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利用彩虹滤光片使空气折射率梯度可视化

更新时间:2016-07-05

人眼只能够感受颜色还有光强的变化,而无法感受像空气这类高度透明的相位物在光照下的相位变化。这时可采用空间滤波使相位可视化。纹影法所用的滤波器是一个金属刀片,它将一半频谱滤除,从而在像面上呈现出于相位分布相关的光强[1]。传统的纹影法通常得到的图像是黑白的,而使用彩虹纹影拍摄到的图像色彩鲜艳。其中,不同的颜色反映的就是光线通过变折射率区域时,由于折射率不同而产生不同的偏转量,这一偏转量可以通过标定得到[2]

1 实验原理

1.1 传统纹影法

如图1所示,在测量场无折射率变化时,从光源发出的光经凸透镜2和3两次折射后,成像于焦点。

图1 纹影系统布置方式示意图

由于被测对象的引入,在有位相变化的地方,光线将偏离原有方向而传播,并绕过刀口[3]。由于相位变化产生的衍射光叠加在直射光上。在成像点附近将刀口垂直于光轴方向移动,直至挡去大部分直射光,并保留一半衍射光,从而实现从位相变化到强度变化的转换[3]

1.2 彩虹纹影法

光在介质中的传播遵守惠更斯定理,介质中任一波面上的各点都可以看作是发射子波的波源。其后任意时刻,这些子波在波的前进方向的包络面就是新的波面[6]。由于折射率变化导致波前的光速发生变化,光束的方向也会发生变化。

图2 偏折角θ与滤光片位移a关系图

光线平行于光轴入射,则经过薄透镜将会聚于像方焦点,彩虹滤光片放置在焦点处。fM2为会聚透镜焦距,当入射的平行光线不平行于光轴,即光线经过变密度流场区产生折射角θ,此时经过薄透镜将会聚于像方焦平面上的某一点,设该点与光轴间的距离为a[2]。则有

(1)

在彩虹滤光片作用下,不同的偏移量a即可使得折射率图像带有不同的颜色[2]

由Gladstone-Dale关系式可以得到密度场和折射率的关系为

n=1+

(2)

K为Gladstone-Dale常数。该参数取决于介质本身的性质和光的波长,也和介质的温度和压强弱相关[2]。K一般很小可以忽略。可作如下简化:

(3)

可能为流量计内进入脏污,导致浮子抖动或卡顿,此时需对流量计进行清洗。对于金属材质的浮子,可按顺序将水、无水乙醇、丙酮、乙醚注入流量计内将赃物洗净,对于塑料材质浮子,则可用洗洁精、水、无水乙醚进行清洗。待管内溶剂干燥后再装回原来位置。

由几何关系可得[7]

图3 流场截面计算简图

碧汝背上长蜘蛛疮,表姐抱着她去公社找瞿医生。瞿医生真是个好人,表姐他们什么时候找去,人家都特别热情。那几年,瞿医生不少帮她。

(2)如图4所示放好仪器,其中Led灯放在第一个凸透镜的焦点处,第一个凸透镜用作产生平行光,但是因为并不存在严格的平行光,所以只能尽量做到产生平行光。彩色刀口放在第二个凸透镜的焦平面上,单方相机放到彩色刀口后适当的能接收到图像的位置。

(4)

由于实验用单反作为采集装置,而用MATLAB进行数据处理,我们用像素作为测量单位。半径r和偏移量a皆在像素系统中所得,它们的数值相当于线性放大了一个相同的倍数。将两个同心圆的间隔取为一个像素点,即间隔趋近于无限小,式子可作如下变化

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(5)

稍作变换可得,

(6)

其中,ra相当于线性放大了一个相同的倍数,可以相抵消,fM2为所用透镜的焦距

1.3 彩虹滤光片的制作与定标

彩虹滤光片的制作与标定是决定彩虹纹影定量测量技术关键,现有两种较为普遍的彩虹滤光片制作方法。两种滤光片分别是底片式滤光片[2]和玻璃纸式滤波片[4] 由于底片式滤光片对制作材料的要求较高,所以我们决定采用玻璃纸式滤光片进行实验。

图4 玻璃纸式滤波片

由于光源和纹影系统光学元件的原因,不可能在空间上存在理想化的一点为焦点位置,通常是一个小的区域范围,这对于纹影系统的实际测量而言是可以接受的[8]。将绿,红,透明,蓝,黄五种颜色玻璃纸剪成所需宽度,长度大于光源像高的长条,然后,依次紧贴于方形小孔上,再盖上一方形孔,即做成五色竖条刀口,如图5所示。制作彩色刀口时,刀口的彩条不能太窄,会出现衍射现象,太大会形成混合阴影图,缝宽应为0.25 mm或0.5 mm。所选彩色玻璃纸应该有近似的透光率[4]

图5 绿红白蓝黄彩色刀口(放大版)

在滤光片的制作过程中,其色彩并不能非常准确地按照预定的规律变化,因此在使用彩虹纹影进行定量测量前必须对所使用的滤光片进行标定[2]。标定的具体方法是用单反相机分别拍摄在测量场中未放入玻璃和放入玻璃的图像,放入玻璃改变的光程用迈克尔逊干涉仪进行测量,用MATLAB处理这两图片便可分析颜色的移动情况,从而定标。处理后得,一个像素点的移动对应了1.042×10-4(m)的光程改变量。

实验教学是统计软件SPSS课程的重要组成部分,也是对课堂教学的有益补充和完善,必须在以下几点上下足功夫:

图6 未放入玻璃时的图像处理

图7 放入玻璃后的图像处理

1.4 调节仪器同轴等高

(1)用左右逼近法测量凸透镜焦距[5]

称为y对x的线性回归,其中a,b统称为回归系数。通过计算各曲线的判定系数R2来检验两者的线性关系,判定系数R2接近1时回归方程显著[13],相关系数R定义为:

(3)递归生成模型,该模型中每个词的左子结点和右子结点分别由各自的马尔柯夫模型顺次产生:左子结点的产生方向是自右向左,右子结点的产生方向是自左向右的。每一个子结点的生成建立在支配词和它前一个子结点上,是自顶向下的递归生成式模型。

(3)探究温度对空气折射率的影响,在待测空气下方放置一个有温度显示电热棒,分别改变温度为50 ℃、100 ℃、150 ℃和200 ℃,再观察相机上的图像,经过图像处理后,得出结论。

2 实验处理与分析

接收系统由纹影仪和探测系统组成,纹影仪的显示屏形成测试区(如温度场、密度场等)的纹影图,由单镜头反光式取景照相机,简称单反相机。记录图像,并且将储存卡中的图像导入电脑,避免由于同步传输带来的图损误差。

处理系统由MATLAB等图像处理软件和预先定标的彩色光谱组成。经过彩虹纹影成像后,测试场的密度梯度变化会通过不同的颜色显示出来,只要预先通过测试定标,即可知道具体颜色移动对应的具体密度梯度。而MATLAB的图像处理工具箱可以识别像的具体颜色,同时与定标值对应起来,即可实时反应测试场的密度梯度变化。

2.1 结果和分析

将所得的图像导入电脑中用MATLAB进行处理。

2)令为各评价指标的最优值,其中若j为正指标,则越大越好;若j为负指标表示越小越好。xij相对于的接近度用矩阵Dij表示,并对其进行归一化处理,得d=(dij)n×m。

图8 未放入电热棒时的图像处理

图9 放入电热棒后的图像处理

图10 求半径的图像处理

可得半径r=726,a=17。

从各元素的沸点可知,由铁到砷挥发率越来越大,所以控制适当的真空度和温度,铅、铋、砷、锑能以气态挥发出来,而铁、铜则留在锡液中。

带入(6)式,可以计算出,当电热棒的加热温度为200摄氏度时,在稳定的测量场中,圆周处的空气梯度为

3 结 论

根据实验,可以得出彩虹滤光片的灵敏度较好,且通过MATLAB的协助,可定量计算出一个近似轴对称场的折射率梯度。

4 不足与展望

实验由于所使用的透镜的焦距较短,因此偏折量也比较小,较难观测到微小的温度变化。用MATLAB取点计算时,存在偶然误差,精度有待提高。

彩虹纹影法为研究温度轴对称场显示提供了一种可行的方法,提高实验精度,可以测量更为细小的相位变化。

将电热棒放在测量场的下端加热测量场的空气,稳定后,整个场可近似看为N个同心圆环,其半径为rj,每个同心圆环上的温度相同,由于温度的改变会影响折射率,因此可看为每个同心圆环上的折射率相同[7],如图3所示。

参考文献

[5] http://wenku.baidu.com/view/035b4d0c79563c1ec5 da71e2.html.

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[7] 叶继飞,洪延姬.轴对称流场的彩色纹影密度场定量测量[J].红外与激光工程,2013,42(12):3335-3338.

[3] 林杏全,陈武秀.纹影法及其应用[J].华中师范大学学报(自科版),1980(1):45-51.

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[4] 李艾平.一种简单适用的彩色纹影刀口制作方法[J].实验流体力学,1994(4):73-76.

[1] 钟锡华. 现代光学基础.第2版[M].北京:北京大学出版社,2012.

[6] http://wenku.baidu.com/view/3115c1e7a76e58faf bb003e3.html.

[2] 蒋冠雷,洪延姬,叶继飞,等.彩虹纹影定量测量实验方法研究[J].装备学院学报,2012,23(1):127-131.

为实现编目系统规范化,书次号应该采用种次号来进行改革,种次号是按照图书到馆的时间顺序来取号的,是采用阿拉伯数字编号的,使用种次号的优势有以下五点。

[8] 李华,杨臧健,吴敏,等.纹影系统中物平面的选择与刀口的设置[J].实验流体力学,2011,25(3):91-96.

[9] 刘杰.气相爆轰波马赫反射转捩机理研究[D].南京:南京理工大学,2016.

[10] 姜学平,程茜,钱梦騄.纹影法对声场成像的理论和实验研究[C].西安-上海两地声学学术会议,2011.

[11] 金群锋.大气折射率影响因素的研究[D].杭州:浙江大学,2006.

[12] 冯天植,刘京荣.风洞彩色纹影技术研究[C].全国气功实验非接触测量学术交流会,1984.

[13] 吴文堂,洪延姬,叶继飞,等.冲击射流的彩虹纹影实验研究[J].实验流体力学,2014(2):65-68.

[14] 马俊杰.应用惠更斯原理应注意的几个问题[J].物理教学探讨,2009,27(1):39-39.

[15] 肖丽英.高中物理机械振动和机械波相关概念教学的研究[D].苏州大学,2009.

[16] https://wenku.baidu.com/view/757fbfd8ad51f01dc28 1f11e.html.

[17] 朱正芳,汤顺青.色度学及其进展[J].物理,1996,25(6):342-347.4.

周桑霓,胡嘉莹,谢澄辉,庄鑫婕,赵锦宏,曾育锋
《大学物理实验》 2018年第02期
《大学物理实验》2018年第02期文献

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