一种基于切割光源的纹影成像系统

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种基于切割光源的纹影成像系统。

背景技术

纹影技术是进行流场结构显示技术中常用的技术。目前主要有透射式纹影系统、反射式纹影系统和聚焦纹影系统等。这些纹影技术广泛应用于国内各大风洞、弹道靶、燃烧室等测试试验实施中。纹影技术的基本原理是利用光线通过流场后的偏析效果，记录流场的明暗变化，从而来显示流场的结构情况。目前纹影技术主要分为三大类：常规透射式纹影、反射式纹影以及近几年国内外研究众多的聚焦纹影技术。纹影技术最早由美国NASA提出，并在1990年左右对外公布，其在空气动力学领域的研究为新型飞行器的设计提供了关键的试验验证和技术支撑。通过纹影系统可以清晰的获得飞行器在某个流场截面的波系结构，并可对流场截面的局部进行高分辨率显示，利用高灵敏度和高分辨率的显示系统可以实现流场气动分布和快速演变过程的定量研究。

纹影系统中采用柔光屏和源格栅来对光源进行调制，会导致光源的亮度衰减，达不到大视场和长距离环境下的纹影显示需求；若增大光源的功率和亮度会对产生较大的热量，对流道的显示效果产生影响；为均匀光源，一般将柔光屏安装在与光源较远的位置，但会削弱光源的亮度；因此，此类纹影系统无法在保证光亮满足需求的情况下又能限制光源系统的体积、距离和成本。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于切割光源的纹影成像系统，避免了亮度与均匀性的矛盾，高功率与热量控制的矛盾，高功率大体积与场地和成本控制的矛盾；提高了系统的灵敏度和稳定性，解决了大尺度下纹影的显示问题。

本发明提供的一种基于切割光源的纹影成像系统，包括：阵列LED光源、所述阵列LED光源是由多个LED芯片按照矩阵方式横排和竖排排列；

还包括刀口栅a，所述刀口栅a位于所述阵列LED光源的成像位置且与阵列LED光源成像面相平行；所述刀口栅a通过整体移动，可直接切割所述阵列LED光源位于所述刀口栅a位置的每个LED芯片的像，且所述刀口栅a的形状可与所述阵列LED光源的形状相匹配。

进一步地，所述刀口栅a的暗条纹宽度大于等于所述阵列LED光源单个LED芯片的宽度或高度。

进一步地，所述阵列LED光源波长为532nm±10nm，单个LED芯片的光通量误差在±20lm之内。

进一步地，每两个相邻LED芯片中心的间距为15mm-18mm。

进一步地，所述的刀口栅a的暗条纹可设置为直线、十字交叉线形状。

进一步地，还包括成像屏a，所述的成像屏位于成像光路的所述刀口栅a之后，其位置是测量区域a的像面所在位置。

进一步地，所述成像屏a的透光率在85％±5％，其表面颗粒直径大小为10um-100um。

进一步地，还包括聚焦透镜a，所述聚焦透镜a用于对阵列LED光源进行成像。

进一步地，还包括CCD采集系统a，所述的CCD采集系统a用于对所述成像屏a图像进行拍照存储。

进一步地，所述CCD采集系统a采用CXP线缆进行数据通信。

本发明实施例的有益效果是：

通过直接将所述阵列LED光源作为空间调制照明，所述刀口栅a可直接切割阵列LED光源的单个LED芯片的像；通过此种切割方式，能够提升流道显示的稳定性和灵敏度；并且阵列LED光源可以无限拼接，能够实现超大测试区域流场的显示问题；该系统避免了亮度与均匀性的矛盾，功率与热量控制的矛盾，高功率、大体积与场地和成本控制的矛盾；提高了系统的灵敏度和稳定性，解决了大尺度下纹影的显示问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于切割光源的纹影成像系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于切割光源的纹影成像系统的原理图；

图3为本发明实施例提供的刀口栅a切割光源实现纹影显示的示意图；

图4为本发明实施例提供的刀口栅a切割光源实现纹影显示的示意图；

图5为本发明实施例提供的刀口栅a切割光源实现纹影显示的示意图；

图6为本发明实施例提供的蜡烛和热风枪的流场图像；

图7为在探索本发明实施例的过程中，提出的初代聚焦纹影系统的原理图。

图1、2、3、4、5的附图标记分别为:1-阵列LED光源；2-冷却系统；3-防护玻璃；4-聚焦透镜a；5-刀口栅a；501-暗条纹A；502-暗条纹B；503-暗条纹C；6-成像屏a；7-CCD采集系统a；8-测量区域a；

图7的附图标记分别为:11-LED光源；12-柔光屏；13-源格栅；41-聚焦透镜b；51-刀口栅b；61-成像屏b；71-CCD采集系统b；81-测量区域b。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

参见图7，图7为在探索本发明实施例的过程中，初步进行探索设计所提出的初代聚焦纹影系统的原理图。

在初步探索设计的过程中发现：通过将多个LED光源11拼接，LED光源11先照射到柔光屏12上实现光源的均匀性，然后通过源格栅13的明暗条纹来实现对光源的调制形成条状平行光路。

此种方式存在缺陷：

参见图7，当LED光源11通过柔光屏12时，柔光屏12对LED光源11存在衰减作用，有用的亮度在10％左右；此时就需要极大地提高LED光源11的亮度，增加LED光源11的功率；但采用较高功率的LED光源11后，会产生较多热量并且在穿过柔光屏12后会形成很亮的阵列式亮点，使通过柔光屏12后也很难实现较高的均匀性，并且此时依赖对LED光源11的功率再进行调节也无法解决均匀性的问题；一方面为提高LED光源11照射出的亮度需要柔光屏12离LED光源11较近，另一方面为了保证光源的均匀性需要柔光屏12与LED光源11保持较远的距离，这就产生了无法避免的矛盾。

此外，光路继续通过源格栅13会进一步衰减，此时对LED光源11的功率和亮度的要求进一步提升；一方面需要提高单颗LED光源11的亮度和功率，一方面又需要保证光源的均匀性，另一方面又需要一定的照射距离；因此在首次探索中提出的方案几乎无法实现：在保证LED光源11的亮度足够的情况下，还能够同时限制光源系统的体积、距离及成本。

整个系统采用条纹平行光源调制与系统指标实现陷入了死循环，经过多种匹配方法和多轮光源系统的改进，仍然很难实现匹配的同时提高系统各项指标，同时高功率光源的高成本和大量热量的聚集都带来了系统使用的稳定性、可靠性和长期维护问题。

为克服上述在初步探索中发现的缺陷，遂提出了本发明的方案，并且本发明实施例如下：

参见图1、2，一种基于切割光源的纹影成像系统，包括：阵列LED光源1、所述阵列LED光源1是由多个LED芯片按照矩阵方式间隔排列；还包括刀口栅a5，所述刀口栅a5位于所述阵列LED光源1的成像位置且与LED光源11成像面相平行；所述刀口栅a5通过整体移动，可直接切割所述阵列LED光源1位于所述刀口栅a5位置的每个LED芯片的像，且所述刀口栅a5的形状可与所述阵列LED光源1的形状相匹配。

其中，所述LED芯片的按照矩阵方式间隔排列是指：LED芯片排列为多个横排或者多个竖排；所述刀口栅a5位于所述阵列LED光源1的成像位置，且所述刀口栅a5在实际设置时与阵列LED光源1的成像平行，以避免出现显示出的流道成像歪斜或扭曲的问题；并且应将所述刀口栅a5设置为与所述阵列LED光源1相平行，此时聚焦透镜a4也与所述阵列LED光源1平行；所述LED芯片为正方形，因而其对空间的调制作用是网格状的调制方式，则在光路通过的截面的水平和竖直两个方向均具有调制作用。

参见图1，需要说明的是：所述阵列LED光源1还连接有冷却系统2，所述冷却系统2能够减轻所述阵列LED光源1工作中产生的热量对整个系统的稳定性产生的影响；所述阵列LED光源1的右侧设置有防护玻璃3，所述防护玻璃3位于所述阵列LED光源1的刀口栅a5所在的一侧，能够对所述阵列LED光源1起到一定的防护作用，且不会削弱阵列LED光源1的亮度，避免了现有技术中采用的柔光屏12对光源产生的较大的削弱作用。还包括用于将阵列LED光源1穿过测量区域a8的光束进行汇聚并成像的聚焦透镜a4，所述聚焦透镜a4设置在所述阵列LED光源1穿出所述防护玻璃3的光路上所述聚焦透镜a4的右侧设置有所述刀口栅a5，所述阵列LED光源1位于所述刀口栅a5处的像应可全部投影到所述刀口栅a5上；所述刀口栅a5右侧设置有成像屏a6，所述成像屏a6位于所述刀口栅a5的光路上，并且所述成像屏a6可承接所述阵列LED光源1的在此处的成像；所述CCD采集系统7设置在所述成像屏a6的右侧，用于对成像进行采集和存储。

参见图7，在初步探索过程中系统采用了源格栅13，而本发明实施例未采用源格栅13，是由于聚焦纹影系统的分辨率和灵敏度与源格栅13的明暗条纹宽度呈负相关，也就是源格栅13的明暗条纹宽度越细越好；通常通过设计源格栅13的明暗条纹数据来适配系统总体的灵敏度，但由于使用LED光源11，光源芯片的亮度高于邻近空间的亮度，导致刀口栅b51在成像端去切割源格栅13的条纹时，由于光源芯片亮度的影响，导致了全系统分辨率、灵敏度和背景均匀性出现了不可预计的花斑等现象；这一现象的出现是由于刀口栅b51切割源格栅13的同时切割了LED光源11的散射后产生的空间调制光线，较大程度上影响了系统的实际功能；而要解决此问题，源格栅13需与单个光源的亮点匹配，同时成像端的刀口栅b51必须与源格栅13及光源的发光点的像同时匹配，才能解决该问题；但这存在一些问题：一方面整个系统的体积较大难以测定匹配，同时温度会变化，系统匹配也会发生变化；另一方面，由于光源功率的需要，单个光源的体积较大，则为了匹配源格栅13的明暗条纹也必须加大间距，但源格栅13明暗条纹的间距加大会制约系统分辨率和灵敏度的提高；因此初步探索时采用源格栅13的方式在大尺度长距离的使用场景下几乎不可行。

本发明实施例与初步探索中提出的方案的区别包括：本实施例将“LED光源11+柔光屏12+源格栅13”的方式更直接的替代为本实施例所述阵列LED光源1；传统的方案还包括“点光源+菲涅耳透镜”的方式，但受制于光学镜片制造水平的影响，在将小系统扩展到大视场系统时，会存在较为严重的技术问题，因此传统方案并不适用于大视场流道显示；随后发现阵列LED光源1在没有柔光屏12与源格栅13的遮挡下，形成了良好的空间调制作用，并开展一系列的光源切割试验，从而确定了通过直接切割阵列光源芯片的像的方式来实现高灵敏度和高分辨率的大尺度纹影显示系统；因此，采用本实施例中的所述阵列LED光源1并非起到初步探索中所述的均匀照明的作用，而是其本身使用为空间调制照明无需再进行其他的调制。

因此本发明实施例相对于现有技术而言的好处在于：

(1)由于不存在柔光屏12和源格栅13，光源亮度和功率可以大幅度降低，同时光源的热也不会影响到距离比较近的柔光屏12和源格栅13的光学指标，从而影响整个系统的稳定性和性能指标；并且这并非对柔光屏12和源格栅13进行简单调整就能实现的。

(2)光源亮度和功率的降低能够降低单颗LED芯片的功率，则LED芯片的体积降低，甚至完全可以根据理论计算来确定LED芯片的间距，从而整体提高系统的灵敏度等指标；能够实现初步探索中“LED光源11+柔光屏12+源格栅13”三个构件想要实现的功能，并性能指标更好；其新的系统独立成本更低，空间尺寸更小。

(3)同时LED芯片是正方形形状的，因而其对空间的调制作用是网格状的调制方式，则在光路通过的截面上形成了水平和竖直两个方向的具有调制作用，优于源格栅13的平行条纹调制，提高了系统两个方向的灵敏度。

(4)由于采用阵列LED光源1的拼接，该方法可理论上实现纹影系统的无限拓展，从而彻底打破了传统聚焦纹影系统发展途径中的大尺度制约瓶颈(菲涅耳透镜、源格栅13等很难无限做大，越大难度越大成本约高，目前国内外还无法彻底解决该类问题)。

在上述实施例基础之上，进一步地，如图2至4所示，所述刀口栅a5的暗条纹宽度大于或等于所述阵列LED光源1单个LED芯片的宽度或高度；其目的是实现纹影系统的灵敏度的任意调节，可实现刀口栅a5对光源像的完全切割遮挡；所述的刀口栅a5的暗条纹可设置为直线、十字交叉线形状；需要说明的是，所述刀口栅a5采用在光学玻璃上进行UV雕刻制作，所述刀口栅a5的暗条纹还可设置为折线、弥散斑点、圆圈且不限于这几种形状；所述暗条纹也可为分布的暗斑点；此处的刀口栅a5采用UV打印的方式，是因为切割的对象是单个LED芯片的像；并且若采用现有的微纳加工，会存在成本高，系统迭代次数很大且难以匹配的问题，并且本发明实施例采用微纳加工是在大尺度下很难做到的。

参见图2，刀口栅a5的暗条纹A501为水平方向，获得的流场图像信息主要反映测试区域与地面垂直方向的密度梯度变化。

参见图3，刀口栅a5的暗条纹B502为垂直方向，获得的流场图像信息主要反映测试区域与地面平行方向的密度梯度变化。

参见图4，刀口栅a5的暗条纹C503为方块形状，获得的流场图像信息能够反映测试区域与地面平行和垂直方向的密度梯度变化，此种刀口栅a5适合在振动环境下使用。

在上述实施例基础之上，进一步地，所述阵列LED光源1波长为532nm±10nm，单个LED芯片的光通量误差在±20lm之内；每两个相邻LED芯片中心的间距为15mm-18mm；本实施例的参数优于目前常规要求，间距是在本实施方案大尺寸使用时设计的光学参数，该参数直接制约了整个系统的总体技术指标。

在上述实施例基础之上，进一步地，还包括成像屏a6，所述成像屏a6位于成像光路的所述刀口栅a5之后，其位置是测试区域中心的像面所在位置。所述成像屏a6的透光率在85％±5％，其表面颗粒直径大小为10um-100um。

优选的，成像屏a6采用全息成像膜，可采用其他方式制作成具备透光率满足80％左右，颗粒度小于10um的其他薄膜或者玻璃；现有的成像屏a6使用毛玻璃，但其具有方向性(中心亮，周围暗)的问题，而采用本实施例中的全息成像膜能够解决光源直接切割成像到成像屏a6后的成像具有方向性的问题。

在上述实施例基础之上，进一步地，还包括聚焦透镜a4，所述聚焦透镜a4用于对阵列LED光源1进行成像。

在上述实施例基础之上，进一步地，所述CCD采集系统7采用CXP线缆进行数据通信。需要说明的是：本实施例中，所述的CCD采集系统7采用4根CXP线缆进行数据通信，并在采集软件中采用背景学习的方式对纹影系统背景均匀性进行标定，并在标定完成后再在测试区域布置测试对象，然后再进行试验，最终实现流场结构在均匀背景下的显示；之所以采用背景学习的方法，是由于光源调制带来了微观尺度下的背景不均匀，同时在实际风洞使用过程中，由于试验场尺寸过大，光路上其他光学玻璃无法做大只能采用窗框拼接的方式；自然带来了纹影效果整体背景难看，不均匀的问题；而通过采用背景学习的方法，对背景进行标定，能够满足实际测量时候的背景均匀性要求。

优选的，CCD采集系统7成像，采用计算光学的方法对成像屏a6和成套纹影系统产生的噪声、斑点和环境散射干扰进行均匀化处理，进一步标定纹影系统试验前的背景标定；

参见图5，本发明实施例采用图2所示刀口栅a5获得的蜡烛和热风枪的流场结构清晰，其灵敏度较高。

本实施例提供的一种基于切割光源的纹影成像系统，通过刀口栅a5直接切割阵列LED光源1LED芯片的像，并通过设置不同的刀口方式来切割LED芯片的成像光点，通过全系统的调配实现超大测试区域流场的高稳定性和高灵敏度显示。本方案彻底解决了大尺度下纹影的显示问题，并可以无限拓展，彻底打破了传统系统和对比文件系统受制于光学元件制造能力的瓶颈；该系统解决了目前在进行大视场测试区域流场显示的原理困境和工程造价昂贵等难题，可实现在风洞甚至非试验环境下如机场等对飞机起飞时周围流场的情况进行纹影显示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应当注意，在附图中所图示的结构或部件不一定按比例绘制，同时本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述，以避免不必要地限制本发明。