CN111579489A - 一种谐振腔式高灵敏度纹影仪及其成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐振腔式高灵敏度纹影仪及其成像方法，其中，纹影仪包括成像装置和谐振腔，所述谐振腔内设置有测试区域；当所述成像装置发出的平行光进入所述谐振腔，所述平行光经所述测试区域扰动后发生偏折得到偏折光，所述偏折光从所述谐振腔传输出来后经所述成像装置进行纹影图像记录。本发明的目的在于提供一种谐振腔式高灵敏度纹影仪及其成像方法，使得光束在谐振腔内来回反射，使光束多次受到流场扰动，加大光线偏折角，从而提高纹影仪的灵敏度，满足低密度流场的测量。

Description

一种谐振腔式高灵敏度纹影仪及其成像方法
技术领域
本发明涉及纹影仪技术领域，尤其涉及一种谐振腔式高灵敏度纹影仪及其成像方法。
背景技术
纹影仪是根据光线通过不同密度的气流而产生的角偏转来显示其折射率，是一种测量光线微小偏转角的装置。它将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使可压缩流场中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像。
而在一些低密度气体流场和低密度等离子体流场检测中，现有的纹影检测技术灵敏度没法检测到这些低密度扰动现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种谐振腔式高灵敏度纹影仪及其成像方法，使得光束在谐振腔内来回反射，使光束多次受到流场扰动，加大光线偏折角，从而提高纹影仪的灵敏度，满足低密度流场的测量。
本发明通过下述技术方案实现：
一种谐振腔式高灵敏度纹影仪，包括成像装置和谐振腔，所述谐振腔内设置有测试区域；当所述成像装置发出的平行光进入所述谐振腔，所述平行光经所述测试区域扰动后发生偏折得到偏折光，所述偏折光从所述谐振腔传输出来后经所述成像装置进行纹影图像记录。
进一步地，所述成像装置包括光源、聚光镜、狭缝、分光镜、准直透镜、刀口、成像物镜以及相机，所述光源、所述聚光镜、所述狭缝、所述分光镜以及所述准直透镜从左至右依次设置，所述刀口、所述成像物镜以及所述相机从上至下依次设置于所述分光镜的下方；
所述光源发出的光束经所述聚光镜汇聚于所述狭缝处，然后经所述分光镜透射后传输至所述准直透镜，所述光束经所述准直透镜准直为平行光，所述平行光进入所述谐振腔经所述测试区域扰动后发生偏折得到偏折光，所述偏折光从所述谐振腔传输出来后经所述准直透镜传输至所述分光镜，所述偏折光经所述分光镜反射后，经所述刀口作用后穿过所述物镜达到所述相机进行纹影图像记录。
进一步地，所述谐振腔包括平面分光镜和平面反射镜，所述平面分光镜和所述平面反射镜从左至右依次设置在所述准直透镜的右侧，所述平面分光镜和所述平面反射镜之间设置有测试区域；
所述平行光穿过所述平面分光镜后，经所述测试区域扰动后，所述平行光发生偏折得到偏折光a，所述偏折光a传输至所述平面反射镜，所述偏折光a经所述平面反射镜反射后再次穿过所述测试区域，所述偏折光a经所述测试区域扰动后，所述偏折光a发生偏折得到偏折光b，所述偏折光b传输至所述平面分光镜，一部分所述偏折光b经所述平面分光镜透射出所述谐振腔；另一部分所述偏折光b经所述平面分光镜反射后留在所述谐振腔内。
进一步地，所述纹影仪的灵敏度由下式获取：
Figure BDA0002564768520000021
其中，S表示灵敏度，r1表示平面分光镜的反射率，r2表示平面反射镜的反射率，tM表示测试区域的透射率。
在本方案中，偏折光每穿过一次测试区域，偏折角都会增大，每完整穿过一次谐振腔(光线从平面分光镜出发到回到平面分光镜)，导致灵敏度是原来一次扰动的4倍。相对于传统的纹影仪，本实施例提供的纹影仪可以在测试区域发生多次偏折，相机记录下通过多次扰动后输出的偏折光，从而提高纹影仪的灵敏度。
一种谐振腔式高灵敏度纹影仪成像方法，包括以下步骤：
S1：将一束平行光线传输至谐振腔内，所述谐振腔内设置有测试区域，所述平行光经所述测试区域偏折后，得到一束偏折光；
S2：所述偏折光经刀口、成像物镜作用后传输至相机进行纹影图像记录。
进一步地，所述谐振腔包括平面分光镜和平面反射镜，所述平面分光镜和所述平面反射镜之间设置有测试区域；
所述平行光穿过所述平面分光镜后，经所述测试区域扰动后，所述平行光发生偏折得到偏折光a，所述偏折光a传输至所述平面反射镜，所述偏折光a经所述平面反射镜反射后再次穿过所述测试区域，所述偏折光a经所述测试区域扰动后，所述偏折光a发生偏折得到偏折光b，所述偏折光b传输至所述平面分光镜，一部分所述偏折光b经所述平面分光镜透射出所述谐振腔；另一部分所述偏折光b经所述平面分光镜反射后留在所述谐振腔内。
进一步地，所述纹影仪的灵敏度由下式获取：
Figure BDA0002564768520000022
其中，S表示灵敏度，r1表示平面分光镜的反射率，r2表示平面反射镜的反射率，tM表示测试区域的透射率。
工作原理：光源发出的光束经过聚光镜汇聚于狭缝处，光束变为一个小面积光源照射到准直透镜，并通过准直透镜准直为平行光，平行光穿过测试流场区域被流场扰动，使得光束发生偏折，发生偏折的光束照射到平面反射镜上，平面反射镜将发生偏折的光束反射回来再次通过测试区域，发生偏折的光束再次被流场扰动，这样导致光束偏折角增大，这样一个来回，将导致灵敏度是原来一次扰动的4倍。偏折后的光束到达平面分光镜后一小部分光束透过分光镜，到达相机进行纹影图像记录，大部分光线通过平面分光镜返回进入测试区域，继续发生偏折扰动，然后再反射回来进入相机，相机记录下通过多次扰动后输出的光线，得到放大了多倍的偏折光线。从而提高纹影仪的灵敏度。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
使得光束在谐振腔内来回反射，使光束多次受到流场扰动，加大光线偏折角，从而提高纹影仪的灵敏度，满足低密度流场的测量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明纹影仪的原理示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、光源；2、聚光镜；3、狭缝；4、分光镜；5、准直透镜；6、刀口；7、成像物镜；8、相机；9、平面分光镜；10、平面反射镜；11、测试区域。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
一种谐振腔式高灵敏度纹影仪，包括成像装置和谐振腔，谐振腔内设置有测试区域11；当成像装置发出的平行光进入谐振腔，平行光经测试区域11扰动后发生偏折得到偏折光，偏折光从谐振腔传输出来后经成像装置进行纹影图像记录。
具体地，如图1所示：
其中，成像装置包括光源1、聚光镜2、狭缝3、分光镜4、准直透镜5、刀口6、成像物镜7以及相机8，谐振腔包括平面分光镜9和平面反射镜10；光源1、聚光镜2、狭缝3、分光镜4、准直透镜5、平面分光镜9以及平面反射镜10从左至右依次设置，刀口6、成像物镜7以及相机8从上至下依次设置于分光镜4的下方；
使用时，光源1发出的光束经过聚光镜2汇聚于狭缝3处，使得光束变为一个小面积光源1照射到准直透镜5上，并通过准直透镜5准直为平行光，平行光穿过平面分光镜94进入测试区域11，在平行光穿过测试区域11时被测试区域11扰动，使得平行光发生偏折得到偏折光a，偏折光a照射到平面反射镜10上，平面反射镜10将偏折光a反射回来通过测试区域11，偏着光a再次被测试区域11扰动，使得偏折光a发生偏折得到偏折光b，偏折光b传输至平面分光镜9，小部分偏折光b经平面分光镜9透射出谐振腔；透射出谐振腔的偏折光b经准直透镜5传输至分光镜4，偏折光b经分光镜4、刀口6作用后穿过物镜达到相机8进行纹影图像记录；大部分偏折光b经平面分光镜9反射后留在谐振腔内，继续发生偏折扰动，然后反射回来经平面分光镜9透射出谐振腔，最后进入相机8进行纹影图像记录。
一种谐振腔式高灵敏度纹影仪成像方法，包括以下步骤：
S1：将一束平行光线传输至谐振腔内，谐振腔内设置有测试区域11，平行光经测试区域偏折后，得到一束偏折光；
S2：偏折光经刀口6、成像物镜7作用后传输至相机8进行纹影图像记录。
进一步地，在本实施例中，谐振腔包括平面分光镜9和平面反射镜10，所述平面分光镜9和所述平面反射镜10之间设置有测试区域11；
所述平行光穿过所述平面分光镜9后，经所述测试区域11扰动后，所述平行光发生偏折得到偏折光a，所述偏折光a传输至所述平面反射镜10，所述偏折光a经所述平面反射镜10反射后再次穿过所述测试区域11，所述偏折光a经所述测试区域11扰动后，所述偏折光a发生偏折得到偏折光b，所述偏折光b传输至所述平面分光镜9，一部分所述偏折光b经所述平面分光镜9透射出所述谐振腔；另一部分所述偏折光b经所述平面分光镜9反射后留在所述谐振腔内。
进一步地，所述纹影仪的灵敏度由下式获取：
Figure BDA0002564768520000041
其中，S表示灵敏度，r1表示平面分光镜9的反射率，r2表示平面反射镜10的反射率，tM表示测试区域11的透射率
在本实施例中，偏折光每穿过一次测试区域11，偏折角都会增大，完整穿过一次谐振腔(光线从平面分光镜9出发到回到平面分光镜9)导致灵敏度是原来一次扰动的4倍。相对于传统的纹影仪，本实施例提供的纹影仪可以在测试区域11发生多次偏折，相机8记录下通过多次扰动后输出的偏折光，从而提高纹影仪的灵敏度。在对低密度流场进行测量，光线的偏折角很小，偏振量在1mm范围内，可以不需要考虑光线偏振出视场范围。
值得说明的是，由于光束的传播速度快，光束在谐振腔内来回反射时，偏折角每次增加的角度都很小，当光束穿出谐振腔到达成像物镜7时，线宽的改变也会比较小，因此，不会对纹影仪的灵敏度造成影响(即，纹影仪的灵敏度不会随着光束在谐振腔内反射的次数而改变)，本申请所说的导致灵敏度是原来一次扰动的4倍，是指和传统的纹影仪(单次扰动)相比。
下面对本方案的工作原理进行说明：
平行光进入谐振腔后，在平面反射镜10和平面分光镜9之间来回反射，平行光通过测试区域11之后，平行光发生偏折，偏折角为ε，平行光穿过测试区域11后在相机8处的光强变化为：
(ΔI/I)0＝(f/b)ε
其中，f是准直透镜的焦距，b是光源在刀口处像的垂直宽度；ΔI表示光强的改变量；I表示背景光强；(ΔI/I)0表示单次扰动后的光强。
通过长度为a的测试区域后偏折角如下：
Figure BDA0002564768520000051
其中，a表示测试区域的长度，ε表示偏折角，n表示谐振腔内介质的折射率；
由于在光路中加入了平面分光镜9，使得平行光在谐振腔内传播的次数为原来的偶数倍，光强变化也为偶数倍：
Figure BDA0002564768520000052
其中，ΔI2l表示光束每次通过测试区域时引起的光强变化量；
由此可得：
Figure BDA0002564768520000053
其中，r1表示平面分光镜9的反射率，r2表示平面反射镜10的反射率，tM表示测试区域11的透射率，l表示光线来回反射次数，ε2l表示光束在谐振腔内反射l次后的偏折角；
Figure BDA0002564768520000054
表示光强的变化量与背景光强的比值。
由于光的传播速度很快，所以光束在谐振腔内经过多次反射后，折射角的变化很小，因此有，ε2l≈2lε；
此时有，
Figure BDA0002564768520000055
所以，系统灵敏度因子可以表示为：
Figure BDA0002564768520000056
其中，S表示灵敏度。
通过系统灵敏度因子可知，分子数值大于1，分母数字小于1，由于r1、r2和tM都是小于1的数字，所以通过控制r1、r2和tM的具体值，可以使该灵敏度因子相除起来至少达到10倍，100倍到上万倍的放大倍数，这样系统灵敏度得到有效的提高。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种谐振腔式高灵敏度纹影仪，其特征在于，包括成像装置和谐振腔，所述谐振腔内设置有测试区域(11)；当所述成像装置发出的平行光进入所述谐振腔，所述平行光经所述测试区域(11)扰动后发生偏折得到偏折光，所述偏折光从所述谐振腔传输出来后经所述成像装置进行纹影图像记录。
2.根据权利要求1所述的一种谐振腔式高灵敏度纹影仪，其特征在于，所述成像装置包括光源(1)、聚光镜(2)、狭缝(3)、分光镜(4)、准直透镜(5)、刀口(6)、成像物镜(7)以及相机(8)，所述光源(1)、所述聚光镜(2)、所述狭缝(3)、所述分光镜(4)以及所述准直透镜(5)从左至右依次设置，所述刀口(6)、所述成像物镜(7)以及所述相机(8)从上至下依次设置于所述分光镜(4)的下方；
所述光源(1)发出的光束经所述聚光镜(2)汇聚于所述狭缝(3)处，然后经所述分光镜(4)透射后传输至所述准直透镜(5)，所述光束经所述准直透镜(5)准直为平行光，所述平行光进入所述谐振腔经所述测试区域(11)扰动后发生偏折得到偏折光，所述偏折光从所述谐振腔传输出来后经所述准直透镜(5)传输至所述分光镜(4)，所述偏折光经所述分光镜(4)反射后，经所述刀口(6)作用后穿过所述成像物镜(7)达到所述相机(8)进行纹影图像记录。
3.根据权利要求2所述的一种谐振腔式高灵敏度纹影仪，其特征在于，所述谐振腔包括平面分光镜(9)和平面反射镜(10)，所述平面分光镜(9)和所述平面反射镜(10)从左至右依次设置在所述准直透镜(5)的右侧，所述平面分光镜(9)和所述平面反射镜(10)之间设置有测试区域(11)；
所述平行光穿过所述平面分光镜(9)后，经所述测试区域(11)扰动后，所述平行光发生偏折得到偏折光a，所述偏折光a传输至所述平面反射镜(10)，所述偏折光a经所述平面反射镜(10)反射后再次穿过所述测试区域(11)，所述偏折光a经所述测试区域(11)扰动后，所述偏折光a发生偏折得到偏折光b，所述偏折光b传输至所述平面分光镜(9)，一部分所述偏折光b经所述平面分光镜(9)透射出所述谐振腔；另一部分所述偏折光b经所述平面分光镜(9)反射后留在所述谐振腔内。
4.根据权利要求3所述的一种谐振腔式高灵敏度纹影仪，其特征在于，所述纹影仪的灵敏度由下式获取：
Figure FDA0002564768510000011
其中，S表示灵敏度，r1表示平面分光镜(9)的反射率，r2表示平面反射镜(10)的反射率，tM表示测试区域(11)的透射率。
5.一种谐振腔式高灵敏度纹影仪成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将一束平行光线传输至谐振腔内，所述谐振腔内设置有测试区域(11)，所述平行光经所述测试区域(11)偏折后，得到一束偏折光；
S2：所述偏折光经刀口(6)和成像物镜(7)作用后传输至相机(8)进行纹影图像记录。
6.根据权利要求5所述的一种谐振腔式高灵敏度纹影仪成像方法，其特征在于，所述谐振腔包括平面分光镜(9)和平面反射镜(10)，所述平面分光镜(9)和所述平面反射镜(10)之间设置有测试区域(11)；
所述平行光穿过所述平面分光镜(9)后，经所述测试区域(11)扰动后，所述平行光发生偏折得到偏折光a，所述偏折光a传输至所述平面反射镜(10)，所述偏折光a经所述平面反射镜(10)反射后再次穿过所述测试区域(11)，所述偏折光a经所述测试区域(11)扰动后，所述偏折光a发生偏折得到偏折光b，所述偏折光b传输至所述平面分光镜(9)，一部分所述偏折光b经所述平面分光镜(9)透射出所述谐振腔；另一部分所述偏折光b经所述平面分光镜(9)反射后留在所述谐振腔内。
7.根据权利要求6所述的一种谐振腔式高灵敏度纹影仪成像方法，其特征在于，所述纹影仪的灵敏度由下式获取：
Figure FDA0002564768510000021
其中，S表示灵敏度，r1表示平面分光镜(9)的反射率，r2表示平面反射镜(10)的反射率，tM表示测试区域(11)的透射率。
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CN117054040A (zh) * 2023-10-12 2023-11-14 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 一种用于旋转扇叶流场显示的光学系统及测试方法

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