CCD图像传感器的距离满足成像共轭关系；

在干涉光路中，通过电脑控制振镜的角度，使得通过靶丸的光线与光轴的夹角从-20度至20度之间变换，间隔为1度。且在每个扫描角度下，通过电脑控制PZT进行四步移相，并控制CCD图像传感器对应的四步移相干涉图，应用之前专利的技术(刘东，严天亮，陈楠等.一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量方法，公开号为CN111289469A)，得到各角度下的二维平均折射率分布；将二维平均折射率分布转换为当前所需的投影折射率分布；利用基于OPD的反演方法，依次求出环带折射率、基准折射率，从而得出折射率分布；再次应用坐标转换，即得到靶丸坐标系的折射率分布。利用本发明，可以实现快速、非接触式测量。

步骤二：根据靶丸先验信息，设定每层层析初值范围。在进行靶丸三维折射率重建时，若对象层为冰层，则靶丸外半径R₀、球壳折射率n₁、球壳厚度t₁、与冰层厚度t₂均为已知信息；若对象层为球壳，则靶丸外半径与球壳厚度均为已知信息。设重建区域第j个体素的坐标是(x_j,y_j,z_j)，坐标系原点位于靶丸球心。则以重建冰层三维折射率为例，有

式中，Q⁽¹⁾,Q⁽²⁾,P和Q⁽³⁾分别为位于靶丸外部空气区域、靶丸球壳区域、靶丸冰层区域和靶丸内部燃气层区域的体素集合，n_shell表示球壳折射率，n_ice,min和n_ice,max分别表示冰层折射率的下限值和上限值。将Q⁽¹⁾,Q⁽²⁾和Q⁽³⁾区域的体素折射率设为已知的折射率值，并且设定P区域的体素折射率的上下限分别为n_ice,max和n_ice,min,能有效利用靶丸先验信息，提高代数重建法(ART)的重建速度和精度。

步骤三：结合上步预设的靶丸先验信息，将二维分布结果的转化为下一步ART算法输入端所需的投影值。如图2的基于ART的投影层析原理图所示，ART法所需输入的该列的投影值为b_j，设待测层范围像素对第i条光线的贡献为A_ip，已知层范围像素对第i条光线的贡献为A_iq。由于投影值b_i代表沿第i条射线路径的折射率的线积分，而射线路径由待求解的冰层区域P和已知折射率的其它区域Q组成，因此有：

式中，n_q为第i条射线在已知层区域Q的折射率平均值，

为第i条射线在冰层区域P内的折射率平均值。

可直接从冰层二维折射率分布的测量结果中得到。通过式(2)，即可将干涉检测得到的二维折射率平均值转化为输入的各方向投影值。

步骤四：应用ART方法进行反演。ART算法相对于一般的CT重建算法，具有容易应用先验信息、适合应用于不完全投影情况的优势。

可以将ART视作一组线性方程组系统的迭代求解，该线性系统为：

可以写为，

Ax＝b (4)

式中，A为m×n的稀疏矩阵，代表每个体素对于投影的相对贡献(m为投影线数，n为输出像素数)；x为n×n矩阵，为输出图各像素数待求值；b代表投影图(m×1)。每行投影都由离散值组成，并且沿横轴排列。b由这些独立的投影组成。每个体素对投影的相对贡献由线积分得到，

A_ij＝∫_Ldx (5)

对于一个实或复矩阵A，以及一个实或复向量b，ART方法使用如下公式计算线性系统的解，

式中，a_i为矩阵A的第i行，b_i为向量b的第i个元素。λ_k为可选的松弛参数，范围为0＜λ_k≤1。松弛参数可用于放缓系统的收敛，虽然增加计算时间，但是可以提供输出信噪比。有些应用中，也随着逐次迭代递减。

步骤五：偏折修正。考虑一束宽度为待测层内径0.55倍(该参数来自于干涉二维分布结果)、以靶丸球心为中心旋转的测试光线。当该光线的入射角度覆盖范围只有180度时，入射方向的前半球中光线均向下偏折，而出射方向的后半球中的光线均向上偏折；将光线从后半球入射时，入射方向的后半球中光线均向下偏折，而出射方向的前半球中的光线均向上偏折。可见，当入射光线只覆盖180度范围时，前半球的结果与后半球互不影响。因此可以分别考虑前半球180度入射的光线和后半球入射的光线，并分别对偏折进行修正，从而得到正确的折射率分布。

如图3中(a)为光线在双层靶丸内传播追迹，经过各个表面的偏折角与靶丸的参数有关，于是有：

ζ＝θ₅-(θ₀+θ₂-θ₁+θ₄-θ₃) (13)

其中，θ₀、θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅表示光线在靶丸各界面的入射角度，n₀，n₁，n₂，n₃分别为空气，球壳，燃料冰层和燃料气体层的折射率；t₁，t₂分别为被测靶丸的球壳和冰层的厚度。

光线在每一界面的交点与球心的夹角为：

以靶丸球心为原点，设定球坐标系(r,azimuth,elevation)，其中r代表径向距离，azimuth代表高度角，elevation代表方位角。对于以入射高度为x入射的光线，应用式((7)-(19))，便可得到此光线在靶丸内的路径。由图3中(b)可知，未修正偏折的各点球坐标可设为(r,azimuth,T_i),式中，i为光线所经过的面数且i＝1…6，依次为球壳外表面(前)、球壳内表面(前)、冰层内表面(前)、冰层内表面(后)、球壳内表面(后)、球壳外表面(后)。对于每一组T_i，有T₁＝θ₀。

经过靶丸发生偏折的光线，与6个面依次交点处的方位角分别为式(14)-(19)中的

则其对应的球坐标为

通过图3及式(7)-(19)得到T_i与

之间的对应关系，从而完成偏折修正，将各像素点映射到了正确位置，所重建的三维折射率均为正确位置处的值。

共对4个尺寸及参数各异的真实ICF靶丸进行仿真实验,如表1所示。

表1

使用本发明的装置与方法求解靶丸内冰层的折射率分布。以1号靶丸为例，首先对采集扫描角度-11度至11度之间，间隔为1度扫描角度下的四步移相干涉图，得到各角度下的二维平均折射率分布；其次设定层析过程中，各层的阈值。将二维平均折射率分布转换为当前所需的投影折射率分布；应用ART方法逐层层析反演，最后应用偏折修正方法，得到正确的三维折射率重建。如图4中(a)展现了1号靶丸的球壳三维折射率重建过程中，其中某一层的层析结果，图4中(b)展现了球壳重建的三维点云图。如图5中(a)与(b)则分别展现了1号靶丸的冰层折射率层析以及三维点云图。对于所有4个靶丸的球壳与冰层，最终反演得到的三维折射率重建误差小于0.16％，重建时间小于86s。具体的靶丸球壳与冰层反演结果分别如表2和表3所示。

表2

表3

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 (3)

1.一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量装置，其特征在于，包括激光器(1)、激光准直镜(2)、第一偏振分束镜(3)、电动光挡(4)、载有反射镜的PZT(5)、振镜(6)、第一聚焦镜(7)、第二聚焦镜(8)、显微物镜(10)、第二偏振分束镜(11)、线偏振片(12)、CCD图像传感器(13)、高功率LED(14)、光阑(15)和电脑(16)；

其中，激光器(1)、激光准直镜(2)、第一偏振分束镜(3)、电动光挡(4)、PZT(5)上载有的平面反射镜沿同一水平线依次设置；第一偏振分束镜(3)透射光的出光口与PZT(5)上载有的平面反射镜呈45°设置；

与激光器(1)及第一偏振分束镜(3)的连线垂直的第一偏振分束镜(3)的入光口方向上沿一水平线依次设置高功率LED(14)和光阑(15)；其中，光阑(15)出光口位于高功率LED(14)的正中心，且与第一偏振分束镜(3)的入光口对齐；

与激光器(1)及第一偏振分束镜(3)的连线垂直的第一偏振分束镜(3)的出光口方向上沿一水平线依次设置振镜(6)、第一聚焦镜(7)、第二聚焦镜(8)、待测靶丸(9)、显微物镜(10)、第二偏振分束镜(11)、线偏振片(12)和CCD图像传感器(13)；其中，振镜(6)与第一偏振分束镜(3)呈45°设置；振镜(6)与第一聚焦镜(7)、第一聚焦镜(7)与第二聚焦镜(8)的距离，均设为第一聚焦镜(7)的焦距；待测靶丸(9)放置于显微物镜(10)的工作距处，显微物镜(10)的出光口对准第二偏振分束镜(11)的入光口；第二偏振分束镜(11)保持与PZT(5)上载有的平面反射镜纵向对齐，并且其出光口对准线偏振片(12)的入光口；CCD图像传感器(13)与电脑(16)连接，用于获取移相干涉图和背光投影图；

激光器(1)和高功率LED(14)分别作为干涉检测光路和背光投影检测光路的光源，两个光源同时只能打开一个，用于分别获取移相干涉图和背光投影图；

获取移相干涉图时，使待测靶丸(9)的后表面、显微物镜(10)、CCD图像传感器(13)三者的设置距离满足成像共轭关系；获取背光投影图时，使待测靶丸(9)的纵向截面、显微物镜(10)、CCD图像传感器(13)三者的设置距离满足成像共轭关系。

2.一种ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量方法，其特征在于，使用权利要求1所述的测量装置，包括以下步骤：

(1)在干涉检测光路中，关闭高功率LED，打开激光器，并且使用电脑控制电动光挡，使之处于打开状态，不遮挡干涉光路；打开激光器电源，从激光器发出的激光经过激光准直镜扩束后成为准直激光束，经过第一偏振分束镜分为两束：一束透过第一偏振分束镜，并且在经过PZT台上载有的反射镜反射，到达第二偏振分束镜；另一束由第一偏振分束镜反射后被振镜反射，依次通过第一聚焦镜、第二聚焦镜、待测靶丸、显微物镜，并到达第二偏振分束镜与第一束光合束，经过线偏振片，最终在CCD图像传感器得到干涉图；其中，待测靶丸的后表面、显微物镜、CCD图像传感器的距离满足成像共轭关系；

在背光投影检测光路中，将激光器光源关闭，并且使用电脑控制电动光挡，使之处于关闭状态，遮挡干涉光路；打开高功率LED光源，从高功率LED发出的准直光束经过光阑后口径缩小，经过偏振分束镜后分为两束：一束偏折后被光挡阻蔽；一束被振镜反射后，依次通过第一聚焦镜、第二聚焦镜、待测靶丸、显微物镜、第二偏振分束镜、线偏振片，最终被成像在CCD图像传感器上，得到背光投影图；利用背光投影图将靶丸定位，使待测靶丸的纵向截面、显微物镜、CCD图像传感器的距离满足成像共轭关系；

在干涉光路中，通过电脑控制振镜的角度，使得通过待测靶丸的光线与光轴的夹角从-20度至20度之间变换，间隔为1度；在每个扫描角度下，通过电脑控制PZT进行四步移相，并控制CCD图像传感器对应的四步移相干涉图，得到各角度下的二维平均折射率分布；

(2)根据靶丸先验信息，设定每层层析初值范围；在进行靶丸三维折射率重建时，若对象层为冰层，则靶丸外半径R₀、球壳折射率n₁、球壳厚度t₁、与冰层厚度t₂均为已知信息；若对象层为球壳，则靶丸外半径与球壳厚度均为已知信息；设重建区域第j个体素的坐标是(x_j,y_j,z_j)，坐标系原点位于靶丸球心；则以重建冰层三维折射率为例，有

式中，Q⁽¹⁾,Q⁽²⁾,P和Q⁽³⁾分别为位于靶丸外部空气区域、靶丸球壳区域、靶丸冰层区域和靶丸内部燃气层区域的体素集合，n_shell表示球壳折射率，n_ice,min和n_ice,max分别表示冰层折射率的下限值和上限值；

(3)结合上步预设的靶丸先验信息，将二维分布结果转化为下一步ART算法输入端所需的投影值；ART法所需输入的投影值为b_i，设待测层范围像素对第i条光线的贡献为A_ip，已知层范围像素对第i条光线的贡献为A_iq；由于投影值b_i代表沿第i条射线路径的折射率的线积分，而射线路径由待求解的冰层区域P和已知折射率的其它区域Q组成，因此有：

式中，n_q为第i条射线在已知层区域Q的折射率平均值，

为第i条射线在冰层区域P内的折射率平均值；

直接从冰层二维折射率分布的测量结果中得到；通过式(2)，将干涉检测得到的二维折射率平均值转化为输入的各方向投影值；

(4)应用ART方法进行反演；将ART视作一组线性方程组系统的迭代求解，该线性系统为：

进一步写为，

Ax＝b (4)

式中，A为M×N的稀疏矩阵，代表每个体素对于投影的相对贡献，M为投影线数，N为输出像素数；x为N×N矩阵，为输出图各像素数待求值；b代表投影图，为M×1矩阵，每行投影都由离散值组成，并且沿横轴排列，b由这些独立的投影组成；每个体素对投影的相对贡献由线积分得到，

A_ij＝∫_Ldx (5)

对于一个实或复矩阵A，以及一个实或复向量b，ART方法使用如下公式计算线性系统的解，

式中，a_i为矩阵A的第i行，b_i为向量b的第i个元素，λ_k为可选的松弛参数，范围为0＜λ_k≤1；

(5)分别考虑前半球180度入射的光线和后半球入射的光线，并分别对偏折进行修正，从而得到正确的折射率分布；

经过各个表面的偏折角与靶丸的参数有关，于是有：

ζ＝θ₅-(θ₀+θ₂-θ₁+θ₄-θ₃) (13)

其中，θ₀、θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅表示光线在靶丸各界面的入射角度，n₀，n₁，n₂，n₃分别为空气，球壳，燃料冰层和燃料气体层的折射率；t₁，t₂分别为被测靶丸的球壳和冰层的厚度；

光线在每一界面的交点与球心的夹角为：

以靶丸球心为原点，设定球坐标系(r,azimuth,elevation)，其中r代表径向距离，azimuth代表高度角，elevation代表方位角；对于以入射高度为x入射的光线，应用式(7)-(19)，得到此光线在靶丸内的路径；

未修正偏折的各点球坐标设为(r,azimuth,T_i)，式中，i为光线所经过的面数且i＝1…6，依次为球壳外表面的前部、球壳内表面的前部、冰层内表面的前部、冰层内表面的后部、球壳内表面的后部、球壳外表面的后部；对于每一组T_i，有T₁＝θ₀；

经过靶丸发生偏折的光线，与6个面依次交点处的方位角分别为式(14)-(19)中的

其对应的球坐标为

通过公式(7)-(19)得到T_i与

之间的对应关系，从而完成偏折修正，将各像素点映射到了正确位置，所重建的三维折射率均为正确位置处的值。

3.根据权利要求2所述的ICF靶丸冰层折射率三维重建的测量方法，其特征在于，步骤(1)中，背光投影检测光路中，依据背光投影图亮环的锐度判定对靶丸进行定位，干涉检测光路在此基础上进行定位；依据背光投影图亮环的锐度判定对靶丸进行定位的具体步骤为：

以3-5μm的步长移动靶丸，对各位置采集到的背光投影图进行滤波、提取孔径操作；针对这些处理后的图像，依据梯度函数，计算亮环附近环形区域的锐度；找出锐度最大的背光图，将靶丸移向其所对应的位置，从而形成待测靶丸的纵向截面、显微物镜、CCD图像传感器的距离满足成像共轭关系。

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