CN111964866A - 基于纹影法的多维成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于纹影法的多维成像系统及方法，该系统包括至少两个点光源装置、至少两片分束镜、至少两面抛物面镜和成像装置；其中：各点光源装置的发射光束分别经过一面抛物面镜形成反射光束，并使各反射光束交汇以形成有效测量区域，且各发射光束的光路经过该有效测量区域；各反射光束交汇后分别通过一片分束镜汇聚于成像装置，以形成纹影图像。上述系统从多个维度成像在同一成像装置上，提高了纹影图像的空间分辨率。

Description

基于纹影法的多维成像系统及方法

技术领域

本申请涉及纹影成像技术领域，特别是涉及一种基于纹影法的多维成像系统及方法。

背景技术

纹影技术作为一种非接触式流场可视化手段已发展了近百年，由于该技术对所观测的流场不会产生任何干扰，成本低廉，原理简单等优点，该技术被广泛应用于空气动力学、流场观测、火焰燃烧以及风动实验等研究领域。其原理概括为：流场中存在气流扰动时，密度发生微弱变化，气体对光的折射率也随之发生改变。因此，从点光源或平行光源发出的均匀光线射入流场时，将受到气流扰动而发生偏转。使用凹面镜或凸透镜对经过流场的光线进行聚焦，并在焦点处放置刀口，可将未受气流影响的光线(I级光)挡住而使受到气流扰动发生偏转的光线通过，从而将空气密度信息转变成光强信息，最终照射进入摄像头，转变为灰度信息在图像上呈现，将透明气体介质内部的密度变化可视化。

传统的纹影法是单光程纹影系统，在高马赫数、低静压流场显示中灵敏度低的问题，且传统的纹影法只能从单一维度观察物体，仅一面成像，容易丢失或忽略掉的与流体相关的重要数据，从而导致最终图像空间分辨率较低。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够提高图像空间分辨率的基于纹影法的多维成像系统及方法。

一种基于纹影法的多维成像系统，包括至少两个点光源装置、至少两片分束镜、至少两面抛物面镜和成像装置；其中：

各所述点光源装置的发射光束分别经过一面抛物面镜形成反射光束，并使各所述反射光束交汇以形成有效测量区域，且各所述发射光束的光路经过所述有效测量区域；各所述反射光束交汇后分别通过一片分束镜汇聚于所述成像装置，以形成纹影图像。

在其中一个实施例中，所述点光源装置包括第一点光源装置和第二点光源装置；所述分束镜包括第一分束镜和第二分束镜；所述抛物面镜包括第一抛物面镜和第二抛物面镜；所述第一点光源装置发射第一发射光束，所述第二点光源装置发射第二发射光束，所述第一发射光束的中心平行于所述第一抛物面镜的第一主光轴，所述第二发射光束的中心平行于所述第二抛物面镜的第二主光轴，所述第一主光轴垂直于所述第二主光轴。

在其中一个实施例中，所述点光源装置还包括第三点光源装置，所述分束镜还包括第三分束镜，所述抛物面镜还包括第三抛物面镜，所述第三点光源装置发射第三发射光束，所述第三发射光束的中心平行于所述第三抛物面镜的第三主光轴，所述第三主光轴分别垂直于所述第一主光轴和所述第二主光轴。

在其中一个实施例中，所述第一点光源装置设置于所述第一抛物面镜的两倍焦距处，所述第二点光源装置设置于所述第二抛物面镜的两倍焦距处，所述第三点光源装置设置于所述第三抛物面镜的两倍焦距处。

在其中一个实施例中，所述点光源装置包括LED灯和光阑。

在其中一个实施例中，所述分束镜包括半透半反分束镜。

在其中一个实施例中，所述成像装置包括CCD摄影机。

一种基于纹影法的多维成像方法，所述方法包括：

生成至少两束发射光束及各所述发射光束对应的反射光束，并使各所述反射光束交汇形成有效测量区域，且各所述发射光束的光路经过所述有效测量区域；

汇聚各所述反射光束，并进行图像处理形成纹影图像。

在其中一个实施例中，所述发射光束包括第一发射光束和第二发射光束，所述反射光束包括与所述发射光束对应的第一反射光束和第二反射光束；所述方法包括：

将所述第一反射光束和所述第二反射光束交汇形成第一有效测量区域，且所述第一发射光束的光路和所述第二发射光束的光路均经过所述第一有效测量区域；

汇聚所述第一反射光束和所述第二反射光束，并进行图像处理形成纹影图像。

在其中一个实施例中，所述发射光束包括第一发射光束、第二发射光束和第三发射光束，所述反射光束包括与所述发射光束对应的第一反射光束、第二反射光束和第三反射光束；所述方法包括：

将所述第一反射光束、所述第二反射光束和第三反射光束交汇形成第二有效测量区域，且所述第一发射光束的光路、所述第二发射光束的光路和所述第三发射光束的光路均经过所述第二有效测量区域；

汇聚所述第一反射光束、所述第二反射光束和所述第三反射光束，并进行图像处理形成纹影图像。

上述基于纹影法的多维成像系统中，包括至少两个点光源装置、至少两片分束镜、至少两面抛物面镜和成像装置；其中：各所述点光源装置的发射光束分别经过一面抛物面镜形成反射光束，并使各所述反射光束交汇以形成有效测量区域，且各所述发射光束的光路经过所述有效测量区域；各所述反射光束交汇后分别通过一片分束镜汇聚于所述成像装置，以形成纹影图像。上述系统从多个维度成像在同一成像装置上，提高了纹影图像的空间分辨率。

附图说明

图1为本申请实施例提供的基于纹影法的多维成像系统的第一种结构示意图；

图2为本申请实施例提供的基于纹影法的多维成像系统的第二种结构示意图；

图3为本申请实施例提供的基于纹影法的多维成像系统的第三种结构示意图；

图4为本申请实施例提供的基于纹影法的多维成像方法的第一种流程图；

图5为本申请实施例提供的基于纹影法的多维成像方法的第二种流程图；

图6为本申请实施例提供的基于纹影法的多维成像方法的第三种流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一反射光束称为第二反射光束，且类似地，可将第二发射光束称为第一反射光束。第一反射光束和第二反射光束两者都是反射光束，但其不是同一反射光束。

图1为一实施例的基于纹影法的多维成像系统的结构示意图，该系统包括至少两个点光源装置100、至少两片分束镜200、至少两面抛物面镜300和成像装置400。其中，各点光源装置100的发射光束分别经过一面抛物面镜300形成反射光束，并使各反射光束交汇以形成有效测量区域S，且各发射光束的光路经过该有效测量区域S；各反射光束交汇后分别通过一片分束镜200汇聚于成像装置400，以形成纹影图像。

上述基于纹影法的多维成像系统中，通过采用多个点光源装置100聚焦同一有效测量区域，该有效测量区域S即为该系统的一个多维编码的纹影对象。然后通过成像装置400对该纹影对象进行图像处理以形成纹影图像，提高了纹影图像的空间分辨率。

本实施例中，发射光束和反射光束均通过有效测量区域S，即纹影光路两次通过有效测量区域S，使得来自光源的偏折角增加，纹影灵敏度是单次通过的两倍。因此，该系统相比传统纹影系统(纹影光路单次通过有效测量区域S)具有更高的灵敏度，有利于测量弱扰动的纹影对象。

具体地，有效测量区域S的纹影对象包括：不同类型的普通蜡烛、光学组件、玻璃窗格或人类吸入和呼出气流，在此不做具体限定。

在其中一个实施例中，如图2所示，点光源装置包括第一点光源装置110和第二点光源装置120；分束镜包括第一分束镜210和第二分束镜220；抛物面镜包括第一抛物面镜310和第二抛物面镜320；第一点光源装置110发射第一发射光束，第二点光源装置120发射第二发射光束，第一发射光束的中心平行于第一抛物面镜310的第一主光轴L1，第二发射光束的中心平行于第二抛物面镜320的第二主光轴L2，第一主光轴L1垂直于第二主光轴L2。

本实施例中，第一光源装置110的第一发射光束透过第一分束镜210后在第一抛物面镜310处形成第一反射光束；第二光源装置120的第二发射光束透过第二分束镜220后在第二抛物面镜320处形成第二反射光束；第一反射光束和第二反射光束交汇形成第一有效测量区域S1，其中，第一发射光束和第二发射光束的光路均经过第一有效测量区域S1；第一反射光束经第一分束镜210反射后进入成像装置400，第二反射光束经第二分束镜220反射后进入成像装置400；成像装置400采集第一反射光束和第二反射光束后进行纹影成像。

需要说明的是，由于第一发射光束和第一反射光束均通过第一有效测量区域S1，第二发射光束和第二反射光束均通过第一有效测量区域S1，即纹影光路两次通过第一有效测量区域S1，其纹影灵敏度是单次通过的两倍。

具体地，由于大口径的透镜的消像差设计和保证玻璃材料内部的高质量存在困难，因此本申请采用抛物面镜(第一抛物面镜310和第二抛物面镜320)来代替透镜，形成大视场的反射镜式光学系统，其优点不仅满足大视场的要求，而且玻璃内部的质量不会影响反射镜表面的质量，反射镜的反射不会产生色差。

此外，由于气体的空间特性，需要建立多维度观察的光学系统，相较于其他的重合纹影光学系统，该系统结构更为简单，使用分束镜(第一分束镜210和第二分束镜220)不仅可以有效消除双影像，同时可以对光线聚焦的位置及角度进行灵活的调整，更加便于多维度纹影光学系统的光路设计。

在其中一个实施例中，如图2和图3所示，点光源装置还包括第三点光源装置130，分束镜还包括第三分束镜230，抛物面镜还包括第三抛物面镜(图未显示)，第三点光源装置130发射第三发射光束，第三发射光束的中心平行于所述第三抛物面镜的第三主光轴L3，第三主光轴L3分别垂直于第一主光轴L1和第二主光轴L2。

本实施例中，第一光源装置110的第一发射光束透过第一分束镜210后在第一抛物面镜310处形成第一反射光束；第二光源装置120的第二发射光束透过第二分束镜220后在第二抛物面镜320处形成第二反射光束；第三光源装置120的第三发射光束透过第三分束镜230后在第三抛物面镜处形成第三反射光束；第一反射光束、第二反射光束和第三反射光束交汇形成第二有效测量区域(图未显示)，其中，第一发射光束、第二发射光束和第三发射光束的光路均经过第二有效测量区域；第一反射光束经第一分束镜210反射后进入成像装置400，第二反射光束经第二分束镜220反射后进入成像装置400，第三反射光束经第三分束镜230反射后进入成像装置400；成像装置400采集第一反射光束、第二反射光束和第三反射光束后进行纹影成像。

需要说明的是，图3实施例的三维纹影成像系统是在图2实施例的二维纹影成像系统的基础上，利用光学几何知识，增加了纵向的维度，成像装置400的主光轴与三块抛物面镜形成的立体方形区域的主对角线相重合，确保每一维光路中光学仪器之间的相对布置一致，采用一个成像装置400进行三维成像，以提高纹影图像的空间分辨率。

在其中一个实施例中，如图2和图3所示，第一点光源装置110设置于第一抛物面镜310的两倍焦距处，第二点光源装置120设置于第二抛物面镜320的两倍焦距处，第三点光源装置130设置于第三抛物面镜的两倍焦距处。

在其中一个实施例中，点光源装置100包括LED灯和光阑。其中，光阑小孔直径为0.1毫米。

在其中一个实施例中，分束镜200包括半透半反分束镜。其中，半透半反分束镜的通光口径为40×40毫米，半透半反分束镜的分光比设置为50/50。

在其中一个实施例中，抛物面镜300的直径为200毫米，焦距为800毫米。

在其中一个实施例中，成像装置400包括CCD摄影机。其中，CCD摄影机的每秒传输帧数(Frames Per Second，FPS)为1000。此外，CCD摄影机的刀口厚度小于0.1毫米。

图4为一实施例的基于纹影法的多维成像的方法流程图，该方法包括：

步骤S100：生成至少两束发射光束及各发射光束对应的反射光束，并使各反射光束交汇形成有效测量区域，且各发射光束的光路经过该有效测量区域。

步骤S200：汇聚各反射光束，并进行图像处理形成纹影图像。

本实施例的方法对应图1实施例的基于纹影法的多维成像系统，在此不再赘述。

图5为另一实施例的基于纹影法的多维成像的方法流程图，其中，发射光束包括第一发射光束和第二发射光束，反射光束包括与发射光束对应的第一反射光束和第二反射光束。该方法包括：

步骤S100'：将第一反射光束和第二反射光束交汇形成第一有效测量区域，且第一发射光束的光路和第二发射光束的光路均经过该第一有效测量区域。

步骤S200'：汇聚第一反射光束和第二反射光束，并进行图像处理形成纹影图像。

本实施例的方法对应图2实施例的基于纹影法的多维成像系统，在此不再赘述。

图6为另一实施例的基于纹影法的多维成像的方法流程图，其中，发射光束包括第一发射光束、第二发射光束和第三发射光束，反射光束包括与发射光束对应的第一反射光束、第二反射光束和第三反射光束。该方法包括：

步骤S100”：将第一反射光束、第二反射光束和第三反射光束交汇形成第二有效测量区域，且第一发射光束的光路、第二发射光束的光路和第三发射光束的光路均经过该第二有效测量区域。

步骤S200”：汇聚第一反射光束、第二反射光束和第三反射光束，并进行图像处理形成纹影图像。

本实施例的方法对应图3实施例的基于纹影法的多维成像系统，在此不再赘述。

上述基于纹影法的多维成像系统中，通过采用多个点光源装置100聚焦同一有效测量区域，该有效测量区域S即为该系统的一个多维编码的纹影对象。然后通过成像装置400对该纹影对象进行图像处理以形成纹影图像，提高了纹影图像的空间分辨率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于纹影法的多维成像系统，其特征在于，包括至少两个点光源装置、至少两片分束镜、至少两面抛物面镜和成像装置；其中：

各所述点光源装置的发射光束分别经过一面抛物面镜形成反射光束，并使各所述反射光束交汇以形成有效测量区域，且各所述发射光束的光路经过所述有效测量区域；各所述反射光束交汇后分别通过一片分束镜汇聚于所述成像装置，以形成纹影图像。

2.根据权利要求1所述的基于纹影法的多维成像系统，其特征在于，所述点光源装置包括第一点光源装置和第二点光源装置；所述分束镜包括第一分束镜和第二分束镜；所述抛物面镜包括第一抛物面镜和第二抛物面镜；所述第一点光源装置发射第一发射光束，所述第二点光源装置发射第二发射光束，所述第一发射光束的中心平行于所述第一抛物面镜的第一主光轴，所述第二发射光束的中心平行于所述第二抛物面镜的第二主光轴，所述第一主光轴垂直于所述第二主光轴。

3.根据权利要求2所述的基于纹影法的多维成像系统，其特征在于，所述点光源装置还包括第三点光源装置，所述分束镜还包括第三分束镜，所述抛物面镜还包括第三抛物面镜，所述第三点光源装置发射第三发射光束，所述第三发射光束的中心平行于所述第三抛物面镜的第三主光轴，所述第三主光轴分别垂直于所述第一主光轴和所述第二主光轴。

4.根据权利要求3所述的基于纹影法的多维成像系统，其特征在于，所述第一点光源装置设置于所述第一抛物面镜的两倍焦距处，所述第二点光源装置设置于所述第二抛物面镜的两倍焦距处，所述第三点光源装置设置于所述第三抛物面镜的两倍焦距处。

5.根据权利要求1所述的基于纹影法的多维成像系统，其特征在于，所述点光源装置包括LED灯和光阑。

6.根据权利要求1所述的基于纹影法的多维成像系统，其特征在于，所述分束镜包括半透半反分束镜。

7.根据权利要求1所述的基于纹影法的多维成像系统，其特征在于，所述成像装置包括CCD摄影机。

8.一种基于纹影法的多维成像方法，其特征在于，所述方法包括：

生成至少两束发射光束及各所述发射光束对应的反射光束，并使各所述反射光束交汇形成有效测量区域，且各所述发射光束的光路经过所述有效测量区域；

汇聚各所述反射光束，并进行图像处理形成纹影图像。

9.根据权利要求8所述的基于纹影法的多维成像方法，其特征在于，所述发射光束包括第一发射光束和第二发射光束，所述反射光束包括与所述发射光束对应的第一反射光束和第二反射光束；所述方法包括：

将所述第一反射光束和所述第二反射光束交汇形成第一有效测量区域，且所述第一发射光束的光路和所述第二发射光束的光路均经过所述第一有效测量区域；

汇聚所述第一反射光束和所述第二反射光束，并进行图像处理形成纹影图像。

10.根据权利要求8所述的基于纹影法的多维成像方法，其特征在于，所述发射光束包括第一发射光束、第二发射光束和第三发射光束，所述反射光束包括与所述发射光束对应的第一反射光束、第二反射光束和第三反射光束；所述方法包括：

将所述第一反射光束、所述第二反射光束和第三反射光束交汇形成第二有效测量区域，且所述第一发射光束的光路、所述第二发射光束的光路和所述第三发射光束的光路均经过所述第二有效测量区域；

汇聚所述第一反射光束、所述第二反射光束和所述第三反射光束，并进行图像处理形成纹影图像。

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