详情

原文传递基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统及其方法

专利名称：	基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统及其方法
摘要：	本发明公开了一种基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统及其方法，包括内部存在非均匀介质场的测量空间、用于向测量空间射出与光轴形成偏转角为θ的入射光线的投影屏、用于对入射光线穿透测量空间内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴的偏折光线进行汇聚成影像的物方远心光学系统；本发明采用彩色三步移相法，结合三维非均匀介质场的反积分曲线三维重建算法，通过投影屏和远心光学系统的组合设置，实现了对非均匀介质场的测量光线的准确追迹及对三维空间折射率的瞬态折射特性测量，大大提高了测量精确度和效率；并且该系统整体设计精密，测量精度高，成本较低，应用范围广，具有重要的理论意义和工程应用价值，适合推广应用。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	中国计量大学
发明人：	孔明;王道档;单良;赵军;许新科;刘维;徐平;龚志东
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-05T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-14T00:00:00+0800
申请号：	CN201910164088.3
公开号：	CN109883995A
代理机构：	北京中济纬天专利代理有限公司
代理人：	杨乐
分类号：	G01N21/41(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	310018 浙江省杭州市下沙高教园区学源街258号
主权项：	1.基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：包括内部存在非均匀介质场的测量空间(3)、用于向测量空间(3)射出球面入射光线的投影屏(2)、用于对投影屏(2)上的光点射出的球面入射光线穿透测量空间(3)内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴(1)的偏折光线进行筛选并汇聚成影像的物方远心光学系统，测量空间(3)位于投影屏(2)与物方远心光学系统之间；采用彩色三步移相法对影像进行计算并得到相位信息，通过相位信息确定影像的光学折射特性和对应关系；采用反积分曲线三维重建算法计算得到测量空间(3)内部存在的非均匀介质场折射率的变化数据。 2.根据权利要求1所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：物方远心光学系统包括用于对从测量空间(3)射出的偏折光线进行折射的透镜(4)、用于对汇聚的偏折光线进行拍摄并获得影像的CCD相机(6)、用于对透镜(4)射出的偏折光线进行筛选并汇聚在CCD相机(6)上的物方远心光阑(5)，透镜(4)位于测量空间(3)与物方远心光阑(5)之间，物方远心光阑(5)位于透镜(4)与CCD相机(6)之间，投影屏(2)、测量空间(3)、透镜(4)、物方远心光阑(5)、CCD相机(6)均以光轴(1)为中心轴线并依次正对排列设置。 3.根据权利要求2所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：还包括测量圆环(7)，投影屏(2)、透镜(4)均设在测量圆环(7)的内壁上，测量空间(3)为与测量圆环(7)同心设置的圆形区域，圆形区域的半径小于测量圆环(7)的半径，光轴(1)穿过测量圆环(7)和圆形区域的圆心，投影屏(2)与透镜(4)以圆心为中心呈对称设置。 4.根据权利要求3所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：投影屏(2)、透镜(4)、物方远心光阑(5)、CCD相机(6)由4-8组构成，4-8组投影屏(2)、透镜(4)、物方远心光阑(5)、CCD相机(6)沿测量圆环(7)的360度环形方向均匀分布。 5.根据权利要求2或3或4所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：通过公式(A)推导得到入射光线与折射光线之间的角度对应关系，依据公式(A)推导得到如公式(B)所示的偏转角θ与影像位置偏差的关系，从而通过公式(A)和公式(B)获得如公式(C)所示的非均匀介质场折射率梯度的积分与影像位移量之间的关系；其中，公式(A)、公式(B)、公式(C)分别如下所示：其中，z为光轴(1)方向，分别为在X、Y、Z轴上的变化量，n为空间折射率，为空间折射率的变化，F为透镜(4)焦距，δ为影像的像素点在CCD相机(6)的成像屏幕上的位移量，S1为物方远心光阑(5)的像方焦点与CCD相机(6)的成像屏幕之间的距离，L为投影屏(2)与测量空间(3)的射出端之间的距离。 6.根据权利要求5所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：CCD相机(6)与投影屏(2)连接，CCD相机(6)将拍摄并获得的影像传输至投影屏(2)，影像显示在投影屏(2)上。 7.根据权利要求1或2或3或4或6所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量系统，其特征在于：非均匀介质场包括由测量空间(3)内部流动的液液混合介质或气液混合介质或空气介质产生的温度场和/或压力场，测量空间(3)设有用于调节测量空间(3)内部存在的温度场的温度调节装置。 8.基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量方法，其特征在于：包括如下具体内容：以投影屏(2)上的每一个光点为点光源向测量空间(3)射出球面入射光线，其中有一条与光轴(1)形成偏转角为θ的球面入射光线穿透测量空间(3)内部的非均匀介质场折射形成平行于光轴的偏折光线，从测量空间(3)射出的平行于光轴(1)的偏折光线射向透镜(4)，透镜(4)对平行于光轴(1)的偏折光线再次进行折射，再次折射之后的偏折光线通过物方远心光阑(5)进行筛选并汇聚在CCD相机(6)上，CCD相机(6)对汇聚的偏折光线进行拍摄并获得影像；通过公式(A)推导得到入射光线与折射光线之间的角度对应关系，依据公式(A)推导得到如公式(B)所示的偏转角θ与影像位置偏差的关系，从而通过公式(A)和公式(B)获得如公式(C)所示的非均匀介质场折射率梯度的积分与影像位移量之间的关系；采用彩色三步移相法对影像进行计算并得到相位信息，通过相位信息确定投影屏(2)上的光点通过非均匀介质场的折射之后产生的影像的光学折射特性和对应关系，从而实现光线追迹；采用反积分曲线三维重建算法计算得到测量空间(3)内部存在的非均匀介质场折射率的变化数据；其中，公式(A)、公式(B)、公式(C)分别如下所示：其中，z为光轴(1)方向，分别为在X、Y、Z轴上的变化量，n为空间折射率，为空间折射率的变化，F为透镜(4)焦距，δ为影像的像素点在CCD相机(6)的成像屏幕上的位移量，S1为物方远心光阑(5)的像方焦点与CCD相机(6)的成像屏幕之间的距离，L为投影屏(2)与测量空间(3)的射出端之间的距离。 9.根据权利要求8所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量方法，其特征在于：彩色三步移相法包括如下具体内容：将调制信息I1、I2、I3、I4、I5、I6通过亮度分区分别调制到彩色RGB的R、G、B三个不同通道中，使投影屏(2)和CCD相机(6)上的彩色RGB的R、G、B三个不同的通道分别在横向和纵向两个方向上各自输出和采集三个相位影像并获得三个相位信息，CCD相机(6)将三个相位信息传输至投影屏(2)；通过公式(D)计算CCD相机(6)采集的RGB三通道信息M＝[RGB]'，RGB三通道信息M与实际的RGB三通道信息N＝[rgb]'由转换矩阵A和背景矩阵M0＝[R0G0B0]'通过公式(E)实现转换；依据计算得到的实际的RGB三通道信息N，最终实现瞬态折射特性测量；其中，投影屏(2)显示三个不同相位移的余弦波，在横向和纵向两个方向上各自的三个不同相位移的余弦波的调制信息I1、I2、I3、I4、I5、I6分别通过公式(F)、公式(G)计算得到；分别通过公式(H)、公式(I)对CCD相机(6)采集的三个相位影像进行计算并得到每一个像素的相位信息，对得到的每一个像素的相位信息与投影屏(2)上显示的三个不同相位移的余弦波条纹进行对比，从而确定投影屏(2)上的光点通过不均匀介质场的折射之后产生的影像的光学折射特性和对应关系，从而实现光线追迹；公式(D)、(E)、(F)、(G)、(H)、(I)分别如下所示： M＝A·N+M0 (E)，其中，I'(x,y)为背景灰度值，I”(x,y)为调制灰度值；其中，φ1(x,y)、φ2(x,y)均为相位信息。 10.根据权利要求8或9所述的基于哈特曼光线追迹的非均匀介质场的测量方法，其特征在于：反积分曲线三维重建算法包括如下具体内容：建立以非均匀介质场的折射率分布为变量的病态矩阵，然后对病态矩阵进行求解，从而将重建问题转换为病态矩阵的求解问题；其中，通过对公式(C)进行变形和离散之后得到如公式(J)所示的病态矩阵： T＝WDS2 (J)，其中T为影像像点的位移信息矩阵，W为模型系数矩阵，D为待求解的折射率变化向量矩阵，S2是投影矩阵。
所属类别：	发明专利