[发明专利]尾流气泡探测光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速显微成像系统，尤其涉及在水下恶劣环境中使用的高速显微成像系统。 

背景技术

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。 

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。 

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

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。 

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。 

上述后组透镜是三组。 

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。 

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。 

片光源狭缝设计为1mm。 

后组透镜出射光路上设置CCD，CCD前设置滤光片。 

上述滤光片是LL01-532-25窄带3nm的滤光片，厚度为2mm。 

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

图1是本发明的光学系统原理示意图； 

图2是本发明海水介质等效图； 

图3（a）—图3（c）是本发明光学系统结构图； 

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； 

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

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。 

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。 

a)光学系统放大率分段