[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[11]公开号CN 101285702A [43]公开日2008年10月15日
[21]申请号200710300721.4[22]申请日2007.12.21
[21]申请号200710300721.4
[71]申请人西北工业大学
地址710072陕西省西安市友谊西路127号
[72]发明人李恩普 赵建林 郑普超 邸江磊 [74]专利代理机构西北工业大学专利中心代理人王鲜凯
[51]Int.CI.G01H 9/00 (2006.01)G02B 27/10 (2006.01)
权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 4 页
[54]发明名称
[57]摘要
本发明涉及一种超声悬浮场可视化测量方法及
其测量系统，技术特征在于：将激光器发出的光束
分为第一和第二两组平行光束；将第一平行光束穿
过待测超声场后被反射沿原路穿过待测超声场形成
测量物光；将第二平行光束作为参考光与测量物光
发生干涉成像于面阵CCD。优越性在于：进行测量
的过程中避免产生误差，实现其瞬时记录，可以探
测声场扰动使空气产生的微小折射率变化造成的干
涉条纹分布，使测量结果更加直观、精确。利用本
现真正意义上的各种复振幅运算和操作，使数据处
理过程简单快速且精度高。本测量装置可以进行较
大体积流场的实时测量，对实现超声悬浮场的无扰
测量具有很大的优势。
200710300721.4权 利 要 求 书第1/2页
1.一种超声悬浮场可视化测量方法，其特征在于：
(1)将激光器发出的光束分为第一和第二两组平行光束；
(2)将第一平行光束穿过待测超声场后被反射沿原路穿过待测超声场形成测量物光；
(3)将第二平行光束作为参考光与测量物光发生干涉成像于面阵C C D。 2.一种实现权利要求1所述的测量方法的测量系统，其特征在于：系统包括激光器(12)，分束装置(6)，二个扩束装置(5)、(7)，半透半反镜(4)，全反射镜(3)，凸透镜(2)和面阵C C D(1)；在激光器(12)发出的光路中设置形成第一光束和第二光束的分束装置(6)；在第一光束的光路中，依次设置扩束装置(5)和全反射镜(3)，待测超声场位于光路中设置在扩束装置(5)和全反射镜(3)之间，在扩束装置(5)与待测超声场之间设置一个将物光反射到与第一光束方向垂直的另外一侧的半透半反镜(4)；在第二光束的光路中，设置一个将光束变为平行参考光的扩束装置(7)；在两束光以一定倾角发生干涉后形成的光路中，依次设置将干涉图样成像的凸透镜2和记录数字全息图的面阵CCD1。 3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于：在激光器(12)与分束装置(6)
的光路之间设置衰减器(11)和改变光路方向的全反射镜(10)。
4.根据权利要求2～3所述的测量系统，其特征在于：在第二光束的光路中，分束装置(6)与扩束装置(7)之间设置改变光路方向的全反射镜(8)。
5.根据权利要求2～3所述的测量系统，其特征在于：在第二光束的光路中，扩束装置(7)之后依次设置改变光路方向的全反射镜(8)和半透半反镜(9)，半透半反镜(9)位于半透半反镜(4)和凸透镜(2)之间。
6.根据权利要求2～3所述的测量系统，其特征在于：在激光器(12)发出的光路中
200710300721.4权 利 要 求 书 第2/2页
将原有的二个扩束装置(5)、(7)合并为一个扩束准直器(5)，并设置在分束镜(17)之前端，所述的分束镜(17)设置在原有的分束装置(6)的位置，且分束
镜(17)的透反比为7∶3。
7.根据权利要求2～4所述的测量系统，其特征在于：所述的分束装置(6)为固定分光比分束镜，或分光比可调分束镜。
8.根据权利要求2～5所述的测量系统，其特征在于：所述的扩束装置(7)为扩束镜，或透镜组。
9.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于：所述线阵CCD(1)为一面阵列分
布的电荷耦合器件。
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超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统
技术领域
本发明涉及一种超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统，利用数字全息技术实现超声悬浮场的测量。
背景技术
声悬浮技术主要利用的是高强度超声驻波场产生的声辐射力(Acoustic Radiation Force)或声辐射压力(Acoustic Radiation Pressure)，它可以使密度比空气大几百甚至几万倍的常见固体或液体克服地球引力而悬浮于空气中，也可以将密度很小的气泡定位于液体中某一位置而不漂浮到液面上，是一种无容器处理的重要手段。 由于超声悬浮场是声波在空气中形成的驻波场，不能直接用眼睛或视频装置接收，加
上探测过程不能干扰声场，使得常规探测仪器无法使用。又由于引入测量器件后，会对声悬浮场产生影响且难于实现全场测量。所以，到目前为止，对超声悬浮场的研究工作多集中于利用声学理论进行数值计算。西北工业大学张琳等人用传统光学全息方法首次对声悬浮场分布进行了测量(张琳，李恩普，冯伟，洪振宇，解文军，马仰华，声悬浮过程的激光全息干涉研究，物理学报，54(5)(2005))。不过，由于其方法的局限性，测量结果比较粗糙，该方法以全息干板作为记录介质，需要经过复杂的物理和湿化学处理过程，记录的信息和记录效果极易受到人为操作的影响，而且信息处理手段有限，不能解调出干涉场的相位信息；随后，张琳等人(张琳，声悬浮过程的激光全息干涉研究，硕士学位论文，西北工业大学，(2005)进一步应用数字全息方法并采用双共聚焦光路对超声悬浮场进行了测量，由于其光路结构的限制，测量弱相位场的灵敏度低，测量过程较复杂，难以做到定量分析，且测量范围固定不可调。 总之，超声悬浮场属于弱相位场，而现有的测量灵敏度低，测量过程较复杂，且
200710300721.4说 明 书 第2/8页测量范围固定不可调。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统，可以克服在测量超声悬浮场的弱相位场过程中灵敏度低，且测量范围固定不可调，测量过程较复杂的问题。
技术方案
本发明提出一种超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统的技术特征在于：将激光器发出的光束分为第一和第二两组平行光束；第一平行光束穿过待测超声场后被反射沿原路穿过待测超声场形成测量物光；第二平行光束作为参考光与测量物光发生干涉成像于面阵CCD。
一种实现上述测量方法的测量系统，其特征在于：系统包括激光器12，分束装置6，二个扩束准直装置5、7，半透半反镜4，全反射镜3，凸透镜2和面阵C C D1。在激光器12发出的光束中设置形成第一光束和第二光束的分束装置6。在第一光束的光路中，依次设置扩束准直装置5和全反射镜3，待测超声场位于光路中，设置在扩束准直装置5和全反射镜3之间，在扩束准直装置5与待测超声场之间设置一个将物光反射到与第一光束方向垂直的另外一侧的半透半反镜4。在第二光束的光路中，设置一个将光束变为平行参考光的扩束准直装置7；在两束光以一定倾角发生干涉后形成的光路中，依次设置将干涉图样成像的凸透镜2和记录数字全息图的面阵C C D1。 在上述方案中，可以在激光器12与分束装置6的光路之间设置衰减器11和改变光路方向的全反射镜10。
在第二光束的光路中，分束装置(6)与扩束装置(7)之间设置改变光路方向的
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