[发明专利]一种基于滤波的粒子场全息4F成像系统及方法

说明书

本发明涉及一种粒子场全息4F成像系统及方法，特别涉及一种基于滤波的粒子场全息4F成像系统及方法，解决了采用现有基于滤波的4F成像装置测量时，高精度调节困难、成像质量低、记录图像噪声大、成像背景噪声大、试验成本高以及将前、后镜头组和滤波装置做成一个整体时，在不同应用场景中无法更换滤波装置的问题。该4F成像系统的特殊之处在于：包括沿光路依次设置的脉冲激光器、扩束准直镜、4F成像装置及记录介质；4F成像装置包括前镜头组、真空组件及后镜头组；真空组件包括真空组件套筒、滤波装置、第一真空阀、第二真空阀、前真空密封窗口及后真空密封窗口；滤波装置与真空组件套筒可拆卸密封连接；滤波器玻璃为高通滤波器玻璃。

技术领域

本发明涉及一种粒子场全息4F成像系统及方法，特别涉及一种基于滤波的粒子场全息4F成像系统及方法。

背景技术

粒子场全息诊断技术可以获得粒子场中小粒子的尺度、速度、空间分布等的三维量化信息，具有非接触、高精度、测试空间大等特点，是粒子场测量的标准方法之一。粒子场测量通常采用同轴和离轴两种记录方式；实际应用中，在对微米量级的小颗粒进行测量时，记录系统中通常要采用4F成像装置；这样，一方面可以确保记录介质的安全性，另一方面可以满足远场距的记录要求。

当被测粒子场的密度较高时，为保证记录图像的信噪比，降低对记录介质的分辨率要求，通常采用发散光记录方式或滤波技术来实现。发散光记录方式采用发散光源，取消4F成像装置，增大粒子场与记录介质间的距离，使到达记录介质的干涉条纹间距放大，满足了降低记录介质分辨率的要求；但到达记录介质上的粒子散射光强度显著下降，导致干涉条纹对比度下降；同时，干涉条纹间距的增加，使得粒子密集区所对应的干涉条纹之间严重重叠，导致该区域测试精度下降。滤波技术则通过在4F成像装置中的镜头之间放置滤波器，通过阻挡物光中未经过粒子的直透光部分，来增强高频部分光的强度来提高记录图像的信噪比。实际应用中大多采用滤波技术。

目前有文献记载的用于较高密度粒子场测量的基于滤波的4F成像装置有两种结构：一种为组成4F成像装置的前、后两组镜头组相互分立，其光轴成90⁰角，在其焦面上放置镜面中心设有通孔的平面反射镜，将直透光部分聚焦到该通孔，通过该通孔出射到成像光路之外，从而达到消除未经粒子散射的直透光的目的；该结构的缺点在于对4F成像装置中前、后镜头组及前、后镜头组的焦点与反射镜平面及通孔之间的配合精度要求很高，光路调节困难，且高能短脉冲激光焦点处空气击穿产生的光晕会干扰物光品质。另一种为前、后两组镜头组共光轴，在4F焦平面处加设滤波器，该滤波器通常采用玻璃基片中心镀非透光膜来阻挡焦点处的未经粒子散射的直透光；该结构虽然在一定程度上降低了调节难度；但是仍存在以下缺点：

(1)在不同场景中测量时，分立的前、后两组镜头组与滤波器的匹配，存在高精度调节困难的问题；

(2)加设的滤波器中的玻璃基片未作为4F成像装置的一部分进行整体设计，会导致一定的像差，降低4F成像装置的成像质量；

(3)非透光膜对聚焦其上的光束的反射光与散射光经4F成像装置中的前镜头组及筒壁的反射后仍会到达记录介质，增加记录图像的噪声；

(4)在采用高能短脉冲激光时，焦点处能量大，很容易将玻璃基片中心非透光膜损坏，破坏物光品质，增加成像背景噪声，甚至导致实验图像无效，增加试验成本；

(5)如果将前、后镜头组和滤波器三者高精度一体化，成为一个整体的成像装置，又会面临不同应用场景中无法更换滤波器的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于滤波的粒子场全息4F成像系统及方法，以解决采用现有基于滤波的4F成像装置测量时，存在高精度调节困难、成像质量低、记录图像噪声大、成像背景噪声大、试验成本高以及将前、后镜头组和滤波装置做成一个整体时，在不同应用场景中无法更换滤波装置的技术问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于滤波的粒子场全息4F成像系统，其特殊之处在于：