摘 要：在大口径纹影系统中，主反射镜通常采用球面反射镜，球面反射镜虽然加工成本低但像质差一些。我们设计的纹影系统主反射镜采用抛物面反射镜，对由两个抛物面反射镜组成的纹影系统和两个球面反射镜组成的纹影系统的像质和像面照度均匀性进行了对比，对环境如气压和温度对窗口的影响进行了有限元分析。设计结果表明：主反射镜采用抛物面反射镜像面上的光斑均匀性优于主反射镜采用球面反射镜的纹影系统。

　　关键词：纹影系统 大口径反射镜 有限元分析

　　中图分类号：TH741.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0074-01

　　纹影技术是光学流动显示技术，测量方法是利用光在所在流场中的折射率梯度和流场的气流密度之间的正比关系进行测量，在燃烧、激波、风洞流场和水洞流场中有着广泛的应用[1-2]。传统纹影系统的光学系统主反射镜都采用球面，虽然加工成本较低、加工周期较短，但由于离轴使用的球面反射镜存在球差和像散，像面照度均匀性略差。本文介绍了主反射镜采用抛物面反射镜的大口径纹影系统，对气压和温度对窗口的影响进行了有限元分析，并对主反射镜采用球面反射镜和抛物面反射镜的纹影系统进行了对比。

　　1 纹影系统设计

　　纹影系统采用“Z”字型光路布局，布局图见图1。主要由卤素灯光源系统、聚光镜组件、狭缝、马蹄反射镜、主球面（或非球面）反射镜、刀口、CCD成像系统、镜筒、各种调整机构和纹影系统配套的窗口及相关配件等组成。狭缝和刀口分别位于两个主反射镜的焦面上，卤素灯经聚光镜会聚在狭缝上，照明光源大小由狭缝限制，经过马蹄反射镜和主反射镜反射后得到平行光，通过窗口照明风洞流场区域，通过主球面（或非球面）反射镜和马蹄反射镜把狭缝成像在焦面的刀口上，流场经主反射镜和成像物镜把像在CCD相机的靶面上。

　　球面反射镜用于准直系统，必然会有球差的影响；球面反射镜离轴使用，还会有比较严重的像散。为了在像差校正上有所改进，可以把球面反射镜离轴使用改成使用离轴抛物面反射镜，理论设计上离轴抛物面反射镜在与母镜光轴夹角较小的范围内像差很小。把两个离轴反射镜对接，形成“Z”型光路，在本系统中就是狭缝成像到刀口的光路，由球面反射镜组成的系统与由抛物面反射镜组成的系统成像质量有一定差别。由两个离轴球面反射镜组成系统像散严重，约为单镜的2倍。波像差达到PV=14.767，RMS=3.164（@632.8nm）。“Z”型布置的光路使其像差得到一定控制，对称性也加强。由两个离轴抛物面反射镜组成系统的像差校正良好，只是轴外有少量像散，波像差达到PV=0.023，RMS=0.005（@632.8nm）。

　　纹影系统是通过探测测试区流体对透射波前的扰动而产生的光亮度明暗变化来得到流场特性，在测试区没有对透射光波前产生扰动的时候，希望在接收器中接收到的测试区视场范围内的图像光亮度是均匀的。纹影系统中采用的狭缝和刀口是呈正方形排列，希望每一条边的狭缝和刀口组合在接收器像面上的照度基本一致。四个方向的狭缝及其对应刀口分别在球面反射镜系统造成的像面照度分布，有两个方向（狭缝和刀口平行于光轴方向），像面照度比较均匀，可以满足边缘效应不小于0.7，光斑均匀性大于85%的要求；而另外两个方向（狭缝和刀口垂直于光轴方向），像面处的光斑呈明显的失对称形状，无法满足边缘效应和光斑均匀性的要求。四个方向的狭缝及其对应刀口分别在抛物面反射镜系统造成的像面照度分布，四种情况下，像面上的光斑都很均匀，而且比较一致，可以满足边缘效应和光斑均匀性的要求。由于在成像系统中刀口为孔径光阑，并且相对光学系统来说很小，所以纹影反射镜采用球面和非球面对成像质量影响并不大。

　　窗口隔离了测试区内外的环境，同时又被光线穿过，窗口的变形需要定量分析。工作时，测试区为负压，而风洞外为近似一个大气压。我们取各个大气压的压差，用有限元分析了K9材料玻璃窗口的变形。外表面向里凹，内表面向外凸，变形量基本一致，最大变形量约为4 μm，窗口的这种变形对光学系统没有影响。测试区与外界温差主要还是体现在对窗口的影响上，取测试区高温，100 °温差，用有限元分析了K9材料玻璃窗口的变形。外表面向里凹，内表面向外凸，变形量基本一致，最大变形量约为0.4 μm。窗口的这种变形对光学系统基本没有影响。为了确保Φ500 mm口径的测试区，可以考虑把窗口适当做大，去除边缘的影响。纹影系统的工作环境温度为最高温度45℃，最低温度-10 ℃，系统最大温差为55 ℃。

　　度变化后子午方向呈现出了一定的照度不均匀性，趋势与球面反射镜系统相同，温度变化产生的这种影响主要是温度变化使光学系统（主要是主反射镜）产生了焦面位置和离轴量的变化引起的，可以通过调节光学系统或控制环境温度来解决。

　　2 结语

　　该文介绍了主反射镜基于非球面反射镜大口径纹影系统设计，对气压和温度对窗口的影响进行了有限元分析，气压和温度对窗口的影响可忽略不计。对主反射镜采用球面反射镜和抛物面反射镜的纹影系统进行了对比，采用非球面可提高像面上的光斑均匀性。

　　参考文献

　　[1] Settles G SSchlieren and Shadowgraph Techniques： Visualizing Phenomena in Transparent Media[M].Springer Press，2001：1-4.

　　[2] FENG Tian-zhi，LIN Cheng-min， ZHAO Run-xiang，etal. Schlieren method：a review of techniques[J].Journal of Ballistics，1994（2）：89-96.