纹影技术中光源的选择

　根据纹影光源的需求与特点可以知道，光源的选 择有较大的余地，具体测量环境和需求不同，光源的 选择及其工作方式的设计也不同。光源的分类方式 有多种，按照光源的发光机理来分类，可以分为爆炸 光源、放电光源和激光光源等；按照光源的工作方式 来分类，可以分为连续光源、脉冲光源和频闪光源；按 照光源光谱特性来分类，可分为单色光源和连续谱光 源等等。比如，卤钨灯光源是一种常用的纹影光源， 钨灯丝通电 热 辐 射 发 光，通 常 以 连 续 辐 照 的 方 式 工 作，光谱范围宽，属于连续谱光源。 　　常用的纹影光源主要有如下几种：爆炸光源、卤 钨灯光源、激光光源、氙灯光源、发光二极管，以及电 火花等其它击穿介质方式发光的光源。 　
（１）爆炸光源。早期为了实现较高亮度的点光源 照明，采用的是爆炸光源，这种光源虽然亮度较高、光 谱范围较好，但是其成本偏高且具有一定的破坏性， 使得实验装置只能使用一次，拍摄过程对同一条件无 法重复。随着光电子技术的发展，逐渐用其它工作方 式的光源取代爆炸光源，现在很少采用这种方法。 　　
（２）卤钨灯光源。卤钨灯光源属于热辐射光源， 发光亮度较普通照明光源较高，光谱连续平滑，只需 简单的调压即可连续工作，亮度连续可调，使用寿命 较长，灯丝形 状 可 以 设 计，是 比 较 常 用 的 纹 影 光 源。 根据实验经验，卤钨灯（３００Ｗ，２４Ｖ）比较适宜应用于 百微秒级曝光量的测量中，当流场特征变化更快时， 曝光时间更 短 情 况 下，卤钨灯则不能提供足够的照 度。 　　（
（３）氙灯光源。氙灯光源属于放电光源，具有亮 度更高，光谱范围较宽、光学及电学参数容易调节，以 及可重复使用等优点。氙灯可以连续工作，也可以脉 冲方式工作，是利用氙气在高压、超高压下的放电现 象制成的光源［４］。对于纹影系统中的氙灯光源来讲， 亮度满足曝 光 需 求 是 首 要 的，其次考虑氙灯发光脉 宽、控制电源以及同步控制等方面的问题。目前，氙 灯作为纹影光源的应用比较广泛，特别是脉冲氙灯光 源，具有更高的亮度，实验室所采用的脉冲氙灯光源 （长弧氙灯）可 以 满 足 纳 秒 级 的 曝 光 需 求，连 续 氙 灯 （短弧氙灯）的亮度则在微秒级的曝光时间上。氙灯 最主要的问题是放电弧光不稳定，发光面积较大，静 态和动态下都会产生一定的模糊［４］。当然，可以通过 增加光阑的方法减小光源发光面积，但会损失一定的 光通量。 　　
（４）激光光源。激光光源具有亮度高、方向性强、 单色性好和易于准直等优点，能够连续提供强度很高 的、单色性很好的激光光束。在成像系统前面加入与 激光光源波长对应的窄带滤光片，可以过滤流场内部 或其它波长杂散光的干扰，而进入成像系统和相机， 与激光波长相近的自发光或杂散光，其强度与激光强 度相比是微弱的，影响通常可以忽略［５］。作为纹影激 光光源，主要考虑的是激光功率，即激光强度的问题。 功率低得到的亮度可能不够，功率高时则需要采用额 外的衰减装置，其成本相对较高。实验室采用５０ｍＷ （５３２ｎｍ）激光光源，获得的比较适宜的曝光量是在微 秒量级时间尺度上。激光光源主要问题是，激光相干 性好，易产生衍射光斑，一定程度上干扰图像中有用 信息，不利于图像的数据处理。为减小衍射的影响， 激光光源刀口通常需要采用渐变密度片，这使得系统 灵敏度有所降低，但是系统的其它性能有所提高，如 测量范围相对扩大等，需要综合需求权衡考虑设计。 　　
（５）电火花和击穿介质发光光源。电火花光源属 于一种脉冲放电光源，利用高电压击穿空气时的发光 现象照明。其突出特点是，发光亮度高，光谱范围较 宽。另外，也有采用激光聚焦击穿空气的等离子体发 光实现照明的，其亮度可以通过注入激光能量的大小 来实现一定范围内的调节。电火花光源和激光击穿 光源发光时间都比较短，可以实现百纳秒到微秒量级 的闪光，峰值亮度很高，光色接近白光，发光可控性较 好，易于同步控制。其主要的问题与脉冲氙灯一样， 发光面积较 大，发 光 在 时 间 和 空 间 上 都 存 在 不 稳 定 性，光源经过纹影镜准直效果较差，不利于成像。 　　
（６）发光二极管。随着半导体技术的不断发展， 发光二 极 管 （ＬＥＤ）作为纹影光源成为一种 新的趋 势［６］。其特点是单色性好，发光面积小，近似点光源， 易于准直，成本低廉，可实现任意开关控制，并且发光 二极管通常 封 装 在 类 似 透 镜 的 塑 料 中，其 发 散 角 在 １５°左右，正 好 适 合 纹 影 光 源 使 用［７］。另 外，ＬＥＤ 光 源主要的优势在于其光能上升沿和下降沿较陡，实验 室采用的美国 ＣＲＥＥＱ５－ＷＣ单管正白光 ＬＥＤ，额定 功率１Ｗ，光通量约１００ｌｍ，其光能上升时间和下降时 间只有约２０μｓ。主要的缺点是单个发光二极管亮度 不够（光通量一般只有几十流明），通常需要集束成一 定形状使用。对于典型的纹影系统而言，所需要的光 源是线光源，发光二极管集束成线形，既能够适合纹 影系统要求，又能够实现亮度增强。如何更好地应用 发光二极管作为纹影系统光源，集束形状的设计是关 键。