CN110207928A - 一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，解决现有纹影系统均匀性和分辨率不高的问题。该系统包括光源系统、密封前观察窗、准直主反射镜、纹影系统、纹影主反射镜、密封后观察窗和成像系统；纹影系统包括依次设置的密封前纹影镜筒、试验舱、密封后纹影镜筒；密封前观察窗设置在密封前纹影镜筒的侧面，密封后观察窗设置在密封后纹影镜筒的侧面；准直主反射镜和纹影主反射镜均采用非球面反射镜；成像系统为长焦成像系统；光源系统发出的光线穿过密封前观察窗入射到准直主反射镜，经过准直主反射镜后的光线经过密封前纹影镜筒进入试验舱入射到纹影主反射镜，纹影主反射镜将光线反射，通过密封后观察窗后入射到成像系统。
Description
技术领域
本发明涉及纹影光学系统，具体涉及一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统。
背景技术
在纹影成像系统中，均匀性和分辨率是评价纹影图像质量的重要指标。传统纹影系统的研制过程中，对上述两个指标的把握通常依赖以往的经验，或者需要搭建简易实验来验证设计结果。对于1米量级的纹影系统，以往的经验有限，简易实验的方法成本巨大，因此采用传统方法不适用于1米量级的纹影系统，如何保证1米量级纹影系统的均匀性和分辨率指标达到设计要求，对整个系统的设计工作提出了更高要求。
现有纹影成像系统中一般包括三对共轭关系，第一对共轭关系是将光源面成像在狭缝上，第二对共轭关系是将狭缝成像在刀口上，第三对共轭关系是将测试区物面成像在相机接收屏上。其中，第一对共轭关系用来获得规则的、均匀的二次光源；第二对共轭关系主要是在刀口处形成狭缝像；第三对共轭关系主要用于获取测试区的纹影图像。所以，影响纹影系统的均匀性主要取决于第二对共轭关系，纹影系统的分辨率主要取决于第三对共轭关系。现有纹影系统的主镜和纹影镜尺寸都在米量级，很难保证主镜和纹影镜的加工尺寸以及折射率的均匀性，导致纹影系统的均匀性降低、分辨率下降。
发明内容
本发明的目的是解决现有纹影系统均匀性和分辨率不高的问题，提供了一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统。
本发明的技术方案是：
一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，包括光源系统、密封前观察窗、准直主反射镜、纹影系统、纹影主反射镜、密封后观察窗和成像系统；所述纹影系统包括依次设置的密封前纹影镜筒、试验舱、密封后纹影镜筒；所述密封前观察窗设置在密封前纹影镜筒的侧面，所述密封后观察窗设置在密封后纹影镜筒的侧面；所述准直主反射镜和纹影主反射镜均采用非球面反射镜；所述成像系统为长焦成像系统；光源系统发出的光线穿过密封前观察窗入射到准直主反射镜，经过准直主反射镜准后的光线经过密封前纹影镜筒进入试验舱，经过试验舱气流后通过密封后纹影镜筒入射到纹影主反射镜，纹影主反射镜将光线反射，通过密封后观察窗后入射到成像系统。
进一步地，所述准直主反射镜和纹影主反射镜为同轴抛物面主反射镜，且关于试验舱对称放置，离轴角1.6°。
进一步地，准直主反射镜和纹影主反射镜反射面设置有保护膜。
进一步地，所述密封后观察窗为小尺寸密封后观察窗，其口径小于有效流场显示范围1/10。所述密封前观察窗为小尺寸密封前观察窗，其口径小于有效流场显示范围1/10。
进一步地，所述密封前纹影镜筒和试验舱通过密封波纹管连接，所述试验舱和密封后纹影镜筒通过密封波纹管连接。
进一步地，所述光源系统包括依次设置的超高亮度LED灯、聚光透镜组、狭缝、第一平面反射镜。
进一步地，所述聚光透镜组光轴、狭缝中心，第一平面反射镜中心同轴设置。
进一步地，所述狭缝为“口”字型狭缝。
进一步地，所述成像系统包括依次设置的第二平面反射镜、刀口、聚焦透镜组和纹影相机，以及控制刀口的刀口控制器。
进一步地，密封前纹影镜筒和密封后纹影镜筒为圆柱型结构。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明纹影系统采用非球面反射镜的设计，非球面反射镜为一种离轴抛物面设计，避免了球面反射镜的球差等像差，保证了图像的均匀性，极大地提升了纹影系统的均匀性和分辨率。
2.本发明成像系统采用长焦成像系统，保证了纹影系统的分辨率。系统的分辨率正比于系统的口径，反比于系统的焦距，长焦系统具有更高的分辨率。
附图说明
图1本发明采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统示意图。
附图标记：1-超高亮度LED灯，2-聚光透镜组，3-狭缝，4-第一平面反射镜，5-密封前观察窗，6-准直主反射镜，7-密封前纹影镜筒，8-试验舱，9-密封后纹影镜筒，10-纹影主反射镜，11-密封后观察窗，12-第二平面反射镜，13-刀口，14-刀口控制器，15-聚焦透镜组，16-纹影相机，17-密封波纹管。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提出一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，包括光源系统、密封前观察窗5、准直主反射镜6、纹影系统、纹影主反射镜10、密封后观察窗11和成像系统。
光源系统包括依次设置的超高亮度LED灯1、聚光透镜组2、“口”字型狭缝3，第一平面反射镜4。超高亮度LED灯1应具有大的光通量值。聚光透镜组2的光轴、“口”字型狭缝3中心、第一平面反射镜4中心一致。“口”字型狭缝由“口”字形的四条窄的狭缝和红、黄、绿、蓝四种有色玻璃拼接成的组合滤色片构成。
成像系统包括刀口控制器14、刀口13、第二平面反射镜12、聚焦透镜组15、纹影相机16。刀口13为“口”字形的四条窄的狭缝，刀口控制器14可以分别控制“口”字形的四条窄狭缝3的位置，使得光线可以全部通过刀口13。第二平面反射镜12，聚焦透镜组15、纹影相机16的光轴保持一致。纹影相机16位于聚焦透镜组15的焦点位置。光线通过密封后观察窗11后被第二平面反射镜12反射到刀口13，刀口控制器14控制刀口13内“口”字型四条狭缝3的位置，使得光线通过刀口13入射到聚焦透镜组15，聚焦透镜组15将光线聚焦到纹影相机16感光面上，纹影相机16对出射光线进行成像，得到试验舱8内高速气流的纹影图像。
纹影系统包括密封前纹影镜筒7、试验舱8、密封后纹影镜筒9。密封前纹影镜筒7和密封后纹影镜筒9固定于试验舱8两端，试验舱8放置于高速风洞中。准直主反射镜6的准直出光轴与纹影系统的主轴保持一致，纹影主反射镜10的中心与准直主反射镜6的中心一致。密封前纹影镜筒7与试验舱8通过气密波纹管连接，密封前纹影镜筒7和密封后纹影镜筒9可焊接于试验舱8两侧，试验舱8与密封后纹影镜筒9间通过气密波纹管连接。密封前纹影镜筒7和密封后纹影镜筒9具体可为圆柱型，由不锈钢板卷曲焊接而成。准直主反射镜6的出射光线为平行光，平行光从密封前纹影镜筒7、试验舱8、密封后纹影镜筒9的中心轴线穿过。
密封前观察窗5设置在密封前纹影镜筒7的侧面，密封后观察窗11设置在密封后纹影镜筒9的侧面；密封前观察窗5为小尺寸密封前观察窗5，其口径小于有效流场显示范围1/10，不遮挡光线的有效通过口径。密封后观察窗11为小尺寸密封后观察窗11，其口径小于有效流场显示范围1/10，不遮挡光线有效通过口径。
准直主反射镜6与纹影主反射镜10都采用非球面反射镜，保证了纹影系统成像的均匀性。非球面反射镜为一种离轴抛物面设计，避免了球面反射镜的球差等像差，保证了图像的均匀性。
成像系统中聚焦透镜组15采用长焦成像系统，保证了纹影系统的分辨率。系统的分辨率正比于系统的口径，反比于系统的焦距，长焦系统具有更高的分辨率。
本发明在刀口13处形成狭缝共轭像，就可以提升纹影系统的均匀性，改进纹影相机16的纹影图像，就可以提升纹影系统的分辨率。通过非球面反射镜的设置，改进刀口13处形成狭缝共轭像的成像质量，提升纹影系统的均匀性。通过长焦距聚焦透镜组15的设置，改进纹影相机的纹影图像，提升纹影系统的分辨率。
超高亮度LED灯1发出的光线经过聚光透镜组2聚光，经过聚光透镜组2聚光后光线经过“口”字型狭缝3，被“口”字型狭缝中安装有红、黄、绿、蓝四种有色玻璃“口”字形的四条窄狭缝滤光。滤光后的光线被第一平面反射镜4反射到小尺寸密封前观察窗5，光线通过小尺寸密封前观察窗5入射到准直主反射镜6，准直主反射镜6对光线准直，并将光线反射到密封前纹影镜筒7，光线通过密封前纹影镜筒7到达试验舱8，试验舱8放置于高速风洞内，光线经过试验舱8内的高速风洞后通过密封后纹影镜筒9入射到纹影主反射镜10，纹影主反射镜10将光线反射通过小尺寸密封后观察窗11到达第二平面反射镜12，第二平面反射镜12将光线反射到刀口13，刀口控制器14控制刀口13内“口”字型的四条狭缝位置，使得光线通过刀口13抵达聚焦透镜组15，聚焦透镜组15将光线聚焦于纹影相机16的感光面，纹影相机16对出射光线进行成像，得到试验舱8内高速气流的纹影图像。
本发明系统采用了两块对称分布的大口径(1米级)非球面反射镜分别作为准直光路和成像系统的光学元件，采用长焦成像系统设计实现了高分辨率，采用精密光学加工与光学设计优化模拟保证了系统高照度均匀性。该发明成功地实现了1米级口径纹影主镜非球面化，获取得到高均匀性、高分辨率纹影图形，可供今后更大口径的纹影光学系统设计参考和推广。
本发明系统设计前，建立仿真环境，即在实验舱不放置任何物体，模拟纹影相机16接收到的图像，由于“口”字形狭缝出射的四种颜色光分别对应刀口的一个狭缝，分别仿真了每种颜色光经刀口切割后在像面上均匀性。纹影系统中，像面的均匀性与系统中的各个镜子面形有密切关系，考虑主镜面形加工误差、不同工况主镜支撑导致的主镜面形误差、平面反射镜面形误差、光束出入纹影筒密封观察窗影响，对纹影系统仿真，分析像面均匀性，再根据四种颜色光的结果叠加，获得纹影系统像面的均匀性。
纹影系统第三对共轭关系，即从测试区物面到纹影相机像面，决定了系统的分辨率。在物面处放置不同条纹宽度的原始图像，用CODE V软件分别设置纹影主反射镜、狭缝以及纹影成像系统，并且考虑系统综合误差，给出系统从物面到像面的传递函数和输出图像在所要求的分辨率处的对比度结果。设计纹影系统中各个光学元件的参数，在CODE V对设置准直主反射镜和纹影主反射镜参数，对纹影主系统的成像质量进行仿真，计算出图像的分辨率和像差等参数，根据所得到的图像信息，确定成像系统中聚焦透镜组的具体参数，得到一个高分辨率率和均匀性好的图像。
准直主反射镜和纹影主反射镜关于试验舱对称放置，离轴角1.6°，准直主反射镜6和纹影主反射镜10为同轴抛物面主反射镜，其设计参数为：
波长范围：435nm～700nm；
入瞳直径：Φ1200mm；
焦距：12000mm；
线膨胀系数：0±1.5×10-7/℃；
直径Φ1250mm；
中心厚度175mm；
反射镜加工后应镀高反射系数的膜层和保护膜，保护膜为耐用SiO2膜层，防止高反的银膜氧化，对高反膜层进行保护，膜层反射率在90％以上，均匀性＞97％。
依据上述参数在CODE V软件中对系统光路进行参数设定，对系统成像质量进行仿真。
Claims (10)
1.一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：包括光源系统、密封前观察窗(5)、准直主反射镜(6)、纹影系统、纹影主反射镜(10)、密封后观察窗(11)和成像系统；
所述纹影系统包括依次设置的密封前纹影镜筒(7)、试验舱(8)、密封后纹影镜筒(9)；所述密封前观察窗(5)设置在密封前纹影镜筒(7)的侧面，所述密封后观察窗(11)设置在密封后纹影镜筒(9)的侧面；
所述准直主反射镜(6)和纹影主反射镜(10)均采用非球面反射镜；
所述成像系统为长焦成像系统；
所述光源系统发出的光线穿过密封前观察窗(5)入射到准直主反射镜(6)，经过准直主反射镜(6)准直后的光线经过密封前纹影镜筒(7)进入试验舱(8)，经过试验舱(8)气流后通过密封后纹影镜筒(9)入射到纹影主反射镜(10)，纹影主反射镜(10)将光线反射，通过密封后观察窗(11)后入射到成像系统。
2.根据权利要求1所述的采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：所述准直主反射镜(6)和纹影主反射镜(10)为同轴抛物面主反射镜，且关于试验舱(8)对称放置，离轴角1.6°。
3.根据权利要求2所述的采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：所述准直主反射镜(6)和纹影主反射镜(10)的反射面设置有保护膜。
4.根据权利要求3所述的采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：所述密封前观察窗(5)为小尺寸密封前观察窗，其口径小于有效流场显示范围1/10，所述密封后观察窗(11)为小尺寸密封后观察窗，其口径小于有效流场显示范围1/10。
5.根据权利要求1至4任一所述的采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：所述密封前纹影镜筒(7)和试验舱(8)通过密封波纹管(17)连接，所述试验舱(8)和密封后纹影镜筒(9)通过密封波纹管(17)连接。
6.根据权利要求5所述的采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：所述光源系统包括依次设置的超高亮度LED灯(1)、聚光透镜组(2)、狭缝(3)、第一平面反射镜(4)。
7.根据权利要求6所述的采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：所述聚光透镜组(2)的光轴、狭缝(3)的中心，第一平面反射镜(4)的中心同轴设置。
8.根据权利要求7所述的采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：所述狭缝(3)为“口”字型狭缝。
9.根据权利要求8所述的采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：所述成像系统包括依次设置的第二平面反射镜(12)、刀口(13)、聚焦透镜组(15)和纹影相机(16)，以及控制刀口(13)的刀口控制器(14)。
10.根据权利要求9所述的采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：密封前纹影镜筒(7)和密封后纹影镜筒(9)为圆柱型结构。
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