基于非球面的紋影系統(tǒng)設計

孟慶華

摘 要：在大口徑紋影系統(tǒng)中，主反射鏡通常采用球面反射鏡，球面反射鏡雖然加工成本低但像質差一些。我們設計的紋影系統(tǒng)主反射鏡采用拋物面反射鏡，對由兩個拋物面反射鏡組成的紋影系統(tǒng)和兩個球面反射鏡組成的紋影系統(tǒng)的像質和像面照度均勻性進行了對比，對環(huán)境如氣壓和溫度對窗口的影響進行了有限元分析。設計結果表明：主反射鏡采用拋物面反射鏡像面上的光斑均勻性優(yōu)于主反射鏡采用球面反射鏡的紋影系統(tǒng)。

關鍵詞：紋影系統(tǒng) 大口徑反射鏡 有限元分析

中圖分類號：TH741.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0074-01

紋影技術是光學流動顯示技術，測量方法是利用光在所在流場中的折射率梯度和流場的氣流密度之間的正比關系進行測量，在燃燒、激波、風洞流場和水洞流場中有著廣泛的應用[1-2]。傳統(tǒng)紋影系統(tǒng)的光學系統(tǒng)主反射鏡都采用球面，雖然加工成本較低、加工周期較短，但由于離軸使用的球面反射鏡存在球差和像散，像面照度均勻性略差。本文介紹了主反射鏡采用拋物面反射鏡的大口徑紋影系統(tǒng)，對氣壓和溫度對窗口的影響進行了有限元分析，并對主反射鏡采用球面反射鏡和拋物面反射鏡的紋影系統(tǒng)進行了對比。

1 紋影系統(tǒng)設計

紋影系統(tǒng)采用“Z”字型光路布局，布局圖見圖1。主要由鹵素燈光源系統(tǒng)、聚光鏡組件、狹縫、馬蹄反射鏡、主球面（或非球面）反射鏡、刀口、CCD成像系統(tǒng)、鏡筒、各種調整機構和紋影系統(tǒng)配套的窗口及相關配件等組成。狹縫和刀口分別位于兩個主反射鏡的焦面上，鹵素燈經(jīng)聚光鏡會聚在狹縫上，照明光源大小由狹縫限制，經(jīng)過馬蹄反射鏡和主反射鏡反射后得到平行光，通過窗口照明風洞流場區(qū)域，通過主球面（或非球面）反射鏡和馬蹄反射鏡把狹縫成像在焦面的刀口上，流場經(jīng)主反射鏡和成像物鏡把像在CCD相機的靶面上。

球面反射鏡用于準直系統(tǒng)，必然會有球差的影響；球面反射鏡離軸使用，還會有比較嚴重的像散。為了在像差校正上有所改進，可以把球面反射鏡離軸使用改成使用離軸拋物面反射鏡，理論設計上離軸拋物面反射鏡在與母鏡光軸夾角較小的范圍內(nèi)像差很小。把兩個離軸反射鏡對接，形成“Z”型光路，在本系統(tǒng)中就是狹縫成像到刀口的光路，由球面反射鏡組成的系統(tǒng)與由拋物面反射鏡組成的系統(tǒng)成像質量有一定差別。由兩個離軸球面反射鏡組成系統(tǒng)像散嚴重，約為單鏡的2倍。波像差達到PV=14.767，RMS=3.164（@632.8nm）?！癦”型布置的光路使其像差得到一定控制，對稱性也加強。由兩個離軸拋物面反射鏡組成系統(tǒng)的像差校正良好，只是軸外有少量像散，波像差達到PV=0.023，RMS=0.005（@632.8nm）。

紋影系統(tǒng)是通過探測測試區(qū)流體對透射波前的擾動而產(chǎn)生的光亮度明暗變化來得到流場特性，在測試區(qū)沒有對透射光波前產(chǎn)生擾動的時候，希望在接收器中接收到的測試區(qū)視場范圍內(nèi)的圖像光亮度是均勻的。紋影系統(tǒng)中采用的狹縫和刀口是呈正方形排列，希望每一條邊的狹縫和刀口組合在接收器像面上的照度基本一致。四個方向的狹縫及其對應刀口分別在球面反射鏡系統(tǒng)造成的像面照度分布，有兩個方向（狹縫和刀口平行于光軸方向），像面照度比較均勻，可以滿足邊緣效應不小于0.7，光斑均勻性大于85%的要求；而另外兩個方向（狹縫和刀口垂直于光軸方向），像面處的光斑呈明顯的失對稱形狀，無法滿足邊緣效應和光斑均勻性的要求。四個方向的狹縫及其對應刀口分別在拋物面反射鏡系統(tǒng)造成的像面照度分布，四種情況下，像面上的光斑都很均勻，而且比較一致，可以滿足邊緣效應和光斑均勻性的要求。由于在成像系統(tǒng)中刀口為孔徑光闌，并且相對光學系統(tǒng)來說很小，所以紋影反射鏡采用球面和非球面對成像質量影響并不大。

窗口隔離了測試區(qū)內(nèi)外的環(huán)境，同時又被光線穿過，窗口的變形需要定量分析。工作時，測試區(qū)為負壓，而風洞外為近似一個大氣壓。我們?nèi)「鱾€大氣壓的壓差，用有限元分析了K9材料玻璃窗口的變形。外表面向里凹，內(nèi)表面向外凸，變形量基本一致，最大變形量約為4 μm，窗口的這種變形對光學系統(tǒng)沒有影響。測試區(qū)與外界溫差主要還是體現(xiàn)在對窗口的影響上，取測試區(qū)高溫，100 °溫差，用有限元分析了K9材料玻璃窗口的變形。外表面向里凹，內(nèi)表面向外凸，變形量基本一致，最大變形量約為0.4 μm。窗口的這種變形對光學系統(tǒng)基本沒有影響。為了確保Φ500 mm口徑的測試區(qū)，可以考慮把窗口適當做大，去除邊緣的影響。紋影系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度為最高溫度45℃，最低溫度-10 ℃，系統(tǒng)最大溫差為55 ℃。

度變化后子午方向呈現(xiàn)出了一定的照度不均勻性，趨勢與球面反射鏡系統(tǒng)相同，溫度變化產(chǎn)生的這種影響主要是溫度變化使光學系統(tǒng)（主要是主反射鏡）產(chǎn)生了焦面位置和離軸量的變化引起的，可以通過調節(jié)光學系統(tǒng)或控制環(huán)境溫度來解決。

2 結語

該文介紹了主反射鏡基于非球面反射鏡大口徑紋影系統(tǒng)設計，對氣壓和溫度對窗口的影響進行了有限元分析，氣壓和溫度對窗口的影響可忽略不計。對主反射鏡采用球面反射鏡和拋物面反射鏡的紋影系統(tǒng)進行了對比，采用非球面可提高像面上的光斑均勻性。

參考文獻

[1] Settles G SSchlieren and Shadowgraph Techniques： Visualizing Phenomena in Transparent Media[M].Springer Press，2001：1-4.

[2] FENG Tian-zhi，LIN Cheng-min， ZHAO Run-xiang，etal. Schlieren method：a review of techniques[J].Journal of Ballistics，1994（2）：89-96.endprint

摘 要：在大口徑紋影系統(tǒng)中，主反射鏡通常采用球面反射鏡，球面反射鏡雖然加工成本低但像質差一些。我們設計的紋影系統(tǒng)主反射鏡采用拋物面反射鏡，對由兩個拋物面反射鏡組成的紋影系統(tǒng)和兩個球面反射鏡組成的紋影系統(tǒng)的像質和像面照度均勻性進行了對比，對環(huán)境如氣壓和溫度對窗口的影響進行了有限元分析。設計結果表明：主反射鏡采用拋物面反射鏡像面上的光斑均勻性優(yōu)于主反射鏡采用球面反射鏡的紋影系統(tǒng)。

關鍵詞：紋影系統(tǒng) 大口徑反射鏡 有限元分析

中圖分類號：TH741.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0074-01

紋影技術是光學流動顯示技術，測量方法是利用光在所在流場中的折射率梯度和流場的氣流密度之間的正比關系進行測量，在燃燒、激波、風洞流場和水洞流場中有著廣泛的應用[1-2]。傳統(tǒng)紋影系統(tǒng)的光學系統(tǒng)主反射鏡都采用球面，雖然加工成本較低、加工周期較短，但由于離軸使用的球面反射鏡存在球差和像散，像面照度均勻性略差。本文介紹了主反射鏡采用拋物面反射鏡的大口徑紋影系統(tǒng)，對氣壓和溫度對窗口的影響進行了有限元分析，并對主反射鏡采用球面反射鏡和拋物面反射鏡的紋影系統(tǒng)進行了對比。

1 紋影系統(tǒng)設計

紋影系統(tǒng)采用“Z”字型光路布局，布局圖見圖1。主要由鹵素燈光源系統(tǒng)、聚光鏡組件、狹縫、馬蹄反射鏡、主球面（或非球面）反射鏡、刀口、CCD成像系統(tǒng)、鏡筒、各種調整機構和紋影系統(tǒng)配套的窗口及相關配件等組成。狹縫和刀口分別位于兩個主反射鏡的焦面上，鹵素燈經(jīng)聚光鏡會聚在狹縫上，照明光源大小由狹縫限制，經(jīng)過馬蹄反射鏡和主反射鏡反射后得到平行光，通過窗口照明風洞流場區(qū)域，通過主球面（或非球面）反射鏡和馬蹄反射鏡把狹縫成像在焦面的刀口上，流場經(jīng)主反射鏡和成像物鏡把像在CCD相機的靶面上。

球面反射鏡用于準直系統(tǒng)，必然會有球差的影響；球面反射鏡離軸使用，還會有比較嚴重的像散。為了在像差校正上有所改進，可以把球面反射鏡離軸使用改成使用離軸拋物面反射鏡，理論設計上離軸拋物面反射鏡在與母鏡光軸夾角較小的范圍內(nèi)像差很小。把兩個離軸反射鏡對接，形成“Z”型光路，在本系統(tǒng)中就是狹縫成像到刀口的光路，由球面反射鏡組成的系統(tǒng)與由拋物面反射鏡組成的系統(tǒng)成像質量有一定差別。由兩個離軸球面反射鏡組成系統(tǒng)像散嚴重，約為單鏡的2倍。波像差達到PV=14.767，RMS=3.164（@632.8nm）?！癦”型布置的光路使其像差得到一定控制，對稱性也加強。由兩個離軸拋物面反射鏡組成系統(tǒng)的像差校正良好，只是軸外有少量像散，波像差達到PV=0.023，RMS=0.005（@632.8nm）。

紋影系統(tǒng)是通過探測測試區(qū)流體對透射波前的擾動而產(chǎn)生的光亮度明暗變化來得到流場特性，在測試區(qū)沒有對透射光波前產(chǎn)生擾動的時候，希望在接收器中接收到的測試區(qū)視場范圍內(nèi)的圖像光亮度是均勻的。紋影系統(tǒng)中采用的狹縫和刀口是呈正方形排列，希望每一條邊的狹縫和刀口組合在接收器像面上的照度基本一致。四個方向的狹縫及其對應刀口分別在球面反射鏡系統(tǒng)造成的像面照度分布，有兩個方向（狹縫和刀口平行于光軸方向），像面照度比較均勻，可以滿足邊緣效應不小于0.7，光斑均勻性大于85%的要求；而另外兩個方向（狹縫和刀口垂直于光軸方向），像面處的光斑呈明顯的失對稱形狀，無法滿足邊緣效應和光斑均勻性的要求。四個方向的狹縫及其對應刀口分別在拋物面反射鏡系統(tǒng)造成的像面照度分布，四種情況下，像面上的光斑都很均勻，而且比較一致，可以滿足邊緣效應和光斑均勻性的要求。由于在成像系統(tǒng)中刀口為孔徑光闌，并且相對光學系統(tǒng)來說很小，所以紋影反射鏡采用球面和非球面對成像質量影響并不大。

窗口隔離了測試區(qū)內(nèi)外的環(huán)境，同時又被光線穿過，窗口的變形需要定量分析。工作時，測試區(qū)為負壓，而風洞外為近似一個大氣壓。我們?nèi)「鱾€大氣壓的壓差，用有限元分析了K9材料玻璃窗口的變形。外表面向里凹，內(nèi)表面向外凸，變形量基本一致，最大變形量約為4 μm，窗口的這種變形對光學系統(tǒng)沒有影響。測試區(qū)與外界溫差主要還是體現(xiàn)在對窗口的影響上，取測試區(qū)高溫，100 °溫差，用有限元分析了K9材料玻璃窗口的變形。外表面向里凹，內(nèi)表面向外凸，變形量基本一致，最大變形量約為0.4 μm。窗口的這種變形對光學系統(tǒng)基本沒有影響。為了確保Φ500 mm口徑的測試區(qū)，可以考慮把窗口適當做大，去除邊緣的影響。紋影系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度為最高溫度45℃，最低溫度-10 ℃，系統(tǒng)最大溫差為55 ℃。

度變化后子午方向呈現(xiàn)出了一定的照度不均勻性，趨勢與球面反射鏡系統(tǒng)相同，溫度變化產(chǎn)生的這種影響主要是溫度變化使光學系統(tǒng)（主要是主反射鏡）產(chǎn)生了焦面位置和離軸量的變化引起的，可以通過調節(jié)光學系統(tǒng)或控制環(huán)境溫度來解決。

2 結語

該文介紹了主反射鏡基于非球面反射鏡大口徑紋影系統(tǒng)設計，對氣壓和溫度對窗口的影響進行了有限元分析，氣壓和溫度對窗口的影響可忽略不計。對主反射鏡采用球面反射鏡和拋物面反射鏡的紋影系統(tǒng)進行了對比，采用非球面可提高像面上的光斑均勻性。

參考文獻

[1] Settles G SSchlieren and Shadowgraph Techniques： Visualizing Phenomena in Transparent Media[M].Springer Press，2001：1-4.

[2] FENG Tian-zhi，LIN Cheng-min， ZHAO Run-xiang，etal. Schlieren method：a review of techniques[J].Journal of Ballistics，1994（2）：89-96.endprint

摘 要：在大口徑紋影系統(tǒng)中，主反射鏡通常采用球面反射鏡，球面反射鏡雖然加工成本低但像質差一些。我們設計的紋影系統(tǒng)主反射鏡采用拋物面反射鏡，對由兩個拋物面反射鏡組成的紋影系統(tǒng)和兩個球面反射鏡組成的紋影系統(tǒng)的像質和像面照度均勻性進行了對比，對環(huán)境如氣壓和溫度對窗口的影響進行了有限元分析。設計結果表明：主反射鏡采用拋物面反射鏡像面上的光斑均勻性優(yōu)于主反射鏡采用球面反射鏡的紋影系統(tǒng)。

關鍵詞：紋影系統(tǒng) 大口徑反射鏡 有限元分析

中圖分類號：TH741.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0074-01

紋影技術是光學流動顯示技術，測量方法是利用光在所在流場中的折射率梯度和流場的氣流密度之間的正比關系進行測量，在燃燒、激波、風洞流場和水洞流場中有著廣泛的應用[1-2]。傳統(tǒng)紋影系統(tǒng)的光學系統(tǒng)主反射鏡都采用球面，雖然加工成本較低、加工周期較短，但由于離軸使用的球面反射鏡存在球差和像散，像面照度均勻性略差。本文介紹了主反射鏡采用拋物面反射鏡的大口徑紋影系統(tǒng)，對氣壓和溫度對窗口的影響進行了有限元分析，并對主反射鏡采用球面反射鏡和拋物面反射鏡的紋影系統(tǒng)進行了對比。

1 紋影系統(tǒng)設計

紋影系統(tǒng)采用“Z”字型光路布局，布局圖見圖1。主要由鹵素燈光源系統(tǒng)、聚光鏡組件、狹縫、馬蹄反射鏡、主球面（或非球面）反射鏡、刀口、CCD成像系統(tǒng)、鏡筒、各種調整機構和紋影系統(tǒng)配套的窗口及相關配件等組成。狹縫和刀口分別位于兩個主反射鏡的焦面上，鹵素燈經(jīng)聚光鏡會聚在狹縫上，照明光源大小由狹縫限制，經(jīng)過馬蹄反射鏡和主反射鏡反射后得到平行光，通過窗口照明風洞流場區(qū)域，通過主球面（或非球面）反射鏡和馬蹄反射鏡把狹縫成像在焦面的刀口上，流場經(jīng)主反射鏡和成像物鏡把像在CCD相機的靶面上。

球面反射鏡用于準直系統(tǒng)，必然會有球差的影響；球面反射鏡離軸使用，還會有比較嚴重的像散。為了在像差校正上有所改進，可以把球面反射鏡離軸使用改成使用離軸拋物面反射鏡，理論設計上離軸拋物面反射鏡在與母鏡光軸夾角較小的范圍內(nèi)像差很小。把兩個離軸反射鏡對接，形成“Z”型光路，在本系統(tǒng)中就是狹縫成像到刀口的光路，由球面反射鏡組成的系統(tǒng)與由拋物面反射鏡組成的系統(tǒng)成像質量有一定差別。由兩個離軸球面反射鏡組成系統(tǒng)像散嚴重，約為單鏡的2倍。波像差達到PV=14.767，RMS=3.164（@632.8nm）。“Z”型布置的光路使其像差得到一定控制，對稱性也加強。由兩個離軸拋物面反射鏡組成系統(tǒng)的像差校正良好，只是軸外有少量像散，波像差達到PV=0.023，RMS=0.005（@632.8nm）。

紋影系統(tǒng)是通過探測測試區(qū)流體對透射波前的擾動而產(chǎn)生的光亮度明暗變化來得到流場特性，在測試區(qū)沒有對透射光波前產(chǎn)生擾動的時候，希望在接收器中接收到的測試區(qū)視場范圍內(nèi)的圖像光亮度是均勻的。紋影系統(tǒng)中采用的狹縫和刀口是呈正方形排列，希望每一條邊的狹縫和刀口組合在接收器像面上的照度基本一致。四個方向的狹縫及其對應刀口分別在球面反射鏡系統(tǒng)造成的像面照度分布，有兩個方向（狹縫和刀口平行于光軸方向），像面照度比較均勻，可以滿足邊緣效應不小于0.7，光斑均勻性大于85%的要求；而另外兩個方向（狹縫和刀口垂直于光軸方向），像面處的光斑呈明顯的失對稱形狀，無法滿足邊緣效應和光斑均勻性的要求。四個方向的狹縫及其對應刀口分別在拋物面反射鏡系統(tǒng)造成的像面照度分布，四種情況下，像面上的光斑都很均勻，而且比較一致，可以滿足邊緣效應和光斑均勻性的要求。由于在成像系統(tǒng)中刀口為孔徑光闌，并且相對光學系統(tǒng)來說很小，所以紋影反射鏡采用球面和非球面對成像質量影響并不大。

窗口隔離了測試區(qū)內(nèi)外的環(huán)境，同時又被光線穿過，窗口的變形需要定量分析。工作時，測試區(qū)為負壓，而風洞外為近似一個大氣壓。我們?nèi)「鱾€大氣壓的壓差，用有限元分析了K9材料玻璃窗口的變形。外表面向里凹，內(nèi)表面向外凸，變形量基本一致，最大變形量約為4 μm，窗口的這種變形對光學系統(tǒng)沒有影響。測試區(qū)與外界溫差主要還是體現(xiàn)在對窗口的影響上，取測試區(qū)高溫，100 °溫差，用有限元分析了K9材料玻璃窗口的變形。外表面向里凹，內(nèi)表面向外凸，變形量基本一致，最大變形量約為0.4 μm。窗口的這種變形對光學系統(tǒng)基本沒有影響。為了確保Φ500 mm口徑的測試區(qū)，可以考慮把窗口適當做大，去除邊緣的影響。紋影系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度為最高溫度45℃，最低溫度-10 ℃，系統(tǒng)最大溫差為55 ℃。

度變化后子午方向呈現(xiàn)出了一定的照度不均勻性，趨勢與球面反射鏡系統(tǒng)相同，溫度變化產(chǎn)生的這種影響主要是溫度變化使光學系統(tǒng)（主要是主反射鏡）產(chǎn)生了焦面位置和離軸量的變化引起的，可以通過調節(jié)光學系統(tǒng)或控制環(huán)境溫度來解決。

2 結語

該文介紹了主反射鏡基于非球面反射鏡大口徑紋影系統(tǒng)設計，對氣壓和溫度對窗口的影響進行了有限元分析，氣壓和溫度對窗口的影響可忽略不計。對主反射鏡采用球面反射鏡和拋物面反射鏡的紋影系統(tǒng)進行了對比，采用非球面可提高像面上的光斑均勻性。

參考文獻

[1] Settles G SSchlieren and Shadowgraph Techniques： Visualizing Phenomena in Transparent Media[M].Springer Press，2001：1-4.

[2] FENG Tian-zhi，LIN Cheng-min， ZHAO Run-xiang，etal. Schlieren method：a review of techniques[J].Journal of Ballistics，1994（2）：89-96.endprint