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一種超聲光柵位相振幅的定量測量方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410255746.7

申請日:

2014.06.10

公開號:

CN103983344A

公開日:

2014.08.13

當前法律狀態:

終止

有效性:

無權

法律詳情: 未繳年費專利權終止IPC(主分類):G01H 9/00申請日:20140610授權公告日:20160824終止日期:20170610|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01H 9/00申請日:20140610|||公開
IPC分類號: G01H9/00 主分類號: G01H9/00
申請人: 華南師范大學
發明人: 黃佐華; 潘美妍; 曾映智
地址: 510631 廣東省廣州市天河區石牌中山大道西55號
優先權:
專利代理機構: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245 代理人: 蘇運貞
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410255746.7

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2018.07.10|||2016.08.24|||2014.09.10|||2014.08.13

法律狀態類型:

專利權的終止|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種超聲光柵位相振幅的定量測量方法。該定量測量方法具體如下:光源發出的單色光經擴束準直后垂直于超聲波傳播方向照射超聲光柵,經透鏡變換后得到超聲光柵的衍射頻譜;記錄超聲光柵的衍射頻譜,計算得到衍射頻譜的衍射光強比重,代入衍射光強比重與超聲光柵位相振幅的定量關系式,求出超聲光柵的位相振幅。本發明具有如下優點:可以得到位相光柵的平均位相振幅,測量速度快;容易實現自動測量;適合于正弦或余弦位相光柵的位相振幅測量;特別適合于測量動態周期性位相物體;操作簡單。

權利要求書

權利要求書
1.  一種超聲光柵位相振幅的定量測量方法,其特征在于包含以下步驟:
(1)光源發出的單色光經擴束準直后垂直于超聲波傳播方向照射超聲光柵,經透鏡變換后得到超聲光柵的衍射頻譜;
(2)記錄超聲光柵的衍射頻譜,計算得到衍射頻譜的衍射光強比重,代入衍射光強比重與超聲光柵位相振幅的定量關系式,求出超聲光柵的位相振幅;
所述的衍射光強比重與超聲光柵位相振幅的定量關系式如下:
①當超聲光柵為超聲行波光柵時,超聲光柵位相振幅的計算公式如下:

R1為超聲行波光柵的衍射光強比重;
②當超聲光柵為超聲駐波光柵時,超聲光柵位相振幅的計算公式如下:

R2為超聲駐波光柵的衍射光強比重。

2.  根據權利要求1所述的超聲光柵位相振幅的定量測量方法,其特征在于:
所述的頻譜衍射光強比重通過如下公式計算得到:
①當超聲光柵為超聲行波光柵時,在0,1級衍射的光強比重為:
R1=(I0+I1)/I總;
②當超聲光柵為超聲駐波光柵時,在0~2級衍射的光強比重為:
R2=(I0'+I1'+I2')/I總'。

3.  根據權利要求1所述的超聲光柵位相振幅的定量測量方法,其特征在于:步驟(1)中所述的透鏡為傅里葉透鏡或普通凸透鏡。

4.  根據權利要求1所述的超聲光柵位相振幅的定量測量方法,其特征在于:步驟(2)中所述的記錄超聲光柵的衍射頻譜為通過攝像設備記錄。

5.  根據權利要求4所述的超聲光柵位相振幅的定量測量方法,其特征在于:所述的攝像設備為CCD或CMOS攝像設備。

說明書

說明書一種超聲光柵位相振幅的定量測量方法
技術領域
本發明屬于光學測量與計量技術領域,特別涉及一種超聲光柵位相振幅的定量測量方法。
背景技術
超聲波是一種縱向機械應力波,當超聲波在透明介質中傳播時,將引起介質密度在時間空間上的周期彈性應變,導致介質折射率的相應變化。若聲光作用距離較小,由于光速遠大于聲速,在光波通過時,介質折射率隨空間作周期性變化,其相位受到調制,如同經過一個正弦相位光柵,稱為超聲光柵。超聲光柵主要分為兩種:超聲行波光柵及超聲駐波光柵。前者形成的位相光柵是動態的,空間各點的位相隨時間是不斷變化的;后者是穩態的,空間存在固定位置的位相波谷及波峰。
目前國內外主要通過普通衍射方法測量超聲光柵的參數,從而測出不同液體中的聲速來探究液體的其他非聲學性質,如彈性模量、濃度等,將其應用于對液體內雜質的探究、液體中微粒的大小的測量或激光特性的研究,或用于探究超聲的傳輸機制、穿透特性、研制高靈敏度的超聲探測設備等,但作為相位物體,超聲光柵的位相振幅定量測量并不容易。若其位相振幅可測,則可能推算液體折射率的分布,從而用光學方法探究液體的彈性應變參數等。目前,定量測量位相物體的方法主要有單點掃描定量測量技術及全場干涉定量測量技術等。單點定量位相測量技術主要包括偏振靈OCT、相散顯微技術、相散光層析技術、微分相襯光相干顯微技術和譜域位相顯微技術等。全場定量位相測量技術主要有傅里葉位相顯微技術、希爾伯特位相顯微技術、衍射位相顯微技術和層析位相顯微技術等。這些技術有的光路非常復雜;有的需拍攝多幅圖像,對快速動態位相物體不適用;有的需逐點掃描,過程耗時較長;有的解包裹算法復雜等。這些方法多應用于生物細胞等空間低頻非周期性位相物體,并未考慮動態及空間高頻位相物體的衍射特點,對超聲光柵位相振幅的定量位相測量不一定適用,實現起來并不容易,也未見相關報道。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足,提供一種超聲光柵位相振幅的定量測量方法。
本發明的目的通過下述技術方案實現:一種超聲光柵位相振幅的定量測量方法,包含以下步驟,如圖1所示:
(1)光源發出的單色光經擴束準直后垂直于超聲波傳播方向照射超聲光柵,經透鏡變換后得到超聲光柵的衍射頻譜;
(2)記錄超聲光柵的衍射頻譜,計算得到衍射頻譜的衍射光強比重,代入衍射光強比重與超聲光柵位相振幅的定量關系式,求出超聲光柵的位相振幅。
步驟(1)中所述的透鏡優選為傅里葉透鏡或普通凸透鏡;
步驟(2)中所述的記錄超聲光柵的衍射頻譜為通過攝像設備記錄;
所述的攝像設備優選為CCD或CMOS攝像設備;
所述的頻譜衍射光強比重優選通過如下公式計算得到:
①當超聲光柵為超聲行波光柵時,在0,1級衍射的光強比重為:
R1=(I0+I1)/I總;
②當超聲光柵為超聲駐波光柵時,在0~2級衍射的光強比重為:
R2=(I0'+I1'+I2')/I總';
所述的衍射光強比重與超聲光柵位相振幅的定量關系式如下:
①當超聲光柵為超聲行波光柵時,超聲光柵位相振幅的計算公式如下:

R1為超聲行波光柵的衍射光強比重;
②當超聲光柵為超聲駐波光柵時,超聲光柵位相振幅的計算公式如下:

R2為超聲駐波光柵的衍射光強比重。
本發明的原理如下:
超聲波沿X方向傳播且聲光作用距離非常小,則緊貼超聲光柵后的光場位相分布為:

其中為無超聲波時的位相(即襯底位相),為位相振幅,ωs及ks分別為超聲波的圓頻率及波數,t為時間。上式呈行進波形式,因而其代表的超聲光柵稱為超聲行波光柵。
若在超聲波傳播方向的距離超聲波發生器表面的波長整數倍處放置一個反射片,可得一反射波,與原行進波疊加,形成一駐波,所得光柵成超聲駐波光柵。緊貼超聲駐波光柵后方的光場位相分布變為:

可見,超聲駐波的位相振幅是隨時間作周期性變化的。
I、超聲行波光柵
在超聲場作用下的透明液體介質,對均勻入射光的振幅吸收極少,僅改變其相位,則緊貼超聲行波光柵后方的光場分布可以表示為

經透鏡傅里葉變換得頻譜面光場為:

式(4)中f為傅里葉變換透鏡焦距,xf為頻譜面上的位置坐標,Jn為貝塞爾級數,ω、ωs分別為光波與超聲波的圓頻率,λ、λs分別為光波及超聲波的波長,A為常數,表示入射光振幅。
為討論方便,取A=1,則第n級衍射頻譜的歸一化光強

可見,超聲行波光柵各衍射級的光強均受影響,其中位相振幅對其0~6級衍射波光強的影響如圖2所示。由圖2可知,超聲行波光柵各衍射波的光強隨的增大作衰減式的劇烈震蕩。當時,頻譜面上的光強幾乎全部集中在0,±1級衍射波,尤其0級衍射級上。值得注意的是,若令超聲行波光柵0,1級衍射波的總光強比重為
R1=(I0+I1)/I總                (6)
則R1是的單調遞減函數(如圖3),因此理應存在函數的反函數即超聲行波光柵中超聲波引起的位相振幅可由其衍射頻譜0,1級衍射級的總光強比重R1唯一地確定。考慮到函數不一定解析,使用軟件MATLAB作出關系圖并運用最小二乘法進行多項式擬合。得到其擬合函數為:

相關系數r1=0.987,非常接近1,說明擬合是顯著的。同時,從圖3中可以看出在R1∈(0.55,1)的范圍內,即超聲行波光柵中超聲波引起的位相振幅變化時,擬合曲線與理論數據尤其吻合。
(2)超聲駐波光柵
類似地,超聲駐波光柵的頻譜面光場為(b與n一樣,代表衍射級數):

則第n級衍射的歸一化光強為:

與超聲行波光柵一樣,超聲駐波光柵各衍射級的光強亦均受影響,其中位相振幅對其0~6級衍射級光強的影響如圖4所示。
超聲駐波光柵的頻譜與行波光柵最顯著的差別在于,超聲駐波光柵頻譜的零級光強始終最大。此外,各級衍射光強雖也隨著的增大作衰減式震蕩,但震蕩的劇烈程度較超聲行波光柵而言明顯弱得多。當時,光強基本全部分布在0,±1,±2級衍射點上,且隨著的增大,0級衍射光強急劇下降,±1級衍射點光強急劇上升到達最高峰,±2級衍射光強則相對較緩慢上升。同時,與超聲行波光柵相似,超聲駐波光柵0~2級衍射的總光強比重R2=(I0'+I1'+I2')/I'亦是的單調函數,因此也應存在函數同樣,可以做出關系圖(圖5)并得到其關系函數:

相關系數r2=0.998,非常接近1,說明擬合是顯著的。由圖5也可以看出R2與的映射關系比R1更強烈。同時,R2∈(0.4,1)范圍內,即超聲駐波光柵中單束超聲波引起的位相振幅變化時,擬合曲線與理論數據尤其吻合,此 時的測量尤為精確。
由以上分析可知,公式(7)及(10)就是本發明的頻譜衍射光強比重R與光柵位相振幅的定量關系式。只要測量得到超聲行波光柵或超聲駐波光柵的衍射光強比重R,代入關系式(7)或(10),就分別可以得到位相的振幅。
本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果:
1、可以得到位相光柵的平均位相振幅,測量速度快;
2、容易實現自動測量;
3、適合于正弦或余弦位相光柵的位相振幅測量;
4、特別適合于測量動態周期性位相物體;
5、設備簡單、調節方便,不需定標。
附圖說明
圖1是本發明提供的測量方法的測量過程示意圖。
圖2是超聲行波光柵各衍射級的光強與位相振幅關系圖。
圖3是超聲行波光柵0、1級衍射光強比重與位相振幅的關系圖。
圖4是超聲駐波光柵各衍射級的光強與位相振幅關系圖。
圖5是超聲駐波光柵0、1、2級衍射光強比重與位相振幅的關系圖。
圖6是本發明測量方法的一種典型實現裝置的結構示意圖,其中:
1-單色光源、2-擴束濾波裝置、3-準直透鏡、4-可調光闌、5-水槽、6-超聲波發生器、7-超聲反射鏡或吸聲海綿、8-透鏡、9-光衰減器、10-攝像設備。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述,但本發明的實施方式不限于此。
實施例1
一種能定量測量超聲光柵位相振幅的裝置,如圖6所示:單色光源1、擴束濾波裝置2、準直透鏡3、可調光闌4、水槽5、透鏡8、光衰減器9和攝像設備10沿著光束前進方向依次排列,超聲波發生器6和超聲反射鏡或吸聲海綿7分別位于水槽5內部的平行于光束方向的兩側。
能定量測量超聲光柵位相振幅的裝置具體組成如下:單色光源1為He-Ne激光器或半導體激光器等;擴束濾波裝置2由焦距1~3毫米凸透鏡及直徑10~ 30微米針孔組成,沿著光束前進方向,凸透鏡和針孔依次排列;可調光闌4為手動改變直徑的普通機械光闌,直徑變化范圍2mm~30mm;水槽5為透明水槽,可以透過激光;超聲波發生器6是頻率為2.5MHz,工作電壓U=20V的PZT超聲換能器;超聲反射鏡的材質為金屬、塑料或玻璃等;吸聲海綿為橡膠海綿片;透鏡8為傅里葉透鏡;光衰減器9為鍍膜玻璃或偏振片等;攝像設備10為Guppy PRO F125V3.0.1,分辨率為6.75μm/pixel的CCD攝像頭。
使用上述設備進行超聲光柵位相振幅的定量測量,包括如下步驟:
(1)調整單色光源1、擴束濾波裝置2及準直透鏡3,得到一束平行光;
(2)打開超聲波發生器6;將步驟(1)得到的平行光通過可調光闌4照射水槽5中的超聲光柵,得到衍射光;其中,當圖6的部件7為吸聲海綿時,得到超聲行波光柵;當部件7為超聲反射鏡時,調節其位置于距超聲波發生器為超聲波長的整數倍處,使超聲波垂直反射與原行進波疊加形成超聲駐波光柵;
(3)衍射光經透鏡8變換后在其焦平面得到超聲光柵的衍射頻譜,攝像設備10經光衰減器9記錄光柵的衍射頻譜;
(4)計算得到衍射頻譜的衍射光強比重,代入衍射光強比重與超聲光柵位相振幅的定量關系式,求出超聲光柵的位相振幅。
所述的頻譜衍射光強比重通過如下公式計算得到:
①當超聲光柵為超聲行波光柵時,在0,1級衍射的光強比重為:
R1=(I0+I1)/I總;
②當超聲光柵為超聲駐波光柵時,在0~2級衍射的光強比重為:
R2=(I0'+I1'+I2')/I總';
所述的衍射光強比重與超聲光柵位相振幅的定量關系式如下:
①當超聲光柵為超聲行波光柵時,超聲光柵位相振幅的計算公式如下:

R1為超聲行波光柵的衍射光強比重;
②當超聲光柵為超聲駐波光柵時,超聲光柵位相振幅的計算公式如下:

R2為超聲行波光柵的衍射光強比重。
效果實施例
(1)為了證明本發明方法的可行性及穩定性,對駐波超聲在水中的位相振幅進行了定量實驗測量。調整不同入射光強,對同一超聲光柵的測量結果見表1 所示.
表1 超聲駐波光柵位相振幅定量測量實驗結果

由表1得平均相對誤差En≈5.00%,對同一光柵的三次測量結果基本一致,相對誤差較小,說明本方法有較好的重復性。
(2)由于找不到其他定量測量超聲光柵位相振幅的技術及設備,為了驗證本方法的準確性,采用與現有方法(見文獻Zuohua Huang,Fengchao Chen,A New Method of Scanning Image for Phase Objects,SPIE,6150(2006),pp.615030-615030-5)比較定量測量的方式,測量三塊普通正弦位相光柵的不同位相振幅。
實驗前,把正弦位相光柵取代水槽5,測量實驗結果如表2所示。
表2 普通正弦光柵位相振幅定量測量比較實驗結果

考慮實驗誤差,兩種方法測得光柵位相很接近,本文方法所測數據略大于雙點源位相干涉掃描成像系統測量值,可能是測量區域不完全相同及測量系統誤差所致。可見本發明方法定量測量超聲光柵的位相振幅是可行的和可靠的。
上述實施例為本發明較佳的實施方式,但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制,其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化,均應為等效的置換方式,都包含在本發明的保護范圍之內。

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一種 超聲 光柵 位相 振幅 定量 測量方法
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