紋影技術中光源的選擇
閱讀：5發(fā)布時間：2025-1-25
根據紋影光源的需求與特點可以知道，光源的選 擇有較大的余地，具體測量環(huán)境和需求不同，光源的 選擇及其工作方式的設計也不同。光源的分類方式 有多種，按照光源的發(fā)光機理來分類，可以分為爆炸 光源、放電光源和激光光源等；按照光源的工作方式 來分類，可以分為連續(xù)光源、脈沖光源和頻閃光源；按 照光源光譜特性來分類，可分為單色光源和連續(xù)譜光 源等等。比如，鹵鎢燈光源是一種常用的紋影光源， 鎢燈絲通電 熱 輻 射 發(fā) 光，通 常 以 連 續(xù) 輻 照 的 方 式 工 作，光譜范圍寬，屬于連續(xù)譜光源。 常用的紋影光源主要有如下幾種：爆炸光源、鹵 鎢燈光源、激光光源、氙燈光源、發(fā)光二極管，以及電 火花等其它擊穿介質方式發(fā)光的光源。
（１）爆炸光源。早期為了實現較高亮度的點光源 照明，采用的是爆炸光源，這種光源雖然亮度較高、光 譜范圍較好，但是其成本偏高且具有一定的破壞性， 使得實驗裝置只能使用一次，拍攝過程對同一條件無 法重復。隨著光電子技術的發(fā)展，逐漸用其它工作方 式的光源取代爆炸光源，現在很少采用這種方法。
（２）鹵鎢燈光源。鹵鎢燈光源屬于熱輻射光源， 發(fā)光亮度較普通照明光源較高，光譜連續(xù)平滑，只需 簡單的調壓即可連續(xù)工作，亮度連續(xù)可調，使用壽命 較長，燈絲形 狀 可 以 設 計，是 比 較 常 用 的 紋 影 光 源。 根據實驗經驗，鹵鎢燈（３００Ｗ，２４Ｖ）比較適宜應用于 百微秒級曝光量的測量中，當流場特征變化更快時， 曝光時間更 短 情 況 下，鹵鎢燈則不能提供足夠的照 度。 ?。?br>（３）氙燈光源。氙燈光源屬于放電光源，具有亮 度更高，光譜范圍較寬、光學及電學參數容易調節(jié)，以 及可重復使用等優(yōu)點。氙燈可以連續(xù)工作，也可以脈 沖方式工作，是利用氙氣在高壓、超高壓下的放電現 象制成的光源［４］。對于紋影系統(tǒng)中的氙燈光源來講， 亮度滿足曝 光 需 求 是 首 要 的，其次考慮氙燈發(fā)光脈 寬、控制電源以及同步控制等方面的問題。目前，氙 燈作為紋影光源的應用比較廣泛，特別是脈沖氙燈光 源，具有更高的亮度，實驗室所采用的脈沖氙燈光源 （長弧氙燈）可 以 滿 足 納 秒 級 的 曝 光 需 求，連 續(xù) 氙 燈 （短弧氙燈）的亮度則在微秒級的曝光時間上。氙燈 最主要的問題是放電弧光不穩(wěn)定，發(fā)光面積較大，靜 態(tài)和動態(tài)下都會產生一定的模糊［４］。當然，可以通過 增加光闌的方法減小光源發(fā)光面積，但會損失一定的 光通量。
（４）激光光源。激光光源具有亮度高、方向性強、 單色性好和易于準直等優(yōu)點，能夠連續(xù)提供強度很高 的、單色性很好的激光光束。在成像系統(tǒng)前面加入與 激光光源波長對應的窄帶濾光片，可以過濾流場內部 或其它波長雜散光的干擾，而進入成像系統(tǒng)和相機， 與激光波長相近的自發(fā)光或雜散光，其強度與激光強 度相比是微弱的，影響通常可以忽略［５］。作為紋影激 光光源，主要考慮的是激光功率，即激光強度的問題。 功率低得到的亮度可能不夠，功率高時則需要采用額 外的衰減裝置，其成本相對較高。實驗室采用５０ｍＷ （５３２ｎｍ）激光光源，獲得的比較適宜的曝光量是在微 秒量級時間尺度上。激光光源主要問題是，激光相干 性好，易產生衍射光斑，一定程度上干擾圖像中有用 信息，不利于圖像的數據處理。為減小衍射的影響， 激光光源刀口通常需要采用漸變密度片，這使得系統(tǒng) 靈敏度有所降低，但是系統(tǒng)的其它性能有所提高，如 測量范圍相對擴大等，需要綜合需求權衡考慮設計。
（５）電火花和擊穿介質發(fā)光光源。電火花光源屬 于一種脈沖放電光源，利用高電壓擊穿空氣時的發(fā)光 現象照明。其突出特點是，發(fā)光亮度高，光譜范圍較 寬。另外，也有采用激光聚焦擊穿空氣的等離子體發(fā) 光實現照明的，其亮度可以通過注入激光能量的大小 來實現一定范圍內的調節(jié)。電火花光源和激光擊穿 光源發(fā)光時間都比較短，可以實現百納秒到微秒量級 的閃光，峰值亮度很高，光色接近白光，發(fā)光可控性較 好，易于同步控制。其主要的問題與脈沖氙燈一樣， 發(fā)光面積較 大，發(fā) 光 在 時 間 和 空 間 上 都 存 在 不 穩(wěn) 定 性，光源經過紋影鏡準直效果較差，不利于成像。
（６）發(fā)光二極管。隨著半導體技術的不斷發(fā)展， 發(fā)光二 極 管 （ＬＥＤ）作為紋影光源成為一種 新的趨 勢［６］。其特點是單色性好，發(fā)光面積小，近似點光源， 易于準直，成本低廉，可實現任意開關控制，并且發(fā)光 二極管通常 封 裝 在 類 似 透 鏡 的 塑 料 中，其 發(fā) 散 角 在 １５°左右，正 好 適 合 紋 影 光 源 使 用［７］。另 外，ＬＥＤ 光 源主要的優(yōu)勢在于其光能上升沿和下降沿較陡，實驗 室采用的美國 ＣＲＥＥＱ５－ＷＣ單管正白光 ＬＥＤ，額定 功率１Ｗ，光通量約１００ｌｍ，其光能上升時間和下降時 間只有約２０μｓ。主要的缺點是單個發(fā)光二極管亮度 不夠（光通量一般只有幾十流明），通常需要集束成一 定形狀使用。對于典型的紋影系統(tǒng)而言，所需要的光 源是線光源，發(fā)光二極管集束成線形，既能夠適合紋 影系統(tǒng)要求，又能夠實現亮度增強。如何更好地應用 發(fā)光二極管作為紋影系統(tǒng)光源，集束形狀的設計是關 鍵。
