[實用新型]尾流氣泡探測光學系統

有效

• 申請號: 201420054049.0
• 申請日: 2014-01-27
• 公開（公告）號: CN203759354U
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 劉西站;何俊華;薛艷博;王維
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B21/36
• 分類號: G02B21/36;G01C11/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 倪金榮

技術領域

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

尾流是指艦船在航行中,由于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卷入在其后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。

尾流氣泡成像仍存在較大困難，主要在于：(1)尾流氣泡幕內各個氣泡的尺寸是大動態范圍(μm級～mm級)，要對完整范圍內的氣泡成像，光學系統望遠能力、CCD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，加上海洋中雜光的干擾，使拍攝的圖片對比度不高；(5)海水中非氣泡懸浮物雜質的干擾。

因受制于測量技術和CCD的發展，以往報道中利用光學攝影所測量到的尾流氣泡分辨率都不高，但艦船尾流氣泡粒徑卻主要分布在500μm以下。小氣泡的各項參數。

實用新型內容

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10μm～500μm的分段拍攝，并能夠將大于或等于10um尾流中小氣泡拍攝清楚。

本實用新型的技術解決方案是：尾流氣泡探測光學系統，其特征在于：所述光學系統包括片光源、前組透鏡、后組透鏡、后組透鏡連接切換機構，所述片光源和前組透鏡位于同一光路，所述后組透鏡是多組，多組的后組透鏡通過切換機構進行切換，使一組后組透鏡與前組透鏡對應位于同一光路。

上述后組透鏡是三組。

上述三組后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。

上述前組透鏡的焦距是220mm，三組后組透鏡的放大率分別是0.4倍、1倍、2.5倍；對應的三組后組透鏡的焦距分別是88mm、220mm、550mm。

片光源狹縫設計為1mm。

后組透鏡出射光路上設置CCD，CCD前設置濾光片。

上述濾光片是LL01-532-25窄帶3nm的濾光片，厚度為2mm。

鑒于尾流氣泡的特點，本系統采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，成像范圍涵蓋尾流氣泡的粒徑分布(10μm～500μm)；通過前后組分離，中間以平行光中繼，使前組與片光同步掃描，可采集一定體積內氣泡的圖像，并能保證片光掃描時氣泡切片始終清晰成像。最后對于所獲得的圖像數據進行濾波、增強，減少雜質和噪聲干擾，并采用相關算法處理圖像數據，可以提取出大于或等于10um尾流中。

附圖說明

圖1是本實用新型的光學系統原理示意圖；

圖2是本實用新型海水介質等效圖；

圖3（a）—圖3（c）是本實用新型光學系統結構圖；

圖4（a）—圖4（c）是本實用新型近場分辨率測量光路成像質量示意圖；

圖5（a）—圖5（c）是本實用新型光學系統系統點列圖；

具體實施方式

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、后組透鏡3、后組透鏡3連接切換機構，片光源1和前組透鏡2位于同一光路，后組透鏡3是多組，多組的后組透鏡通過切換機構進行切換，使一組后組透鏡3與前組透鏡2對應位于同一光路。本實用新型中后組透鏡3是三組。三組后組透鏡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1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，后組透鏡3分別設計以使放大率不同。三組后組透鏡3各自獨立，物像距相等，單獨校正像差。

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，過遠會由于光線在水中衰減和散射強烈，使成像對比度下降，同時由于鏡頭中有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，光學鏡頭采用攝遠結構，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。

a)光學系統放大率分段