本發(fā)明屬于光學(xué)顯微成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，適用于對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃料噴霧場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

背景技術(shù)：

在生物組織、膠質(zhì)溶液、大氣等散射介質(zhì)內(nèi)，由于光的散射，很難直接對(duì)這些散射介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者隱藏的物體進(jìn)行成像。為此，人們發(fā)展出了多種適于散射介質(zhì)內(nèi)目標(biāo)觀測(cè)的光學(xué)成像技術(shù)。這類光學(xué)成像技術(shù)為生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的研究，提供了強(qiáng)有力的分析和測(cè)試工具，廣泛應(yīng)用于早期癌組織診斷、材料檢測(cè)和模糊目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

一般而言，當(dāng)一束光通過(guò)散射介質(zhì)后，出射光中包含了彈道光、蛇形光和散射光三種成分。其中，彈道光是出射光中無(wú)散射的部分，行進(jìn)路徑短，出射角度與入射角度基本一致，最先從散射介質(zhì)中出射，攜帶了散射介質(zhì)內(nèi)目標(biāo)的成像信息；蛇形光是出射光中經(jīng)歷少量散射部分，沿著入射光的軸線，以稍大的立體角出射，攜帶少量的成像信息；散射光是出射光中經(jīng)歷多重散射部分，向4π立體角內(nèi)散射，不攜帶直接的成像信息，在參與成像時(shí)，散射光會(huì)嚴(yán)重降低成像對(duì)比度與分辨率。光克爾門選通彈道光成像技術(shù)是一種適于散射介質(zhì)內(nèi)目標(biāo)觀測(cè)的高時(shí)間分辨的直接成像技術(shù)。它利用作為探測(cè)光的飛秒脈沖通過(guò)散射介質(zhì)后，彈道光成分在時(shí)間域上保持入射脈沖形狀，散射成分在時(shí)間域上展寬的特性，采用光克爾門(一種超快時(shí)間門)選通攜帶散射介質(zhì)內(nèi)目標(biāo)物體信息的彈道光，阻止產(chǎn)生噪聲的大量散射光，進(jìn)而對(duì)散射介質(zhì)內(nèi)部物體進(jìn)行成像。

在靠近液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等引擎噴嘴的高速燃料噴霧流場(chǎng)內(nèi)部(也被稱為高速燃料噴霧流場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū))，湍流強(qiáng)度大，變化快，液核破裂形成的液滴密度高，存在很強(qiáng)的光散射。對(duì)于該區(qū)域內(nèi)具有重要研究意義的燃料液核破裂和霧化過(guò)程，長(zhǎng)久以來(lái)一直缺乏有效的觀測(cè)方法。近來(lái)研究人員發(fā)現(xiàn)光克爾門選通彈道光成像技術(shù)兼具優(yōu)異的散射光子抑制能力和極高的時(shí)間分辨率的特點(diǎn)，非常適合對(duì)高速燃料噴霧流場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)液核破裂過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)成像，在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等引擎內(nèi)部高速燃料噴霧流場(chǎng)研究領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

由于燃料噴霧場(chǎng)往往工作在高溫高壓的苛刻環(huán)境，為了避免光學(xué)元件的污染與損傷，同時(shí)避免外部裝置對(duì)燃料噴霧場(chǎng)特性造成影響，現(xiàn)有的光克爾門選通彈道光成像系統(tǒng)為了保證較長(zhǎng)的工作距離，其分辨率往往較低，其典型空間分辨率約為50微米。為了研究噴霧場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)中諸如微小液滴的運(yùn)動(dòng)特性、燃料韌帶結(jié)構(gòu)中的精細(xì)結(jié)構(gòu)特性等微區(qū)特性，需要采用光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)。然而，簡(jiǎn)單采用已有顯微物鏡的傳統(tǒng)的光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)，由于顯微物鏡的限制，其工作距離一般都小于50毫米，無(wú)法應(yīng)用于液體燃料噴霧場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問(wèn)題在于提供一種超長(zhǎng)工作距離的光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)具有超長(zhǎng)工作距離，可達(dá)200多毫米，光學(xué)元件數(shù)量少，成本低，具有高分辨率，成像質(zhì)量?jī)?yōu)異，接近衍射極限，能夠?qū)崿F(xiàn)噴霧場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)細(xì)微結(jié)構(gòu)的顯微成像。

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種超長(zhǎng)工作距離的光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)，沿同一光軸從左向右依次排列有：第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡組成第一光組；第五偏振器、第六克爾介質(zhì)和第七偏振器組成第二光組；第八透鏡、第九透鏡、第十透鏡、第十一透鏡組成第三光組，三組依次排列。

第一透鏡和第二透鏡組成雙膠合組，第一透鏡采用負(fù)透鏡，第二透鏡采用正透鏡，第三透鏡采用正雙凸透鏡，第四透鏡采用負(fù)彎月透鏡。

第一光組采用第四透鏡與第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡遠(yuǎn)分離的光學(xué)結(jié)構(gòu)改善像差。

所述的工作距離w.d.為200mm～250mm，放大倍率大于等于5x，數(shù)值孔徑na為0.1，最小分辨率σ為5μm。

第五偏振器和第七偏振器完全正交。

第六克爾介質(zhì)采用二硫化碳材料。

第三光組采用與第一光組完全相同的結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)形成關(guān)于克爾介質(zhì)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。

技術(shù)效果

本發(fā)明超長(zhǎng)工作距離的光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了200mm～250mm范圍內(nèi)的超長(zhǎng)工作距離、5μm的最小分辨率以及大于等于5x的放大倍率。第一光組通過(guò)采用第四透鏡與第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡正負(fù)光焦度的配合以及遠(yuǎn)分離的光學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)200mm～250mm的超長(zhǎng)工作距離。此外，本發(fā)明通過(guò)移動(dòng)第三光組的放置位置，可實(shí)現(xiàn)放大倍率5x及以上的連續(xù)改變，滿足不同放大倍率的觀察需求，各個(gè)光組獨(dú)立像差校正完好，始終獲得清晰圖像。通過(guò)對(duì)第一光組、第二光組和第三光組的優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，合理分配系統(tǒng)各部分組成結(jié)構(gòu)，解決超長(zhǎng)工作距離光克爾門選通彈道光顯微成像引入的場(chǎng)區(qū)、畸變、像散等光學(xué)像差的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離的高分辨率顯微成像，克服傳統(tǒng)光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)工作距離短，透鏡易被燃料噴霧場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)存在的霧化液滴污染，并且被高壓、高溫、高應(yīng)力的環(huán)境損壞的缺點(diǎn)，特別適用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴霧場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)細(xì)微結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離、高分辨率的顯微成像。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明超長(zhǎng)工作距離的光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明超長(zhǎng)工作距離的光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)圖；

圖3為本發(fā)明超長(zhǎng)工作距離的光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)的垂軸像差曲線圖；

圖4為本發(fā)明超長(zhǎng)工作距離的光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)的場(chǎng)曲/畸變曲線圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種超長(zhǎng)工作距離的光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)，系統(tǒng)前后分成三個(gè)光組構(gòu)成，其特征在于沿同一光軸從左向右依次排列有：第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡組成第一光組；第五偏振器、第六克爾介質(zhì)和第七偏振器組成第二光組；第八透鏡、第九透鏡、第十透鏡、第十一透鏡組成第三光組。所述系統(tǒng)中：第一透鏡的口徑為46毫米，中心厚為8亳米，左球面曲率半徑為-576毫米，右球面曲率半徑為-50毫米，采用的玻璃牌號(hào)為k9；第二透鏡的口徑為46毫米，中心厚為5亳米，左球面曲率半徑為-50毫米，右球面曲率半徑為-112毫米，采用的玻璃牌號(hào)為zf6，距第一透鏡0毫米；第三透鏡的口徑為46毫米，中心厚為7亳米，左球面曲率半徑為186毫米，右球面曲率半徑為-146毫米，采用的玻璃牌號(hào)為k9，距第二透鏡20毫米；第四透鏡的口徑為46毫米，中心厚為7亳米，左球面曲率半徑為124毫米，右球面曲率半徑為74毫米，采用的玻璃牌號(hào)為k9，距第三透鏡51毫米；第五偏振器的口徑為15毫米，中心厚為23亳米，距第四透鏡891毫米；第六克爾介質(zhì)的口徑為4毫米，中心厚為23亳米，距第五偏振器25毫米；第七偏振器的口徑為15毫米，中心厚為23亳米，距第六克爾介質(zhì)25毫米；第八透鏡的口徑為46毫米，中心厚為8亳米，左球面曲率半徑為-576毫米，右球面曲率半徑為-50毫米，采用的玻璃牌號(hào)為k9，距第七偏振器291毫米；第九透鏡的口徑為46毫米，中心厚為5亳米，左球面曲率半徑為-50毫米，右球面曲率半徑為-112毫米，采用的玻璃牌號(hào)為zf6，距第八透鏡0毫米；第十透鏡的口徑為46毫米，中心厚為7亳米，左球面曲率半徑為186毫米，右球面曲率半徑為-146毫米，采用的玻璃牌號(hào)為k9，距第九透鏡20毫米；第十一透鏡的口徑為46毫米，中心厚為7亳米，左球面曲率半徑為124毫米，右球面曲率半徑為74毫米，采用的玻璃牌號(hào)為k9，距第十透鏡51毫米。

本發(fā)明的三個(gè)光組中，第一光組實(shí)現(xiàn)了一個(gè)超長(zhǎng)工作距離顯微物鏡，第二光組實(shí)現(xiàn)了光克爾門選通彈道光結(jié)構(gòu)，第三光組作為目鏡系統(tǒng)。

本發(fā)明的第一光組中，由第一透鏡和第二透鏡組成雙膠合組，第一透鏡采用負(fù)透鏡，第二透鏡采用正透鏡，第三透鏡采用正雙凸透鏡，第四透鏡采用負(fù)彎月透鏡。

本發(fā)明的第二光組中，第五偏振器和第七偏振器完全正交，遮蔽初始偏振方向沒有改變的入射光，第六克爾介質(zhì)改變透射光的偏振方向，從而組成超快時(shí)間門，在時(shí)間上提取攜帶物體成像信息的彈道光子。

本發(fā)明的第三光組由第八透鏡、第九透鏡、第十透鏡、第十一透鏡組成，與第一光組完全相同，像差矯正良好，加工方便。

第一光組實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)工作距離顯微物鏡，特點(diǎn)主要在于它的應(yīng)用環(huán)境：內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)巨大，且噴霧近場(chǎng)區(qū)內(nèi)部為高溫高應(yīng)力，存在大量液滴，極易改變透鏡結(jié)構(gòu)，污染透鏡表面，使研究近霧場(chǎng)細(xì)微結(jié)構(gòu)困難重重。因此需要超長(zhǎng)工作距離的顯微物鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧近場(chǎng)區(qū)細(xì)微結(jié)構(gòu)的研究。

所述物鏡為實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)工作距離的清晰顯微平場(chǎng)成像，必然會(huì)引入場(chǎng)曲、球差、色差、像散等嚴(yán)重像差，特采用第四片彎月透鏡為負(fù)透鏡且與前三片透鏡遠(yuǎn)分離的光學(xué)結(jié)構(gòu)改善像差，負(fù)透鏡可改善場(chǎng)曲像差，而遠(yuǎn)分離結(jié)構(gòu)可極大地增長(zhǎng)工作距離并且可以改善球差、色差和像散問(wèn)題。

超長(zhǎng)工作距離的光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)其工作原理是：激光作為探測(cè)光照明入射，探測(cè)光依次通過(guò)第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡，在第五偏振器處偏振方向垂直于起偏器的光束被濾除，其余光束繼續(xù)傳輸；光束經(jīng)過(guò)第一光組顯微物鏡成像，將第六克爾介質(zhì)放置在物鏡像面處，光束進(jìn)入第七偏振器，由于偏振方向垂直于偏振器方向，不能通過(guò)；泵浦光從側(cè)面進(jìn)入第六克爾介質(zhì)，克爾介質(zhì)產(chǎn)生克爾效應(yīng)改變光束偏振方向，通過(guò)第七偏振器；物鏡成像作為二次物面通過(guò)第三光組成像，將目鏡系統(tǒng)放置在距離第七偏振器近二倍焦距處使其1:1成像在ccd上；通過(guò)改變第三光組放置位置可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)工作距離飛秒光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)變倍成像，實(shí)現(xiàn)5x及以上的放大倍率。

圖2為本發(fā)明超長(zhǎng)工作距離飛秒光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)的像面?zhèn)鬟f函數(shù)曲線圖，a表示0.78μm波長(zhǎng)光，b表示0.80μm波長(zhǎng)光，c表示0.82μm波長(zhǎng)光，從圖中可以得到像面?zhèn)鬟f函數(shù)在0視場(chǎng)、0.7視場(chǎng)和全視場(chǎng)的情況，像面光學(xué)傳遞函數(shù)在40lp/mm處大于0.05。

圖3為本發(fā)明超長(zhǎng)工作距離飛秒光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)的垂軸像差曲線圖，a表示0.78μm波長(zhǎng)光，b表示0.80μm波長(zhǎng)光，c表示0.82μm波長(zhǎng)光，圖中縱坐標(biāo)最大值為±5微米，各色光曲線形狀相似，偏差最大值控制在3微米以內(nèi)。

圖4為本發(fā)明超長(zhǎng)工作距離飛秒光克爾門選通彈道光顯微成像系統(tǒng)的場(chǎng)曲/畸變曲線圖，a表示0.78μm波長(zhǎng)光，b表示0.80μm波長(zhǎng)光，c表示0.82μm波長(zhǎng)光，從圖中可見整個(gè)系統(tǒng)的最大光學(xué)畸變小于2％。