一種測量系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型實施例提供了一種測量系統，屬于測量技術領域，應用于測量等離子體的分布和速度。所述測量系統包括等離子體分布區域、成像裝置及圖像分析裝置，所述成像裝置包括光闌、第一偏振分光鏡、第一成像器件和第二成像器件。由同一個光源發出的具有預設時間差且偏振方向正交的第一光束和第二光束入射到等離子體分布區域。由等離子體分布區域出射的第一光束在第一成像器件內成像，由等離子體分布區域出射的第二光束在第二成像器件內成像。圖像分析裝置根據所述第一成像器件和所述第二成像器件所采集的圖像獲得所述等離子體的分布和速度。本實用新型實施例提供的測量系統有效地實現了等離子體分布區域中等離子體的分布及速度的測量。
【專利說明】
_種測量系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及測量技術領域，具體而言，涉及一種測量系統。【背景技術】
[0002]在宇宙中，等離子體是物質存在的主要形式。為了研究等離子體的產生和性質以闡明自然界等離子體的運動規律并利用它為人類服務，在天體物理、空間物理、特別是核聚變研究的推動下，近三、四十年來形成了磁流體力學和等離子體動力學。在一些科研裝置中，等離子體的分布情況是衡量其特性的一個重要參數。因此，需要設計一種能夠測量等離子體分布和速度的裝置。【實用新型內容】
[0003]本實用新型的目的在于提供一種測量系統，能夠有效地實現等離子體分布區域內離子體的分布及速度的測量。
[0004]為了實現上述目的，本實用新型采用的技術方案如下:
[0005]第一方面，本實用新型實施例提供的一種測量系統，應用于測量等離子體的分布及速度。所述測量系統包括:待測裝置、成像裝置及圖像分析裝置，所述待測裝置內具有等離子體分布區域，所述成像裝置包括光闌、第一偏振分光鏡、第一成像器件和第二成像器件。所述第一成像器件的感光面和所述第二成像器件的感光面均與所述第一偏振分光鏡耦合，所述第一成像器件的輸出端與所述第二成像器件的輸出端均與所述圖像分析裝置耦合。
[0006]由同一個光源發出的具有預設時間差的第一光束和第二光束入射到所述等離子體分布區域，其中，所述第一光束的偏振方向與所述第二光束的偏振方向正交。由所述等離子體分布區域出射的第一光束經所述光闌限制為預設口徑后入射到所述第一偏振分光鏡， 由所述第一偏振分光鏡透射后在所述第一成像器件內成像。由所述等離子體分布區域出射的第二光束經所述光闌限制為預設口徑后入射到所述第一偏振分光鏡，由所述第一偏振分光鏡反射后在所述第二成像器件內成像。
[0007]結合第一方面，本實用新型還提供了第一方面的第一種可能實施方式，其中，所述測量系統還包括光調節裝置。所述光調節裝置包括第二偏振分光鏡、光延時器及光耦合器， 所述第二偏振分光鏡與所述光源親合，所述光延時器與所述光親合器分別與所述第二偏振分光鏡親合，所述光親合器與所述光延時器親合。所述光源發出的光束進入所述第二偏振分光鏡后分為所述第一光束與所述第二光束。所述第二光束進入所述光耦合器中，所述第一光束進入所述光延時器延時至與所述第一光束具有預設時間差后也進入所述光耦合器中。所述光耦合器輸出的具有所述預設時間差的所述第一光束和所述第二光束入射到所述等離子體分布區域。
[0008]結合第一方面的第一種可能實施方式，本實用新型還提供了第一方面的第二種可能實施方式，其中，所述成像裝置還包括第一透鏡組及第二透鏡組。所述待測裝置、所述第一透鏡組、所述光闌、所述第二透鏡組及所述第一偏振分光鏡依次耦合，所述光闌設置在所述第一透鏡組的焦平面上。由所述等離子體分布區域出射的所述第一光束和所述第二光束經過所述第一透鏡組聚焦后入射到所述光闌，依次通過所述光闌限光及所述第二透鏡組準直后入射到所述第一偏振分光鏡。
[0009]結合第一方面的第二種可能實施方式，本實用新型還提供了第一方面的第三種可能實施方式，其中，所述測量系統還包括同步控制器。所述同步控制器分別與所述光源、所述待測裝置、所述第一成像器件及所述第二成像器件耦合。
[0010]結合第一方面的第二種可能實施方式，本實用新型還提供了第一方面的第四種可能實施方式，其中，所述成像裝置還包括濾光片。所述濾光片設置于所述待測裝置及所述第一偏振分光鏡之間的光路中，所述濾光片用于濾除所述的由所述等離子體分布區域出射的所述第一光束和所述第二光束中摻入的所述待測裝置的自發光。
[0011]結合第一方面的第四種可能實施方式，本實用新型還提供了第一方面的第五種可能實施方式，其中，所述濾光片設置于所述待測裝置與所述第一透鏡組之間。
[0012]結合第一方面的第一種可能實施方式，本實用新型還提供了第一方面的第六種可能實施方式，其中，所述光調節裝置還包括擴束鏡。所述擴束鏡分別與所述光耦合器及所述待測裝置耦合，所述光耦合器輸出的所述第一光束和所述第二光束經過所述擴束鏡擴束后進入所述等離子體分布區域。
[0013]結合第一方面的第一種可能實施方式，本實用新型還提供了第一方面的第七種可能實施方式，其中，所述光源包括激光器及1/4波片。所述1/4波片與所述激光器耦合，所述激光器輸出的光經過1/4波片轉化為圓偏振光，所述圓偏振光進入所述第二偏振分光鏡，經所述第二偏振分光鏡調節為所述第一光束和所述第二光束。
[0014]結合第一方面的第七種可能實施方式，本實用新型還提供了第一方面的第八種可能實施方式，其中，所述激光器為皮秒激光器。
[0015]結合第一方面，本實用新型還提供了第一方面的第九種可能實施方式，其中，所述第一成像器件和所述第二成像器件均為CCD圖像傳感器。
[0016]本實用新型實施例通過第一偏振分光鏡將同一光源發出的具有預設時間差且偏振方向相互垂直的第一光束及第二光束，即P光和S光分別在第一成像器件和第二成像器件上成像。進而圖像分析裝置一方面可以根據第一成像器件或第二成像器件上所成的像定性地得到待測裝置的等離子體分布區域中的等離子體的分布情況;另一方面可以根據第一成像器件采集的圖像和第二成像器件采集的圖像計算待測裝置的等離子體分布區域中的等離子體的運動速度。因此，本實用新型實施例提供的測量系統有效地實現了等離子體分布區域中等離子體的分布及速度的測量。
[0017]本實用新型的其他特征和優點將在隨后的說明書闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型實施例了解。本實用新型的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。通過附圖所示，本實用新型的上述及其它目的、特征和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本實用新型的主旨。
[0019]圖1示出了本實用新型實施例提供的一種測量系統的系統結構示意圖。
[0020]其中，附圖標記分別為:[0〇21 ] 激光器111; 1/4波片112;第二偏振分光鏡121;光延時器122;光親合器123;第一反射鏡124;第二反射鏡125;擴束鏡126;第三反射鏡127;待測裝置200;濾光片310;第一透鏡組321;第二透鏡組322;光闌330 ;第一偏振分光鏡340 ;第一成像器件350 ;第二成像器件 360;同步控制器400。【具體實施方式】
[0022]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0023]本實用新型實施例提供了一種測量系統，可以應用于測量等離子體的分布和速度。本測量系統主要采用了紋影儀原理。紋影儀系統的本質是利用光線通過非均勻介質時由于非均勻介質區域內的存在密度即折射率的變化，則原本平行的光束發生偏折，用刀口 (即切割光闌)切割發生偏折的光線，使得光線的通過量發生變化，從而在成像裝置上得到亮度不同的陰影圖像。
[0024]本實用新型實施例提供的測量系統，所述測量系統包括:待測裝置200、成像裝置及圖像分析裝置，所述待測裝置200內具有等離子體分布區域，所述成像裝置包括光闌330、 第一偏振分光鏡340、第一成像器件350和第二成像器件360，所述第一成像器件350的感光面和所述第二成像器件360的感光面均與所述第一偏振分光鏡340親合，所述第一成像器件 350的輸出端與所述第二成像器件360的輸出端均與所述圖像分析裝置耦合。
[0025]由同一個光源發出的具有預設時間差的第一光束和第二光束入射到所述等離子體分布區域，其中，所述預設時間差可以為幾十納秒，所述第一光束與所述第二光束的波長一致且所述第一光束的偏振方向與所述第二光束的偏振方向正交。例如，所述光源發出的光束經過一個分光鏡即可以得到傳播方向不同的兩束光;分別在兩束光的光路中設置一個起偏器，兩個起偏器所透過的光的偏振方向正交，且透過其中一個起偏器的光可以由第一偏振分光鏡340透射，透過另一個起偏器的光可以由第一偏振分光鏡340反射;再通過一個光延時器將透過其中一個起偏器的光延時預設時間，使透過其中一個起偏器的光與透過另一個起偏器的光具有預設時間差即可得到具有預設時間差的第一光束和第二光束。或者， 也可以將所述光源發出的光束經過一個偏振分光鏡直接得到偏振方向正交的第一光束和第二光束;再通過一個光延時器將透過其中一個起偏器的光延時預設時間，即可得到具有預設時間差的第一光束和第二光束。
[0026]由所述等離子體分布區域出射的第一光束經所述光闌330限制為預設口徑后入射到所述第一偏振分光鏡340，由所述第一偏振分光鏡340透射后在所述第一成像器件350內成像，由所述等離子體分布區域出射的第二光束經所述光闌330限制為預設口徑后入射到所述第一偏振分光鏡340，由所述第一偏振分光鏡340反射后在所述第二成像器件360內成像。其中，所述光闌330為孔徑光闌，根據用戶的需要可以選擇合適的光闌330,可以通過調節光闌的孔徑得到預設口徑的第一光束和預設口徑的第二光束。圖像分析裝置用于根據所述第一成像器件350采集的所述第一光束的圖像和所述第二成像器件360采集的所述第二光束的圖像獲得所述離子體分布區域內的等離子體的分布和速度。
[0027]具體的，入射到所述等離子體分布區域的具有預設時間差的第一光束和第二光束，在等離子體的作用下發生偏折，發生偏折的第一光束和第二光束入射至光闌330。光闌 330將遮擋部分發生偏折的光線，使得通過光闌330后的第一光束的口徑和第二光束的口徑均發生變化。從而在經過第一偏振分光鏡340的分光作用下，第一光束經所述第一偏振分光鏡340透射后在所述第一成像器件350上得到亮度不同的圖像，第二光束經所述第一偏振分光鏡340反射后在所述第二成像器件360上也得到亮度不同的圖像。
[0028]圖像分析裝置獲取所述第一成像器件350采集的所述第一光束的圖像和所述第二成像器件360采集的所述第二光束的圖像，根據所述第一成像器件350采集的所述第一光束的圖像或是所述第二成像器件360采集的所述第二光束的圖像就可以定性地得到待測裝置 200的等離子體分布區域中的等離子體的分布情況。然后，再通過對比分析所述第一成像器件350采集的所述第一光束的圖像和所述第二成像器件360采集的所述第二光束的圖像，就可以得到待測裝置200的等離子體分布區域中的等離子體在預設時間差內的運動位移差。 從而根據所述運動位移差和所述預設時間差就可以有效地得到所述等離子體的運動速度。
[0029]因此，本實用新型實施例提供的測量系統可以有效地實現等離子體分布區域中的等離子體分布的定性測量及等離子體移動速度的定量測量。
[0030]需要說明的是，本實施例中，為了保證第一光束的波長和第二光束的波長的一致性，所述光源優選包括激光器111。具體的，要得到偏振方向相互正交的第一光束和第二光束，光源的實施方式可以為:如圖1所示，所述光源包括激光器111及1/4波片112,所述1/4波片112與所述激光器111耦合，所述激光器111輸出的光經過1/4波片112轉化為圓偏振光。所述圓偏振光進入所述第二偏振分光鏡121，經所述第二偏振分光鏡121調節為所述偏振方向相互正交的第一光束和第二光束。進一步地，激光器111可以采用皮秒激光器。皮秒激光脈沖脈寬較短，可以直接作為光快門，無需另外在光路中增加快門，不但減小了系統的復雜度，而且皮秒量級的快門可以消除第一成像器件350和第二成像器件360所拍攝圖像的動態模糊，提高第一成像器件350和第二成像器件360的成像質量。
[0031]另外，第一成像器件350和第二成像器件360均用于將光學影像轉化為數字信號發送給圖像分析裝置。因此，第一成像器件350和第二成像器件360均可以采用光電成像器件中的固體成像器件，例如CCD圖像傳感器或CMOS圖像傳感器。本實用新型實施例中優選采用 CCD圖像傳感器。圖像分析裝置為具有數據處理功能的上位機，例如，可以為安裝有圖像分析軟件的計算機。
[0032]此外，本實用新型實施例提供的測量系統還包括光調節裝置。如圖1所示，所述光調節裝置包括第二偏振分光鏡121、光延時器122及光親合器123，所述第二偏振分光鏡121 與所述光源親合，所述光延時器122與所述光親合器123分別與所述第二偏振分光鏡121親合，所述光親合器123與所述光延時器122親合。其中，光延時器122可以由多個反射鏡構成，如圖1所示，具體的反射鏡的個數可以根據用戶所需要的預設時間差設置，當然，也可以采用其它具有光學延時作用的結構。
[0033]此時，上述具有預設時間差的第一光束和第二光束的具體產生方式可以為:光源發出的光束進入所述第二偏振分光鏡121后分為所述第一光束與所述第二光束;其中第一光束與第二光束的能量優選為相等，即所述第二偏振分光鏡121的透射率與反射率的比例優選為1:1。當然，也可以采用以其它能量比例透射和反射的偏振分光鏡。本實用新型實施例中，第一光束設定為P光，第二光束設定為S光，如圖1所示，由第二偏振分光鏡121的分光面反射的S光依次經過第一反射鏡124和第二反射鏡125反射后進入光親合器123中。而由第二偏振分光鏡121的分光面透射的P光進入所述光延時器122中，經過多次反射后可以延時至與所述第二光束具有預設時間差后也進入所述光耦合器123中。由光耦合器123出射后經過第三反射鏡127反射至等離子體分布區域中。其中，光耦合器123優選為偏振分光鏡，當然也可以為能夠統一第一光束的光路和第二光束的光路的其它光學結構。
[0034]當然，第一光束和第二光束獲得預設時間差的方式，除了上述將P光相對于S光延時的方式外，還可以將S光相對于P光延時，即使P光通過第一反射鏡124和第二反射鏡125入射至光耦合器123中，使S光進入所述光延時器122中，經過多次反射后延時至與P光具有預設時間差后也進入所述光耦合器123中。
[0035]當光源采用激光器111時，由于激光的口徑較小，S卩P光和S光的口徑較小，可能無法覆蓋整個等離子體分布區域。為了避免本實用新型是實施例提供的測量系統測得的等離子體分布圖像不完善，需要對進入等離子體分布區域之前的P光和S光進行擴束，擴束程度根據具體待測裝置200中的等離子體分布區域的尺寸確定。因此，如圖1所示，所述光調節裝置還包括擴束鏡126,所述擴束鏡126分別與所述光耦合器123及所述待測裝置200耦合。所述光耦合器123輸出的P光和S光經過所述擴束鏡126擴束后進入第三反射鏡127,經過第三反射鏡127反射后進入待測裝置200的等離子體分布區域。
[0036]如圖1所示，所述成像裝置還包括第一透鏡組321及第二透鏡組322。所述待測裝置 200、所述第一透鏡組321、所述光闌330、所述第二透鏡組322及所述第一偏振分光鏡340依次耦合。所述光闌330設置在所述第一透鏡組321的焦平面上。由所述等離子體分布區域出射的P光和S光經過第一透鏡組321聚焦后入射到光闌330,依次通過所述光闌330及所述第二透鏡組322后入射到所述第一偏振分光鏡340。其中，光闌330優選采用狹縫，且所述狹縫的尺寸可以調節。第二透鏡組322用于準直透過光闌330的P光和S光。為了克服單個透鏡的成像缺陷，提高P光在第一成像器件350上所成的像和S光在第二成像器件360上所成的像的光學質量，第一透鏡組321優選采用由多個透鏡組成的物鏡，第二透鏡組322也優選采用由多個透鏡組成的物鏡。
[0037]進一步，由于待測裝置200內可能存在著其它光源，本實施例中將所述其它光源發出的光視為待測裝置200的自發光。為了避免上述自發光對入射到待測裝置200的等離子體分布區域中的具有預設時間差的P光和S光的成像結果產生干擾，需要將這部分自發光濾除。因此，所述成像裝置還包括濾光片310,濾光片310可以設置在待測裝置200與第一偏振分光鏡340之間的光路中，用于濾除所述的由所述等離子體分布區域中出射的所述第一光束和所述第二光束中摻入的所述待測裝置200中的自發光。例如，當本測量系統的光源采用波長為532納米的皮秒激光器時，可以采用中心波長為532納米的濾光片310,允許532納米的光通過，而其他波段的光則被截止。優選的，如圖1所示，可以將所述濾光片310設置于所述待測裝置200與所述第一透鏡組321之間。[〇〇38] 如圖1所述，所述測量系統還包括同步控制器400,所述同步控制器400分別與所述光源、所述待測裝置200、所述第一成像器件350及所述第二成像器件360耦合。同步控制器 400用于保證待測裝置200中產生等離子體、激光器111出光、第一成像器件350記錄及第二成像器件360記錄的同步性。同步控制器400接收到待測裝置200的控制信號后，同時發送用于控制皮秒激光器開啟的第一觸發信號、用于控制第一成像器件350開啟的第二觸發信號和用于控制第二成像器件360開啟的第三觸發信號。皮秒激光器接收到所述第一觸發信號、 第一成像器件350接收到所述第二觸發信號、第二成像器件360接收到所述第三觸發信號后同步開啟。[〇〇39]需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0040]在本實用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“安裝”、“親合”應做廣義理解，例如，可以是直接耦合，也可以通過中間媒介間接耦合， 可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。
[0041]以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種測量系統，其特征在于，應用于測量等離子體的分布和速度，所述測量系統包 括:待測裝置、成像裝置及圖像分析裝置，所述待測裝置內具有等離子體分布區域，所述成 像裝置包括光闌、第一偏振分光鏡、第一成像器件和第二成像器件，所述第一成像器件的感 光面和所述第二成像器件的感光面均與所述第一偏振分光鏡耦合，所述第一成像器件的輸 出端與所述第二成像器件的輸出端均與所述圖像分析裝置耦合；由同一個光源發出的具有預設時間差的第一光束和第二光束入射到所述等離子體分 布區域，其中，所述第一光束的偏振方向與所述第二光束的偏振方向正交，由所述等離子體 分布區域出射的第一光束經所述光闌限制為預設口徑后入射到所述第一偏振分光鏡，由所 述第一偏振分光鏡透射后在所述第一成像器件內成像，由所述等離子體分布區域出射的第 二光束經所述光闌限制為預設口徑后入射到所述第一偏振分光鏡，由所述第一偏振分光鏡 反射后在所述第二成像器件內成像。2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，還包括光調節裝置，所述光調節裝置包括 第二偏振分光鏡、光延時器及光親合器，所述第二偏振分光鏡與所述光源親合，所述光延時 器與所述光親合器分別與所述第二偏振分光鏡親合，所述光親合器與所述光延時器親合，所述光源發出的光束進入所述第二偏振分光鏡后分為所述第一光束與所述第二光束， 所述第二光束進入所述光耦合器中，所述第一光束進入所述光延時器延時至與所述第一光 束具有預設時間差后也進入所述光耦合器中，所述光耦合器輸出的具有所述預設時間差的 所述第一光束和所述第二光束入射到所述等離子體分布區域。3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述成像裝置還包括第一透鏡組及第二透 鏡組，所述待測裝置、所述第一透鏡組、所述光闌、所述第二透鏡組及所述第一偏振分光鏡 依次耦合，所述光闌設置在所述第一透鏡組的焦平面上，由所述等離子體分布區域出射的 所述第一光束和所述第二光束經過所述第一透鏡組聚焦后入射到所述光闌，依次通過所述 光闌限光及所述第二透鏡組準直后入射到所述第一偏振分光鏡。4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述系統還包括同步控制器，所述同步控 制器分別與所述光源、所述待測裝置、所述第一成像器件及所述第二成像器件耦合。5.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述成像裝置還包括濾光片，所述濾光片 設置于所述待測裝置及所述第一偏振分光鏡之間的光路中，所述濾光片用于濾除所述的由 所述等離子體分布區域出射的所述第一光束和所述第二光束中摻入的所述待測裝置的自 發光。6.根據權利要求5所述的系統，其特征在于，所述濾光片設置于所述待測裝置與所述第 一透鏡組之間。7.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述光調節裝置還包括擴束鏡，所述擴束 鏡分別與所述光耦合器及所述待測裝置耦合，所述光耦合器輸出的所述第一光束和所述第 二光束經過所述擴束鏡擴束后進入所述等離子體分布區域。8.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述光源包括激光器及1/4波片，所述1/4 波片與所述激光器耦合，所述激光器輸出的光經過1/4波片轉化為圓偏振光，所述圓偏振光 進入所述第二偏振分光鏡，經所述第二偏振分光鏡調節為所述第一光束和所述第二光束。9.根據權利要求8所述的系統，其特征在于，所述激光器為皮秒激光器。10.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述第一成像器件和所述第二成像器件均為(XD圖像傳感器。
【文檔編號】H05H1/00GK205584603SQ201620208552
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月17日
【發明人】趙新才, 鄒文康, 陶世興, 徐樂, 李劍, 陳韜, 溫偉峰, 何徽, 王旭, 肖正飛, 暢里華, 汪偉, 劉寧文, 彭其先, 鄧建軍
【申請人】中國工程物理研究院流體物理研究所