尾流气泡探测光学系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提出了一种尾流气泡探测光学系统，包括片光源、前组透镜、后组透镜、后组透镜连接切换机构，片光源和前组透镜位于同一光路，后组透镜是多组，多组的后组透镜通过切换机构进行切换，使一组后组透镜与前组透镜对应位于同一光路。本实用新型尾流气泡探测光学系统，能够完成10μm～500μm的分段拍摄，并能够将大于或等于10um尾流中小气泡拍摄清楚。
【专利说明】尾流气泡探测光学系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种高速显微成像系统，尤其涉及在水下恶劣环境中使用的高速显微成像系统。
【背景技术】
[0002]尾流是指舰船在航行中，由于螺旋桨旋转产生空化、海面波浪破碎以及吃水线部分大量空气的卷入在其后一定水域形成的一条具有特殊物理性能的气泡幕带。尾流中气泡的大小、速度以及数密度分布等参数的获取是研究尾流物理特性的基础，也为进一步研究尾流光学制导提供了 一种全新的技术途径。
[0003]尾流气泡成像仍存在较大困难，主要在于:(I)尾流气泡幕内各个气泡的尺寸是大动态范围(μ m级?_级)，要对完整范围内的气泡成像，光学系统望远能力、CXD分辨能力要求较高；(2)气泡形变、裂合以及位移的速度快，每个气泡的运动规律和衰减情况大不相同；(3)光学系统存在景深，照明光也有厚度，对气泡幕成像会造成不同物距气泡的图像层叠；(4)海水对光线吸收及散射作用强烈，加上海洋中杂光的干扰，使拍摄的图片对比度不高；(5)海水中非气泡悬浮物杂质的干扰。
[0004]因受制于测量技术和CXD的发展，以往报道中利用光学摄影所测量到的尾流气泡分辨率都不高，但舰船尾流气泡粒径却主要分布在500 μ m以下。小气泡的各项参数。
实用新型内容
[0005]为了解决【背景技术】中所存在的技术问题，本实用新型提出了一种尾流气泡探测光学系统，能够完成10 μ m?500 μ m的分段拍摄，并能够将大于或等于IOum尾流中小气泡拍
摄清楚。
[0006]本实用新型的技术解决方案是:尾流气泡探测光学系统，其特征在于:所述光学系统包括片光源、前组透镜、后组透镜、后组透镜连接切换机构，所述片光源和前组透镜位于同一光路，所述后组透镜是多组，多组的后组透镜通过切换机构进行切换，使一组后组透镜与前组透镜对应位于同一光路。
[0007]上述后组透镜是三组。
[0008]上述三组后组透镜分别包括正透镜和负透镜，所述正透镜和负透镜的总和至少是四个。
[0009]上述前组透镜的焦距是220mm，三组后组透镜的放大率分别是0.4倍、I倍、2.5倍；对应的三组后组透镜的焦距分别是88mm、220mm、550mm。
[0010]片光源狭缝设计为1mm。
[0011]后组透镜出射光路上设置(XD，CXD前设置滤光片。
[0012]上述滤光片是LL01-532-25窄带3nm的滤光片，厚度为2mm。
[0013]鉴于尾流气泡的特点，本系统采用片光源扫描与高速摄影相结合的技术手段，可有效避免气泡图像层叠；设计了倍率可切换水下显微光学镜组，成像范围涵盖尾流气泡的粒径分布(ΙΟμπι~500μπι);通过前后组分离，中间以平行光中继，使前组与片光同步扫描，可采集一定体积内气泡的图像，并能保证片光扫描时气泡切片始终清晰成像。最后对于所获得的图像数据进行滤波、增强，减少杂质和噪声干扰，并采用相关算法处理图像数据，可以提取出大于或等于IOum尾流中。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型的光学系统原理示意图；
[0015]图2是本实用新型海水介质等效图；
[0016]图3 (a) —图3(c)是本实用新型光学系统结构图；
[0017]图4 (a) —图4(c)是本实用新型近场分辨率测量光路成像质量示意图；
[0018]图5 Ca) 一图5 (C)是本实用新型光学系统系统点列图；
【具体实施方式】
[0019]本实用新型提出了一种尾流气泡探测光学系统，光学原理如图1所示。包括片光源1、前组透镜2、后组透镜3、后组透镜3连接切换机构，片光源I和前组透镜2位于同一光路，后组透镜3是多组，多组的后组透镜通过切换机构进行切换，使一组后组透镜3与前组透镜2对应位于同一光路。本实用新型中后组透镜3是三组。三组后组透镜3分别包括正透镜和负透镜，正透镜和负透镜的总和至少是四个。片光源I与前组透镜2固定在同一平台上同步移动，镜头组 之间还有切换机构，为简化机械结构，让三组镜头共用一个前组，后组透镜3分别设计以使放大率不同。三组后组透镜3各自独立，物像距相等，单独校正像差。
[0020]光学系统不能过分接近也不能过分远离尾流气泡区，太近会对尾流区本身性质造成影响，使测量结果没有意义，过远会由于光线在水中衰减和散射强烈，使成像对比度下降，同时由于镜头中有2.5倍显微镜头，显微成像一般要求工作距离较短，否则会加大设计难度。综合考虑，将观测物面与防水窗口的距离设定为100mm，光学镜头采用摄远结构，既保证有较长的物距，又保证远摄比不会太小而引起镜头像差。
[0021]a)光学系统放大率分段
[0022]根据技术要求，光学系统能分辨的气泡粒径范围为10~500 μ m,同时还要兼顾气泡区域视场，如果采用单一成像镜头则必须采用变焦镜头，这就加大了设计难度和成本。经过分析，采用多组定焦镜头，对其放大倍率进行分段也可以满足光学系统对分辨率和视场覆盖的要求。兼顾视场、体积、分辨率等参数，对光学系统的放大率分段如表1。
[0023]表1光学系统倍率分段
物像距/mm5:30[_ 放大倍率__04__I__2.5线视场/mm 64X4025.6X16 10.24X6.4
[0025]b)三种倍率物镜切换、扫描
[0026]三种倍率物镜，物像距即由片光源照明区与CXD像面4之间的距离相同均为530mm，如果距离太大将直接造成体积过大，以至于重量超重。另外，由于CXD高速摄影机比较重，超过5Kg，故在对物面进行扫描时，要求CCD像面4的位置始终固定。为此，将光学系统分成前后组，中间以平行光中继，光学系统原理见图4-14。前组将物面准直成平行光，后组将平行光会聚到C⑶像面4，其放大倍率，即为前后组的焦距之比。当前组进行移动扫描时，由于前后组间为平行光，对放大率没有影响。另外，为了简化光学系统和结构设计的难度，三种镜头采用相同的前组。由于三组镜头的线视场各不相同，为了减小光线在后组镜头的入射角度就必须提高前组的焦距值。综合考虑以上因素，取前组的焦距4=220!11111，根据放大率公式确定后组镜头的焦距如表2。
[0027]表2镜头的基本参数
【权利要求】
1.尾流气泡探测光学系统，其特征在于:所述光学系统包括片光源、前组透镜、后组透镜、后组透镜连接切换机构，所述片光源和前组透镜位于同一光路，所述后组透镜是多组，多组的后组透镜通过切换机构进行切换，使一组后组透镜与前组透镜对应位于同一光路。
2.根据权利要求1所述的尾流气泡探测光学系统，其特征在于:所述后组透镜是三组。
3.根据权利要求2所述的尾流气泡探测光学系统，其特征在于:所述三组后组透镜分别包括正透镜和负透镜，所述正透镜和负透镜的总和至少是四个。
4.根据权利要求3所述的尾流气泡探测光学系统，其特征在于:所述前组透镜的焦距是220mm，三组后组透镜的放大率分别是0.4倍、I倍、2.5倍；对应的三组后组透镜的焦距分别是 88mm、220mm、550mm。
5.根据权利要求4所述的尾流气泡探测光学系统，其特征在于:片光源狭缝设计为Imnin
6.根据权利要求1一5任一所述的尾流气泡探测光学系统，其特征在于:后组透镜出射光路上设置(XD，CXD前设置滤光片。
7.根据权利要求6所述的尾流气泡探测光学系统，其特征在于:所述滤光片是LL01-532-25窄带3nm的滤光片，厚度为2臟。
【文档编号】G01C11/00GK203759354SQ201420054049
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】刘西站, 何俊华, 薛艳博, 王维 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所