[发明专利]一种基于相位标定的折射率场定量测量系统与方法

说明书

本发明涉及一种基于相位标定的折射率场定量测量系统与方法，该系统包括光源及在光源后方依次设置的聚焦透镜、小孔光阑、准直透镜、探测区域、成像透镜、刀口和探测器，在标定时探测区域用于放置标准相位调控元件，在测量时将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域；还包括用于控制探测器及标准相位调控元件的控制单元；在标定时控制单元控制标准相位调控元件在不同位置产生不同强度的折射率梯度，并控制探测器记录，以获取该系统对不同位置、不同大小的偏折角在探测器上产生的响应关系；在测量时控制探测器探测待测场，并根据所述响应关系以获取待测场的折射率分布。本发明能减小测量误差，实现对折射率场准确、定量的测量。

技术领域

本发明涉及探测流体折射率场分布的纹影光学成像技术领域，更具体地，涉及一种基于相位标定的折射率场定量测量系统与方法。

背景技术

纹影技术最早由德国物理学家August Toepler提出并使用，经过不断的改进与发展，现已发展出黑白纹影、彩色纹影、干涉纹影等多种纹影成像技术。纹影技术可用于观测待测场的折射率分布，并由流体折射率与密度、压强、温度、化学成分等其他性质之间的关系，得到相应物理量的分布场信息，在声学研究、风洞实验、燃烧实验以及弹道学研究中具有广泛的应用。

在上述各种纹影技术中，都会由于系统存在像差、光源存在非均匀性以及光路受到扰动等原因，使所成的像存在一定的误差，进而导致计算所得的折射率产生误差。出现的误差主要有两方面：在待测场不同位置出现的相同的折射率变化所产生的响应不同；在待测场固定位置出现的不同强度的折射率变化，由于系统“过载”、光学元件口径有限等原因，产生的响应偏离理论中的线性关系。总之，由于多种因素影响，实际情况下纹影成像系统对于折射率梯度并非理论上的线性空间不变系统，不同位置对相同折射率梯度的响应不同，而即使同一位置对折射率梯度的响应也会偏离线性关系。

要解决上述的成像误差问题，需要使用标准元件对系统进行标定，得出不同的折射率变化与系统在图像中响应之间实际的对应关系，进而提高探测的准确性。

干涉法是较为严格的测量方法，常用于需要定量分析的纹影系统中，但干涉法需要使用激光作为光源，普通的非相干光无法使用。彩色纹影利用不同颜色显示折射率梯度，需要使用白光光源，要求光源光谱较宽。上述两种方法都对光源有严格的要求，而对于黑白纹影，对光源的限制较少，但由于对比度不足且光路误差对结果影响较大，很少用于定量分析中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于相位标定的折射率场定量测量系统，能减小测量误差，实现对折射率场准确、定量的测量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

提供一种基于相位标定的折射率场定量测量系统，包括光源及在光源后方依次设置的聚焦透镜、小孔光阑、准直透镜、探测区域、成像透镜、刀口和探测器，在标定时探测区域用于放置标准相位调控元件，在测量时将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域；光源发出的光经聚焦透镜汇聚于小孔光阑处，再经准直透镜变为平行光，最后经探测区域后由成像透镜出射的光经刀口切割后在探测器探测面上成像；还包括用于控制探测器及标准相位调控元件的控制单元；在标定时控制单元控制标准相位调控元件在不同位置产生不同强度的折射率梯度，并控制探测器记录，以获取该系统对不同位置、不同大小的偏折角在探测器上产生的响应关系；在测量时控制探测器探测待测场，并根据所述响应关系以获取待测场的折射率分布。

上述方案中，使用标准相位调控元件对测量系统进行标定，标准相位调控元件将在其所在平面产生已知的相位分布，使光线发生已知的偏折，用探测器记录，以获得该系统对不同位置、不同大小的偏折角在探测器上产生的响应关系即标定结果，而后在测量时将标准相位调控元件换为待测场放置于探测区域并用探测器记录，即可应对以往纹影成像系统由于多种原因造成的对不同位置的响应强度不同以及偏折角与响应非线性的问题，减小测量误差，实现对折射率场准确、定量的测量。