CN109634050A - 一种基于畸形透镜的分幅成像方法及其应用 - Google Patents

一种基于畸形透镜的分幅成像方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本申请实施例示出一种基于畸形透镜的分幅成像方法，基于凸透镜成像原理，通过对凸透镜进行切割获得畸形透镜，并采用多块畸形透镜同时成像的方法，能够实现分幅成像，且像与像之间的距离可从完全重叠到无限大进行连续调节。本申请实施例示出一种分幅成像方法在等离子体光学诊断中的应用。结合光学诊断方法，采用不同的滤光片分别对多个像进行滤光处理，得到目标等离子体不同波长下的光强分布，进而得到等离子体二维温度分布。结合滤光片、高速相机，可实现电弧等离子体温度二维分布的演变过程进行动态测量，这对研究电弧等离子体的演变过程具有重要意义。

Description

一种基于畸形透镜的分幅成像方法及其应用
技术领域
本发明涉及等离子体光学诊断技术领域，特别是一种基于畸形透镜的分幅成像方法及其应用。
背景技术
在燃烧、等离子体、激波等多个领域中，常常使用分幅成像技术对物理过程进行高时间分辨拍摄。目前常用的分幅成像系统主要包括：转镜式分幅相机和变像管式分幅相机。转镜式分幅相机的拍摄频率可达106pps级，变像管式分幅相机的拍摄频率可达10-8～10-13s级。然而，在现有技术中，分幅成像大多通过整合多台CCD或ICCD相机，实现分幅拍摄的目的，不存在采用单个成像原件实现同一时刻的多分幅成像的方法。
高压断路器开断过程会产生气体电弧，研究电弧的燃烧与熄灭过程对于断路器的成功开断具有重要的意义。气体电弧具有高温高亮的物理特征，电弧发出的光蕴含着丰富的信息，通过对电弧的图像、光谱等信息的测量诊断，可以获得诸如电弧温度、气体组分等重要参数，进而对气体燃弧特性进行分析。
目前，国内外对于气体电弧的光学诊断开展了大量的研究。在电弧温度的测量方面，通常采用玻尔兹曼斜率法。对于具有不同高能激发态的同一元素的两条或多条谱线，根据线状光谱辐射原理，联合两条或多条谱线的方程，可获得与温度有关的斜率，从而获得电弧等离子体的电子温度。但是，现有的诊断方法仅能获得电弧等离子体某一点的温度或者某一条线上的温度分布，且在一次实验过程中，仅能获得某一时刻的温度，如需测量不同时刻的温度分布，需要重复多次实验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于畸形透镜的分幅成像方法及其应用，以解现有技术示出的方案存在的技术问题。
本申请实施例示出一种基于畸形透镜的分幅成像方法，所述分幅成像方法包括：
步骤S1：获得多个畸形透镜；
步骤S2：建立凸透镜成像系统；
步骤S3：将所述多个畸形透镜分幅成像；
步骤S4：调节多幅像之间距离。
可选择的，所述获得多个畸形透镜的步骤包括：选择合适尺寸的完整凸透镜，处理所述完整凸透镜。
可选择的，所述选择合适尺寸的依据为：目标等离子体尺寸，感光元件尺寸，物距，像距，光强。
可选择的，所述处理所述完整凸透镜的方法为：切割，铸造，磨削中的一种。
可选择的，所述切割的方法为：等分切割，不等分切割。
可选择的，所述建立凸透镜成像系统的步骤包括：将所述多个畸形透镜合并，形成合并凸透镜，将所述合并凸透镜与目标等离子体平行放置，调整物距与相距。
可选择的，所述将所述多个畸形透镜分幅成像的步骤包括：将所述合并凸透镜沿垂直于切割面的方向分离，使所述多个畸形透镜分别成像。
可选择的，所述调节多幅像之间距离的步骤包括：调整所述多个畸形透镜之间的距离。
本申请实施例示出一种分幅成像方法在等离子体光学诊断中的应用，将权利要求1-8中任意一项所述的分幅成像方法应用于等离子体光学诊断中。
本申请实施例示出一种基于畸形透镜的分幅成像方法，其分幅成像的步骤如下：首先，基于目标等离子体尺寸、感光元件尺寸、物距、像距、光强等因素选择合适尺寸的完整的凸透镜，并对完整的凸透镜进行切割，获得多个相等或不等的畸形透镜。然后，将多个畸形透镜合并在一起形成初始的凸透镜，将合并后的透镜与目标等离子体进行平行放置，并调整物距与像距至合理位置，搭建成凸透镜成像系统。最后，将畸形透镜沿垂直于切割面的方向分离，使多个畸形透镜分别成像，通过调整畸形透镜之间的距离，对多个畸形透镜所成像的距离进行调节。本发明基于凸透镜成像原理，通过对凸透镜进行切割获得畸形透镜，并采用多块畸形透镜同时成像的方法，能够实现分幅成像，且像与像之间的距离可从完全重叠到无限大进行连续调节。
本申请实施例示出一种分幅成像方法在等离子体光学诊断中的应用。本申请将分幅成像方法应用于等离子体光学诊断中。结合光学诊断方法，采用不同的滤光片分别对多个像进行滤光处理，能够得到目标等离子体不同波长下的光强分布，进而得到等离子体二维温度分布。结合滤光片、高速相机，可实现电弧等离子体温度二维分布的演变过程进行动态测量。本发明解决了现有的诊断方法仅能获得电弧等离子体某一点的温度或者某一条线上的温度分布的问题，这对研究电弧等离子体的演变过程具有重要意义。
附图说明
图1为根据一优选实施例示出的一种基于畸形透镜的分幅成像方法的流程图；
图2为根据一优选实施例示出的一种基于普通凸透镜的分幅成像的原理图；
图3为根据一优选实施例示出的一种基于畸形透镜的分幅成像的原理图；
图4为根据一优选实施例示出的一种带有滤光片的基于畸形透镜的分幅成像的原理图；
图5为根据一优选实施例示出的一种对透镜进行切割获得畸形透镜方法的示意图；
图6为根据一优选实施例示出的一种凸透镜成像系统的原理图；
图7为根据一优选实施例示出的一种玻尔兹曼斜率法的原理图；
图8为根据一优选实施例示出的一种将多个畸形透镜形成合并凸透镜的主视图以及右视图；
图9为根据一优选实施例示出的一种将合并凸透镜分离成多个畸形透镜的主视图以及右视图。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
在现有技术中，分幅成像大多通过整合多台CCD或ICCD相机，实现分幅拍摄的目的，不存在采用单个成像原件实现同一时刻的多分幅成像的方法。因此，本申请基于凸透镜成像原理，通过对凸透镜进行切割获得畸形透镜，并采用多块畸形透镜同时成像的方法，实现了分幅成像的目的。
在电弧温度的测量方面，通常采用玻尔兹曼斜率法。对于具有不同高能激发态的同一元素的两条或多条谱线，根据线状光谱辐射原理，联合两条或多条谱线的方程，可获得与温度有关的斜率，从而获得电弧等离子体的电子温度。但是，现有的诊断方法仅能获得电弧等离子体某一点的温度或者某一条线上的温度分布，且在一次实验过程中，仅能获得某一时刻的温度，如需测量不同时刻的温度分布，需要重复多次实验。因此，本申请通过分幅成像的方法，采用不同的滤光片分别对多个像进行滤光处理，结合光学诊断方法，获得了电弧等离子体不同波长光强的二维分布，从而进一步得到电弧等离子体温度的二维分布，这对电弧等离子体的演变过程可以得到更好的认识。
下面结合附图和实施例对本发明方法进行详细描述说明。
本发明的目的在于对电弧等离子体的二维温度分布的演变过程进行测量，提供一种基于畸形透镜的分幅成像方法。
请参阅图1，本申请实施例示出一种基于畸形透镜的分幅成像方法，所述分幅成像方法包括：
步骤S1：获得多个畸形透镜；
步骤S2：建立凸透镜成像系统；
步骤S3：将所述多个畸形透镜分幅成像；
步骤S4：调节多幅像之间距离。
可选择的，所述获得多个畸形透镜的步骤包括：选择合适尺寸的完整凸透镜，处理所述完整凸透镜。
可选择的，所述选择合适尺寸的依据为：目标等离子体尺寸，感光元件尺寸，物距，像距，光强。
可选择的，所述处理所述完整凸透镜的方法为：切割，铸造，磨削中的一种。
可选择的，所述切割的方法为：等分切割，不等分切割。
基于对目标等离子体尺寸，感光元件尺寸，物距，像距，光强等因素，选择合适尺寸的完整的凸透镜。如附图6所示为凸透镜的成像原理，其中u、v分别为物距和相距，H、h分别为物高和像高，f为凸透镜的焦距，s为感光芯片与目标等离子体之间的距离，这几个尺寸遵循以下关系：
u+v＝s (3)
因此，可以依据目标等离子体以及感光芯片的尺寸和实际测量时感光芯片与目标等离子体之间的距离，估算所需要选择凸透镜的尺寸和焦距。其中，目标等离子体尺寸为物高H，感光芯片尺寸为多个相高h之和。实际测量中，目标等离子体尺寸、感光芯片尺寸、感光芯片与目标等离子体之间的距离均为已知量，因而可以认为H、h、s均已知，通过联立方程组，可求解得到未知量u、v、f，凸透镜的尺寸可自由选择。
处理所述完整凸透镜的方法为：切割，铸造，磨削中的一种。获得多个畸形透镜的方法有多种，可以为切割，可以为铸造，可以为磨削，也可以同时进行上述两种或三种方法，对获得畸形透镜的方法，对此不加以限制。所述切割数量可以为二分，可以为3分，也可以为4分。
对选择的凸透镜按照图5所示的方法进行切割，从而获得试验所需的多个畸形透镜。如图5(a)所示为完整的凸透镜，如图5中的(b)所示，对选择好的完整的凸透镜进行二等分切割，能够获得试验所需的两个完全相等的畸形透镜。如图5中的(c)所示，对选择好的完整的凸透镜进行四等分切割，能够获得试验所需的四个完全相等的畸形透镜。如图5中的(d)所示，对选择好的完整的凸透镜进行不等分切割，能够获得试验所需的三个形状大小不同的畸形透镜。因此，所述切割的方法，可以为等分切割，也可以为不等分切割。
可选择的，所述建立凸透镜成像系统的步骤包括：将所述多个畸形透镜合并，形成合并凸透镜，将所述合并凸透镜与目标等离子体平行放置，调整物距与相距。
将切割好的多个畸形透镜合在一起，就组成了完整的凸透镜，即所述合并凸透镜。如图 8所示，其中(a)为将多个畸形透镜形成合并凸透镜的主视图，(b)为将多个畸形透镜形 成合并凸透镜的右视图。将所述合并凸透镜与被成像的等离子体进行平行放置，调整物距与 像距至合理的位置，搭建如图6所示的凸透镜成像系统。
可选择的，所述将所述多个畸形透镜分幅成像的步骤包括：将所述合并凸透镜沿垂直于切割面的方向分离，使所述多个畸形透镜分别成像。
可选择的，所述调节多幅像之间距离的步骤包括：调整所述多个畸形透镜之间的距离。
如图9所示，其中(a)为将合并凸透镜分离成多个畸形透镜的主视图，(b)为将合并凸透镜分离成多个畸形透镜的右视图。将所述多个畸形透镜沿垂直于切割面的方向分离，这 样多个畸形透镜会分别成像。
如附图3所示，通过调整畸形透镜之间的距离，能够完成两片畸形透镜所成像的距离调节。其中，l为畸形透镜之间的距离，当畸形透镜之间的距离满足如下关系时，所成像之间的距离为0：
如图2所示，为基于普通凸透镜的成像方法所搭建的成像系统。在图2中，两个凸透镜所成的像不会重叠。当两片凸透镜相切时，此时，像的距离最小，但像与像之间仍有一定间距。如图3所示，为基于畸形透镜的成像方法所搭建的成像系统。在图3中，两个畸形透镜相接触时，所成的像完全重叠。当两个畸形透镜分离后，所成像的间距随畸形透镜之间的距离的增大而增大。也就是说，本申请实施例示出示出的基于畸形透镜的分幅成像方法，不仅能够实现分幅成像，且像与像之间的距离可以从完全重叠到无限大进行连续调节。
本申请实施例示出一种基于畸形透镜的分幅成像方法，其分幅成像的步骤如下：首先，基于目标等离子体尺寸、感光元件尺寸、物距、像距、光强等因素选择合适尺寸的完整的凸透镜，并对完整的凸透镜进行切割，获得多个相等或不等的畸形透镜。然后，将多个畸形透镜合并在一起形成初始的凸透镜，将合并后的透镜与目标等离子体进行平行放置，并调整物距与像距至合理位置，搭建成凸透镜成像系统。最后，将畸形透镜沿垂直于切割面的方向分离，使多个畸形透镜分别成像，通过调整畸形透镜之间的距离，对多个畸形透镜所成像的距离进行调节。本发明基于凸透镜成像原理，通过对凸透镜进行切割获得畸形透镜，并采用多块畸形透镜同时成像的方法，实现了分幅成像的目的，且像与像之间的距离可从完全重叠到无限大进行连续调节。
本申请实施例示出一种分幅成像方法在等离子体光学诊断中的应用，将权利要求1-8中任意一项所述的分幅成像方法应用于等离子体光学诊断中。
结合光学诊断方法，如图4所示，采用不同的滤光片分别对多个像进行滤光处理，可得到目标等离子体不同波长下的光强分布。基于玻尔兹曼斜线法可知，对于具有不同高能激发态的同一元素的两条或多条谱线，其辐射强度与激发温度之间存在如下关系：
在式(5)中，I为谱线强度，λ为光的波长，g为简并度，A为自衰退几率，Eexc为激发能量，单位是eV，Te为电子温度，h为普朗克常量，c为光速，nM为原子密度，z为原子在该温度下的配分函数。
通过对所得到的目标等离子体不同波长下的光强的二维分布进行线性拟合，可以得到等离子体二维温度分布。以图7所示为例，假设通过分幅和滤波最终得到的某一点在几幅像中的光强分别为图7所示CuI 510.55nm、CuI 515.32nm及CuI 521.82nm的幅值，则可根据式(5)进行拟合计算得到该点处的激发温度，进而得到图像中各点的激发温度，即为温度的二维分布。
搭建如图4所示的成像系统，其中，滤光片选择目标等离子体组分之一的两条谱线的带通滤光片，并将相直接成在高速相机的感光元件上。通过该方法，可以得到燃弧过程中，电弧等离子体不同波长的光强二维分布的演变过程，并且基于玻尔兹曼斜率法，能够获得电弧等离子体二维温度分布的演变过程。
本申请实施例示出一种分幅成像方法，并将分幅成像方法应用于等离子体光学诊断中。结合光学诊断方法，采用不同的滤光片分别对多个像进行滤光处理，能够得到目标等离子体不同波长下的光强分布，进而得到等离子体二维温度分布。结合滤光片、高速相机，可实现电弧等离子体温度二维分布的演变过程进行动态测量。本发明解决了现有的诊断方法仅能获得电弧等离子体某一点的温度或者某一条线上的温度分布的问题，这对研究电弧等离子体的演变过程具有重要意义。
由以上技术方案可知，本申请实施例示出一种基于畸形透镜的分幅成像方法，其分幅成像的步骤如下：首先，基于目标等离子体尺寸、感光元件尺寸、物距、像距、光强等因素选择合适尺寸的完整的凸透镜，并对完整的凸透镜进行切割，获得多个相等或不等的畸形透镜。然后，将多个畸形透镜合并在一起形成初始的凸透镜，将合并后的透镜与目标等离子体进行平行放置，并调整物距与像距至合理位置，搭建成凸透镜成像系统。最后，将畸形透镜沿垂直于切割面的方向分离，使多个畸形透镜分别成像，通过调整畸形透镜之间的距离，对多个畸形透镜所成像的距离进行调节。本发明基于凸透镜成像原理，通过对凸透镜进行切割获得畸形透镜，并采用多块畸形透镜同时成像的方法，能够实现分幅成像，且像与像之间的距离可从完全重叠到无限大进行连续调节。
本申请实施例示出一种分幅成像方法，并将分幅成像方法应用于等离子体光学诊断中。结合光学诊断方法，采用不同的滤光片分别对多个像进行滤光处理，能够得到目标等离子体不同波长下的光强分布，进而得到等离子体二维温度分布。结合滤光片、高速相机，可实现电弧等离子体温度二维分布的演变过程进行动态测量。本发明解决了现有的诊断方法仅能获得电弧等离子体某一点的温度或者某一条线上的温度分布的问题，这对研究电弧等离子体的演变过程具有重要意义。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种基于畸形透镜的分幅成像方法，其特征在于，所述分幅成像方法包括：
获得多个畸形透镜；
建立凸透镜成像系统；
将所述多个畸形透镜分幅成像；
调节多幅像之间距离。
2.根据权利要求1所述的分幅成像方法，其特征在于，所述获得多个畸形透镜的步骤包括：选择合适尺寸的完整凸透镜，处理所述完整凸透镜。
3.根据权利要求2所述的分幅成像方法，其特征在于，所述选择合适尺寸的依据为：目标等离子体尺寸，感光元件尺寸，物距，像距，光强。
4.根据权利要求3所述的分幅成像方法，其特征在于，所述处理所述完整凸透镜的方法为：切割，铸造，磨削中的一种。
5.根据权利要求4所述的分幅成像方法，其特征在于，所述切割的方法为：等分切割，不等分切割。
6.根据权利要求5所述的分幅成像方法，其特征在于，所述建立凸透镜成像系统的步骤包括：将所述多个畸形透镜合并，形成合并凸透镜，将所述合并凸透镜与目标等离子体平行放置，调整物距与相距。
7.根据权利要求6所述的分幅成像方法，其特征在于，所述将所述多个畸形透镜分幅成像的步骤包括：将所述合并凸透镜沿垂直于切割面的方向分离，使所述多个畸形透镜分别成像。
8.根据权利要求7所述的分幅成像方法，其特征在于，所述调节多幅像之间距离的步骤包括：调整所述多个畸形透镜之间的距离。
9.一种分幅成像方法在等离子体光学诊断中的应用，其特征在于，将权利要求1-8中任意一项所述的分幅成像方法应用于等离子体光学诊断中。
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