CN109297675A - 基于阴影的二次共轭成像光路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于阴影的二次共轭成像光路，所述光路中光源发射的光束经一号平行光镜组形成平行光，所述平行光穿过流场后经二号平行光镜组会聚至刀口光阑；刀口光阑的出射光束经准直物镜组形成一次像；所述一次像经过成像物镜组形成刀口光阑像，并在成像面处形成二次像；所述光源与刀口光阑共轭；刀口光阑与刀口光阑像共轭；一次像与二次像共轭；所述一号平行光镜组和二号平行光镜组的相对孔径相同。本发明光路中通过多次物象共轭关系来延长阴影成像过程中后截距长度，从而可在光路中的多个位置进行分光，便于开展多幅阴影成像，可用于多路阴影分光成像的测试系统搭建。

Description

基于阴影的二次共轭成像光路

技术领域

本发明涉及阴影成像技术领域，尤其涉及一种基于阴影的二次共轭成像光路。

背景技术

流动显示是空气动力学、爆炸与冲击、燃烧与化学反应等很多研究领域中一种重要的测试技术之一，通过流动显示可以获得测试流场的密度变化情况以及模型的投影姿态位置等，为试验研究提供重要的图像数据。目前采用的流动显示方法主要为平行光阴影成像方法。

阴影法的主要优点是，光束对所测试的流场区域非接触，可对整个流场同时进行测量。只要通过场镜形成一束平行光通过流场(透明介质)测试段，即可根据平行光束受扰动之后的线位移量来分析流场的密度等参数变化。现有的阴影成像中，由于成像后截距的限制，一般针对超高速试验时，单次试验在同一视场只能获得一张阴影图像。

目前，为了在单次试验中的同一测试区域获得连续的图像数据，在前光成像时，在光路中采用了分光成像的方法。而对于阴影成像，由于平行光镜组的相对孔径D/f较小(D指平行光镜组中镜片的有效孔径，f表示所述镜片焦距)，且成像分辨率受各个镜组的孔径共轭关系影响，所以基于阴影成像时不能完全满足全视场成像的需求，并且其像面的分辨率不能达到系统的衍射极限。

因此，针对以上不足，需要提供成像光路，使其在阴影成像时可以有效延长阴影成像光路的后截距长度，又不降低阴影成像的分辨率，以更好的搭建多路阴影分光成像的测试系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有阴影成像中受成像后截距的限制，在超高速试验时，单次试验在同一视场只能获得一张图像的缺陷，提供一种基于阴影的二次共轭成像光路。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于阴影的二次共轭成像光路，包括：

光源、一号平行光镜组、流场、二号平行光镜组、刀口光阑、准直物镜组和成像物镜组，

光源发射的光束经一号平行光镜组形成平行光，所述平行光穿过流场后经二号平行光镜组会聚至刀口光阑；刀口光阑的出射光束经准直物镜组形成一次像；所述一次像经过成像物镜组形成刀口光阑像，并在成像面处形成二次像；

所述光源与刀口光阑共轭；刀口光阑与刀口光阑像共轭；一次像与二次像共轭；

所述一号平行光镜组和二号平行光镜组的相对孔径相同。

在根据本发明所述的基于阴影的二次共轭成像光路中，所述准直物镜组的相对孔径不小于一号平行光镜组的相对孔径。

在根据本发明所述的基于阴影的二次共轭成像光路中，所述成像物镜组的相对孔径不小于一号平行光镜组的相对孔径。

在根据本发明所述的基于阴影的二次共轭成像光路中，所述准直物镜组采用双分离望远物镜形式的光学结构。

在根据本发明所述的基于阴影的二次共轭成像光路中，所述准直物镜组中正透镜材质为冕牌玻璃，负透镜材质为火石玻璃。

在根据本发明所述的基于阴影的二次共轭成像光路中，所述成像物镜组采用双分离投影物镜形式的光学结构。

在根据本发明所述的基于阴影的二次共轭成像光路中，所述成像物镜组中正透镜材质为冕牌玻璃，负透镜材质为火石玻璃。

在根据本发明所述的基于阴影的二次共轭成像光路中，所述光源位于一号平行光镜组的焦点处。

在根据本发明所述的基于阴影的二次共轭成像光路中，所述刀口光阑位于二号平行光镜组的焦点处。

实施本发明的基于阴影的二次共轭成像光路，具有以下有益效果：本发明利用平行光镜组实现阴影成像，再利用准直物镜组对平行光路中的流场成像，形成一次像，最后利用成像物镜组将一次像成像为二次像，通过多次物象共轭关系来延长阴影成像过程中后截距长度，从而可在光路中的多个位置进行分光，便于开展多幅阴影成像，可用于多路阴影分光成像的测试系统搭建。

附图说明

图1为根据本发明的基于阴影的二次共轭成像光路的示例性光路图；

图2为根据本发明的光源共轭刀口光阑的示例性光路布局图；

图3为平行光阴影成像的示例性光路布局图；

图4为准直物镜组成像的示例性光路布局图；

图5为成像物镜组成像的示例性光路布局图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式、本发明提供了一种基于阴影的二次共轭成像光路，结合图1所示，包括：光源1、一号平行光镜组2、流场3、二号平行光镜组4、刀口光阑5、准直物镜组6和成像物镜组8，

光源1发射的光束经一号平行光镜组2形成平行光，所述平行光穿过流场3后经二号平行光镜组4会聚至刀口光阑5；刀口光阑5的出射光束经准直物镜组6形成一次像7；所述一次像7经过成像物镜组8形成刀口光阑像9，并在成像面处形成二次像10；

所述光源1与刀口光阑5共轭；刀口光阑5与刀口光阑像9共轭；一次像7与二次像10共轭；

所述一号平行光镜组2和二号平行光镜组4的相对孔径相同。

所述的一号平行光镜组2和二号平行光镜组4可以分别采用双分离透镜组的形式，能有效地校正平行光会聚时的色差。

本实施方式中利用一组平行光镜组实现阴影成像；再利用准直物镜组6对所述流场3成像，获得与流场3共轭的一次像7；最后利用成像物镜组8对一次像7共轭成像为二次像10，同时在成像物镜组8与二次像10之间形成与刀口光阑5共轭的刀口光阑像9。这种光路结构，通过多次的共轭设计来有效延长阴影成像的光路布局，能为阴影光路中的多路分光成像提供基础。所述一号平行光镜组2和二号平行光镜组4可以为任意形式，为使一次像7和二次像10分辨率达到光学成像的理论衍射极限，根据瑞利判据，在平行光镜组相对孔径及光源1的波长不变时，可通过对准直物镜组6和成像物镜组8相对孔径的设置，使系统的分辨率为定值。

准直物镜组6和成像物镜组8将刀口光阑5共轭至刀口光阑像9，所述刀口光阑像9为光源的二次共轭像，位于二次像10与成像物镜组8之间。本实施方式中的光路，根据物象共轭关系:

其中f为焦距，l为物距，v为像距；

所以针对不同的成像物距要求，成像的像距会发生变化，为此可以调整准直物镜组6和成像物镜组8之间的间隔，实现流场3在平行光路中不同位置，即不同物距范围内，一次像7和二次像10在像面位置不变的情况下，都可获得清晰成像。

作为示例，结合图1所示，所述准直物镜组6的相对孔径不小于一号平行光镜组2的相对孔径。

所述准直物镜组6接收了刀口光阑5出射的所有光束后，可将刀口光阑5成像至无穷远，且将流场3成像至一次像7；为了实现光路总的理论分辨率(即一次像7的可分辩像素数)不下降，应使准直物镜组6的相对孔径至少不低于平行光镜组的孔径比；利用光学设计软件ZEMAX将准直物镜组6中各个镜片的曲率半径设置为变量，评价方法为共轭一次像7与流场3，通过软件优化，完成准直物镜组6的像差校正。

作为示例，结合图1所示，与准直物镜组6相对孔径的设置相类似，所述成像物镜组8的相对孔径也要不小于一号平行光镜组2的相对孔径。

成像物镜组8接收到一次像7传递的所有光束后，将刀口光阑5成像至刀口光阑像9的位置，且将一次像7共轭形成二次像10；为了实现光路总的理论分辨率即二次像10的可分辩像素数不下降，成像物镜组8的相对孔径要至少不低于平行光镜组的孔径比，同时不低于准直物镜组6的相对孔径；利用光学设计软件ZEMAX将成像物镜组8中各个镜片的曲率半径设置为变量，评价方法为共轭一次像7与二次像10，通过软件优化，可以完成成像物镜组8对流场像校正像差，同时对准直物镜组6的像差进行补偿。

作为示例，所述准直物镜组6可以采用双分离望远物镜形式的光学结构。

其中，所述准直物镜组6中正透镜材质可以为冕牌玻璃，负透镜材质可以为火石玻璃，在保持一次像7和流场3共轭的情况下，对刀口光阑5的像差进行校正。

作为示例，所述成像物镜组8采用双分离投影物镜形式的光学结构。

其中，所述成像物镜组8中正透镜材质可以为冕牌玻璃，负透镜材质可以为火石玻璃，在保持一次像7和二次像10共轭的情况下，可以针对流场校正像差。

作为示例，结合图1所示，所述光源1可以位于一号平行光镜组2的焦点处，从而使一号平行光镜组2将光源1的发散光约束为平行光，平行光穿过流场3再经二号平行光镜组4会聚至焦点位置处，即刀口光阑5处。

作为示例，结合图1所示，所述刀口光阑5位于二号平行光镜组4的焦点处，二号平行光镜组4将平行光束会聚至刀口光阑5。

下面结合附图对本发明的光路结构进行详细说明：

图2所示，光源1处于一号平行光镜组2的焦点位置，其发出的散射光照射到一号平行光镜组2形成平行光，再经二号平行光镜组4会聚至其焦点位置，即刀口光阑5处。其中光源1与刀口光阑5形成共轭关系，且放大倍率不变；为了校正色差的影响，平行光镜组材料都采用双分离的冕牌和火石玻璃。

图3所示，为平行光阴影成像光路布局示意图。测试区域中的流场3被平行光照射后，透过二号平行光镜组4能获得流场像11；随着流场密度发生变化，流场像11反映了密度梯度的变化情况。所述流场像11与流场3形成共轭关系，流场像11的放大倍率与流场3到二号平行光镜组4的距离及二号平行光镜组4的焦距有关。

图4所示的准直物镜组成像的示例性光路布局图，在二号平行光镜组4焦距之后，放置准直物镜组6，使准直物镜组6距离二号平行光镜组4焦点位置的距离为准直物镜组6的焦距；光束经过准直物镜组6后在像方位置形成一次像7；由于准直物镜组6的加入，相对于图3来说，光路的传播发生了改变，此时在准直物镜组6像方位置形成了流场3的一次像7。为了满足光路的分光成像需求，可以在一次像7位置前后进行分光；为对刀口光阑5的共轭关系进行校正，准直物镜组6可以采用双分离的望远物镜形式，材料分别可以采用冕牌和火石玻璃。

图5所示是成像物镜光路布局示意图。在光路中形成一次像7后，经过成像物镜组8延长光路的同时形成共轭的二次像10和共轭的刀口光阑像9；为了满足光路的分光成像需求，可以在刀口光阑像9的位置前后进行分光。

对本发明的光路结构可以采用光学仿真软件ZEMAX计算获得的传递函数曲线。通过仿真表明，本发明光路布局合理，有效地延长了阴影成像的后截距长度，可进行多束光的分光成像，且其成像质量达到了理论衍射极限。

综上所述，本发明所述光路可进行多个通道的光路分光成像，其每个通道的成像像面大小一致，能保证每个分光后的二次像与物面流场的放大倍率一致，为后期获得的不同图像分析提供数据参考。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于阴影的二次共轭成像光路，其特征在于包括：

光源(1)、一号平行光镜组(2)、流场(3)、二号平行光镜组(4)、刀口光阑(5)、准直物镜组(6)和成像物镜组(8)，

光源(1)发射的光束经一号平行光镜组(2)形成平行光，所述平行光穿过流场(3)后经二号平行光镜组(4)会聚至刀口光阑(5)；刀口光阑(5)的出射光束经准直物镜组(6)形成一次像(7)；所述一次像(7)经过成像物镜组(8)形成刀口光阑像(9)，并在成像面处形成二次像(10)；

所述光源(1)与刀口光阑(5)共轭；刀口光阑(5)与刀口光阑像(9)共轭；一次像(7)与二次像(10)共轭；

所述一号平行光镜组(2)和二号平行光镜组(4)的相对孔径相同。

2.根据权利要求1所述的基于阴影的二次共轭成像光路，其特征在于：所述准直物镜组(6)的相对孔径不小于一号平行光镜组(2)的相对孔径。

3.根据权利要求1或2所述的基于阴影的二次共轭成像光路，其特征在于：所述成像物镜组(8)的相对孔径不小于一号平行光镜组(2)的相对孔径。

4.根据权利要求1或2所述的基于阴影的二次共轭成像光路，其特征在于：所述准直物镜组(6)采用双分离望远物镜形式的光学结构。

5.根据权利要求1所述的基于阴影的二次共轭成像光路，其特征在于：所述准直物镜组(6)中正透镜材质为冕牌玻璃，负透镜材质为火石玻璃。

6.根据权利要求1或2所述的基于阴影的二次共轭成像光路，其特征在于：所述成像物镜组(8)采用双分离投影物镜形式的光学结构。

7.根据权利要求6所述的基于阴影的二次共轭成像光路，其特征在于：所述成像物镜组(8)中正透镜材质为冕牌玻璃，负透镜材质为火石玻璃。

8.根据权利要求1或2所述的基于阴影的二次共轭成像光路，其特征在于：所述光源(1)位于一号平行光镜组(2)的焦点处。

9.根据权利要求1或2所述的基于阴影的二次共轭成像光路，其特征在于：所述刀口光阑(5)位于二号平行光镜组(4)的焦点处。