一种超长工作距离的光克尔门选通弹道光显微成像系统的制作方法

本发明属于光学显微成像系统设计领域，适用于对内燃机燃料喷雾场近场区内部细微结构进行研究。

背景技术：

在生物组织、胶质溶液、大气等散射介质内，由于光的散射，很难直接对这些散射介质内部结构或者隐藏的物体进行成像。为此，人们发展出了多种适于散射介质内目标观测的光学成像技术。这类光学成像技术为生命科学、医学、材料科学、物理学等学科的研究，提供了强有力的分析和测试工具，广泛应用于早期癌组织诊断、材料检测和模糊目标识别等领域，具有重要的应用价值。

一般而言，当一束光通过散射介质后，出射光中包含了弹道光、蛇形光和散射光三种成分。其中，弹道光是出射光中无散射的部分，行进路径短，出射角度与入射角度基本一致，最先从散射介质中出射，携带了散射介质内目标的成像信息；蛇形光是出射光中经历少量散射部分，沿着入射光的轴线，以稍大的立体角出射，携带少量的成像信息；散射光是出射光中经历多重散射部分，向4π立体角内散射，不携带直接的成像信息，在参与成像时，散射光会严重降低成像对比度与分辨率。光克尔门选通弹道光成像技术是一种适于散射介质内目标观测的高时间分辨的直接成像技术。它利用作为探测光的飞秒脉冲通过散射介质后，弹道光成分在时间域上保持入射脉冲形状，散射成分在时间域上展宽的特性，采用光克尔门(一种超快时间门)选通携带散射介质内目标物体信息的弹道光，阻止产生噪声的大量散射光，进而对散射介质内部物体进行成像。

在靠近液体火箭发动机等引擎喷嘴的高速燃料喷雾流场内部(也被称为高速燃料喷雾流场的近场区)，湍流强度大，变化快，液核破裂形成的液滴密度高，存在很强的光散射。对于该区域内具有重要研究意义的燃料液核破裂和雾化过程，长久以来一直缺乏有效的观测方法。近来研究人员发现光克尔门选通弹道光成像技术兼具优异的散射光子抑制能力和极高的时间分辨率的特点，非常适合对高速燃料喷雾流场的近场区内液核破裂过程进行瞬态成像，在液体火箭发动机等引擎内部高速燃料喷雾流场研究领域具有重要的应用价值。

由于燃料喷雾场往往工作在高温高压的苛刻环境，为了避免光学元件的污染与损伤，同时避免外部装置对燃料喷雾场特性造成影响，现有的光克尔门选通弹道光成像系统为了保证较长的工作距离，其分辨率往往较低，其典型空间分辨率约为50微米。为了研究喷雾场近场区中诸如微小液滴的运动特性、燃料韧带结构中的精细结构特性等微区特性，需要采用光克尔门选通弹道光显微成像系统。然而，简单采用已有显微物镜的传统的光克尔门选通弹道光显微成像系统，由于显微物镜的限制，其工作距离一般都小于50毫米，无法应用于液体燃料喷雾场近场区的研究。

技术实现要素：

本发明解决的问题在于提供一种超长工作距离的光克尔门选通弹道光显微成像系统的设计方案，该系统具有超长工作距离，可达200多毫米，光学元件数量少，成本低，具有高分辨率，成像质量优异，接近衍射极限，能够实现喷雾场近场区细微结构的显微成像。

为了实现发明目的，本发明的具体技术方案如下：

一种超长工作距离的光克尔门选通弹道光显微成像系统，沿同一光轴从左向右依次排列有：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜组成第一光组；第五偏振器、第六克尔介质和第七偏振器组成第二光组；第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜组成第三光组，三组依次排列。

第一透镜和第二透镜组成双胶合组，第一透镜采用负透镜，第二透镜采用正透镜，第三透镜采用正双凸透镜，第四透镜采用负弯月透镜。

第一光组采用第四透镜与第一透镜、第二透镜、第三透镜远分离的光学结构改善像差。

所述的工作距离w.d.为200mm～250mm，放大倍率大于等于5x，数值孔径na为0.1，最小分辨率σ为5μm。

第五偏振器和第七偏振器完全正交。

第六克尔介质采用二硫化碳材料。

第三光组采用与第一光组完全相同的结构，整个系统形成关于克尔介质对称的结构。

技术效果

本发明超长工作距离的光克尔门选通弹道光显微成像系统实现了200mm～250mm范围内的超长工作距离、5μm的最小分辨率以及大于等于5x的放大倍率。第一光组通过采用第四透镜与第一透镜、第二透镜、第三透镜正负光焦度的配合以及远分离的光学结构，实现200mm～250mm的超长工作距离。此外，本发明通过移动第三光组的放置位置，可实现放大倍率5x及以上的连续改变，满足不同放大倍率的观察需求，各个光组独立像差校正完好，始终获得清晰图像。通过对第一光组、第二光组和第三光组的优化设计，形成对称结构，合理分配系统各部分组成结构，解决超长工作距离光克尔门选通弹道光显微成像引入的场区、畸变、像散等光学像差的问题，实现超长距离的高分辨率显微成像，克服传统光克尔门选通弹道光显微成像系统工作距离短，透镜易被燃料喷雾场近场区存在的雾化液滴污染，并且被高压、高温、高应力的环境损坏的缺点，特别适用于对发动机燃料喷雾场近场区细微结构的远距离、高分辨率的显微成像。

附图说明

图1为本发明超长工作距离的光克尔门选通弹道光显微成像系统的结构示意图；

图2为本发明超长工作距离的光克尔门选通弹道光显微成像系统的传递函数图；

图3为本发明超长工作距离的光克尔门选通弹道光显微成像系统的垂轴像差曲线图；

图4为本发明超长工作距离的光克尔门选通弹道光显微成像系统的场曲/畸变曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种超长工作距离的光克尔门选通弹道光显微成像系统，系统前后分成三个光组构成，其特征在于沿同一光轴从左向右依次排列有：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜组成第一光组；第五偏振器、第六克尔介质和第七偏振器组成第二光组；第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜组成第三光组。所述系统中：第一透镜的口径为46毫米，中心厚为8亳米，左球面曲率半径为-576毫米，右球面曲率半径为-50毫米，采用的玻璃牌号为k9；第二透镜的口径为46毫米，中心厚为5亳米，左球面曲率半径为-50毫米，右球面曲率半径为-112毫米，采用的玻璃牌号为zf6，距第一透镜0毫米；第三透镜的口径为46毫米，中心厚为7亳米，左球面曲率半径为186毫米，右球面曲率半径为-146毫米，采用的玻璃牌号为k9，距第二透镜20毫米；第四透镜的口径为46毫米，中心厚为7亳米，左球面曲率半径为124毫米，右球面曲率半径为74毫米，采用的玻璃牌号为k9，距第三透镜51毫米；第五偏振器的口径为15毫米，中心厚为23亳米，距第四透镜891毫米；第六克尔介质的口径为4毫米，中心厚为23亳米，距第五偏振器25毫米；第七偏振器的口径为15毫米，中心厚为23亳米，距第六克尔介质25毫米；第八透镜的口径为46毫米，中心厚为8亳米，左球面曲率半径为-576毫米，右球面曲率半径为-50毫米，采用的玻璃牌号为k9，距第七偏振器291毫米；第九透镜的口径为46毫米，中心厚为5亳米，左球面曲率半径为-50毫米，右球面曲率半径为-112毫米，采用的玻璃牌号为zf6，距第八透镜0毫米；第十透镜的口径为46毫米，中心厚为7亳米，左球面曲率半径为186毫米，右球面曲率半径为-146毫米，采用的玻璃牌号为k9，距第九透镜20毫米；第十一透镜的口径为46毫米，中心厚为7亳米，左球面曲率半径为124毫米，右球面曲率半径为74毫米，采用的玻璃牌号为k9，距第十透镜51毫米。

本发明的三个光组中，第一光组实现了一个超长工作距离显微物镜，第二光组实现了光克尔门选通弹道光结构，第三光组作为目镜系统。

本发明的第一光组中，由第一透镜和第二透镜组成双胶合组，第一透镜采用负透镜，第二透镜采用正透镜，第三透镜采用正双凸透镜，第四透镜采用负弯月透镜。

本发明的第二光组中，第五偏振器和第七偏振器完全正交，遮蔽初始偏振方向没有改变的入射光，第六克尔介质改变透射光的偏振方向，从而组成超快时间门，在时间上提取携带物体成像信息的弹道光子。

本发明的第三光组由第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜组成，与第一光组完全相同，像差矫正良好，加工方便。

第一光组实现超长工作距离显微物镜，特点主要在于它的应用环境：内燃机结构巨大，且喷雾近场区内部为高温高应力，存在大量液滴，极易改变透镜结构，污染透镜表面，使研究近雾场细微结构困难重重。因此需要超长工作距离的显微物镜来实现对喷雾近场区细微结构的研究。

所述物镜为实现超长工作距离的清晰显微平场成像，必然会引入场曲、球差、色差、像散等严重像差，特采用第四片弯月透镜为负透镜且与前三片透镜远分离的光学结构改善像差，负透镜可改善场曲像差，而远分离结构可极大地增长工作距离并且可以改善球差、色差和像散问题。

超长工作距离的光克尔门选通弹道光显微成像系统其工作原理是：激光作为探测光照明入射，探测光依次通过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，在第五偏振器处偏振方向垂直于起偏器的光束被滤除，其余光束继续传输；光束经过第一光组显微物镜成像，将第六克尔介质放置在物镜像面处，光束进入第七偏振器，由于偏振方向垂直于偏振器方向，不能通过；泵浦光从侧面进入第六克尔介质，克尔介质产生克尔效应改变光束偏振方向，通过第七偏振器；物镜成像作为二次物面通过第三光组成像，将目镜系统放置在距离第七偏振器近二倍焦距处使其1:1成像在ccd上；通过改变第三光组放置位置可实现超长工作距离飞秒光克尔门选通弹道光显微成像系统变倍成像，实现5x及以上的放大倍率。

图2为本发明超长工作距离飞秒光克尔门选通弹道光显微成像系统的像面传递函数曲线图，a表示0.78μm波长光，b表示0.80μm波长光，c表示0.82μm波长光，从图中可以得到像面传递函数在0视场、0.7视场和全视场的情况，像面光学传递函数在40lp/mm处大于0.05。

图3为本发明超长工作距离飞秒光克尔门选通弹道光显微成像系统的垂轴像差曲线图，a表示0.78μm波长光，b表示0.80μm波长光，c表示0.82μm波长光，图中纵坐标最大值为±5微米，各色光曲线形状相似，偏差最大值控制在3微米以内。

图4为本发明超长工作距离飞秒光克尔门选通弹道光显微成像系统的场曲/畸变曲线图，a表示0.78μm波长光，b表示0.80μm波长光，c表示0.82μm波长光，从图中可见整个系统的最大光学畸变小于2％。