[發明專利]基于哈特曼光線追跡的非均勻介質場的測量系統及其方法

有效

• 申請號: 201910164088.3
• 申請日: 2019-03-05
• 公開（公告）號: CN109883995B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 孔明;王道檔;單良;趙軍;許新科;劉維;徐平;龔志東
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 楊樂

1.基于哈特曼光線追跡的非均勻介質場的測量系統，其特征在于：包括內部存在非均勻介質場的測量空間(3)、用于向測量空間(3)射出球面入射光線的投影屏(2)、用于對投影屏(2)上的光點射出的球面入射光線穿透測量空間(3)內部的非均勻介質場折射形成平行于光軸(1)的偏折光線進行篩選并匯聚成影像的物方遠心光學系統，測量空間(3)位于投影屏(2)與物方遠心光學系統之間；采用彩色三步移相法對影像進行計算并得到相位信息，通過相位信息確定影像的光學折射特性和對應關系；采用反積分曲線三維重建算法計算得到測量空間(3)內部存在的非均勻介質場折射率的變化數據；

通過公式(A)推導得到入射光線與折射光線之間的角度對應關系，依據公式(A)推導得到如公式(B)所示的偏轉角θ與影像位置偏差的關系，從而通過公式(A)和公式(B)獲得如公式(C)所示的非均勻介質場折射率梯度的積分與影像位移量之間的關系；其中，公式(A)、公式(B)、公式(C)分別如下所示：

其中，z為光軸(1)方向，分別為在X、Y、Z軸上的變化量，n為空間折射率，為空間折射率的變化，F為透鏡(4)焦距，δ為影像的像素點在CCD相機(6)的成像屏幕上的位移量，S₁為物方遠心光闌(5)的像方焦點與CCD相機(6)的成像屏幕之間的距離，L為投影屏(2)與測量空間(3)的射出端之間的距離；

物方遠心光學系統包括用于對從測量空間(3)射出的偏折光線進行折射的透鏡(4)、用于對匯聚的偏折光線進行拍攝并獲得影像的CCD相機(6)、用于對透鏡(4)射出的偏折光線進行篩選并匯聚在CCD相機(6)上的物方遠心光闌(5)，透鏡(4)位于測量空間(3)與物方遠心光闌(5)之間，物方遠心光闌(5)位于透鏡(4)與CCD相機(6)之間，投影屏(2)、測量空間(3)、透鏡(4)、物方遠心光闌(5)、CCD相機(6)均以光軸(1)為中心軸線并依次正對排列設置；

彩色三步移相法包括如下具體內容：

將調制信息I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆通過亮度分區分別調制到彩色RGB的R、G、B三個不同通道中，使投影屏(2)和CCD相機(6)上的彩色RGB的R、G、B三個不同的通道分別在橫向和縱向兩個方向上各自輸出和采集三個相位影像并獲得三個相位信息，CCD相機(6)將三個相位信息傳輸至投影屏(2)；通過公式(D)計算CCD相機(6)采集的RGB三通道信息M＝[RGB]'，RGB三通道信息M與實際的RGB三通道信息N＝[rgb]'由轉換矩陣A和背景矩陣M₀＝[R₀G₀B₀]'通過公式(E)實現轉換；依據計算得到的實際的RGB三通道信息N，最終實現瞬態折射特性測量；其中，投影屏(2)顯示三個不同相位移的余弦波，在橫向和縱向兩個方向上各自的三個不同相位移的余弦波的調制信息I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆分別通過公式(F)、公式(G)計算得到；分別通過公式(H)、公式(I)對CCD相機(6)采集的三個相位影像進行計算并得到每一個像素的相位信息，對得到的每一個像素的相位信息與投影屏(2)上顯示的三個不同相位移的余弦波條紋進行對比，從而確定投影屏(2)上的光點通過不均勻介質場的折射之后產生的影像的光學折射特性和對應關系，從而實現光線追跡；公式(D)、(E)、(F)、(G)、(H)、(I)分別如下所示：

M＝A·N+M₀ (E)，

其中，I'(x,y)為背景灰度值，I”(x,y)為調制灰度值；

其中，φ₁(x,y)、φ₂(x,y)均為相位信息；

反積分曲線三維重建算法包括如下具體內容：建立以非均勻介質場的折射率分布為變量的病態矩陣，然后對病態矩陣進行求解，從而將重建問題轉換為病態矩陣的求解問題；其中，通過對公式(C)進行變形和離散之后得到如公式(J)所示的病態矩陣：

T＝WDS₂ (J)，

其中T為影像像點的位移信息矩陣，W為模型系數矩陣，D為待求解的折射率變化向量矩陣，S₂是投影矩陣。