一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统技术方案

本发明专利技术涉及一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，解决现有纹影系统均匀性和分辨率不高的问题。该系统包括光源系统、密封前观察窗、准直主反射镜、纹影系统、纹影主反射镜、密封后观察窗和成像系统；纹影系统包括依次设置的密封前纹影镜筒、试验舱、密封后纹影镜筒；密封前观察窗设置在密封前纹影镜筒的侧面，密封后观察窗设置在密封后纹影镜筒的侧面；准直主反射镜和纹影主反射镜均采用非球面反射镜；成像系统为长焦成像系统；光源系统发出的光线穿过密封前观察窗入射到准直主反射镜，经过准直主反射镜后的光线经过密封前纹影镜筒进入试验舱入射到纹影主反射镜，纹影主反射镜将光线反射，通过密封后观察窗后入射到成像系统。

A High Uniform and High Resolution Schlieren Optical System with Aspheric Surface

【技术实现步骤摘要】
一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统
本专利技术涉及纹影光学系统，具体涉及一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统。
技术介绍
在纹影成像系统中，均匀性和分辨率是评价纹影图像质量的重要指标。传统纹影系统的研制过程中，对上述两个指标的把握通常依赖以往的经验，或者需要搭建简易实验来验证设计结果。对于1米量级的纹影系统，以往的经验有限，简易实验的方法成本巨大，因此采用传统方法不适用于1米量级的纹影系统，如何保证1米量级纹影系统的均匀性和分辨率指标达到设计要求，对整个系统的设计工作提出了更高要求。现有纹影成像系统中一般包括三对共轭关系，第一对共轭关系是将光源面成像在狭缝上，第二对共轭关系是将狭缝成像在刀口上，第三对共轭关系是将测试区物面成像在相机接收屏上。其中，第一对共轭关系用来获得规则的、均匀的二次光源；第二对共轭关系主要是在刀口处形成狭缝像；第三对共轭关系主要用于获取测试区的纹影图像。所以，影响纹影系统的均匀性主要取决于第二对共轭关系，纹影系统的分辨率主要取决于第三对共轭关系。现有纹影系统的主镜和纹影镜尺寸都在米量级，很难保证主镜和纹影镜的加工尺寸以及折射率的均匀性，导致纹影系统的均匀性降低、分辨率下降。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有纹影系统均匀性和分辨率不高的问题，提供了一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统。本专利技术的技术方案是：一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，包括光源系统、密封前观察窗、准直主反射镜、纹影系统、纹影主反射镜、密封后观察窗和成像系统；所述纹影系统包括依次设置的密封前纹影镜筒、试验舱、密封后纹影镜筒；所述密封前观察窗设置在密封前纹影镜筒的侧面，所述密封后观察窗设置在密封后纹影镜筒的侧面；所述准直主反射镜和纹影主反射镜均采用非球面反射镜；所述成像系统为长焦成像系统；光源系统发出的光线穿过密封前观察窗入射到准直主反射镜，经过准直主反射镜准后的光线经过密封前纹影镜筒进入试验舱，经过试验舱气流后通过密封后纹影镜筒入射到纹影主反射镜，纹影主反射镜将光线反射，通过密封后观察窗后入射到成像系统。进一步地，所述准直主反射镜和纹影主反射镜为同轴抛物面主反射镜，且关于试验舱对称放置，离轴角1.6°。进一步地，准直主反射镜和纹影主反射镜反射面设置有保护膜。进一步地，所述密封后观察窗为小尺寸密封后观察窗，其口径小于有效流场显示范围1/10。所述密封前观察窗为小尺寸密封前观察窗，其口径小于有效流场显示范围1/10。进一步地，所述密封前纹影镜筒和试验舱通过密封波纹管连接，所述试验舱和密封后纹影镜筒通过密封波纹管连接。进一步地，所述光源系统包括依次设置的超高亮度LED灯、聚光透镜组、狭缝、第一平面反射镜。进一步地，所述聚光透镜组光轴、狭缝中心，第一平面反射镜中心同轴设置。进一步地，所述狭缝为“口”字型狭缝。进一步地，所述成像系统包括依次设置的第二平面反射镜、刀口、聚焦透镜组和纹影相机，以及控制刀口的刀口控制器。进一步地，密封前纹影镜筒和密封后纹影镜筒为圆柱型结构。本专利技术与现有技术相比，具有以下技术效果：1.本专利技术纹影系统采用非球面反射镜的设计，非球面反射镜为一种离轴抛物面设计，避免了球面反射镜的球差等像差，保证了图像的均匀性，极大地提升了纹影系统的均匀性和分辨率。2.本专利技术成像系统采用长焦成像系统，保证了纹影系统的分辨率。系统的分辨率正比于系统的口径，反比于系统的焦距，长焦系统具有更高的分辨率。附图说明图1本专利技术采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统示意图。附图标记：1-超高亮度LED灯，2-聚光透镜组，3-狭缝，4-第一平面反射镜，5-密封前观察窗，6-准直主反射镜，7-密封前纹影镜筒，8-试验舱，9-密封后纹影镜筒，10-纹影主反射镜，11-密封后观察窗，12-第二平面反射镜，13-刀口，14-刀口控制器，15-聚焦透镜组，16-纹影相机，17-密封波纹管。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术的内容作进一步详细描述。如图1所示，本专利技术提出一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，包括光源系统、密封前观察窗5、准直主反射镜6、纹影系统、纹影主反射镜10、密封后观察窗11和成像系统。光源系统包括依次设置的超高亮度LED灯1、聚光透镜组2、“口”字型狭缝3，第一平面反射镜4。超高亮度LED灯1应具有大的光通量值。聚光透镜组2的光轴、“口”字型狭缝3中心、第一平面反射镜4中心一致。“口”字型狭缝由“口”字形的四条窄的狭缝和红、黄、绿、蓝四种有色玻璃拼接成的组合滤色片构成。成像系统包括刀口控制器14、刀口13、第二平面反射镜12、聚焦透镜组15、纹影相机16。刀口13为“口”字形的四条窄的狭缝，刀口控制器14可以分别控制“口”字形的四条窄狭缝3的位置，使得光线可以全部通过刀口13。第二平面反射镜12，聚焦透镜组15、纹影相机16的光轴保持一致。纹影相机16位于聚焦透镜组15的焦点位置。光线通过密封后观察窗11后被第二平面反射镜12反射到刀口13，刀口控制器14控制刀口13内“口”字型四条狭缝3的位置，使得光线通过刀口13入射到聚焦透镜组15，聚焦透镜组15将光线聚焦到纹影相机16感光面上，纹影相机16对出射光线进行成像，得到试验舱8内高速气流的纹影图像。纹影系统包括密封前纹影镜筒7、试验舱8、密封后纹影镜筒9。密封前纹影镜筒7和密封后纹影镜筒9固定于试验舱8两端，试验舱8放置于高速风洞中。准直主反射镜6的准直出光轴与纹影系统的主轴保持一致，纹影主反射镜10的中心与准直主反射镜6的中心一致。密封前纹影镜筒7与试验舱8通过气密波纹管连接，密封前纹影镜筒7和密封后纹影镜筒9可焊接于试验舱8两侧，试验舱8与密封后纹影镜筒9间通过气密波纹管连接。密封前纹影镜筒7和密封后纹影镜筒9具体可为圆柱型，由不锈钢板卷曲焊接而成。准直主反射镜6的出射光线为平行光，平行光从密封前纹影镜筒7、试验舱8、密封后纹影镜筒9的中心轴线穿过。密封前观察窗5设置在密封前纹影镜筒7的侧面，密封后观察窗11设置在密封后纹影镜筒9的侧面；密封前观察窗5为小尺寸密封前观察窗5，其口径小于有效流场显示范围1/10，不遮挡光线的有效通过口径。密封后观察窗11为小尺寸密封后观察窗11，其口径小于有效流场显示范围1/10，不遮挡光线有效通过口径。准直主反射镜6与纹影主反射镜10都采用非球面反射镜，保证了纹影系统成像的均匀性。非球面反射镜为一种离轴抛物面设计，避免了球面反射镜的球差等像差，保证了图像的均匀性。成像系统中聚焦透镜组15采用长焦成像系统，保证了纹影系统的分辨率。系统的分辨率正比于系统的口径，反比于系统的焦距，长焦系统具有更高的分辨率。本专利技术在刀口13处形成狭缝共轭像，就可以提升纹影系统的均匀性，改进纹影相机16的纹影图像，就可以提升纹影系统的分辨率。通过非球面反射镜的设置，改进刀口13处形成狭缝共轭像的成像质量，提升纹影系统的均匀性。通过长焦距聚焦透镜组15的设置，改进纹影相机的纹影图像，提升纹影系统的分辨率。超高亮度LED灯1发出的光线经过聚光透镜组2聚光，经过聚光透镜组2聚光后光线经过“口”字型狭缝3，被“口”字型狭缝中安装有红、黄、绿、蓝四种有色玻璃“口”字形的四条窄狭缝滤光。滤光后的光线被第一平面反射镜4反射到小尺寸密封前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：包括光源系统、密封前观察窗(5)、准直主反射镜(6)、纹影系统、纹影主反射镜(10)、密封后观察窗(11)和成像系统；所述纹影系统包括依次设置的密封前纹影镜筒(7)、试验舱(8)、密封后纹影镜筒(9)；所述密封前观察窗(5)设置在密封前纹影镜筒(7)的侧面，所述密封后观察窗(11)设置在密封后纹影镜筒(9)的侧面；所述准直主反射镜(6)和纹影主反射镜(10)均采用非球面反射镜；所述成像系统为长焦成像系统；所述光源系统发出的光线穿过密封前观察窗(5)入射到准直主反射镜(6)，经过准直主反射镜(6)准直后的光线经过密封前纹影镜筒(7)进入试验舱(8)，经过试验舱(8)气流后通过密封后纹影镜筒(9)入射到纹影主反射镜(10)，纹影主反射镜(10)将光线反射，通过密封后观察窗(11)后入射到成像系统。

【技术特征摘要】
1.一种采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：包括光源系统、密封前观察窗(5)、准直主反射镜(6)、纹影系统、纹影主反射镜(10)、密封后观察窗(11)和成像系统；所述纹影系统包括依次设置的密封前纹影镜筒(7)、试验舱(8)、密封后纹影镜筒(9)；所述密封前观察窗(5)设置在密封前纹影镜筒(7)的侧面，所述密封后观察窗(11)设置在密封后纹影镜筒(9)的侧面；所述准直主反射镜(6)和纹影主反射镜(10)均采用非球面反射镜；所述成像系统为长焦成像系统；所述光源系统发出的光线穿过密封前观察窗(5)入射到准直主反射镜(6)，经过准直主反射镜(6)准直后的光线经过密封前纹影镜筒(7)进入试验舱(8)，经过试验舱(8)气流后通过密封后纹影镜筒(9)入射到纹影主反射镜(10)，纹影主反射镜(10)将光线反射，通过密封后观察窗(11)后入射到成像系统。2.根据权利要求1所述的采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：所述准直主反射镜(6)和纹影主反射镜(10)为同轴抛物面主反射镜，且关于试验舱(8)对称放置，离轴角1.6°。3.根据权利要求2所述的采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：所述准直主反射镜(6)和纹影主反射镜(10)的反射面设置有保护膜。4.根据权利要求3所述的采用非球面的高均匀高分辨纹影光学系统，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵卫，陈磊，谢永军，朱涛，徐崧博，许晓斌，屈恩世，章起华，解滨，马晓宇，孙启志，彭龙辉，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61