可实现光路快速调节测试的双折射式纹影系统及方法

技术领域：

本发明属于双折射式纹影系统测试技术领域，涉及一种可实现光路快速调节测试的双折射式纹影系统及方法。

背景技术：
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在可视化透明介质不均匀性的测试方法中，纹影系统作为应用最广泛的测试技术，具有定量测试气体折射率、密度和温度，定性可视化冲击波、湍流和火焰等能力。并且纹影系统的结构相比于其他可视化装置更简单，系统灵敏度也更高，可以在实验中做到大视场可视化测试对象。

目前主流的纹影系统装置调节方式，依然是以人工调节为主，每次进行实验之前，都需要花费数天调节装置。实验员通过手工计算纹影装置仪器大致的放置区域，然后通过肉眼观察各个光学器件的中心点位置是否在一条水平线上，以此实现共轴光路的调节。由于人工调节和肉眼观察，不仅将简单的纹影测试实验操作复杂化，还在最终的成像图像中引入了不确定性实验误差。

因此，现有的纹影装置调节方法，实验成本高、实验进度慢和实验结果的可靠性低，无法实现纹影装置快速且精确测试的目标。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种可实现光路快速调节测试的双折射式纹影系统及方法，其克服了现有技术中存在无法实现纹影装置快速且精确测试的问题，不仅解决了纹影系统的装置调节问题，并且可以直接使用点光源进行纹影实验测试。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可实现光路快速调节测试的双折射式纹影系统，其特征在于：包括依次设置的十字线光源，“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块，凸透镜一，凹球面镜一，凹球面镜二，凸透镜二，刀口装置和高速摄像相机；凹球面镜一与凹球面镜二之间设置测试对象。

所述的“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块包括前置可变光阑，十字线光源发出的“十”字形光线通过前置可变光阑得到“十”字形标定光线；“十”字形标定光线穿过前置可变光阑得到用于纹影实验的点光源。

所述前置可变光阑的最大光阑直径大于或等于“十”字形标定光线的外围长度，前置可变光阑的最小光阑直径小于或等于“十”字形标定光线的中心长度。

所述十字线光源的输入光线为“十”字形。

所述十字线光源的波长为532nm、632nm、980nm、1310nm或1550nm。

所述高速摄像相机为采集毫秒量级时间尺度的纹影成像图像的高速摄像相机。

一种采用权利要求1所述的可实现光路快速调节测试的双折射式纹影系统的调节测试方法，其特征在于：包括以下步骤

十字线光源产生的“十”字形光线在前置可变光阑最大的状态下，通过“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块，获得“十”字形标定光线，依次经过凸透镜一、凹球面镜一、凹球面镜二、凸透镜二、刀口装置和高速摄像相机进行标定，实现纹影系统的光路快速调节；

在前置可变光阑最小的状态下，通过“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块，获得纹影实验的点光源，通过凸透镜一扩束准直后变为平行光，光束被凹球面镜一反射后均匀穿过被测对象，经过凹球面镜二的反射，在凸透镜二后，光束汇聚于刀口装置的刀口位置，通过高速摄像相机进行纹影图像的采集，实现纹影系统的定量或定性测试。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果是：

1、本发明通过使用十字线光源装置，配合前置可变光阑器件，获得调节纹影装置的标定位置和纹影实验的点光源，不仅解决纹影系统的装置调节问题，并且可以直接使用点光源进行纹影实验测试，节省了额外的实验光源装置。

2、本发明可以快速搭建纹影系统装置，并且通过十字线光源进行纹影实验器件的位置标定，精确地实现纹影系统的光路快速调节。

3、本发明标定纹影实验装置的成本低，标定过程简单，可以标定所有的纹影实验器件，不会引入额外的实验误差。

4、本发明使用十字线光源装置，避免了传统纹影实验的光源不能进行光路快速调节的问题。通过将光源装置与前置可变光阑器件适配，可以获得纹影实验的点光源，进行更加快速的纹影系统光路调节与实验测试。

5、本发明设计提出的调整系统，能兼容多波长应用场景。输入光线的波长可以选择532nm、632nm、980nm、1310nm、1550nm等，具体的选择依据被测微对象的物理参量确定即可。

附图说明：

图1是本发明可实现光路快速调节测试的双折射式纹影系统的示意图；

图2是本发明中“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块的示意图。

图中：1-十字线光源，2-“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块，3-凸透镜一，4-凹球面镜一，5-测试对象，6-凹球面镜二，7-凸透镜二，8-刀口装置，9-高速摄像相机，10-前置可变光阑，11-“十”字形标定光线，12-纹影实验的点光源。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

本发明为一种可实现光路快速调节测试的双折射式纹影系统，如图1所示，包括十字线光源1，“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块2，凸透镜一3，凹球面镜一4，凹球面镜二6，凸透镜二7，刀口装置8和高速摄像相机9。凹球面镜一4与凹球面镜二(6)之间设置测试对象5。

参见图2，“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块2包括前置可变光阑10，十字线光源1的输出在“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块2的作用下，获得“十”字形标定光线11，标定光线依次经过凸透镜一3、凹球面镜一4、凹球面镜二6、凸透镜二7、刀口装置8和高速摄像相机9。“十”字形标定光线11穿过前置可变光阑10可得到纹影实验的点光源12，前置可变光阑10的位置由“十”字形标定光线11确定。纹影实验的点光源12经凸透镜一3扩束为平行光，测试光束分别经过凹球面镜一4、测试对象5、凹球面镜二6、凸透镜二7和刀口装置8，最终成像在高速摄像相机9上。纹影实验的点光源12经过凸透镜一3后形成均匀照度的平行光；两个凹球面镜保证光束均匀透过测试对象5，获得完整的纹影图像；刀口装置8将阻挡经过被测试对象并偏折向刀口的光束，保证获得均匀成像的纹影图像。高速摄像相机9保证可以采集到毫秒量级时间尺度的纹影成像图像，可以实现对瞬态流场的测试。

十字线光源1的输出光线为“十”字形，波长可以选择532nm、632nm、980nm、1310nm、1550nm等，具体的选择依据被测微对象的物理参量确定。

前置可变光阑10的最大光阑直径大于等于“十”字形标定光线11的外围长度，保证“十”字形标定光线11可以完全穿过前置可变光阑10；前置可变光阑10的最小光阑直径小于等于“十”字形标定光线11的中心长度，获得标准纹影实验的点光源12。

本发明还包括可实现光路快速调节测试的双折射式纹影系统的调节测试方法，具体包括以下步骤：

十字线光源1产生的“十”字形光线在前置可变光阑10最大的状态下，通过“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块2，获得“十”字形标定光线11，依次经过凸透镜一3、凹球面镜一4、凹球面镜二6、凸透镜二7、刀口装置8和高速摄像相机9进行标定，实现纹影系统的光路快速调节。

在前置可变光阑10最小的状态下，通过“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块2，获得纹影实验的点光源12，通过凸透镜一3扩束准直后变为平行光，保证光束被凹球面镜一4反射后均匀通过被测对象5，经过凹球面镜二6的反射，在凸透镜二7后，光束汇聚于刀口装置8的刀口位置，通过高速摄像相机9进行纹影图像的采集，实现纹影系统的定量或定性测试。

实验例：

本实验例采用632nm波长的十字线光源1进行测试。

前置可变光阑10最大时，在“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块2后获得标定光线，有利于后续纹影装置的标定；光线依次经过凸透镜一3、凹球面镜一4、凹球面镜二6、凸透镜二7、刀口装置8和高速摄像相机9进行标定，实现纹影系统的光路快速调节。

前置可变光阑10最小时，在“十”字形标定光线与前置可变光阑适配模块2后获得纹影实验的点光源12；通过凸透镜一3可以得到均匀光强的光束，保证采集到的纹影图像背景光一致，有利于后期图像处理与分析；凹球面镜一4保证光束均匀透过被测对象，获得完整的测试纹影图像；刀口装置8将阻挡经过测试对象并偏折向刀口的光束，保证获得均匀成像的纹影图像；高速摄像相机9保证可以采集到毫秒量级时间尺度的纹影成像图像。

以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。