一种便携式锥形光彩色纹影仪的设计

2016-09-06李宝华山东省特种设备检验研究院日照分院山东日照276825

中国设备工程 2016年9期

李宝华（山东省特种设备检验研究院日照分院，山东日照 276825）

一种便携式锥形光彩色纹影仪的设计

李宝华
（山东省特种设备检验研究院日照分院，山东日照 276825）

通过阐述彩色纹影仪的原理，进一步分析了双透镜纹影系统、反射式Z形光路平行光纹影系统和锥形光纹影系统的特点和便携式改进的可行性。提出了一种利用锥形光纹影系统加装两组平面反射镜的设计方法，缩小了装置尺寸；同时通过采用大功率LED发光管代替传统卤素灯点光源，减小了装置的重量。最后简述了改进后装置的测试情况，证实了光路折叠式锥形光彩色纹影仪的便携式应用设计方案是可行的。

便携；纹影仪；流场；光学成像

1 研究目的

纹影技术是空气动力学和热动力学研究实验中最常应用的一种流场成像方法，它也是是一种非接触式的光学测量方法。由于人的肉眼对于色彩的变化比黑白灰度的变化更灵敏些，因而彩色纹影系统比黑白纹影系统更容易反映流场图像的细节，具有更强的成像灵敏度和图像分辨力。因此，彩色纹影系统已成为研究流场特别是超音速空气流的重要光学成像方法，如果用照相机或摄象机记录流场的动态图像，就能对流场现象进行反复观察和更加深入的研究。

目前，国内外的纹影仪由于光路设计的原因，其装置尺寸均较庞大，而且由于纹影仪的光路精度要求很高，调节复杂，仅适用于提前安装条件下的固定场所，难以实现现场的便携应用。本文旨在设计一种既能满足测试区的观察口径，又能显著缩小装置尺寸的彩色纹影成像装置，从而提高纹影仪的现场适应能力。

2 彩色纹影仪成像原理及几种传统纹影仪的便携性分析

传统的彩色纹影仪，最典型的型式是采用双透镜光路结构的纹影仪，其工作原理如图1所示，设置于最左侧（凸透镜1的焦点处）的点光源发出的光线，经过凸透镜1后变为一束平行光，如果平行光的光路中没有流场的扰动，光线在经过凸透镜2后将汇聚于凸透镜2的右侧焦点处，在焦点的右侧合适位置设置凸透镜3，实现对光源的成像。

当在凸透镜1和凸透镜2之间的测试区存在流场的扰动时，经过凸透镜2的光线将会由于扰动流场造成的折射作用发生偏折，最终无法汇聚于凸透镜2右侧的焦点位置，而是使发生扰动偏折的光线汇聚于凸透镜2右侧焦点的周围附近。如果测试区的流场密度梯度越大，光线偏离焦点的距离便越大，反之则越小；如果测试区的流场分布的形状不同，光线偏离焦点的方位便也不同。当在光轴方向上，凸透镜2右侧的焦点处加上如图1中所示的黄色和透明的滤光片光刀；并同时在Y轴方向上，使滤光片的黄色与透明交界线刚好位于凸透镜2右侧的焦点的位置。如果测试区没有流场的扰动，光源的成像将是滤光片上黄色与透明（无色）的均色；如果测试区存在流场的扰动，由于光线偏折到滤光片上黄色区域和无色区域的当量不同，光源像将呈现黄色与无色之间不同梯度的差异图像，从而呈现出测试区流场的梯度图像。

如图1所示，如果将滤光片设置为带有多种颜色的过渡色条纹，由于测试区流场扰动使光线偏折到彩色条纹上的位置不同，在成像屏上也将呈现不同的颜色，而这种颜色的差异和梯度变化，直观反映了测试区扰动流场的密度梯度变化和形状。由于人的眼睛对色彩的分辨力远远高于对灰度的分辨力，因此，这种彩色纹影图像相对于黑白纹影图像具有更高的综合灵敏度。

通过上述原理可以发现，在实际的应用中，如果想要增大测试区的体积，在X轴方向上可以较为方便的延长；但在Y轴方向上想增大尺寸，只能增大凸透镜的口径，但由于加工大口径的凸透镜非常困难，而且容易产生色差，这种类型光路结构的纹影仪系统并不常用。

图1 双透镜纹影仪原理图及彩色条纹滤光片

图2所示的是最常用的反射式Z形光路结构的平行光纹影成像系统，其光路结构主要由两个凹面反射镜、光刀系统和反射成像系统组成。这种纹影仪由于点光源装设于凹面反射镜的1倍焦点位置，产生的光线平行通过测试区，因此可以将测试区的流场扰动情况几乎毫不失真的呈现到成像屏上，在流场的测试与分析研究中得到了广泛应用。但从便携性能来看，这种纹影系统由于采用了两个凹面反射镜，不仅重量大大增加，其光路支持机械的体积和重量都将无法实现轻量化。

图3是典型的锥形光纹影仪结构示意图，光路中的点光源设置于一个抛物面反射镜的2倍焦距处，其发射出的光线经抛物面反射镜反射并汇聚于点光源同侧的e2倍焦距处，通过调节抛物面反射镜的位置，可使点光源与反射汇聚点分布于两个不同位置，在反射汇聚点处装设好上文所述的彩色光刀（滤光片），最后将纹影图像直接成像或通过摄像机进行记录。这种纹影系统最大的特点是结构简单，整个装置主要由一个抛物面反射镜和光刀系统构成，虽然通过被测流场的光线不完全重合，会造成一定程度的图像失真，但这种系统由于每一条光线反复经过被测流场区段，其灵敏度可以达到平行光纹影仪的两倍。

3 便携式锥形光彩色纹影仪的设计

由于轻微的图像失真并不影响空气动力学和热动力学的研究，相反，其高出平行光纹影仪一倍灵敏度和简单的结构，为设计便携式的纹影系统提供了条件。因此，本装置以锥形光纹影仪的原理为基础做了如图4所示的光路设计。

如图4所示，首先，该光路的设计在不降低成像装置灵敏度的同时，为了缩小装置的尺寸，增加了两个平面反射镜（平面反射镜1、平面反射镜2），从而使原来2倍焦距的最低尺寸要求，通过两面平面反射镜的反射，实现了对锥形光光路的两次折叠，其最终尺寸，减小了一半。其次，在重量方面，虽然增加了两面反射镜，但与上述Z形光路平行光纹影仪的凹面反射镜相比，其重量却是大大减轻了。另外，为了进一步减轻装置的重量，对传统的卤素灯和凸透镜组合点光源进行了变更，采用了大功率LED发光管，不但减轻了重量，省去了两组凸透镜，还大大缩小了体积，节省了成本。

为保证成像装置的检测区域和灵敏度，本装置选用了口径152 mm，焦距608 mm的抛物面反射镜，锥形光纹影系统将点光源设置于距抛物面反射镜2倍焦距即1 216 mm处。另外，为了实时记录测试图像，本装置在设计时直接加装了一台微距望远镜和摄像装置，能够将纹影图像或视频直接记录到电脑中，以便后期分析和研究。也可直接通过数字显示屏呈现给现场观测人员。

其具体工作原理是：由点光源发射出的光线经平面反射镜1的反射，转向平面反射镜2，再反射后经过测试区到达抛物面反射镜，抛物面反射镜再次将光线反射至测试区后到达平面反射镜2、平面反射镜1，通过适当调节平面反射镜2和平面反射镜1的角度，可使返回的光线适当偏离点光源的发射点，使其汇聚焦点位于彩色光刀的位置，然后再进入微距望远镜和摄录装置。

图2 反射式Z形光路平行光纹影仪

图3 典型锥形光纹影仪光路结构示意图

当测试区中有扰动存在时，则通过测试区的光线将发生偏转，从而使部分光线最终偏转至彩色光刀的不同彩色条纹位置或者同色条纹的不同过渡色位置，形成彩色的流场图像。

4 测试结果与结论

图5是使用该便携式锥形光纹影仪拍摄的各类流场成像画面，可以看出，画面呈像清晰，色彩分辨力强。能够通过画面色彩的轮廓清晰的分辩丁烷气体泄漏的漏点，能够清晰的呈现打火机火焰和电烙铁周边产生的温度场分布和气流扰动情况。

总之，这种折叠式光路设计的锥形光彩色纹影仪实现了观测各类气体的密度梯度和热流扰动情况的目标；整台纹影仪制作完成后的重量只有4.5 kg，最大尺寸为0.6 m；纹影仪在使用前，只需打开光路启动开关和装置上的平板电脑，无需任何安装调试，即可实现现场测试，提高了测试效率。因此，这种光路折叠式锥形光彩色纹影仪的便携式应用设计方案是有效可行的。