尾流氣泡探測光學系統的製作方法
2023-05-04 04:36:01 2
尾流氣泡探測光學系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種尾流氣泡探測光學系統，包括片光源、前組透鏡、後組透鏡、後組透鏡連接切換機構，片光源和前組透鏡位於同一光路，後組透鏡是多組，多組的後組透鏡通過切換機構進行切換，使一組後組透鏡與前組透鏡對應位於同一光路。本實用新型尾流氣泡探測光學系統，能夠完成10μm～500μm的分段拍攝，並能夠將大於或等於10um尾流中小氣泡拍攝清楚。
【專利說明】尾流氣泡探測光學系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種高速顯微成像系統，尤其涉及在水下惡劣環境中使用的高速顯微成像系統。
【背景技術】
[0002]尾流是指艦船在航行中，由於螺旋槳旋轉產生空化、海面波浪破碎以及吃水線部分大量空氣的捲入在其後一定水域形成的一條具有特殊物理性能的氣泡幕帶。尾流中氣泡的大小、速度以及數密度分布等參數的獲取是研究尾流物理特性的基礎，也為進一步研究尾流光學制導提供了 一種全新的技術途徑。
[0003]尾流氣泡成像仍存在較大困難，主要在於:(I)尾流氣泡幕內各個氣泡的尺寸是大動態範圍(μ m級?_級)，要對完整範圍內的氣泡成像，光學系統望遠能力、CXD分辨能力要求較高；(2)氣泡形變、裂合以及位移的速度快，每個氣泡的運動規律和衰減情況大不相同；(3)光學系統存在景深，照明光也有厚度，對氣泡幕成像會造成不同物距氣泡的圖像層疊；(4)海水對光線吸收及散射作用強烈，加上海洋中雜光的幹擾，使拍攝的圖片對比度不高；(5)海水中非氣泡懸浮物雜質的幹擾。
[0004]因受制於測量技術和CXD的發展，以往報導中利用光學攝影所測量到的尾流氣泡解析度都不高，但艦船尾流氣泡粒徑卻主要分布在500 μ m以下。小氣泡的各項參數。
實用新型內容
[0005]為了解決【背景技術】中所存在的技術問題，本實用新型提出了一種尾流氣泡探測光學系統，能夠完成10 μ m?500 μ m的分段拍攝，並能夠將大於或等於IOum尾流中小氣泡拍
攝清楚。
[0006]本實用新型的技術解決方案是:尾流氣泡探測光學系統，其特徵在於:所述光學系統包括片光源、前組透鏡、後組透鏡、後組透鏡連接切換機構，所述片光源和前組透鏡位於同一光路，所述後組透鏡是多組，多組的後組透鏡通過切換機構進行切換，使一組後組透鏡與前組透鏡對應位於同一光路。
[0007]上述後組透鏡是三組。
[0008]上述三組後組透鏡分別包括正透鏡和負透鏡，所述正透鏡和負透鏡的總和至少是四個。
[0009]上述前組透鏡的焦距是220mm，三組後組透鏡的放大率分別是0.4倍、I倍、2.5倍；對應的三組後組透鏡的焦距分別是88mm、220mm、550mm。
[0010]片光源狹縫設計為1mm。
[0011]後組透鏡出射光路上設置(XD，CXD前設置濾光片。
[0012]上述濾光片是LL01-532-25窄帶3nm的濾光片，厚度為2mm。
[0013]鑑於尾流氣泡的特點，本系統採用片光源掃描與高速攝影相結合的技術手段，可有效避免氣泡圖像層疊；設計了倍率可切換水下顯微光學鏡組，成像範圍涵蓋尾流氣泡的粒徑分布(ΙΟμπι~500μπι);通過前後組分離，中間以平行光中繼，使前組與片光同步掃描，可採集一定體積內氣泡的圖像，並能保證片光掃描時氣泡切片始終清晰成像。最後對於所獲得的圖像數據進行濾波、增強，減少雜質和噪聲幹擾，並採用相關算法處理圖像數據，可以提取出大於或等於IOum尾流中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型的光學系統原理示意圖；
[0015]圖2是本實用新型海水介質等效圖；
[0016]圖3 (a) —圖3(c)是本實用新型光學系統結構圖；
[0017]圖4 (a) —圖4(c)是本實用新型近場解析度測量光路成像質量示意圖；
[0018]圖5 Ca) 一圖5 (C)是本實用新型光學系統系統點列圖；
【具體實施方式】
[0019]本實用新型提出了一種尾流氣泡探測光學系統，光學原理如圖1所示。包括片光源1、前組透鏡2、後組透鏡3、後組透鏡3連接切換機構，片光源I和前組透鏡2位於同一光路，後組透鏡3是多組，多組的後組透鏡通過切換機構進行切換，使一組後組透鏡3與前組透鏡2對應位於同一光路。本實用新型中後組透鏡3是三組。三組後組透鏡3分別包括正透鏡和負透鏡，正透鏡和負透鏡的總和至少是四個。片光源I與前組透鏡2固定在同一平臺上同步移動，鏡頭組 之間還有切換機構，為簡化機械結構，讓三組鏡頭共用一個前組，後組透鏡3分別設計以使放大率不同。三組後組透鏡3各自獨立，物像距相等，單獨校正像差。
[0020]光學系統不能過分接近也不能過分遠離尾流氣泡區，太近會對尾流區本身性質造成影響，使測量結果沒有意義，過遠會由於光線在水中衰減和散射強烈，使成像對比度下降，同時由於鏡頭中有2.5倍顯微鏡頭，顯微成像一般要求工作距離較短，否則會加大設計難度。綜合考慮，將觀測物面與防水窗口的距離設定為100mm，光學鏡頭採用攝遠結構，既保證有較長的物距，又保證遠攝比不會太小而引起鏡頭像差。
[0021]a)光學系統放大率分段
[0022]根據技術要求，光學系統能分辨的氣泡粒徑範圍為10~500 μ m,同時還要兼顧氣泡區域視場，如果採用單一成像鏡頭則必須採用變焦鏡頭，這就加大了設計難度和成本。經過分析，採用多組定焦鏡頭，對其放大倍率進行分段也可以滿足光學系統對解析度和視場覆蓋的要求。兼顧視場、體積、解析度等參數，對光學系統的放大率分段如表1。
[0023]表1光學系統倍率分段
物像距/mm5:30[_ 放大倍率__04__I__2.5線視場/mm 64X4025.6X16 10.24X6.4
[0025]b)三種倍率物鏡切換、掃描
[0026]三種倍率物鏡，物像距即由片光源照明區與CXD像面4之間的距離相同均為530mm，如果距離太大將直接造成體積過大，以至於重量超重。另外，由於CXD高速攝影機比較重，超過5Kg，故在對物面進行掃描時，要求CCD像面4的位置始終固定。為此，將光學系統分成前後組，中間以平行光中繼，光學系統原理見圖4-14。前組將物面準直成平行光，後組將平行光會聚到C⑶像面4，其放大倍率，即為前後組的焦距之比。當前組進行移動掃描時，由於前後組間為平行光，對放大率沒有影響。另外，為了簡化光學系統和結構設計的難度，三種鏡頭採用相同的前組。由於三組鏡頭的線視場各不相同，為了減小光線在後組鏡頭的入射角度就必須提高前組的焦距值。綜合考慮以上因素，取前組的焦距4=220!11111，根據放大率公式確定後組鏡頭的焦距如表2。
[0027]表2鏡頭的基本參數
【權利要求】
1.尾流氣泡探測光學系統，其特徵在於:所述光學系統包括片光源、前組透鏡、後組透鏡、後組透鏡連接切換機構，所述片光源和前組透鏡位於同一光路，所述後組透鏡是多組，多組的後組透鏡通過切換機構進行切換，使一組後組透鏡與前組透鏡對應位於同一光路。
2.根據權利要求1所述的尾流氣泡探測光學系統，其特徵在於:所述後組透鏡是三組。
3.根據權利要求2所述的尾流氣泡探測光學系統，其特徵在於:所述三組後組透鏡分別包括正透鏡和負透鏡，所述正透鏡和負透鏡的總和至少是四個。
4.根據權利要求3所述的尾流氣泡探測光學系統，其特徵在於:所述前組透鏡的焦距是220mm，三組後組透鏡的放大率分別是0.4倍、I倍、2.5倍；對應的三組後組透鏡的焦距分別是 88mm、220mm、550mm。
5.根據權利要求4所述的尾流氣泡探測光學系統，其特徵在於:片光源狹縫設計為Imnin
6.根據權利要求1一5任一所述的尾流氣泡探測光學系統，其特徵在於:後組透鏡出射光路上設置(XD，CXD前設置濾光片。
7.根據權利要求6所述的尾流氣泡探測光學系統，其特徵在於:所述濾光片是LL01-532-25窄帶3nm的濾光片，厚度為2臟。
【文檔編號】G01C11/00GK203759354SQ201420054049
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月27日 優先權日:2014年1月27日
【發明者】劉西站, 何俊華, 薛豔博, 王維 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所