CN111855134A - 一种基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,包括光源、聚光镜、源格栅、流场、成像透镜、源格栅成像屏、网格标定板、流场成像屏、相机镜头、相机、透明液晶显示屏和计算机;光源经聚光镜照明源格栅,透过源格栅的光照明流场,成像透镜将源格栅成像到源格栅成像屏上,成像透镜将流场成像到流场成像屏上;流场为可移除设置,流场成像屏为可移除设置,源格栅成像屏、网格标定板和透明液晶显示屏三者可切换设置,计算机分别与透明液晶显示屏和相机信号连接。本发明提供的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统既实现了刀口栅的自动生成,又改善了流场成像质量,保证了聚焦纹影流场显示的灵敏度和均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及高速和超高速流场的光学流动显示技术领域,更具体地说,它涉及一种基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统及方法。
背景技术
纹影技术是一种常规光学测量方法,主要是用于测量透明介质引起光线偏折的流场情况,它反映的是整个光程折射率场变化的一阶导数,在高速风洞现场使用较多,是一种较为直观和传统的流场诊断手段。纹影中采用源格栅代替狭缝且采用刀口栅代替刀口的纹影仪叫做聚焦纹影仪,聚焦纹影反映的也是流场的密度梯度,反映的是流场中垂直于光轴的一定厚度截面内的密度梯度变化。
聚焦纹影具有对流场一定厚度截面内的波系诊断能力,也用于去除某些干扰扰动,具有很好的使用前景。但是聚焦纹影需要保证源格栅的反相像和刀口栅具有共轭关系,如果不能保证这个共轭关系,会使聚焦纹影仪的对比度、灵敏度和视场均匀性产生很大的影响,现行的保证这个共轭关系的各种方法都存在一些困难,这使得聚焦纹影的调试非常困难。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,借助透明液晶显示屏和图像处理,使其进行自适应生成源格栅,从而得到聚焦纹影的较好调试效果,解决这个共轭调试的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:
一种基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,包括光源、聚光镜、源格栅、流场、成像透镜、源格栅成像屏、网格标定板、流场成像屏、相机镜头、相机、透明液晶显示屏和计算机;
光源经聚光镜照明源格栅,透过源格栅的光照明流场,成像透镜将源格栅成像到源格栅成像屏上,成像透镜将流场成像到流场成像屏上;流场为可移除设置,流场成像屏为可移除设置,源格栅成像屏、网格标定板和透明液晶显示屏三者可切换设置,计算机分别与透明液晶显示屏和相机信号连接。
在上述方案中,流场和流场成像屏可通过人工或机械进行移除,移除指将其移除至光路外,移入指将其移入指光路路径上;源格栅成像屏、网格标定板和透明液晶显示屏三者可切换设置,切换方式可采用人工切换,也可通过机械控制以进行切换。光源可以是发散光也可以是平行光,或会聚光。
作为一种优选方案,聚光镜为菲涅尔透镜或光学透镜。
作为一种优选方案,源格栅为金属、非金属制品、透明材质上的刻划线或透明材质上的刻划图案。
作为一种优选方案,流场为变化的透明介质,成像镜头为对源格栅和流场清晰成像的镜组,源格栅成像屏为单面散射的透射式成像屏,网格标定板为密布横竖直线组成的网格平板,流场成像屏为单面散射的透射式成像屏,相机镜头为能够清晰对流场成像屏和源格栅成像屏成像并与相机匹配的镜头,计算机用于采集、处理和显示图像。
作为一种优选方案,相机为连续采集相机或单帧相机,相机感光器件为CCD或CMOS。
作为一种优选方案,透明液晶显示屏显示的源格栅反相像包括暗色显示部分和无色显示部分,暗色显示部分用于阻挡光线或过滤光线,无色显示部分用于透过部分光线。
作为一种优选方案,网格标定板的网格线间距值为不超过相机镜头的物空间分辨率,网格标定板在相机感光器件上的像分辨率不超过相机感光器件的分辨率。
作为一种优选方案,源格栅成像屏、网格标定板和透明液晶显示屏在垂直于光轴的同平面内切换设置。
一种基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影方法,基于上述的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,包括以下步骤:
S1:光源发出的光线透过聚光镜照明源格栅,透过源格栅的会聚光线照明流场,成像透镜将源格栅成像到源格栅成像屏上,移除源格栅成像屏,成像透镜将流场成像到流场成像屏上;
S2:将流场和流场成像屏从光路中移除,将源格栅成像屏切换为网格标定板,相机镜头成像网格标定板到相机感光器件上,通过网格标定板和计算机,确定相机镜头对网格标定板的畸变关系;
S3:将网格标定板切换为源格栅成像屏,计算机根据S2得到的畸变关系,对相机采集到的与源格栅成像屏上的源格栅像进行畸变还原和反相处理,并输入到透明液晶显示屏上;
S4:将源格栅成像屏切换为透明液晶显示屏,将流场和流场成像屏移入至光路中原位置,调节透明液晶显示屏,以切割源格栅在透明液晶显示屏上的像,在流场成像屏上形成聚焦纹影图像;
S5:调节相机镜头,使得流场成像屏上的流场被相机清晰记录并被保存到计算机。
综上所述,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明提供的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统采用了透明液晶显示屏显示的暗条纹作为刀口栅不通光条纹,其它透明部分作为通光条纹,透明液晶显示屏显示的条纹是根据源格栅成像屏显示的结果结合网格标定结果进行反相处理后得到的。标定结果较大地消除了相机成像系统带来的畸变,保证了显示的刀口栅和原格栅反相像的共轭;
(2)本发明提供的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统采用透明液晶显示屏代替原刀口栅,结合标定板和计算机进行图像校正,可以自动在透明液晶显示屏上形成较小畸变的刀口栅,这个过程可以电控,实现自适应调节输出;避免了此前聚焦纹影繁琐的聚焦纹影刀口栅位置调节;也避免了预制刀口栅和源格栅反相像不共轭现象导致的聚焦纹影图像灵敏度降低和视场不均匀的现象;
(3)本发明提供的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统既实现了刀口栅的自动生成,又改善了流场成像质量,保证了聚焦纹影流场显示的灵敏度和均匀性。
附图说明
图1是本发明实施例的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统的结构示意图;
其中:
1、光源;2、聚光镜;3、源格栅;4、流场;5、成像透镜;6、源格栅成像屏;7、网格标定板;8、流场成像屏;9、相机镜头;10、相机;11、透明液晶显示屏;12、计算机。
具体实施方式
本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式,而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语,故应解释成“包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内,本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题,基本达到所述技术效果。
下面结合附图进行进一步说明。
光源1发散光线被菲涅尔聚光镜2会聚光线照明源格栅3。透过源格栅3的会聚光线照明流场4,进入成像透镜5。成像透镜5将源格栅3成像到源格栅成像屏6上。网格标定板7、透明液晶显示屏11和源格栅成像屏6三者可以在同一平面内切换,从光路中切出流场成像屏8,移除流场4,通过网格标定板7确定相机10成像镜头对源格栅成像屏6的畸变关系,切入源格栅成像屏6到光路中,再对源格栅成像屏6上源格栅3像进行畸变还原和反相处理,输出到透明液晶显示屏11上,使其和源格栅成像屏6上的源格栅像基本一致,切入光路的透明液晶显示屏11将起到刀口栅的作用,切割入射光线,在有流场4时光线产生偏折,将在流场成像屏8上将形成明暗条纹,得到聚焦纹影图案。
切换入流场成像屏8,调节相机镜头9,使得流场成像屏8上的流场4像清晰成像到相机10的像面上,通过计算机12控制相机10采集聚焦纹影图像。
参见图1,本发明的优选实施例提供了一种基于透明液晶显示屏的聚焦纹影方法。其具体实施过称为:光源1发出的发散光透过聚光镜2后,照明源格栅3,透过的光线照明流场4,并被成像透镜5将源格栅成像到源格栅成像屏6上,移除源格栅成像屏6,将流场成像到流场成像屏8上,此时移除流场4,切换出流场成像屏8,切换入网格标定板7,使相机镜头9清晰成像网格标定板到相机10成像器件上,通过网格标定板7和计算机12,确定相机镜头9对网格标定板7的畸变关系。
切换入源格栅成像屏6,计算机12根据前面的畸变关系,对相机10采集到的源格栅成像屏6上的源格栅像进行畸变还原和反相处理,并输入到透明液晶显示屏11上。
切换入透明液晶显示屏11、流场4和流场像成像屏8到光路中,调节透明液晶显示屏11,切割源格栅3在透明液晶显示屏11上的像,在流场成像屏8上形成聚焦纹影图像,调节相机镜头9,使流场成像屏8上的流场像被相机10清晰记录并被保存到计算机12。
其中,光源1:可以是发散泛光源1,也可以是脉冲光源1通过器件发散;聚光镜2,可以是菲涅尔透镜也可以是光学透镜;源格栅3:可以是金属或非金属制品,也可以是透明材质上的刻划线和刻划图案;流场4:变化的透明介质;成像镜头:能对源格栅3和流场4清晰成像的镜组;源格栅成像屏6:单面散射的透射式成像屏;网格标定板7:密布横竖直线组成的网格平板,网格线间距越小越好,但不能超过相机镜头9的物空间分辨率,网格标定板7成像不能超过相机感光器件的分辨率;流场成像屏8:单面散射的透射式成像屏;相机镜头9:能清晰对流场成像屏8和源格栅成像屏6成像,并与相机10匹配的镜头;相机10:连续采集相机10或单帧相机10,感光器件为CCD或CMOS;透明液晶显示屏11:暗色显示部分阻挡光线或过滤光线,无色显示部分透过部分光线;计算机12:用于采集、处理和显示图像。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (9)
1.一种基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,其特征在于,包括光源(1)、聚光镜(2)、源格栅(3)、流场(4)、成像透镜(5)、源格栅成像屏(6)、网格标定板(7)、流场成像屏(8)、相机镜头(9)、相机(10)、透明液晶显示屏(11)和计算机(12);
光源(1)经聚光镜(2)照明源格栅(3),透过源格栅(3)的光照明流场(4),成像透镜(5)将源格栅(3)成像到源格栅成像屏(6)上,成像透镜(5)将流场(4)成像到流场成像屏(8)上;流场(4)为可移除设置,流场成像屏(8)为可移除设置,源格栅成像屏(6)、网格标定板(7)和透明液晶显示屏(11)三者可切换设置,计算机(12)分别与透明液晶显示屏(11)和相机(10)信号连接。
2.根据权利要求1所述的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,其特征在于,所述聚光镜(2)为菲涅尔透镜或光学透镜。
3.根据权利要求1所述的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,其特征在于,所述源格栅(3)为金属、非金属制品、透明材质上的刻划线或透明材质上的刻划图案。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,其特征在于,所述流场(4)为变化的透明介质,成像镜头为对源格栅(3)和流场(4)清晰成像的镜组,源格栅成像屏(6)为单面散射的透射式成像屏,网格标定板(7)为密布横竖直线组成的网格平板,流场成像屏(8)为单面散射的透射式成像屏,相机镜头(9)为能够清晰对流场成像屏(8)和源格栅成像屏(6)成像并与相机(10)匹配的镜头,计算机(12)用于采集、处理和显示图像。
5.根据权利要求4所述的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,其特征在于,所述相机(10)为连续采集相机或单帧相机,相机(10)感光器件为CCD或CMOS。
6.根据权利要求5所述的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,其特征在于,所述透明液晶显示屏(11)显示的源格栅反相像包括暗色显示部分和无色显示部分,暗色显示部分用于阻挡光线或过滤光线,无色显示部分用于透过部分光线。
7.根据权利要求6所述的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,其特征在于,所述网格标定板(7)的网格线间距值为不超过相机镜头(9)的物空间分辨率,网格标定板(7)在相机(10)感光器件上的像分辨率不超过相机(10)感光器件的分辨率。
8.根据权利要求7所述的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,其特征在于,所述源格栅成像屏(6)、网格标定板(7)和透明液晶显示屏(11)在垂直于光轴的同平面内切换设置。
9.一种基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影方法,基于权利要求1至8任一所述的基于自适应生成刀口栅的聚焦纹影系统,其特征在于,包括以下步骤:
S1:光源(1)发出的光线透过聚光镜(2)照明源格栅(3),透过源格栅(3)的会聚光线照明流场(4),成像透镜(5)将源格栅(3)成像到源格栅成像屏(6)上,移除源格栅成像屏(6),成像透镜(5)将流场(4)成像到流场成像屏(8)上;
S2:将流场(4)和流场成像屏(8)从光路中移除,将源格栅成像屏(6)切换为网格标定板(7),相机镜头(9)成像网格标定板(7)到相机(10)感光器件上,通过网格标定板(7)和计算机(12),确定相机镜头(9)对网格标定板(7)的畸变关系;
S3:将网格标定板(7)切换为源格栅成像屏(6),计算机(12)根据S2得到的畸变关系,对相机(10)采集到的与源格栅成像屏(6)上的源格栅(3)像进行畸变还原和反相处理,并输入到透明液晶显示屏(11)上;
S4:将源格栅成像屏(6)切换为透明液晶显示屏(11),将流场(4)和流场成像屏(8)移入至光路中原位置,调节透明液晶显示屏(11),以切割源格栅(3)在透明液晶显示屏(11)上的像,在流场成像屏(8)上形成聚焦纹影图像;
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201030 |