靶丸X射线光学厚度的精密检测

为了精密检测靶丸X射线光学厚度均匀性,建立了基于精密轴系和光纤阵列探测的靶丸X射线光学厚度检测装置,开展了光学厚度轮廓仪光路精密调校技术的研究,应用白光共焦光谱技术和光学显微成像技术,解决了气浮转台精密调整、X射线光路对中的难题,实现了对塑料靶丸壳层缺陷、表面质量、壁厚均匀性、壳层材料成分均匀性等多种耦合扰动综合效应的表征。对系统的稳定性进行了测试,实验结果表明,该系统的测量重复性偏差可基本控制在0.01%以内,空间分辨率约为100μm,满足ICF靶物理研究对靶丸X射线光学厚度扰动的高精度检测需求。     

无透镜全息显微细胞成像

为了同时满足较大的视场和较高分辨率的需求,开发了一套全息无透镜显微成像系统和配套算法,实现对微米级样品的无透镜显微成像。搭建了一套由LED光源、针孔、被测样品与CMOS图像传感器组成的全息无透镜显微成像系统,并对针孔直径、成像面尺寸、光源到样品的距离,以及样品面到CMOS图像传感器的距离进行了优化。其次,开发了从系统采集的全息图中恢复样品图像的角谱法算法。最后,使用该成像系统和配套算法,分别对具有微米级结构分辨率测试靶,和肺癌细胞悬浮液进行了显微成像。该全息无透镜显微成像系统的分辨率为4.4μm,成像视场尺寸为5.7 mm×4.3 mm,实现了微米级结构和肺癌细胞较清晰的显微成像。全息无透镜显微成像系统结构简单、无像差干扰,可以实现大视场下较高分辨率的显微成像。     

基于单次全反射椭球单玻璃管X射线聚焦镜表征光源参数

为了正确表征X射线光源参数,本文利用单次全反射椭球单玻璃管X射线聚焦镜,设计了一种测量X射线光源焦斑尺寸和焦深的方法。该方法利用椭球单玻璃管X射线聚焦镜具有单次全反射成像能力的特点,对多个已知焦斑尺寸的多毛细管X光透镜模拟光源的焦斑成像尺寸和椭球聚焦镜的面形误差进行表征,从而确定光源焦斑尺寸和经过椭球聚焦镜后的焦斑成像尺寸以及椭球聚焦镜的面型误差之间的通用数学关系。然后,通过分析待测光源焦斑经过椭球聚焦镜所成像的尺寸来得到被测量光源的焦斑尺寸。利用该法也同样可以得到光源焦深的大小。为了验证设计方法的可行性,测量了实验室微焦斑X射线光源的焦斑和焦深参数。测试显示:对于焦斑直径约为50μm、焦深约为20mm的光源,文中方法得到的算术平均值标准偏差分别为1.5μm和0.7mm。结果表明:本文设计的光源参数表征方法可以实现对微焦斑源焦斑尺寸和焦深的同时测量,在X射线源的研制和应用领域具有潜在应用。     

挠性接头薄筋厚度的高精度在线测量系统研究

本文使用基于机器视觉的显微测量技术对挠性接头的薄筋厚度进行高精度在线测量。测量时,挠性接头的薄筋轮廓经光源照明后,通过高放大倍率成像镜头成像在CCD上,薄筋轮廓图像经图像预处理、分割、边缘提取、参数计算等一系列图像处理后,最终得到薄筋厚度的实际尺寸。经实验证明,系统测量重复性精度为±0.4μm,不确定度优于1μm。     

共聚焦激光扫描显微系统光学设计

为了实现非接触式、快速高精度的光学检测,设计了一种共聚焦激光扫描显微光学系统。在保证设计指标的前提下,简化了各光组的结构,采用7片球面透镜并以K9玻璃作为透镜材料。使用Zemax软件对光学系统进行了设计和仿真。结果表明:物镜的数值孔径为0.49;系统的径向和轴向光学分辨率分别为0.400μm和0.772μm;显微聚焦系统聚焦弥散斑直径小于2μm;照明系统聚焦弥散斑直径小于10μm;探测系统的聚焦光斑直径小于20μm;根据仿真结果确定了针孔1和针孔2的尺寸均为20μm,且厚度不超过0.1mm;各子系统的MTF曲线均接近衍射极限,具有很高的光学传输效率。     

用于惯性约束聚变靶丸测量的激光差动共焦传感器

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题,研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS).该传感器基于差动共焦原理,利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位,并结合物镜微位移驱动技术,实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量.该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响,显著提高了系统的抗干扰能力.将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合,实现了对被测样品的精确瞄准.初步实验与理论分析表明:当测量物镜的数值孔径NA为0.65时,LDCS的轴向分辨力优于5 nm,信噪比优于1 160,过零点的标准偏差为10 nm.该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径.     

基于超分辨图像复原的显微圆孔孔径测量方法

为提高圆孔的光学显微测量准确性,研究了基于超分辨图像复原的显微圆孔孔径测量方法。该方法通过超分辨图像复原处理圆孔显微图像,提高了传统光学显微系统对圆孔成像的分辨率,确定了以超分辨复原图像灰度值为0.399作为圆孔物理边缘判据,实现对圆孔边缘的准确探测。理论分析表明该方法可准确测量微米级及以上直径圆孔。核孔膜孔径测量实验中,由二值化图像得到孔径测量结果为6.35μm(测量不确定度为0.08μm),与扫描电镜测量结果6.268μm(测量不确定度为0.083μm)相符,测量误差仅0.08μm。该技术有助于实现对圆孔形状的快速、准确在线测量。     

激光聚变靶丸球度测量与评定

为了解决激光聚变靶丸表面形貌高精度测量与评定的难题,提出一种激光差动共焦靶丸球度测量与评定方法,该方法利用激光差动共焦测量系统的轴向响应曲线的过零点与其物镜焦点位置相对应这一特性实现对靶丸表面的定焦,通过将靶丸在两个正交的方向上分别旋转,测量并获取靶丸表面的数个截面,实现靶丸表面全形貌测量,利用最小区域球度评定算法,建立靶丸球度评定的三维模型,对靶丸表面形貌进行定量评定。搭建实验装置对靶丸表面进行采样测量,评定结果显示,该方法的测量重复性为0.15μm,为靶丸表面形貌测量与评定提供了一种可行方案。     

应用于微型成像的氮化镓超透镜设计

为了实现可见光入射时亚波长尺度内的聚焦,设计了以氮化镓(GaN)纳米柱为基本晶胞的超透镜,该透镜能够改进传统成像系统的笨重低效,可应用于微型成像系统。超透镜表面由宽度渐变高度不变的GaN纳米柱阵列构成,分析GaN在亚波长尺度内对相位的调控能力和机理,并基于时域有限差分法模拟仿真了在蓝光波长为460nm入射时透射场的高效率聚焦,对比超透镜尺寸为3.75μm×3.75μm、6.75μm×6.75μm、8.75μm×8.75μm、10.75μm×10.75μm时超透镜的聚焦能力,得出聚焦后透射场焦点处的半峰全宽分别为1,0.8,0.5,0.3μm,给出了强度分布、聚焦光斑等仿真模拟结果,发现实际焦距与设计值存在偏差,且随超透镜尺寸的变化而变化。文中所设计的超透镜能够在微米级别实现聚焦,有效降低了传统成像系统的复杂度。     

激光聚变靶丸球面经纬迹线优化球度测量方法

针对激光聚变靶丸表面3D全形貌的高精度测量与评价难题,提出一种基于激光差动共焦原理的靶丸球面经纬迹线优化球度测量方法。该方法采用经纬迹线划分方案提高形貌信息采样覆盖率,实现靶丸球面形貌高效高精度测量。首先,利用差动共焦测量系统对靶丸球面经纬迹线上二维圆周采样点进行精准定焦,获取二维轮廓信息;然后,利用精密三维位姿调整机构和正交回转轴系切换被测截面,获取覆盖靶丸全球面多条经纬迹线处的高度信息;最后依据建立的靶丸球面经纬迹线三维坐标转换模型,采用最小二乘算法对靶丸球度进行高精度评定,并对靶丸表面进行形貌重构。实验结果表明：测量57条迹线,被测靶丸的球度误差为1.946μm。该方法为靶丸表面全形貌高精度测量与评定以及定性观察提供了可行性方案。     

激光聚变冲击波被动式测速光学系统设计

针对激光聚变装置冲击波速度被动测量的需求,设计了一种测速光学系统。采用高紫外透过率的氟化玻璃,实现了透射式300～800nm复消色差设计。系统光路具有前后两组镜头,中间为平行光,镜头间距可变,光路适应能力强。系统前端两侧的双目机器视觉能够完成自动寻的。平行光路中设置5个激光器,轴上的1个前向照明靶点用来观察条纹相机狭缝处的目标像质,轴外的4个与光轴平行后向传输用来标识系统光轴的位置,激光器部件可电动切入/切出。系统前组镜头F/#数为4,宽谱工作物方分辨率优于10μm,532nm单波长工作物方分辨优于5μm。该光学系统光路排布灵活,可单独被动测速,也可与主动测速系统VISAR耦合构成主被一体复合测速系统,满足激光聚变装置冲击波测速的需求。     

牙科口内数字成像系统设计

介绍了一种基于E2V-CCD的高清晰度牙科X射线数字成像系统。设计采用了FPGA(现场可编程门阵列)及高精度ADC,通过高速USB2.0进行高速数据传输,并给出了硬件和软件设计的详细说明。实验结果表明:牙科口内数字成像系统分辨率>15lp/mm。该X射线数字成像系统具有体积小、结构简单、分辨率高的特点,能够满足牙齿及指关节等部位实时诊断的要求。     

星敏感器遮光罩出口杂光的辐照度测试

面向星敏感器在轨应用时杂光抑制的迫切需求,开展了星敏感器遮光罩出口杂光辐照度分布定量测试。基于微型光纤光谱仪、二维高精度位移台以及太阳模拟器搭建了可逐点扫描的杂光测试平台,并将辐射测量软件与运动控制软件进行有效整合,开发系统集成测试软件,完成遮光罩出口杂光辐照度分布的实时定量测量。针对获取的不同光照入射角下遮光罩出口处的测量计数值,根据测量时设定的积分时间及保存的暗背景数据以及光谱仪定标数据计算获得遮光罩出口处的杂光辐照度分布。数据处理结果表明:遮光罩在出口处的杂光辐照度约为102 W/cm~2,而且分布不均匀。基于误差分析理论构建了测量误差模型,误差计算结果为4.87%,表明了测量方案的合理性和可行性。测量数据可为星敏感器系统方案设计、论证、测试、定型及应用提供重要的技术支持。     

激光等离子体X射线能谱诊断

为了诊断激光装置聚爆靶辐射等离子体内部的分布及运动过程,搭建了基于球面弯曲晶体的能谱成像系统。该系统的核心元件为弯曲半径为200mm的石英球面弯曲晶体(1011),利用晶体的晶格结构进行反射,利用弯曲表面实现聚焦。在中国工程物理研究院神光Ⅲ原型激光装置上利用该能谱成像系统首次进行X射线能谱成像实验。IP成像板得到了清晰的高Z元素Au等离子体X射线能谱。能谱信息分析显示,石英球面弯曲晶体得到的能谱分辨率约为1 380,与能谱分辨模型理论值的误差为3.9%。该结果表明石英球面弯曲晶体具有很好能谱分辨能力。     

使用高精度三坐标测量仪实现透镜定中心

传统的光学测量定中心法受限于光源、转台大小和装调误差传递性而不适用于大口径、多透镜光学系统的装调,为此本文提出了使用三坐标测量仪接触式测定透镜中心的精密机械测量法。介绍了使用三坐标测量仪测量大口径透镜中心偏的原理,即在测量透镜上表面与基准轴等距离各点坐标的基础上拟合得到透镜光轴与基准轴的夹角,从而解算出透镜的中心偏。通过大口径长焦距镜头的装调对该方法进行了检验。检验结果表明:该透镜的装调偏差为6.47″,重复性误差为(1.16×10-4)″。该方法将光学测量变为机械测量,利于装调,可在保证装调精度的同时简化装调难度,提升装调效率,满足大口径多透镜光学系统对高精度装调的要求。     

高分辨率4f传像系统分辨率的影响因素分析

研究了在实际应用中4f传像系统分辨率的影响因素及其作用机制,用于指导系统的设计和装调。首先,在理论上分析了由装调误差引起的像差对系统光学传递函数(MTF)产生的影响,并建立了描述二者关系的数学模型。基于该模型研究了1μm分辨率4f光学系统的装调误差,仿真计算了系统含有透镜偏心、倾斜、位移误差对MTF的影响,得到了分辨率随误差的变化曲线。实验结果表明,倾斜在15″以内,偏心误差在0.02mm,位移在0.01mm范围内,装调误差均会导致分辨率下降,虽然倾斜在极小范围内微调时分辨率会提高,但总的变化趋势不变。绘制的装调误差与分辨率的关系图,可为高分辨率4f系统的误差预估提供参考。     

FPGA-based High-precision Measurement Algorithm for the Ultrasonic Echo Time of Flight

Based on the evaluation of advantages and disadvantages of high-precision digital time interval measuring algorithms, and combined with the principle of the typical time-difference ultrasonic flow measurement,the requirements far the measurement of echo time of flight put forward by the ultrasonic flow measurement are an-alyzed.A new high-precision time interval measurement algorithm is presented, which combines the pulse counting method with the phase delay interpolation. The pulse counting method is used to ensure a large dynamic measuring range, and a double-edge triggering counter is designed to improve the accuracy and reduce the counting quantiza-tion error.The phase delay interpolation is used to reduce the quanti-zation error of pulse counting for further improving the time measure-ment resolution.Test data show that the system for the measurement of the ultrasonic echo time of flight based on this algorithm and im-plemented on an Field Programmable Gate Array(FPGA) needs a rel-atively short time for measurement,and has a measurement error of less than 105 ps.     

适用显微镜质量测试的高分辨率测量镜头设计

利用Zemax光学设计软件设计了一款适用于光学成像尺寸为38mm的互补金属氧化物半导体(CMOS)型工业相机的高分辨率测量镜头,该工业相机用于自动化定量分析检测显微镜像差。通过数码图像处理的方式去评判显微镜物镜性能的好坏。在满足性能要求基础上,对普通的测量镜头结构加以优化,使得测量镜头拥有非常高的分辨率。该镜头焦距为36mm,后工作距约为32mm,视场像面高度为36mm,在90lp/mm处,中心视场调制传递函数(MTF)值大于0.45,边缘视场MTF值大于0.25。     

Design of X-ray digital imaging and data acquisition system

X-ray digital imaging technology is a new method of nondestructive testing. Non-film real time digital radiograph, which has high efficiency and low cost, especially the characteristics of digital image exchangeability and storage convenience, has become the development direction. Because the existing system has the disadvantage of low imaging quality and only being used at low X-ray energy, a high quality imaging system based on scientific CCD camera has been developed, which has high spatial solution and high contrast sensitivity and can be used both at high energy and low energy. This paper introduces the constitution of the system, and designs the relative circuits. The experimental results show that the system has the better imaging quality and wider adapting range for X-ray energy, can needs the requirements of measurement.     

高质量X射线检测数字化成像及图像采集

X射线数字成像检测是工业无损检测的新技术.非胶片实时数字成像检测以其高效率、低成本,特别是数字图像的可交换性和存储方便等特点成为射线检测的发展趋势.通常使用的由射线像增强器、视频摄像机、图像采集卡和计算机组成的系统成像质量差且只能在低能X射线下使用,作者经过反复研究和实验,研制了基于单晶闪烁屏和科学级CCD相机的可用于高、低能X射线高分辨率、高对比灵敏度数字成像检测系统.介绍了整个检测系统的组成,设计了科学级制冷CCD相机、预处理电路、A/D转换电路、微机EPP方式快速数据采集电路和软件等.给出了某铝铸件(厚150mm)在加速器高能X射线下的成像结果.实验证明该系统比普通像增强器和视频相机组成的系统具有适应射线能量范围宽和成像质量好的优点(成像时间长一些).系统的空间分辨率大于3lp/mm, 检测物体50mm(等效钢厚)以上时,对比度灵敏度小于1%.