一种基于相位调制的纹影系统及其调节方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于相位调制的纹影系统及其调节方法，涉及光学测量技术领域，包括：激光器、激光扩束准直系统、聚焦器件、二维相位调制器件、成像透镜和图像采集装置；激光器用于产生激光束；激光扩束准直系统用于对激光器产生的激光束进行扩束和准直，获得平行激光束，平行激光束射入待测流场；聚焦器件用于对从待测流场射出的平行激光束进行聚焦，在焦平面上形成空间频谱；二维相位调制器件用于对所述空间频谱进行二维相位调制；成像透镜用于对待测流场进行成像获得相位调制后的流场图像；图像采集装置用于对相位调制后的流场图像进行记录与采集；本发明专利技术能够解决现有纹影系统因强度调制导致的灵敏度低、光源亮度低的问题。光源亮度低的问题。光源亮度低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位调制的纹影系统及其调节方法


[0001]本专利技术涉及光学测量
，具体地，涉及一种基于相位调制的纹影系统及其调节方法。

技术介绍

[0002]纹影技术是空气动力学领域中重要的测量技术之一，主要应用于流场显示，以便于研究不同来流条件下模型周围的流场结构，广泛应用于飞行器地面风洞试验测量领域。纹影技术主要基于光学折射，纹影系统的刀口置于光束汇聚点处，用以对汇聚点光斑进行切割。由于流场密度变化影响，光线通过流场后，光线发生偏折，当光束汇聚成光斑时，通过刀口的光束强度发生变化，从而形成强度调制，生成流场亮暗图像。
[0003]但是目前传统的纹影技术均采用刀口进行强度调制，需要一定程度的密度变化量使光线产生偏折，才能在纹影图像中呈现出亮暗变化，因此系统灵敏度较低，对于微扰动测量能力较弱，无法应用于极低密度流场等复杂环境的测量；另外传统纹影光源通常为卤素灯，亮度低，在测量时难以满足高帧频瞬态测量；采用高亮度的激光作为纹影系统光源时，由于激光的高相干性，在刀口边缘将导致较强的衍射效应，同时强度调制干扰光场强度分布，使激光束产生干涉，形成散斑，上述衍射效应和散斑问题严重影响纹影系统成像质量，极大限度地影响了其工程应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有纹影系统因强度调制导致的灵敏度低、光源亮度低的问题。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种基于相位调制的纹影系统，所述纹影系统包括：
[0006]激光器、激光扩束准直系统、聚焦器件、二维相位调制器件、成像透镜和图像采集装置；
[0007]其中，激光器用于产生激光束；
[0008]激光扩束准直系统用于对激光器产生的激光束进行扩束和准直，获得平行激光束，平行激光束射入待测流场；
[0009]聚焦器件用于对从待测流场射出的平行激光束进行聚焦，在焦平面上形成空间频谱；
[0010]二维相位调制器件用于对所述空间频谱进行二维螺旋相位调制；
[0011]成像透镜用于对待测流场进行成像获得相位调制后的流场图像；
[0012]图像采集装置用于对相位调制后的流场图像进行记录与采集。
[0013]优选的，所述激光器为窄线宽激光器，该类激光器相干性高，相位调制效果强，能有效提升系统灵敏性。
[0014]优选的，所述二维相位调制器件置于聚焦器件的后焦平面上，二维相位调制器件
安装于三维位移平台上，通过三维位移平台调节使聚焦光束的焦点位于二维相位调制器件的中心相位奇点处，本专利技术中纹影系统原理需要对空间频谱(焦点强度分布)进行相位调制，需要实现焦点与相位调制器件中心相位奇点重合，实现对称调制，上述调节设计操作简单，方便实现焦点与相位奇点重合。
[0015]优选的，所述二维相位调制器件为空间光调制器或涡旋波片或超表面器件，该类器件均可以对光束实现高反射率或高透射率的二维对称相位调制。
[0016]优选的，所述窄线宽激光器的相干长度大于50米，具有较强的相干性，以获取高衬比度的图像显示。
[0017]优选的，所述聚焦器件的有效工作尺寸大于激光扩束准直系统所出射的激光束口径，以满足所有待测区域均可得到有效测量。
[0018]优选的，所述聚焦器件为聚焦透镜或菲涅尔透镜或球面反射镜，该类器件均可以实现大口径光束高质量聚焦。
[0019]优选的，所述激光扩束准直系统为透镜组合，将入射细光束尺寸转化为待测流场所需尺寸的高质量平行光束，以便于形成高质量的聚焦光斑，所述图像采集装置为高速相机，高速相机能够实现高帧频短曝光时间图像采集，便于精确研究高速流场演化机制。
[0020]为上述上述专利技术目的，本专利技术还提供了一种基于所述的一种基于相位调制的纹影系统的调节方法，所述二维相位调制器件为涡旋波片或超表面器件，所述方法包括：
[0021]调节涡旋波片或超表面器件处于离焦状态，利用三维位移平台沿光轴方向调节涡旋波片或超表面器件位置，使涡旋波片或超表面器件逐渐靠近焦点，调节涡旋波片或超表面器件在垂直于光轴方向上位置，使相位奇点所形成的暗斑处于视场中心，并使得涡旋波片或超表面器件中心相位奇点位于光束焦点上。
[0022]为上述上述专利技术目的，本专利技术还提供了一种基于所述的一种基于相位调制的纹影系统的调节方法，所述二维相位调制器件为空间光调制器，所述纹影系统还包括：消偏振分光镜和偏振片；
[0023]平行激光束通过聚焦器件汇聚后射入消偏振分光镜后获得透射光束并射入偏振片经过偏振片后的透射光束焦点汇聚在空间光调制器全息图中心位置，偏振片偏振方向与空间光调制器光轴平行；透射光束经过空间光调制器反射后生成反射光束，反射光束射入偏振片进行检偏，从偏振片射出的反射光束射入消偏振分光镜，反射光束经过消偏振分光镜再次反射后依次射入成像透镜和图像采集装置；
[0024]所述方法包括：
[0025]控制空间光调制器形成涡旋相位调制结构，然后调节空间光调制器处于离焦状态，利用三维位移平台沿光轴方向调节空间光调制器位置，使空间光调制器位置逐渐靠近焦点，调节空间光调制器在垂直于光轴方向上的位置，使相位调制所形成的暗斑始终处于视场中心，使得空间光调制器相位调制中心点正好位于光束焦点上。
[0026]本专利技术提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0027](1)本专利技术在焦点处采用相位调制，而非强度调制，该系统不仅光利用率高，而且灵敏度高，可以实现微扰动测量。
[0028](2)本专利技术使用激光光源，光源亮度远高于传统非相干光源，且避免了强衍射效应和散斑问题，可以实现高质量、高帧频瞬态测量(曝光时间达百纳秒量级)。
[0029](3)本专利技术采用二维相位调制，呈中心对称，使系统在各方向上均具有较高的灵敏度。
附图说明
[0030]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本专利技术的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定；
[0031]图1为本专利技术的一种基于相位调制的纹影系统的结构示意图；
[0032]图2为1阶涡旋波片的相位分布图；
[0033]图3为基于空间光调制器的相位调制纹影系统的结构示意图；
[0034]其中，1
‑
激光器，2
‑
激光扩束准直系统，3
‑
聚焦器件，4
‑
二维相位调制器件，5
‑
成像透镜，6
‑
图像采集装置，7
‑
相位延迟0，8
‑
相位延迟π，9
‑
相位延迟2π，10
‑
消偏振分光镜，11
‑
偏振片，12
‑
空间光调制器。
具体实施方式
[0035]为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本专利技术的实施例及实施例中的特本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相位调制的纹影系统，其特征在于，所述纹影系统包括：激光器、激光扩束准直系统、聚焦器件、二维相位调制器件、成像透镜和图像采集装置；其中，激光器用于产生激光束；激光扩束准直系统用于对激光器产生的激光束进行扩束和准直，获得平行激光束，平行激光束射入待测流场；聚焦器件用于对从待测流场射出的平行激光束进行聚焦，在焦平面上形成空间频谱；二维相位调制器件用于对所述空间频谱进行二维相位调制；成像透镜用于对待测流场进行成像获得相位调制后的流场图像；图像采集装置用于对相位调制后的流场图像进行记录与采集。2.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的纹影系统，其特征在于，所述激光器为窄线宽激光器。3.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的纹影系统，其特征在于，所述二维相位调制器件置于聚焦器件的后焦平面上，二维相位调制器件安装于三维位移平台上，通过三维位移平台调节使聚焦光束的焦点位于二维相位调制器件的中心相位奇点处。4.根据权利要求3所述的一种基于相位调制的纹影系统，其特征在于，所述二维相位调制器件为空间光调制器或涡旋波片或超表面器件。5.根据权利要求2所述的一种基于相位调制的纹影系统，其特征在于，所述窄线宽激光器的相干长度大于50米。6.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的纹影系统，其特征在于，所述聚焦器件的有效工作尺寸大于激光扩束准直系统所出射的激光束口径。7.根据权利要求6所述的一种基于相位调制的纹影系统，其特征在于，所述聚焦器件为聚焦透镜或菲涅尔透镜或球面反射镜。8.根据权利要求1所述的一种基于相位调制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏勋，姚向红，陈爽，袁强，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：