尾流气泡探测光学系统
阅读：501发布：2020-05-11
专利汇可以提供尾流气泡探测光学系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提出了一种尾流气泡探测光学系统，包括片 光源 、前组透镜、后组透镜、后组透镜连接切换机构，片光源和前组透镜位于同一光路，后组透镜是多组，多组的后组透镜通过切换机构进行切换，使一组后组透镜与前组透镜对应位于同一光路。本发明尾流气泡探测光学系统，能够完成10μm～500μm的分段拍摄，并能够将大于或等于10um尾流中小气泡拍摄清楚。，下面是尾流气泡探测光学系统专利的具体信息内容。
1.尾流气泡探测光学系统，其特征在于：所述光学系统包括片光源、前组透镜、后组透镜、后组透镜连接切换机构，所述片光源和前组透镜位于同一光路，所述后组透镜是多组，多组的后组透镜通过切换机构进行切换，使一组后组透镜与前组透镜对应位于同一光路。
2.根据权利要求1所述的尾流气泡探测光学系统，其特征在于：所述后组透镜是三组。
3.根据权利要求2所述的尾流气泡探测光学系统，其特征在于：所述三组后组透镜分别包括正透镜和负透镜，所述正透镜和负透镜的总和至少是四个。
4.根据权利要求3所述的尾流气泡探测光学系统，其特征在于：所述前组透镜的焦距是220mm，三组后组透镜的放大率分别是0.4倍、1倍、2.5倍；对应的三组后组透镜的焦距分别是88mm、220mm、550mm。
5.根据权利要求4所述的尾流气泡探测光学系统，其特征在于：片光源狭缝设计为
1mm。
6.根据权利要求1—5任一所述的尾流气泡探测光学系统，其特征在于：后组透镜出射光路上设置CCD，CCD前设置滤光片。
7.根据权利要求6所述的尾流气泡探测光学系统，其特征在于：所述滤光片是LL01-532-25窄带3nm的滤光片，厚度为2mm。
尾流气泡探测光学系统
技术领域
背景技术
[0002] 尾流是指舰船在航行中,由于螺旋桨旋转产生空化、海面波浪破碎以及吃水线部分大量空气的卷入在其后一定水域形成的一条具有特殊物理性能的气泡幕带。尾流中气泡的大小、速度以及数密度分布等参数的获取是研究尾流物理特性的基础，也为进一步研究尾流光学制导提供了一种全新的技术途径。
[0003] 尾流气泡成像仍存在较大困难，主要在于：(1)尾流气泡幕内各个气泡的尺寸是大动态范围(μm级～mm级)，要对完整范围内的气泡成像，光学系统望远能力、CCD分辨能力要求较高；(2)气泡形变、裂合以及位移的速度快,每个气泡的运动规律和衰减情况大不相同；(3)光学系统存在景深，照明光也有厚度，对气泡幕成像会造成不同物距气泡的图像层叠；(4)海水对光线吸收及散射作用强烈，加上海洋中杂光的干扰，使拍摄的图片对比度不高；(5)海水中非气泡悬浮物杂质的干扰。
[0004] 因受制于测量技术和CCD的发展，以往报道中利用光学摄影所测量到的尾流气泡分辨率都不高，但舰船尾流气泡粒径却主要分布在500μm以下。小气泡的各项参数。 发明内容
[0005] 为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种尾流气泡探测光学系统，能够完成10μm～500μm的分段拍摄，并能够将大于或等于10um尾流中小气泡拍摄清楚。
[0006] 本发明的技术解决方案是：尾流气泡探测光学系统，其特征在于：所述光学系统包括片光源、前组透镜、后组透镜、后组透镜连接切换机构，所述片光源和前组透镜位于同一光路，所述后组透镜是多组，多组的后组透镜通过切换 机构进行切换，使一组后组透镜与前组透镜对应位于同一光路。
[0007] 上述后组透镜是三组。
[0008] 上述三组后组透镜分别包括正透镜和负透镜，所述正透镜和负透镜的总和至少是四个。
[0009] 上述前组透镜的焦距是220mm，三组后组透镜的放大率分别是0.4倍、1倍、2.5倍；对应的三组后组透镜的焦距分别是88mm、220mm、550mm。
[0010] 片光源狭缝设计为1mm。
[0011] 后组透镜出射光路上设置CCD，CCD前设置滤光片。
[0012] 上述滤光片是LL01-532-25窄带3nm的滤光片，厚度为2mm。
[0013] 鉴于尾流气泡的特点，本系统采用片光源扫描与高速摄影相结合的技术手段，可有效避免气泡图像层叠；设计了倍率可切换水下显微光学镜组，成像范围涵盖尾流气泡的粒径分布(10μm～500μm)；通过前后组分离，中间以平行光中继，使前组与片光同步扫描，可采集一定体积内气泡的图像，并能保证片光扫描时气泡切片始终清晰成像。最后对于所获得的图像数据进行滤波、增强，减少杂质和噪声干扰，并采用相关算法处理图像数据，可以提取出大于或等于10um尾流中。附图说明
[0014] 图1是本发明的光学系统原理示意图；
[0015] 图2是本发明海水介质等效图；
[0016] 图3（a）—图3（c）是本发明光学系统结构图；
[0017] 图4（a）—图4（c）是本发明近场分辨率测量光路成像质量示意图； [0018] 图5（a）—图5（c）是本发明光学系统系统点列图；
具体实施方式
[0019] 本发明提出了一种尾流气泡探测光学系统，光学原理如图1所示。包括片光源1、前组透镜2、后组透镜3、后组透镜3连接切换机构，片光源1和前组透镜2位于同一光路，后组透镜3是多组，多组的后组透镜通过切换机构进行切换，使一组后组透镜3与前组透镜2对应位于同一光路。本发明中后组透镜3是三组。三组后组透镜3分别包括正透镜和负透镜，正透镜和负透镜的总和至 少是四个。片光源1与前组透镜2固定在同一平台上同步移动，镜头组之间还有切换机构，为简化机械结构，让三组镜头共用一个前组，后组透镜3分别设计以使放大率不同。三组后组透镜3各自独立，物像距相等，单独校正像差。 [0020] 光学系统不能过分接近也不能过分远离尾流气泡区，太近会对尾流区本身性质造成影响，使测量结果没有意义，过远会由于光线在水中衰减和散射强烈，使成像对比度下降，同时由于镜头中有2.5倍显微镜头，显微成像一般要求工作距离较短，否则会加大设计难度。综合考虑，将观测物面与防水窗口的距离设定为100mm，光学镜头采用摄远结构，既保证有较长的物距，又保证远摄比不会太小而引起镜头像差。
[0021] a)光学系统放大率分段
[0022] 根据技术要求，光学系统能分辨的气泡粒径范围为10～500μm，同时还要兼顾气泡区域视场，如果采用单一成像镜头则必须采用变焦镜头，这就加大了设计难度和成本。经过分析，采用多组定焦镜头，对其放大倍率进行分段也可以满足光学系统对分辨率和视场覆盖的要求。兼顾视场、体积、分辨率等参数，对光学系统的放大率分段如表1。 [0023] 表1光学系统倍率分段
[0024]
[0025] b)三种倍率物镜切换、扫描
[0026] 三种倍率物镜，物像距即由片光源照明区与CCD像面4之间的距离相同均为530mm，如果距离太大将直接造成体积过大，以至于重量超重。另外，由于CCD高速摄影机比较重，超过5Kg，故在对物面进行扫描时，要求CCD像面4的位置始终固定。为此，将光学系统分成前后组，中间以平行光中继。前组将物面准直成平行光，后组将平行光会聚到CCD像面4，其放大倍率β=-f2/f1，即为前后组的焦距之比。当前组进行移动扫描时，由于前后组间为平行光，对放大率没有影响。另外，为了简化光学系统和结构设计 的难度，三种镜头采用相同的前组。由于三组镜头的线视场各不相同，为了减小光线在后组镜头的入射角度就必须提高前组的焦距值。综合考虑以上因素，取前组的焦距f1=220mm，根据放大率公式确定后组镜头的焦距如表2。
[0027] 表2镜头的基本参数
[0028]
[0029] c)前组移动时对成像质量影响
[0030] 为了实现对物面的轴向扫描，光学系统采用了平行光中继，前组移动的光学结构。假设物方和像方的介质一样，则前组镜头移动时对光学系统的成像质量影响较小。但是本系统中，物方介质一部分为水，当片光源与前组透镜以同速移动时由于物方光程的变化导致其出射平行光的平行度产生变化，在成像像面不动的前提下必然导致成像质量恶化的现象。根据几何光学的原理，当前组透镜移动Δd时，为了保证成像质量物面需要变动才能保证清晰成像：
[0031] ΔL=nΔd
[0032] 其中n为海水折射率，其取值约为1.34。技术要求在水中扫描±3mm，此时前组镜头中只需要移动Δd±3/1.4=±2.3mm即可实现扫描。为了减小片光源水下散射光对光学成像质量的影响，要求片光源的厚度尽可能小；另一方面为了提高扫描精度片光源与前组透镜是等速变化的。由前面分析可知理想物面的运动速度是前组透镜运动速度的1.34倍，如果片光源太薄，就有可能出现理想物面无法被照明的情况，这时需要将片光源的厚度适当加厚。所以将片光源狭缝设计为1mm即保证了光源扫描照明的作用，又能保证成像镜头在高速摄像机像面清晰成像。
[0033] d)光谱选择
[0034] 激光波长为532nm，其线宽小于0.1nm，可视为单色光，这对光学系统设计而言是有利的。但是，由于光学系统工作于水下，在白天时仍然会有一部分日 光经由海水传播最终进入光学系统，这部分光会降低成像质量和像面对比度。为此，需要在CCD前加装滤光片，考虑到滤光片镀膜工艺和成本，窄带滤光膜的带宽不宜太窄，经过权衡考虑确定其带宽为±1.5nm，光学系统在设计时以±5nm考虑像差，即532nm消单色像差，以527nm，537nm消色差。滤光片选用美国Semrock公司的LL01-532-25窄带3nm的滤光片，其厚度为2mm，光学系统设计时综合考虑像差。
[0035] 测量系统中畸变问题的处理
[0036] 畸变虽然不影响成像质量，但是会造成测量系统的测量结果不准确，故在光学测量系统中必须进行有效的校正。该系统采用光学和图像处理相结合的方式来解决这一问题。在光学设计中，将系统畸变量控制在2％以内，而后对每一组镜头的畸变进行标定，通过图像处理中的相关算法来校正剩余的畸变。
[0037] 设计结果及评价
[0038] 镜头前后组之间要求平行光，由于前组镜头是共用的，故对其在最大的物方视场下进行优化，使通过前组的光线平行度对于各组镜头都达到要求，且设计中尽可能将前组镜头的像差校正到最小，减小后组镜头消像差的难度。0.4倍、2.5倍后组镜头分别采用反摄远、摄远镜头的设计形式。由于2.5倍后组镜头远摄比很小，选择了一组美国专利作为其初始结构，并在正透镜组和负透镜组增加了镜头来减小光线在后面镜头的入射角度。设计结构如图3（a）—图3（c）所示。
[0039] 光学系统的奈奎斯特频率N=1/(2*10μm)=50lp/mm，在N=50lp/mm时，1倍和0.4倍镜头都远大于0.3，成像质量优良；2.5倍镜头、0.707视场也在0.3左右，满足系统成像要求。如图4（a）—图4（c）所示。
[0040] 各组镜头的点列图如图5（a）—图5（c）所示。各个镜头的最大均方根弥散斑半径分别为3.378、1.716、9.788μm，均小于10μm的像元尺寸值，满足技术要求。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种四肢涡流气泡浴槽 | 2020-05-11 | 66 |
| 一种旋转气流气泡纺丝装置 | 2020-05-12 | 889 |
| 一种气泡微阀及基于此气泡微阀的微流控芯片 | 2020-05-11 | 759 |
| 一种基于扰流混气的微气泡增氧装置 | 2020-05-12 | 711 |
| 一种用于微气泡分离的微流控芯片 | 2020-05-12 | 389 |
| 气泡导流满液式壳管蒸发器 | 2020-05-13 | 355 |
| 涡流式气泡纺丝装置 | 2020-05-11 | 312 |
| 光电式气体微流量气泡流量计 | 2020-05-12 | 965 |
| 除去向下流经风室的流体的气泡 | 2020-05-12 | 520 |
| 一种带气泡的分流器 | 2020-05-11 | 249 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
气泡流热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈