CN207965380U - 一种用于流动显示的直接纹影成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于流动显示的直接纹影成像系统，包括：矩阵光源，其由多个点阵光源拼接形成；柔光屏，其位于矩阵光源的光路上；源格栅，其由明暗相间的条状物组成以形成明暗条纹，源格栅位于柔光屏的光路上；从源格栅形成的部分光束以锥形光方式照射到测试区域；聚焦透镜，其位于测试区域的下方；刀口栅，其位于聚焦透镜的光路上且放置在矩阵光源的成像面位置；图像接收屏，其位于刀口栅的光路上且放置于测试区域的成像面位置；图像接收系统，其位于图像接收屏的下方。本实用新型采用拼接点光源方式形成矩阵光源，并结合柔光屏和源格栅形成锥形光束，通过源格栅以锥形光束方式可以照射到较大的测试区域，从而可以获得大视场流场显示。

Description

一种用于流动显示的直接纹影成像系统

技术领域

本实用新型涉及一种成像系统，具体涉及一种用于流动显示的直接纹影成像系统。

背景技术

流动显示是空气动力学、爆炸与冲击、燃烧与化学反应等很多研究领域中一种重要的测试技术之一，通过流动显示可以获得测试区域的密度变化情况，为试验研究提供重要的基础保障。目前采用的流动显示方法主要为平行光纹影仪，其对流动密度一阶导数变化敏感。最近几年发展了聚焦纹影技术、背景导向纹影(BOS)技术也都能够实现对流动进行显示。聚焦纹影技术中需要使用菲涅耳透镜，同直接纹影技术一样采用锥形光束方式照射测试区域，但目前菲涅耳透镜直径难以大于Φ2m，测试视场很难达到Φ1.5m，同时因为边缘效应及菲涅耳透镜多焦点原因，获得的流动图像光斑均匀性不理想。BOS 技术视场可以很大，但是需要对获得的图像采用类似粒子图像测速即PIV技术处理后才能够对流动进行显示，目前图像分辨率较低、数据误差较大，在工程上难以进行实际运用。

随着科研试验的深入发展，要求流动显示的测试区域越来越大，而常规平行光纹影仪测试视场越大时价格成倍上升。同时在现有测试技术手段上难以对大于Φ1.5m的测试区域进行流动显示。本实用新型的用于流场显示的直接纹影成像技术，用于风洞等试验中的流场显示，以获得肉眼无法直接看到的流场信息。通常使用的流场显示方法中需要大尺寸光学元器件，这种大尺寸光学元器件尺寸等于或大于要求测试区域视场尺寸。如用于流场显示的平行光纹影或阴影仪器，在测试视场为Φ300mm时，则仪器中必须具有两块尺寸大于Φ300mm的球面反射镜或透镜，以及同尺寸的光学窗口玻璃。当对于更大测试视场如Φ1m时，这种尺寸的光学元件受材料性能等参数限制难以完成加工。本实用新型的直接纹影成像技术通过拼接不同尺寸的点阵光源，结合柔光屏、源格栅、刀口栅和聚焦透镜等，光路中不需要使用大尺寸菲涅耳透镜、大尺寸球面反射镜和透镜形成光的聚光效果，就可以对不同尺寸区域甚至大于Φ1.5m区域进行流动显示，而且成本相对常规平行光纹影仪低，操作也相对简单。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本实用新型针对大视场流动显示及流动显示成本较高问题，设计了一种流动显示光路，通过改变矩阵光源、柔光屏和源格栅尺寸可以实现不同视场的流动显示，整个光路系统调试相对常规平行光纹影仪简单。

本实用新型在光源端设计不同尺寸点阵光源如LED光源，点阵光源拼接成一个较大的矩阵光源。在矩阵光源后端放置柔光屏，柔光屏后放置源格栅，光束通过源格栅后部分光束穿过测试区域后汇聚到聚焦透镜，聚焦透镜把源格栅的像成像在刀口栅的位置，在刀口栅后面为测试区域的成像面，在成像面位置放置图像接收屏，成像系统拍摄图像接收屏获得测试区域的流动图像。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种用于流动显示的直接纹影成像系统，包括：

用于形成照射到测试区域的光束的矩阵光源，其由多个点阵光源拼接形成；

用于形成均匀光束的柔光屏，其位于矩阵光源的光路上；

用于形成条状光源的源格栅，其由明暗相间的条状物组成以形成明暗条纹，所述源格栅位于柔光屏的光路上；从源格栅形成的部分光束以锥形光方式照射到测试区域；

用于对源格栅和测试区域成像的聚焦透镜，其位于测试区域的下方；

用于切取源格栅像的刀口栅，其位于聚焦透镜的光路上且放置在矩阵光源的成像面位置；

用于接收流场图像的图像接收屏，其位于刀口栅的光路上且放置于测试区域的成像面位置；

用于记录测试区域的流场图像的图像接收系统，其位于图像接收屏的下方。

优选的是，所述矩阵光源采用50～2000颗LED光源拼接而成，每颗光源的最高功率为3～20W。

优选的是，所述柔光屏为硫酸纸或毛玻璃屏。

优选的是，所述源格栅的明暗条纹的间距分别设置为1mm和2mm。

优选的是，所述聚焦透镜包括至少一组聚焦透镜，则相应的所述刀口栅包括至少一组刀口栅；所述图像接收屏包括至少一组图像接收屏；所述图像接收系统包括至少一组图像接收系统。

优选的是，所述聚焦透镜包括2～4组聚焦透镜，则相应的所述刀口栅包括2～4组刀口栅；所述图像接收屏包括2～4组图像接收屏；所述图像接收系统包括2～4图像接收系统。

优选的是，所述刀口栅通过调整支架沿光轴上下或左右移动。

优选的是，所述图像接收屏为毛玻璃屏或硫酸纸；采用硫酸纸时，将硫酸纸镶在两块玻璃之间。

优选的是，所述图像接收系统为单反相机或高速摄影机。

本实用新型至少包括以下有益效果：

(1)采用拼接点光源方式形成矩阵光源，并结合柔光屏和源格栅形成锥形光束，避免使用难以加工并且加工昂贵的大口径光学元件形成锥形光束，而此矩阵光源很容易形成大尺寸光源，通过源格栅以锥形光束方式可以照射到较大的测试区域，从而可以获得大视场流场显示；本实用新型不需要使用大尺寸的聚光元件就可形成均匀的锥形光束而照射到测试区域，测试区域的光斑均匀性可以达到90％。

(2)从源格栅出来的光束为发散光束，因此可以在不同位置放置多组聚焦透镜，实现从源格栅出来的光束形成多个锥形光束照射不同测试区域后进入聚焦透镜。当多组聚焦透镜靠得很近时可对同一测试区域聚焦在不同面上，当多组聚焦透镜分离一定空间放置时可以获得不同测试区域的流场显示图像，整个测试区域的尺寸得到进一步扩大。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本实用新型所述直接纹影成像系统的光路布置图；

图2为本实用新型的矩阵光源示意图；

图3为本实用新型的源格栅示意图；

图4为本实用新型多截面或更大视场的直接纹影成像光路布置图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实用新型利用点阵光源、柔光屏和源格栅，利用部分散射光形成锥形光束均匀照射测试区域，在成像接收端采用明暗相间的刀口栅方式实现对测试区域进行流动显示的一种纹影成像技术。在光路结构中不需要采用难以加工的大尺寸光学元件，因此其测试视场不受光学元件尺寸限制，只需要改变点阵光源、柔光屏及源格栅尺寸就可满足不同大小测试区域的流动显示。

本实用新型的直接纹影成像技术中利用拼接的点阵光源产生散射光束，并在散射光束前端设置明暗条纹的源格栅，经过源格栅后部分散射光束穿过流场测试区域后进入聚焦透镜，形成源格栅的像及测试流场的像，在源格栅像位置放置刀口栅，刀口栅也是一组明暗条纹，但明暗刚好与源格栅像相反，尺寸与源格栅像一致。通过改变刀口栅位置，让部分源格栅像通过刀口栅，则在测试区域的成像面上获得测试区域的流场图像。由于直接纹影成像技术中的聚焦透镜具有聚焦特性，则没有在聚焦区域的信息可以进行柔化，而窗口玻璃位置通常处于非聚焦区域，因此对窗口玻璃的性能要求较常规平行光纹影仪器中低，因此这种大尺寸窗口玻璃也相对容易加工。整个直接纹影成像技术中都没有难以加工的大尺寸光学元件，因此通过此技术可以开展大视场流场显示，同时成本较低，操作较为简单。

图1～2示出了本实用新型的一种用于流动显示的直接纹影成像系统，包括：

用于形成照射到测试区域的光束的矩阵光源1，其由多个点阵光源101 拼接形成；

用于形成均匀光束的柔光屏2，其位于矩阵光源1的光路上；

用于形成条状光源的源格栅3，其由明暗相间的条状物组成以形成明暗条纹，所述源格栅3位于柔光屏2的光路上；从源格栅3形成的部分光束以锥形光方式照射到测试区域；

用于对源格栅3和测试区域8成像的聚焦透镜4，其位于测试区域8的下方；

用于切取源格栅像的刀口栅5，其位于聚焦透镜4的光路上且放置在矩阵光源1的成像面9位置；所述刀口栅和源格栅匹配，实现对成像区域的密度变化进行显示；

用于接收流场图像的图像接收屏6，其位于刀口栅5的光路上且放置于测试区域8的成像面10位置；

用于记录测试区域的流场图像的图像接收系统7，其位于图像接收屏6 的下方。

在上述技术方案中，参见图1，直接纹影成像系统矩阵光源1形成的发散光束11后照射到柔光屏2，柔光屏2形成均匀光束照射到源格栅3，从源格栅3出来的部分光束以锥形光方式照射到测试区域8后由聚焦透镜4进行汇聚，光束在刀口栅5位置形成源格栅3的像，在图像接收屏6位置得到测试区域8的像，图像接收系统7对图像接收屏6成像获得测试区域8的流场图像。

参见图2，矩阵光源1中各点阵光源101的距离越近，在测试区域8的光束越均匀，但距离越近时点阵光源101需要的越多，需要结合各点阵光源 101的功率确定相互之间的距离。

参见图3，所述的源格栅用于形成条状光源，由明暗相间的条状物组成，尺寸较小(如Φ300mm以下)时可以在透明玻璃上刻成明暗相间条纹，尺寸较大时可以采用机械的方式加工不透明物体成为条状；源格栅3中明条纹301 和暗条纹302的宽度及相互之间的距离与整个系统对流场显示的灵敏度有关，而灵敏度还与聚焦透镜4的参数、测试区域8与聚焦透镜4的距离、矩阵光源1与测试区域8距离有关，因此源格栅3中明条纹301和暗条纹302 的宽度及相互之间的距离根据其它参数和灵敏度要求进行选择；源格栅3距离柔光屏2的距离越短越好，距离越短，从源格栅3出来的光束越强；聚焦透镜4需要消球差等像差，在使用单色光源时不需要消色差，为了降低成像时的聚焦区域，聚焦透镜4的成像分辨率越高越好，同时其口径越大，搜集从源格栅3出来的光束越多，要求矩阵光源1的功率越低。

在上述技术方案中，所述聚焦透镜用于对源格栅和测试区域成像，聚焦透镜直径越大，收集从源格栅出来的光束越多；对于白光光源，聚焦透镜需要消色差等像差，才能获得比较好的成像效果；聚焦透镜的焦距应满足源格栅的像和测试区域的像有一定间隔，以保证在源格栅像位置空间能够放置刀口栅。

在上述技术方案中，所述矩阵光源采用50～2000颗LED光源拼接而成，每颗光源的最高功率为3～20W；更优选的是所述矩阵光源采用100颗LED光源拼接而成。

在上述技术方案中，所述柔光屏为硫酸纸或毛玻璃屏；柔光屏2与矩阵光源1的距离越大，柔光屏2越能够被均匀照明，但过大时矩阵光源1照射到柔光屏2的光束会减少。

在上述技术方案中，所述源格栅的明暗条纹的间距分别设置为1mm和 2mm；可以适配不同的源格栅，同时穿过刀口栅的明暗对比度可以达到1:0，其调试灵活性和流场显示的灵敏度都得到增加；

在上述技术方案中，所述聚焦透镜包括至少一组聚焦透镜，则相应的所述刀口栅包括至少一组刀口栅；所述图像接收屏包括至少一组图像接收屏；所述图像接收系统包括至少一组图像接收系统。

在上述技术方案中，所述聚焦透镜包括2～4组聚焦透镜，则相应的所述刀口栅包括2～4组刀口栅；所述图像接收屏包括2～4组图像接收屏；所述图像接收系统包括2～4图像接收系统。

在上述技术方案中，所述刀口栅通过调整支架沿光轴上下或左右移动，以切取不同大小的矩阵光源1的像，从而改变流场显示的灵敏度。

在上述技术方案中，所述图像接收屏为毛玻璃屏或硫酸纸；采用硫酸纸时，将硫酸纸镶在两块玻璃之间；图像接收屏6放置于测试区域8的成像面 10位置，沿光轴前后移动时可以获得测试区域不同位置的流场图像。

在上述技术方案中，所述图像接收系统为单反相机或高速摄影机；所述图像接收系统7放置位置决定于自身的焦距、视场角度和图像接收屏6的大小。

在另一种技术方案中，参见图4，在聚焦透镜位置再放置一组聚焦透镜402，则可以获得源格栅3的另外一个像面902，在另外一个像面902位置再放置一组刀口栅502，可以得到测试区域8或其它测试区域802的像面102，在像面102放置图像接收屏602，通过图像接收系统702实现对测试区域8 的不同位置或其它测试区域802进行流场显示。这样，通过放置多组聚焦透镜方式实现了更大测试区域8成像，或者实现多个测试截面如测试区域8和测试区域802同时成像。

为了验证本实用新型直接纹影成像系统的成像灵敏度、图像光斑均匀性，对点燃蜡烛和电吹风流场进行了显示；所述直接纹影成像系统的矩阵光源采用100颗LED光源拼接而成，每颗光源的最高功率为3W；

采用在刀口栅未切取光源像、切取1/3、切取1/2、切取3/4左右时获得流场图像，聚焦区域位于蜡烛火焰；以及获得电吹风流场图像。

为了检测装置的聚焦效果，在相距50mm的位置分别放置了点燃蜡烛。位于聚焦平面的蜡烛火焰流场清晰，位于非聚焦平面的蜡烛火焰流场已经均匀化。直接纹影成像方式同使用菲涅耳透镜的聚焦纹影成像一样，具有明显的聚焦特性。

从验证结果可知，整个测试区域图像光斑均匀，蜡烛火焰及热吹风纹影图像中的气流扰动特征明显。与采用菲涅耳透镜的聚焦纹影技术一样，基于光源拼接的直接纹影成像技术也能够实现流场结构的清晰显示。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种用于流动显示的直接纹影成像系统，其特征在于，包括：

用于形成照射到测试区域的光束的矩阵光源，其由多个点阵光源拼接形成；

用于形成均匀光束的柔光屏，其位于矩阵光源的光路上；

用于形成条状光源的源格栅，其由明暗相间的条状物组成以形成明暗条纹，所述源格栅位于柔光屏的光路上；从源格栅形成的部分光束以锥形光方式照射到测试区域；

用于对源格栅和测试区域成像的聚焦透镜，其位于测试区域的下方；

用于切取源格栅像的刀口栅，其位于聚焦透镜的光路上且放置在矩阵光源的成像面位置；

用于接收流场图像的图像接收屏，其位于刀口栅的光路上且放置于测试区域的成像面位置；

用于记录测试区域的流场图像的图像接收系统，其位于图像接收屏的下方。

2.如权利要求1所述的用于流动显示的直接纹影成像系统，其特征在于，所述矩阵光源采用50～2000颗LED光源拼接而成，每颗光源的最高功率为3～20W。

3.如权利要求1所述的用于流动显示的直接纹影成像系统，其特征在于，所述柔光屏为硫酸纸或毛玻璃屏。

4.如权利要求1所述的用于流动显示的直接纹影成像系统，其特征在于，所述源格栅的明暗条纹的间距分别设置为1mm和2mm。

5.如权利要求1所述的用于流动显示的直接纹影成像系统，其特征在于，所述聚焦透镜包括至少一组聚焦透镜，则相应的所述刀口栅包括至少一组刀口栅；所述图像接收屏包括至少一组图像接收屏；所述图像接收系统包括至少一组图像接收系统。

6.如权利要求1所述的用于流动显示的直接纹影成像系统，其特征在于，所述聚焦透镜包括2～4组聚焦透镜，则相应的所述刀口栅包括2～4组刀口栅；所述图像接收屏包括2～4组图像接收屏；所述图像接收系统包括2～4组图像接收系统。

7.如权利要求1所述的用于流动显示的直接纹影成像系统，其特征在于，所述刀口栅通过调整支架沿光轴上下或左右移动。

8.如权利要求1所述的用于流动显示的直接纹影成像系统，其特征在于，所述图像接收屏为毛玻璃屏或硫酸纸；采用硫酸纸时，将硫酸纸镶在两块玻璃之间。

9.如权利要求1所述的用于流动显示的直接纹影成像系统，其特征在于，所述图像接收系统为单反相机或高速摄影机。