一种ICF靶丸内冰层折射率分布的测量装置和方法与流程

本发明属于光学精密测量技术领域，尤其是涉及一种icf靶丸内冰层折射率分布的测量装置和方法。

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。靶丸是由球壳、冰层及燃料气体等组成的多层球形，在冰层凝结的过程中，有可能会出现冰层内表面过于粗糙、各层内部存在气室等。这些不均匀可以分别表征为靶丸冰层厚度与折射率分布的不均匀。这种不均匀会导致不均匀的内爆，从而将无法诱发核聚变。因此，靶丸的均匀性是惯性约束聚变工程中的一个重要参数。

现存的靶丸均匀性表征多集中于厚度均匀性，而对折射率均匀性表征的关注较少。中国工程物理研究院激光聚变研究中心利用x射线相衬成像法(wangk，leih，lij，etal.characterizationofinertialconfinementfusiontargetsusingx-rayphasecontrastimaging[j].(opticscommunications，2014，vol.332：p9～13.))获取了冰层内表面形貌。该方法可以将靶丸球壳、冰层的折射率的影响从测量结果中解耦合，直接求得靶丸的各层厚度。但是，对于各层的折射率表征，此方法却无法实现。美国的nif项目使用白光干涉仪(weinsteinbw.white-lightinterferometricmeasurementofthewallthicknessofhollowglassmicrospheres[j].(journalofappliedphysics，1975，vol.46，no.12：p5305～5306))，可以在已知靶丸球壳的折射率或厚度中任一值时，求解出厚度或折射率。但是，该方法求解出的折射率仅为平均折射率，同样无法表征折射率分布情况。北京理工大学结合了低相干干涉和差动共焦光路(wangl，qiul，zhaow，etal.laserdifferentialconfocalinner-surfaceprofilemeasurementmethodforanicfcapsule[j].(opticsexpress，2017，vol.25，no.23：p28510～28523))，通过共聚焦对靶丸进行全角度扫描，利用低相干干涉得到内表面分布及折射率。但是该方法并未给出最终的折射率分布，且需要利用共聚焦进行逐区域扫描，非常耗时，难以实现在线检测；此外靶丸的旋转机构复杂，对硬件要求高，并且会引入调整误差，从而影响最终的折射率分布检测结果。上述检测方法，对于靶丸内冰层折射率分布的表征暂无最终结果。

因此设计出能精确测量icf靶丸内冰层折射率分布的装置及方法是很有必要的。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本申请提供了一种icf靶丸内冰层折射率分布的测量装置和方法，实现快速、非接触式测量，得到靶丸内冰层折射率分布。

一种icf靶丸内冰层折射率分布的测量装置，包括光纤激光器、光纤准直镜、第一偏振分束镜、载有平面反射镜的pzt(压电陶瓷)、非偏正分束镜、第二偏振分束镜、待测靶丸、透镜、线偏振片、ccd图像传感器、高功率led、光阑和电脑；

其中，所述的光纤激光器、光纤准直器、第一偏振分束镜、pzt上载有的平面反射镜沿同一水平线依次设置，光纤激光器的光纤头插入光纤准直器的入光端口，光纤准直器的出光口与第一偏振分束镜的入光口对齐，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；

与光纤激光器平行方向上沿一水平线依次设置高功率led、光阑、第二偏振分束镜、待测靶丸、非偏振分束镜、透镜、线偏振片和ccd图像传感器；其中，光阑出光口位于高功率led的正中心，第二偏振分束镜设置在光阑出光口，并且保持与第一偏振分束镜纵向对齐；非偏振分束镜与pzt上载有的平面反射镜保持纵向对齐；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。

本发明中，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，待测靶丸的后表面、透镜、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、透镜、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靶丸内冰层折射率分布的测量方法，使用上述测量装置，包括以下步骤：

(1)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，从光纤激光器发出激光经过光纤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非偏振分束镜反射，穿过待测靶丸，并到达第二偏振分束镜与第一束光合束，经过透镜、线偏振片，最终被透镜成像在ccd图像传感器上，得到干涉图；其中，待测靶丸的后表面、透镜、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，将光纤激光器光源关闭，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：一束出射到装置之外；一束穿过待测靶丸后再穿过第二偏振分束镜，经过透镜、线偏振片，最终被透镜成像在ccd图像传感器上，得到背光投影图；将从ccd图像传感器获取的背光投影图和干涉图在电脑中进行处理；其中，移动靶丸以使待测靶丸的纵向截面、透镜、ccd图像传感器的距离满足成像共轭关系；

(2)对ccd图像传感器所采集到的已经稳定不再抖动的干涉图，打开pzt的驱动器，对干涉图进行四步移相操作，保存得到的四步移相干涉图；

(3)针对保存的四步移相干涉图，进行解相位、解包裹、zernike拟合处理，得到波前图；

(4)对应于干涉检测光路，设定穿过待测靶丸轴线的光线入射高度为0，光线入射点与待测靶丸轴线的垂直距离为入射高度设为x，x为小于靶丸内半径的正实数；分别追迹从高度为0与高度为x入射的光线；入射高度为0的光线直线穿过待测靶丸，被ccd图像传感器像面中心接收；而入射高度为x的光线在待测靶丸各个界面上多次偏折后，被ccd图像传感器接收的点距ccd图像传感器像面中心的距离为r；

设这两条光线从入射到被ccd图像传感器接收时对应的光程差为opd，得到式(1)：

opl(x，n2(i，j))-opl(0，n2c)＝opd，(6)

其中，opd为常数，从波前图中直接测得，opl(x，n2)是从高度x入射的光线对应的光程，opl(0，n2)是从高度0入射的光线对应的光程；x为光线入射高度，n2(i，j)为坐标第(i，j)个像素点处的冰层折射率，n2c为靶丸球心处的冰层折射率；

由于靶丸的偏折作用，从高度x入射的光线在靶丸后表面出射进而成像到ccd图像传感器的高度为：

x+δx＝r，(7)

其中，x为光线入射靶丸时的高度，δx为光线经过靶丸偏折的高度；

设入射高度相近的两条光线，其所对应的入射光线高度以及出射光线高度分别为x1，x2及r1，r2；根据这些参数以及上式(1)与(2)，联立得到

式中，是从高度x1入射的光线对应的光程，是从高度x2入射的光线对应的光程；δx1与δx2分别为两支入射光线经过靶丸偏折的高度，可以通过入射光线高度以及靶丸参数导出；r1与r2分别为两支光线经过靶丸的出射高度，可在波前图上直接测得；为两支光线经过靶丸的对应位置处的平均折射率，近似认为两支光线折射率相等；

求解出入射光线高度x1，x2以及两支光线所对应位置处的折射率

(5)对于入射高度为x1的光线，其对应的出射光线高度及对应靶丸位置折射率分别为r1，将之代入公式(1)，得到下列公式(4)，求解后得出靶丸球心折射率nc，作为基准折射率；

(6)对于各像素所对应的入射光线高度x的光线，有

式中，opl(x，n2(i，j))是从高度x入射的光线对应的光程，opl(0，n2)是从高度0入射的光线对应的光程；x为光线入射高度，n2(i，j)为坐标第(i，j)个像素点处的冰层折射率，n2c为靶丸球心处的冰层折射率；通过得到的各个像素点上的冰层折射率，从而获取在ccd像面上的折射率分布；

(7)对于在ccd像面上的折射率分布，将其转换为在靶丸坐标系下的折射率分布，具体为：通过对每个像素应用式(5)同步求解出的各像素所对应的入射光线高度x，得到了一系列的(x(i，j)，r(i，j))映射关系，从而可以将ccd像面上的折射率分布转换至靶丸坐标系，得到(x，n2)关系。从而得到靶丸冰层的折射率分布。

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。

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：

以微小步长(一般为3-5μm)移动靶丸，各位置采集到的背光投影图进行滤波、提取孔径等操作。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、透镜、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、本发明首次提出基于光程差的折射率分布测量方法及装置，实现icf靶丸冰层的折射率分布的测量；通过对应于背光投影的一路光路实现对靶丸的精确定位，对应于干涉的一路光路基于光程差求解各处折射率，从而可以得到靶丸冰层折射率分布。

2、相对于现有的结合了低相干干涉以及共聚焦的方法等，本发明由于不需要进行共聚焦扫描和靶丸的旋转，因此可以实现快速测量、在线检测。

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、与传统的干涉法测量靶丸冰层单一参数的间接测量方法相比，本发明没有用到标准靶丸，以及标准折射率等参数，属于直接测量，相比于间接测量，更为方便。

附图说明

图1为本发明一种icf靶丸内冰层折射率分布的测量装置的整体结构示意图；

图2为基于光程差检测冰层折射率的原理图；

图3为从ccd图像传感器坐标转换到世界坐标系的原理图；

图4为本发明实施例中靶丸冰层折射率仿真结果图。

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靶丸内冰层折射率分布的测量装置，光纤激光器1、光纤准直镜2、第一偏振分束镜3、载有平面反射镜4的pzt、非偏正分束镜5、第二偏振分束镜6、待测靶丸7、透镜8、线偏振片9、ccd图像传感器10、高功率led11、光阑12和电脑13。

光纤激光器1、光纤准直镜2、第一偏振分束镜3、pzt上载有的平面反射镜4沿同一水平线依次摆放，光纤激光器1的光纤头插入光纤准直镜2的入光端口，光纤准直镜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4呈45°设置。与光纤激光器1平行方向上沿一水平线依次摆放高功率led11、光阑12、第二偏振分束镜6、待测靶丸7、非偏振分束镜5、透镜8、线偏振片9和ccd图像传感器10。其中，光阑12出光口位于高功率led11(发光二级光)的正中心，第二偏振分束镜6摆放在光阑12出光口，并且保持与第一偏振分束镜3纵向对齐。非偏振分束镜5与pzt上载有的平面反射镜4保持纵向对齐。待测靶丸7的后表面、透镜8、ccd图像传感器10三者的摆放满足物像共轭关系。ccd图像传感器10与电脑13连接，获取移相干涉图14和背光投影图15。

基于上述装置，一种icf靶丸内冰层折射率分布的测量方法的步骤为：

步骤1：装置光路

1-1.干涉检测光路：

从光纤激光器发出的激光经过光纤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台上载有的平面反射镜反射，到达第二偏振分束镜；另一束由第一偏振分束镜反射后被非偏振分束镜反射，穿过待测靶丸，并到达第二偏振分束镜与第一束光合束，经过透镜、线偏振片，最终被透镜成像在ccd图像传感器上，得到干涉图；其中靶丸的后表面、透镜、ccd图像传感器的距离满足成像共轭关系。

1-2.背光投影检测光路

将光纤激光器光源关闭，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：一束出射到装置之外；一束穿过待测靶丸后再穿过第二偏振分束镜，经过透镜、线偏振片，最终被透镜成像在ccd图像传感器上，得到背光投影图；将从ccd图像传感器获取的背光投影图和干涉图在电脑中进行处理。移动靶丸以使靶丸的纵向截面、透镜、ccd图像传感器的距离满足成像共轭关系。背光投影路依据背光投影图亮环的锐度判定对靶丸进行定位，干涉路在此基础上进行定位。

步骤2：对ccd图像传感器所采集到的已经稳定不再抖动的干涉图，打开pzt的驱动器，对干涉图进行四步移相操作。保存得到的四步移相干涉图。

步骤3：针对保存的四步移相干涉图，进行解相位、解包裹、zemike拟合处理，得到波前图。

步骤4：对应于干涉检测光路；如图2，设定穿过待测靶丸轴线的光线入射高度为0，光线入射点与待测靶丸轴线的垂直距离为入射高度，设为x，x为小于靶丸内半径的正实数。分别追迹从高度为0与高度为x入射的光线。入射高度为0的光线直线穿过待测靶丸，被ccd图像传感器接收，被ccd图像传感器接收的点位于ccd图像传感器像面中心；而入射高度为x的光线在待测靶丸各个界面上有多次偏折，对应该光线被ccd图像传感器接收的点距ccd图像传感器像面中心的距离为r。设这两条光线从入射到被ccd图像传感器接收时对应的光程差为opd，其中，opd为常数，可从波前图中直接测得，得到式(6)：

opl(x，n2(i，j))-opl(0，n2c)＝opd，(11)

其中，opl(x，n2)是从高度x入射的光线对应的光程，opl(0，n2)是从高度0入射的光线对应的光程；x为光线入射高度，n2(i，j)为坐标第(i，j)个像素点处的冰层折射率，n2c为靶丸球心处的冰层折射率。

由于靶丸的偏折作用，从高度x入射的光线在靶丸后表面出射进而成像到ccd图像传感器的高度不再是x。根据几何关系列出式(7)：

x+δx＝r，(12)

其中，x为光线入射靶丸时的高度，δx为光线经过靶丸偏折的高度。

设入射高度相近的两条光线，其所对应的入射光线高度以及出射光线高度分别为x1，x2及r1，r2。根据这些参数以及式(6)与(7)，可以联立

式中，是从高度x1入射的光线对应的光程，是从高度x2入射的光线对应的光程；δx1与δx2分别为两支入射光线经过靶丸偏折的高度，可以通过入射光线高度以及靶丸参数导出；r1与r2分别为两支光线经过靶丸的出射高度，可在波前图上直接测得；为两支光线经过靶丸的对应位置处的平均折射率，因为两支光线十分接近，因此可以近似认为两支光线折射率相等。式中，未知数为入射光线高度x1，x2以及两支光线所对应位置处的折射率通过三个方程的联立可以完成求解。

步骤5：对于入射高度为x1的光线，其对应的出射光线高度及对应靶丸位置折射率分别为r1，将之与经过靶丸中心(即入射高度为0)的光线应用式(6)，有，

式中，未知数为靶丸球心折射率nc。求解该方程即可解出该未知数。靶丸球心的折射率被作为基准折射率，是求解折射率分布的基础。

步骤6：对于入射高度为x的光线，有

式中，opl(x，n2(i，j))是从高度x入射的光线对应的光程，opl(0，n2)是从高度0入射的光线对应的光程；x为光线入射高度，n2(i，j)为坐标第(i，j)个像素点处的冰层折射率，n2c为靶丸球心处的冰层折射率。未知数为x以及n2(i，j)，可以通过两个方程求解出。通过对每个像素应用式(10)进行求解，及可求解出各个像素位置的折射率。

步骤7：根据式(10)同步求解出的各像素所对应的入射光线高度x，可以将经过靶丸后不均匀的坐标转换为均匀的坐标，得到(x，n2)关系，如图3。即为靶丸冰层的折射率分布。

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，首先对移相干涉图进行解相位和解包裹，得到的相位分布图如图4中(a)所示。根据相位分布图，应用步骤4、5、6、7，依次求得参考位置折射率、基准折射率、像素面折射率分布以及冰层折射率分布。图4中(b)展现了1号靶丸的冰层折射率分布的结果。对于所有4个靶丸，最终反演得到的折射率分布变化极小，相对误差几乎为0。

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。