双边错位差动共焦聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置与流程

本发明属于共焦显微成像、激光惯性约束核聚变及精密光电测量技术领域,将激光双边错位差动共焦技术与三维回转扫描技术结合，涉及一种激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，在激光惯性约束核聚变、高能物理和精密检测领域有广泛的应用前景。

背景技术：

激光惯性约束核聚变(icf)是人工模拟核爆和天体演化的重要手段，也是人类探索未来清洁能源的重要方向，因此具有十分重要科研和实用意义。激光惯性约束核聚变实验中，内部填充氘氚(dt)气体的空心激光聚变靶丸是其核心器件，多路激光同时对靶丸进行会聚向心压缩点火引发核爆，激光聚变靶丸的质量是决定激光聚变实验是否成功的关键。美国国家点火装置(nif)进行的icf试验失败的一个主要原因是点火过程中靶丸不对称压缩进而导致其中心压力和温度降低以及其内部氘氚(dt)燃料混合不均衡，靶丸壳层和表面的微小缺陷都有可能被放大产生不对称压缩进而导致点火失败。因此精确测量激光聚变靶丸的几何形貌和物理属性参数对于保证激光惯性约束核聚变实验的成功具有重要意义。

目前国际上用于激光聚变靶丸几何形貌参数测量的方法主要采用各类显微镜进行观察，包括扫描电镜法、原子力显微镜法、x射线法、光纤点衍射法和干涉法等，上述方法测量分辨力已达纳米量级，但只能对靶丸外表面轮廓进行无损测量(目前测量内表面是通过破坏性切割后进行测量)，而对于靶丸的内轮廓、壳层厚度等内部几何参数无能为力。

随着激光惯性约束核聚变技术的发展和工程的推进，上述方法已经无法满足激光惯性约束核聚变技术研究对靶丸几何和轮廓参数测量的需求，主要存在如下问题：

1)不能无损测量靶丸内部参数，现有方法需要对靶丸进行破坏性切割，测量后靶丸被破坏无法应用于下一步工艺处理或者打靶实验；

2)不同参数测量过程分离，不能全面揭示靶丸制备和核聚变反应过程中发生的结构变化现象和规律；

3)综合测量能力不足，每种仪器仅能测量一、两种参数，靶丸综合参数测量需在不同仪器上反复装调，效率低下且量值基准不统一。

而激光惯性约束核聚变研究中，靶丸的参数是对核聚变过程进行模拟仿真和对靶丸制备工艺进行提升的基础，因此如何对靶丸几何和轮廓参数进行高精度、无损的综合测量是激光惯性约束核聚变国家重大工程中的关键技术问题。

激光共焦技术具有独特的光学层析成像特性，可实现靶丸的壳层内外表面的高精度层析定焦测量，为靶丸几何和轮廓参数的高精度无损测量提供了思路。基于此，本发明提出一种双边错位差动共焦聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，其创新在于：将双边错位差动共焦层析定焦技术与三维回转扫描技术引入到靶丸几何和轮廓参数测量中，在国际上首次实现靶丸内轮廓的无损测量和内/外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布等几何轮廓参数综合测量。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决激光惯性约束核聚变靶丸几何参数高精度综合测量难题，提供一种双边错位差动共焦聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，以期实现靶丸的内/外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布等参数，实现核聚变靶丸几何参数综合测量。

本发明能够为激光聚变靶丸参数的综合检测提供有效技术手段，对于靶丸制备、激光核聚变实验仿真、数据分析和技术革新具有重要意义。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的双边错位差动共焦聚变靶丸几何参数综合测量方法，利用激光双边错位差动共焦技术对聚变靶丸壳层的内、外表面进行精密层析定焦，利用三维回转扫描技术对聚变靶丸进行正交回转驱动，结合激光双边错位差动共焦技术和三维回转扫描技术获得聚变靶丸的几何和轮廓参数综合测量，所述聚变靶丸几何和轮廓参数包括内、外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布，包括以下步骤：

步骤一、光源系统经过准直透镜准直为平行光束，平行光束经分光镜透射后被测量物镜会聚为一点，对聚变靶丸进行照明并被反射；携带聚变靶丸信息的反射光束透过测量物镜后被分光镜反射，经会聚镜进入横向相减共焦探测系统；

步骤二、测量控制系统控制物镜驱动系统带动测量物镜对聚变靶丸进行轴向扫描，使测量光束的焦点与聚变靶丸的外表面顶点位置重合；在外表面顶点位置附近扫描聚变靶丸的外表面，将横向相减共焦探测系统中大虚拟针孔探测域探测的大虚拟针孔共焦特性曲线ib(z)，和小虚拟针孔探测域探测到的小虚拟针孔共焦特性曲线is(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线i(z)＝is(z)-γib(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；

步骤三、将锐化共焦特性曲线沿横向坐标平移s得到平移锐化共焦特性曲线，并使锐化共焦特性曲线和平移锐化共焦特性曲线的侧边交汇；对锐化共焦特性曲线和平移锐化共焦特性曲线分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线id(z)＝i(z)-i(z,-s)，利用差动共焦线性拟合直线对错位相减差动共焦特性曲线的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦线性拟合直线s/2位置得到回移差动共焦拟合直线，并利用回移差动共焦拟合直线的移位拟合直线零点来精确确定测量光束定焦与聚变靶丸外表面顶点重合，进而确定聚变靶丸外表面顶点位置zo；

步骤四、测量控制系统控制物镜驱动系统带动测量物镜对聚变靶丸进行轴向扫描，使测量光束的焦点分别与聚变靶丸的内表面顶点和球心位置重合，重复步骤三，依次得到聚变靶丸对应光轴方向的内表面顶点和球心位置zi和zc，即可得到聚变靶丸对应光轴方向的外、内表面测量点以及球心的轴向光学坐标zo,zi和zc；

步骤五、对定焦测量得到的聚变靶丸的外表面和球心位置坐标zo和zc进行相减即得到聚变靶丸的外表面曲率半径ro；

步骤六、将聚变靶丸的壳层材料折射率n和外表面曲率半径ro带入如下公式，计算得到聚变靶丸的壳层光轴方向的厚度t；

其中na为测量物镜的数值孔径；

步骤七、利用聚变靶丸的外、内表面以及球心的光学坐标zo,zi和zc和厚度t可以计算得到聚变靶丸的外、内表面物理坐标zo,zi和内表面曲率半径ri：

步骤八、利用回转驱动系统驱动聚变靶丸进行水平回转一周，在靶丸水平圆周上的各个点位置重复步骤二至步骤七，依次获得聚变靶丸水平面圆周的内外表面物理坐标点集合(zo,zi)i；

步骤九、利用正交回转系统驱动聚变靶丸进行步进正交回转驱动，每驱动一步重复步骤二至步骤八，依次获得聚变靶丸的内外表面三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}；

步骤十、计算机对三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}进行三维重构和计算即得到靶丸的内/外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布。

本发明的双边错位差动共焦聚变靶丸几何参数综合测量方法，通过横向相减共焦探测系统得到锐化共焦特性曲线的过程如下：

a)在测量物镜扫描过程中，通过ccd探测器探测测量艾里斑，以测量艾里斑的重心为中心，在ccd探测器每帧探测图像上优化选取一定大小的大虚拟针孔探测域，将大虚拟针孔探测域中每个像素上的强度进行积分，得出大虚拟针孔共焦特性曲线；

b)同时以ccd探测器探测的测量艾里斑重心为中心，选择一个小虚拟针孔探测域，所述小虚拟针孔探测域的尺寸小于所述大虚拟针孔探测域，积分小虚拟针孔探测域的强度得到另一条小虚拟针孔共焦特性曲线，小虚拟针孔共焦特性曲线的半高宽和峰值强度均低于大虚拟针孔共焦特性曲线；

c)将大虚拟针孔共焦特性曲线乘以调节因子γ，使得大虚拟针孔共焦特性曲线最大光强是小虚拟针孔共焦特性曲线最大光强的1/2倍；

d)将小虚拟针孔共焦特性曲线减去乘以调节因子γ后的大虚拟针孔共焦特性曲线，得到锐化共焦特性曲线；

上述步骤十所述的计算过程还通过对三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}进行内外表面球面拟合计算得到聚变靶丸的内外表面曲率半径平均值ri-ve和ro-ve，修正步骤五和步骤七计算得到的内外表面曲率半径值ri和ro以提高测量精度。

本发明的双边错位差动共焦聚变靶丸几何参数综合测量装置，包括光源系统、沿着光源出射方向依次放置的准直透镜、分光镜、测量物镜，位于分光镜反射方向的会聚镜、横向相减共焦探测系统，位于测量物镜出射方向并且回转轴线与测量光轴同轴的正交驱动系统，回转轴线与测量光轴垂直相交的回转驱动系统，对测量物镜进行轴向驱动的物镜驱动系统和实现系统扫描和数据获取的测量控制系统；

所述光源系统包括激光器、位于激光器出射方向的光源会聚镜、位于光源会聚镜焦点位置的光源针孔。

有益效果：

1)提出在共焦测量系统中利用大、小虚拟针孔探测横向相减锐化共焦特性曲线，利用锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理来实现被测核聚变靶丸内外表面和球心位置的差动共焦双极性定焦测量，进而显著提高了差动共焦定焦曲线的定焦灵敏度和信噪比，使核聚变靶丸形貌轮廓参数测量系统具有更高测量精度。

2)相比于差动共焦测量装置，本发明在未增加硬件成本的情况下提高了测量精度。

3)该测量方法通过大小虚拟光斑探测区横向相减处理探测，有效消除共模噪声，提升了测量系统的抗环境干扰能力。

4)利用锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理获得绝对零点，对被测聚变靶丸内表面实现精确层析定焦，能够解决靶丸内表面目前难以无损测量的难题。

5)利用激光双边错位差动共焦定焦技术对聚变靶丸内、外表面和球心等特征位置进行精密定位，可实现聚变靶丸内、外曲率半径、壳层厚度等几何参数综合测量。

6)利用锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理过程中采用处理，能够有效抑制靶丸表面属性差异和系统光源功率飘移的影响；

7)利用激光共焦定焦技术和三维回转扫描技术结合，能够对聚变靶丸内外表面轮廓进行扫描，同时获得聚变靶丸内、外三维轮廓和壳层分布等综合信息。

8)通过多种技术的有机融合，能够在同一台仪器、采用同一原理对聚变靶丸不同参数进行测量，测量基准统一、测量精度匹配，显著提高测量的精度和效率，并能够为聚变靶丸的参数换算和表征提供基础。

附图说明

图1为本发明双边错位差动共焦聚变靶丸几何参数综合测量方法示意图；

图2为本发明大小虚拟针孔共焦特性曲线横向相减锐化示意图；

图3为本发明锐化共焦特性曲线双边错位差动相减示意图；

图4为本发明双边错位差动共焦曲线线性拟合触发定焦示意图；

图5为实施例双边错位差动共焦聚变靶丸几何参数综合测量方法示意图；

图6为实施例激光双边错位差动共焦聚变靶丸几何参数综合测量装置示意图。

图7为激光差动共焦靶丸外表面圆轮廓测量曲线；

图8为激光差动共焦靶丸内表面圆轮廓测量曲线。

其中：1-光源系统、2-准直透镜、3-分光镜、4-物镜驱动系统、5-测量物镜、6-会聚镜、7-横向相减共焦探测系统、8-显微物镜、9-ccd探测器、10-测量艾里斑、11-大虚拟针孔探测域、12-小虚拟针孔探测域、13-聚变靶丸、14-正交驱动系统、15-回转驱动系统、16-测量控制系统、17-错位相减差动共焦特性曲线、18-大虚拟针孔共焦特性曲线、19-小虚拟针孔共焦特性曲线、20-锐化共焦特性曲线、21-平移锐化共焦特性曲线、22-差动共焦线性拟合直线、23-拟合直线零点、24-回移差动共焦拟合直线、25-移位拟合直线零点、26-激光器、27-光源会聚镜、28-光源针孔、29-图像采集系统、30-主控计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明利用激光双边错位差动共焦技术对聚变靶丸13壳层的内、外表面进行精密层析定焦，利用三维回转扫描技术对聚变靶丸13进行正交回转驱动，结合激光双边错位差动共焦技术和三维回转扫描技术获得聚变靶丸13的几何和轮廓参数综合测量，所述聚变靶丸13几何和轮廓参数包括内、外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布。

实施例1

如图1所示，光源系统1选用点光源，点光源出射的激发光束经过准直透镜2准直为平行光束，平行光束经分光镜3透射后被测量物镜5会聚为一点，对聚变靶丸13进行照明并被反射；携带聚变靶丸13信息的反射光束透过测量物镜5后被分光镜3反射，经会聚镜6进入横向相减共焦探测系统7。

测量步骤如下：

1)测量控制系统16控制物镜驱动系统4带动测量物镜5对聚变靶丸13进行轴向扫描，使测量光束的焦点与聚变靶丸13的外表面顶点位置重合；在外表面顶点位置附近扫描聚变靶丸13的外表面，将横向相减共焦探测系统7中大虚拟针孔探测域11探测的大虚拟针孔共焦特性曲线18ib(z)，和小虚拟针孔探测域12探测到的小虚拟针孔共焦特性曲线19is(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线20i(z)＝is(z)-γib(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；

如图2所示，通过横向相减共焦探测系统7得到锐化共焦特性曲线20的过程如下：

a)在测量物镜5扫描过程中，通过ccd探测器9探测测量艾里斑10，以测量艾里斑10的重心为中心，在ccd探测器9每帧探测图像上优化选取一定大小的大虚拟针孔探测域11，将大虚拟针孔探测域11中每个像素上的强度进行积分，得出大虚拟针孔共焦特性曲线18；

b)同时以ccd探测器9探测的测量艾里斑10重心为中心，选择一个小虚拟针孔探测域12，其尺寸小于大虚拟针孔探测域11，积分小虚拟针孔探测域12的强度得到另一条小虚拟针孔共焦特性曲线19，小虚拟针孔共焦特性曲线19的半高宽和峰值强度均低于大虚拟针孔共焦特性曲线18；

c)将大虚拟针孔共焦特性曲线18乘以调节因子γ，使得大虚拟针孔共焦特性曲线18最大光强是小虚拟针孔共焦特性曲线19最大光强的1/2倍；

本实施例中大虚拟针孔探测域直径选取11个像素，小虚拟针孔探测域直径选取5个像素，取γ＝0.5。

d)将小虚拟针孔共焦特性曲线19减去乘以调节因子γ后的大虚拟针孔共焦特性曲线18，得到锐化共焦特性曲线20。

2)如图3所示，将锐化共焦特性曲线20沿横向坐标平移s得到平移锐化共焦特性曲线28，并使锐化共焦特性曲线20和平移锐化共焦特性曲线28的侧边交汇；对锐化共焦特性曲线20和平移锐化共焦特性曲线28分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线17id(z)＝i(z)-i(z,-us)，利用差动共焦线性拟合直线29对错位相减差动共焦特性曲线17的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦线性拟合直线29s/2位置得到回移差动共焦拟合直线31，并利用回移差动共焦拟合直线31的移位拟合直线零点32来精确确定测量光束定焦与聚变靶丸13外表面顶点重合，进而确定聚变靶丸13外表面顶点位置zo；

3)测量控制系统16控制物镜驱动系统4带动测量物镜5对聚变靶丸13进行轴向扫描，使测量光束的焦点分别与聚变靶丸13的内表面顶点和球心位置重合，重复步骤2，依次得到聚变靶丸13对应光轴方向的内表面顶点和球心位置zi和zc，即可得到聚变靶丸13对应光轴方向的内、外表面测量点以及球心的轴向光学坐标zo,zi和zc；

4)对定焦测量得到的聚变靶丸13的外表面和球心位置坐标zo和zc进行相减即得到聚变靶丸13的外表面曲率半径ro；

5)将聚变靶丸13的壳层材料折射率n和外表面曲率半径ro带入如下公式，计算得到聚变靶丸13的壳层光轴方向的厚度t；

其中na为测量物镜5的数值孔径；

6)利用聚变靶丸13的内、外表面以及球心的光学坐标zo,zi和zc和厚度t可以计算得到聚变靶丸13的内、外表面物理坐标zo,zi和内表面曲率半径ri：

7)利用回转驱动系统15驱动聚变靶丸13进行水平回转一周，在靶丸水平圆周上的各个点位置重复步骤1至步骤6，依次获得聚变靶丸13水平面圆周的内外表面物理坐标点集合(zo,zi)i；

8)利用正交回转系统14驱动聚变靶丸13进行步进正交回转驱动，每驱动一步重复步骤1至步骤7，依次获得聚变靶丸13的内外表面三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}；

9)计算机30对三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}进行三维重构和计算，可通过内外表面球面拟合计算得到聚变靶丸13的内外表面曲率半径平均值ri-ve和ro-ve，对前述计算得到的内外表面曲率半径值ri和ro进行修正，进而得到靶丸的内/外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布，实现核聚变靶丸13几何和轮廓参数的综合测量。

实验测量靶丸的内外圆轮廓分别如图7和图8所示。

实施例2

如图5所示，光源系统1由激光器26、位于激光器26出射方向的光源会聚镜27、位于光源会聚镜27焦点位置的光源针孔28组成。

测量过程与实施例1相同。

实施例3

如图6所示，本发明的双边错位差动共焦聚变靶丸几何参数综合测量装置，光源系统1由激光器26、位于激光器26出射方向的光源会聚镜27、位于光源会聚镜27焦点位置的光源针孔28组成。沿着光源出射方向依次放置准直透镜2、分光镜3、测量物镜5，沿分光镜3反射方向依次放置会聚镜6、横向相减共焦探测系统7，正交驱动系统14位于测量物镜5出射方向并且其回转轴线与测量光轴同轴，回转驱动系统15的回转轴线与测量光轴垂直相交，利用物镜驱动系统4对测量物镜5进行轴向驱动，利用主控计算机30中的测量软件，通过图像采集系统36获得由ccd探测器9采集到的测量艾里斑10并通过测量控制系统16实现系统的扫描、回转运动。

测量过程与实施例1相同。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围。本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。