超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統的製作方法

2023-07-26 11:34:21 3

專利名稱：超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統，利用數字全息技術實 現超聲懸浮場的測量。
背景技術：
聲懸浮技術主要利用的是高強度超聲駐波場產生的聲輻射力(Acoustic Radiation Force)或聲輻射壓力(Acoustic Radiation Pressure),它可以使密度比空氣大幾百甚至幾 萬倍的常見固體或液體克服地球引力而懸浮於空氣中，也可以將密度很小的氣泡定位 於液體中某一位置而不漂浮到液面上，是一種無容器處理的重要手段。
由於超聲懸浮場是聲波在空氣中形成的駐波場，不能直接用眼睛或視頻裝置接收， 加上探測過程不能干擾聲場，使得常規探測儀器無法使用。又由於引入測量器件後， 會對聲懸浮場產生影響且難於實現全場測量。所以，到目前為止，對超聲懸浮場的研 究工作多集中於利用聲學理論進行數值計算。西北工業大學張琳等人用傳統光學全息 方法首次對聲懸浮場分布進行了測量(張琳，李恩普，馮偉，洪振宇，解文軍，馬仰 華，聲懸浮過程的雷射全息幹涉研究，物理學報，54(5)(2005))。不過，由於其方法的 局限性，測量結果比較粗糙，該方法以全息幹板作為記錄介質，需要經過複雜的物理 和溼化學處理過程，記錄的信息和記錄效果極易受到人為操作的影響，而且信息處理 手段有限，不能解調出幹涉場的相位信息；隨後，張琳等人(張琳，聲懸浮過程的激 光全息幹涉研究，碩士學位論文，西北工業大學，(2005)進一步應用數字全息方法並 採用雙共聚焦光路對超聲懸浮場進行了測量，由於其光路結構的限制，測量弱相位場
的靈敏度低，測量過程較複雜，難以做到定量分析，且測量範圍固定不可調。
總之，超聲懸浮場屬於弱相位場，而現有的測量靈敏度低，測量過程較複雜，且測量範圍固定不可調。

發明內容
要解決的技術問題
為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種超聲懸浮場可視化測量方法及其 測量系統，可以克服在測量超聲懸浮場的弱相位場過程中靈敏度低，且測量範圍固定 不可調，測量過程較複雜的問題。
技術方案
本發明提出一種超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統的技術特徵在於將激 光器發出的光束分為第一和第二兩組平行光束第一平行光束穿過待測超聲場後被反 射沿原路穿過待測超聲場形成測量物光；第二平行光束作為參考光與測量物光發生幹 涉成像於面陣CCD。
一種實現上述測量方法的測量系統，其特徵在於系統包括雷射器12，分束裝置
6， 二個擴束準直裝置5、 7，半透半反鏡4，全反射鏡3，凸透鏡2和面陣CCD1。在 雷射器12發出的光束中設置形成第一光束和第二光束的分束裝置6。在第一光束的光 路中，依次設置擴束準直裝置5和全反射鏡3，待測超聲場位於光路中，設置在擴束 準直裝置5和全反射鏡3之間，在擴束準直裝置5與待測超聲場之間設置一個將物光 反射到與第一光束方向垂直的另外一側的半透半反鏡4。在第二光束的光路中，設置 一個將光束變為平行參考光的擴束準直裝置7;在兩束光以一定傾角發生幹涉後形成 的光路中，依次設置將幹涉圖樣成像的凸透鏡2和記錄數字全息圖的面陣CCD1。
在上述方案中，可以在雷射器12與分束裝置6的光路之間設置衰減器11和改變 光路方向的全反射鏡10。
在第二光束的光路中，分束裝置(6)與擴束裝置(7)之間設置改變光路方向的全反射鏡(8)。形成如圖3所示的測量光路。
在第二光束的光路中，與上述方案不同的是擴束準直裝置7之後依次設置改變
光路方向的全反射鏡8和半透半反鏡9，半透半反鏡9位於半透半反鏡4和凸透鏡2 之間。形成如圖2所示的測量光路。
在圖3所示的測量光路基礎上，在半透半反鏡9與半透半反鏡4之間依次設置凸 透鏡15和凸透鏡14。形成如圖4所示的測量光路。
在圖2所示的測量光路基礎上，在雷射器12發出的光路中將原有的二個擴束裝置 5、 7合併為一個擴束準直器5，並設置在分束鏡17之前端，所述的分束鏡17設置在 原有的分束裝置6的位置，且分束鏡17的透反比為7:3。形成如圖5所示的測量光路。
所述的分束裝置6為固定分光比分束鏡，或分光比可調分束鏡。
所述的擴束準直裝置7為擴束鏡，或透鏡組。
所述線陣CCD1為一面陣列分布的電荷耦合器件。
所述的分束裝置17為固定分光比分束鏡，透射光與反射光強比為7:3。
有益效果
本發明提出的超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統，相比現有技術的優越性
在於(1)由於在利用本測量系統對超聲場進行測量的過程中沒有儀器探頭等擾動流
場，光束通過待測超聲懸浮場後並不對其造成千擾，從而避免由此而產生誤差；(2) 由於光線的無慣性，本測量系統可用來研究超聲場的瞬態過程，實現其瞬時記錄；(3) 本測量系統運用倍增光路，從而可以探測聲場擾動所引起的微小折射率變化造成的幹 涉條紋分布，使測量結果更加直觀、精確；(4)本測量系統在CCD前放置一成像透鏡， 通過調節CCD、成像透鏡與參考光和物光的幹涉場之間距離達到改變測量範圍的目 的，可以測量不同諧振模式聲場(發射端和反射端之間的距離不同)，增加測量過程的靈活性，解決CCD靶面尺寸有限的問題；(5)利用本測量系統，CCD所記錄的數字
全息圖經過計算機處理，數值再現全息圖獲得包含振幅和相位的物光波場的復振幅分 布，可實現真正意義上的各種復振幅運算和操作(如兩個或多個全息圖的加減、背景
圖像的增減、圖像的疊加等)，使數據處理過程簡單快速且精度高，有利於實時化。(6)
本測量系統可以進行較大體積流場的實時測量，對實現超聲懸浮場的無擾測量具有很 大的優勢。


圖1是本發明的原理示意圖
圖2是本發明超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統第一實施方式的結構示意
圖3是本發明超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統第二實施方式的結構示意
圖4是本發明超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統第三實施方式的結構示意
圖5是本發明超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統第四實施方式的結構示意圖。
l-面陣CCD; 2-凸透鏡；3-全反射鏡；4-半透半反鏡；5-擴束準直器；6-分束鏡； 7-擴束準直器；8-全反射鏡；9-半透半反鏡；10-全反射鏡；ll-衰減器；12-氣體雷射器;
13-計算機；14、 15-凸透鏡；16-半導體雷射器；17-透反比為7:3的分束鏡；A-超聲場。
具體實施例方式
現結合附圖對本發明作進一步描述實施例l:如圖2所示的測量系統包括氣體雷射器12、衰減器ll、全反射鏡IO、
分束鏡6、擴束準直器5、半透半反鏡4、全反射鏡3、擴束準直器7、全反射鏡8、半 透半反鏡9、凸透鏡2和面陣CCD1，以及包含於其中的待測超聲場A。
衰減器11為可調通光衰減器，其設置在氣體雷射器12所發出光束的光路上，為 了使成在CCD上的像不至於過亮，起到衰減光強的作用。全反射鏡10將衰減後的光 反射至分束器6，分束器6為一分光比可調分束器，將該光束分成第一光束和第二光 束。第一光束由擴束準直器5擴束並準直後成平行光，再穿過超聲懸浮場A後被全反 射鏡3沿原路返回，再由半透半反鏡4反射，透過半透半反鏡9後被述凸透鏡2成像 在面陣CCD1上。其中，待測超聲懸浮場A為一透明狀態的透射型場。
第二束光由擴束準直器7擴束並準直成平行光後，依次被全反射鏡8和半透半反 鏡9反射，調整夾角形成幹涉區域，經凸透鏡2成像在CCD 1上。
所述CCD 1為一像素分布1040*1392的面陣電荷耦合器件，其面積大小為1平方 釐米，位於凸透鏡2的一倍焦距與二倍焦距之間。調節凸透鏡2和CCD 1與待測超聲 懸浮場A三者之間的距離，使待測超聲懸浮場A經過凸透鏡2後清晰成像在CCD1 上。在CCD1記錄範圍內調節第一、二光束之間的夾角，使得記錄圖像頻譜可以分離， 然後分別拍攝不加超聲懸浮場和加超聲懸浮場兩種情況下的數字全息幹涉圖，最後， 二兩種情況的數字全息圖可由計算機13通過快速傅立葉變換算法和數字圖像處理等 手段進行數值重構，即可以獲得聲懸浮場的數字全息幹涉再現像。
在條紋紀錄過程中，條紋數與物光和參考光夾角的關係為Wocsi^，其中N為單
位長度的幹涉條紋數目，e為所述第一、二光束幹涉時的夾角。
由於CCD1解析度較低，進行全息記錄時'對物光和參考光的夾角要求較高，物 光與參考光夾角較大時會損失物光波頻譜信息，較小則引起頻譜混疊。實驗中第一束光與所述第二束光夾角取1.10±0，05°左右。本發明超聲懸浮場可視化測量方法及其測
量系統的光源用的是波長為632.8nm的He-Ne雷射器，假設超聲懸浮場聲壓在 140dB 160dB之間，根據相關理論可知，本系統可測量折射率變化數量級約為10—7~10—6 的聲場，完全滿足測量要求。
本發明超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統第一實施方式的主要工作過程 為氣體雷射器12所發出光束經過所述衰減器11後，被全反射鏡10反射至分束器6。 分束器6將該光束分成第一光束和第二光束。第--光束經擴束準直器5擴束並準直後 成平行光，再穿過超聲懸浮場A後被全反射鏡3沿原路返回，再由半透半反鏡.4反射， 透過半透半反鏡9後被凸透鏡2成像在面陣CCD1上。同時，第二束光由擴束準直器 7擴束並準直成平行光後，依次被全反射鏡8和半透半反鏡9反射，以一定的夾角與 第一束光形成幹涉區域，經凸透鏡2也成像在CCD1上。
由於CCD1位於凸透鏡2的一倍焦距與二倍焦距之間。調節凸透鏡2和CCD1與 待測超聲懸浮場A三者之間的距離，使待測超聲懸浮場A經過凸透鏡2後清晰成像在 CCD1上。在CCD1記錄範圍內調節第一、二光束之間的夾角，使得記錄圖像頻譜可 以分離，然後分別拍攝不加超聲懸浮場和加超聲懸浮場兩種情況下的數字全息幹涉圖， 最後，將兩種情況的數字全息圖由計算機13通過快速傅立葉變換算法和數字圖像處理 等手段進行數值重構，即可以獲得聲懸浮場的數字全息再現像。
實施例2如圖3所示包括氣體雷射器12、衰減器ll、全反射鏡IO、分束鏡6、 擴束準直器5、半透半反鏡4、待測超聲場A、全反射鏡3、擴束準直器7、全反射鏡 8、凸透鏡2和面陣CCD1。
本實施例中，在實施例一的基礎上去掉了半透半反鏡9，從而使系統簡化。方式 的主要工作過程與第一實施方式的主要工作過程基本相同。實施例3如圖4所示包括半導體雷射器16、衰減器11、全反射鏡10、分束鏡6、
擴束準直器5、半透半反鏡4、待測超聲場A、全反射鏡3、凸透鏡14、凸透鏡15、 擴束準直器7、全反射鏡8、半透半反鏡9、凸透鏡2和面陣CCD1。
本實施例中，在實施例一的基礎上在第一束光路中的半透半反鏡4和半透半反鏡 9之間增加了一個由凸透鏡14與凸透鏡15組成的倒裝望遠鏡系統。主要工作過程與 第一實施方式的主要工作過程基本相同，所不同的是在第三實施方式的主要工作過程 中，由於增加了倒裝望遠鏡系統，使得測量系統能夠適應待測超聲場面積變大、超出 CCD接受範圍的情況。
工作過程中，當被測超聲場模式增大(被測範圍增大)時，待測超聲場經過凸透 鏡2成的像超出CCD1的接收範圍。此時，在第一束光路中的半透半反鏡4和半透半 反鏡9之間增加的由凸透鏡14與凸透鏡15組成的倒裝望遠鏡系統，使得待測超聲場 得到縮小，滿足測量條件，解決了CCD靶面尺寸不足的問題。
實施例4如圖5所示包括半導體雷射器16、衰減器11、全反射鏡10、擴束準 直器5、透反比為7: 3的分束鏡17、半透半反鏡4、待測超聲場A、全反射鏡3、全 反射鏡8、半透半反鏡9、凸透鏡2和面陣CCD1。
本發明超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統第四實施方式的主要工作過程 為氣體雷射器12所發出光束經過所述衰減器11後，被全反射鏡10反射至擴束準直 器5，再由透反比為7:3的分束鏡17將擴束平行光分為第一光束和第二光束。第一光 束穿過超聲懸浮場A後被全反射鏡3沿原路返回，再由半透半反鏡4反射，透過半透 半反鏡9後被凸透鏡2成像在面陣CCD1上。同時，第二束光依次被全反射鏡8和半 透半反鏡9反射，以一定的夾角與第一光束形成幹涉區域，經凸透鏡2也成像在CCD1 上。本實施方式採用先擴束準直，再分光，節省了光學器件的同時也減少了測量誤差。同理，前三種實施方式也可釆用先擴束準直，再分光的措施。
本超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統用CCD記錄全息圖並用數值方法再 現全息圖，省去了對全息幹板的物理、化學等溼處理過程，使整個記錄和再現過程數 字化，避免了複雜的人工處理，在提高了效率的同時更有利於實現實時化。另外本實
施方式通過透鏡將全息圖成像在CCD靶面上，當聲場模式改變後，不用移動主光路， 只要通過調節透鏡和CCD與所述被測超聲懸浮場之間的距離就可以適應超聲懸浮場
大小的改變，便於測量。本實施方式超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統在全息 圖記錄過程中，由於採用平行光作為物光照聲場獲得數字全息圖，在對所述數字全息 圖數值重構之後，可以直接獲得透過所述聲場的物光波的相位以及強度分布信息，進 而結合相應的算法獲得聲懸浮場折射率變化信息，反推出聲壓變化信息。本實施方式 超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統在全息圖記錄過程中，利用相位倍增光路， 使測量結果更加精確。
權利要求
1.一種超聲懸浮場可視化測量方法，其特徵在於(1)將雷射器發出的光束分為第一和第二兩組平行光束；(2)將第一平行光束穿過待測超聲場後被反射沿原路穿過待測超聲場形成測量物光；(3)將第二平行光束作為參考光與測量物光發生幹涉成像於面陣CCD。
2. —種實現權利要求1所述的測量方法的測量系統，其特徵在於系統包括雷射器(12)，分束裝置(6)， 二個擴束裝置(5)、 (7)，半透半反鏡(4)，全反射鏡(3)， 凸透鏡(2)和面陣CCD (1);在雷射器(12)發出的光路中設置形成第一光束和 第二光束的分束裝置(6);在第一光束的光路中，依次設置擴束裝置(5)和全反 射鏡(3)，待測超聲場位於光路中設置在擴束裝置(5)和全反射鏡(3)之間， 在擴束裝置(5)與待測超聲場之間設置一個將物光反射到與第一光束方向垂直的 另外一側的半透半反鏡(4);在第二光束的光路中，設置一個將光束變為平行參考光的擴束裝置(7);在兩束光以一定傾角發生幹涉後形成的光路中，依次設置將幹涉圖樣成像的凸透鏡2和記錄數字全息圖的面陣CCD1。
3. 根據權利要求2所述的測量系統，其特徵在於在雷射器(12)與分束裝置(6) 的光路之間設置衰減器(11)和改變光路方向的全反射鏡(10)。
4. 根據權利要求2 3所述的測量系統，其特徵在於在第二光束的光路中，分束裝 置(6)與擴束裝置(7)之間設置改變光路方向的全反射鏡(8)。
5. 根據權利要求2 3所述的測量系統，其特徵在於在第二光束的光路中，擴束裝 置(7)之後依次設置改變光路方向的全反射鏡(8)和半透半反鏡(9)，半透半 反鏡(9)位於半透半反鏡(4)和凸透鏡(2)之間。
6. 根據權利要求2 3所述的測量系統，其特徵在於在雷射器(12)發出的光路中將原有的二個擴束裝置(5)、 (7)合併為一個擴束準直器(5)，並設置在分束鏡(17)之前端，所述的分束鏡(17)設置在原有的分束裝置(6)的位置，且分束 鏡(17)的透反比為7:3。
7. 根據權利要求2 4所述的測量系統，其特徵在於所述的分束裝置(6)為固定分 光比分束鏡，或分光比可調分束鏡。
8. 根據權利要求2 5所述的測量系統，其特徵在於所述的擴束裝置(7)為擴束鏡， 或透鏡組。
9. 根據權利要求2所述的測量系統，其特徵在於所述線陣CCD (1)為.一面陣列分 布的電荷耦合器件。
全文摘要
本發明涉及一種超聲懸浮場可視化測量方法及其測量系統，技術特徵在於將雷射器發出的光束分為第一和第二兩組平行光束；將第一平行光束穿過待測超聲場後被反射沿原路穿過待測超聲場形成測量物光；將第二平行光束作為參考光與測量物光發生幹涉成像於面陣CCD。優越性在於進行測量的過程中避免產生誤差，實現其瞬時記錄，可以探測聲場擾動使空氣產生的微小折射率變化造成的幹涉條紋分布，使測量結果更加直觀、精確。利用本測量裝置CCD得到的數字全息圖經過數值再現，實現真正意義上的各種復振幅運算和操作，使數據處理過程簡單快速且精度高。本測量裝置可以進行較大體積流場的實時測量，對實現超聲懸浮場的無擾測量具有很大的優勢。
文檔編號G01H9/00GK101285702SQ20071030072
公開日2008年10月15日 申請日期2007年12月21日 優先權日2007年12月21日
發明者李恩普, 趙建林, 邸江磊, 鄭普超 申請人:西北工業大學