[发明专利]差动共焦瞄准触发式空心球体内外轮廓及壁厚测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于透明或半透明空心球体的内外轮廓测量、形貌测量和壁厚测量。

技术背景

激光惯性约束核聚变(ICF)是实现可控热核聚变的可行途径之一，在能源、国防和基础科研等领域有重要应用。ICF实验常用靶丸是内含D₂或DT等热核燃料的微球，通常认为：靶丸内外表面的轮廓以及壁厚等微观几何参数是引起RT不稳定性的重要因素。在内爆加速期间，微小的表面扰动可能扩大100倍甚至更多，造成靶丸不对称压缩或破裂，最终导致打靶失败。因此，靶丸表面形貌的精确测量、分析与控制对于ICF内爆试验具有重要的现实意义。

表面形貌分析首先需要获取靶丸表面轮廓数据。常用的靶丸直径为50～1000μm，壁厚为0.5～20μm，壁厚偏差要求在0.03～0.5μm。由于靶丸的尺寸微小，靶壳脆弱，装夹和定位都很困难，难以实现精确无损测量。

靶丸表面形貌检测常采用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线法，但都有其局限性：AFM由于其测量范围的限制，只能测量很小的外表面区域，不能测量壁厚以及内表面；SEM需要测量对象是导体，而靶丸本身不导电，在测量前需要对靶丸表面蒸上一层碳用来导电，会引入误差，另外，SEM操作也需要在真空环境中进行，对测试环境要求非常高；X射线法只能根据图像进行定性的判断而无法实现定量测量。

针对靶丸的测量，国内外的学者进行了大量的研究。2000年美国General Atomic(GA)公司的R.B.Stephens等人将原子力显微镜、精密旋转轴系和光纤干涉技术相结合，用原子力显微镜测量靶丸外表面轮廓的高度值，用光纤干涉法沿相同的轨迹测量靶丸的壁厚，将外表面轮廓的高度值减去壁厚，得到了内表面轮廓的高度值。但是，在此方法中，对靶丸内表面的测量是通过干涉法测量壁厚间接实现的，存在以下问题：光斑直径大(100μm)，分辨力低；干涉测量壁厚的轨迹与原子力显微镜测量外表面的轨迹无法完全重合，会引入测量误差。

国内对靶丸测量进行的研究主要是跟踪国外的先进技术。在《强激光与粒子束》2005年第12期上发表的《靶丸表面轮廓形貌AFM精密测量及特性评价》中，哈尔滨工业大学研制的表面轮廓仪采用原子力显微镜与精密回转气浮轴系等相结合，实现了靶丸表面3个正交方向上的精确转换与测量。但是这种方法只能测量靶丸的外表面轮廓，无法测量靶丸的内表面轮廓和壁厚。在《原子能科学技术》2008年第2期上发表的《相移干涉法测量ICF微球内表面粗糙度》中，提出了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的方法。但此方法测量过程中，干涉条纹除了受温度、气流等环境因素的影响外，还会受到微球外表面粗糙度的影响，并且这种方法只能测量靶丸内表面的粗糙度。

以上测试方法的共性在于：无法用一种方法同时测量微球内外表面的形貌和壁厚。

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术发展迅速，该技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，具有精度高、共模噪声抑制能力强、具有绝对跟踪能力等特点。例如中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了抗环境扰动能力。差动共焦技术主要适用于微观显微测量领域，但将差动共焦式“光探针”传感器应用于微球内外表面形貌测量中的定位瞄准，继而实现微球内外表面轮廓以及壁厚的同时测量的报道，迄今为止尚未见到。

发明内容

本发明的目的是为了解决微球内外表面轮廓、形貌和壁厚等几何参数高精度无损测量的问题，提出一种利用差动共焦响应曲线零点作为瞄准触发点，通过测量差动共焦式“光探针”传感器聚焦物镜的位置变化量得到微球的内、外表面轮廓高度数据。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的差动共焦瞄准触发式空心球体内外轮廓及壁厚测量方法，包括以下步骤：

(1)平行光透过偏振分光镜1、1/4波片2，经过物镜3会聚到透明或半透明空心微球7；光线经过空心微球7的外表面或内表面反射后，通过物镜3、1/4波片2和偏振分光镜1进入差动共焦瞄准触发系统10；

(2)使物镜3在光轴方向做高速振动扫描，差动共焦响应曲线上的零点21、零点22分别对应物镜3聚焦到空心微球7外、内轮廓位置；

(3)通过差动瞄准触发系统10依次探测零点21、零点22，来分别测量与探测零点21和零点22对应物镜3的振动位置4和振动位置6，其值分别记为a和b；

其中a为瞄准点对应空心微球7外表面轮廓的高度值，b为瞄准点对应空心微球7内表面轮廓的高度值；