数字式二维彩色纹影光源及流场显示方法 技术领域
本发明涉及用于流场显示的二维彩色纹影仪，具体涉及其中的光源系统，以及利用该系统进行流场显示的方法。
背景技术
当光线通过在与其传播方向垂直的任何方向上折射率发生变化的流场时会发生偏折，纹影技术就是利用这个原理对流场进行观测。传统的一维纹影技术只能观测到流场在一个方向上的折射率变化，且只能显示黑白图像，这没有充分利用纹影技术的潜力，而且也不能真实全面的反映流场中实际发生的物理现象。从上个世纪七十年代出现的二维彩色纹影技术利用三原色原理，将光源做成环形彩色，其中红绿蓝三原色各占三分之一的圆环，这样就可以配合环形刀口，利用不同的颜色来表示流场中不同方向上的折射率梯度，而以光线的强弱表示折射率梯度大小。
二维彩色纹影仪在流场显示领域相对于传统的一维纹影仪具有许多优点，包括：可以显示二维流场折射率梯度在各个方向的分布；在流场显示中，固体模型呈黑色，而气动干扰呈彩色，这样便于对边界条件及流场进行探测和分析；人眼对色彩的变化的敏感程度比对亮度变化地敏感程度高，彩色图易于识别；而且彩色纹影的灵敏范围也大于相应的黑白纹影系统。但目前在科研和生产中广泛应用的还是一维纹影，这是因为现有的二维彩色纹影技术制作和调试都非常复杂，特别是其中光源系统的制作，目前是使用色温合适的白光照射彩色滤色片而得到，彩色滤色片要由染色明胶或反转胶片制作成形状合适的、多种色块组合的彩色图形，制作过程繁琐，色彩、形状难于调节而且难以保证精度。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于，抛弃传统的二维彩色纹影光源系统制作方法，充分利用当前先进的电子技术，设计制作一种二维彩色纹影仪所使用的数字式二维彩色纹影光源，以及利用该光源所完成的流场显示方法，使光源质量优良，便于调节，使用灵活。
技术方案：本发明的目的通过以下方式实现：
本发明的数字式二维彩色纹影数字光源，其特征在于该光源由计算机、数字式彩色投影仪、会聚透镜、散射屏、遮光板、光具座、光具导轨所组成，其中，散射屏、遮光板紧靠在一起，在数字式彩色投影仪、会聚透镜及合在一起的散射屏、遮光板的下方分别设有一个光具座，该三个光具座分别活动连接设置在同一个光具导轨上，数字式彩色投影仪、会聚透镜、散射屏、遮光板的光轴中心设置在同一条光轴上；计算机的输出端与数字式彩色投影仪的信号输入端相接。
遮光板为非透光性的材料，覆盖在散射屏的粗糙面上，覆盖方式可以是夹持、吸附、卡插，遮光板上有与彩色图案形状相适应的透光窗口，窗口的尺寸以略小于彩色图案的尺寸，在遮光板中间设置透光小孔。
散射屏为粗糙度4-10μm的毛玻璃。会聚透镜的直径为投影仪所投影的彩色图形尺度的4倍以上。
数字式二维彩色纹影数字光源的流场显示方法为：在计算机中通过图形编译器绘制合适的彩色图形，由计算机控制输出图形的形状色彩，由数字式彩色投影仪发出彩色图案，经会聚透镜会聚到散射屏上，在散射屏上形成相应的彩色图案，使散射屏成为一个彩色光源；覆盖在散射屏上的遮光板滤去彩色图案周围的余光；调节光路，使散射屏位于凹面镜的焦平面上，散射屏位于投影仪和凹面镜之间，使通过散射屏散射出的彩色光经凹面镜反射就成为平行光，此凹面镜称为准直镜；这束平行光又投射到另一面凹面镜上反射然后又会聚成为与散射屏上发出的彩色图案相同的彩色图形，此凹面镜称为纹影镜，与准直镜具有相同的参数，纹影镜与准直镜的光轴与平行光的夹角应该相同；准直镜和纹影镜之间平行光通过的区域称为实验段；在平行光会聚的位置设置环形刀口，此刀口形状为直径与遮光板窗口外径相同的圆形窗口；在环形刀口后方设置凸透镜和图像显示部件，图像显示部件可以是白色显示屏、照相机或摄像机等，图像显示部件和凸透镜的位置必须根据实验段中流场扰动发生的位置进行调节使该位置清晰成像；这样当实验段中的流场发生扰动时流场的结构就可以清晰的显示在图像显示部件上。
有益效果：本发明的关键在于直接以一个数字式彩色光源代替了现有技术中白光加滤色片的结构，该数字光源由计算机控制，既可以单独输出默认的三原色圆环、也可输出其他任意所需形状和色彩的彩色图形，相比现有技术来说，本发明不仅省却了繁琐的滤色片制作过程，而且改善了纹影质量，还可以令使用者很方便的根据自己的特殊需要进行调试和使用。利用该光源所完成的流场显示方法，使光源质量优良，便于调节，使用灵活。
附图说明
图1是本发明所述二维彩色纹影数字光源系统的一种实施例结构示意图。其中有计算机1，数字式彩色投影仪2，会聚透镜3，散射屏4，遮光板5，光具座6，光具导轨7。
图2是默认的彩色数字光源三原色圆环输出图样示意图。
图3是与三原色圆环相适应的遮光板的实施例结构示意图。其中窗口8，中心小孔9，图中阴影部分为不透明区域。
图4是利用本发明所显示的超音速风洞流场状况。
图5是利用本发明所显示的氦气泡流场状况。
图6是方形四色彩色图案示意图。其中10为红色，11为黄色，12为绿色，13为蓝色。
图7是二维彩色纹影仪整体装置示意图。其中有数字光源系统14，准直镜15，实验段16，纹影镜17，环形刀口18，凸透镜19，图像显示部件20。
具体实施方式
下面通过实施例及其附图作进一步描述。
本发明中所采用的数字式彩色投影仪、会聚透镜、散射屏、遮光板通过光具座置于平台上，在数字式光源的光路上依次排列、相互之间保持同光轴；光具座本身、光具座与平台之间的连接应保证至少一处或更多处采用机械结构中常用的活动连接方式，以便调整各部件的高度以及相互之间的位置和方向；计算机的放置位置只要便于与投影仪连接并便于操作即可；彩色投影仪应采用分辨率在800×600以上，色彩质量在16位以上的类型，要保证能够投影上述要求的彩色图形；计算机的类型无特殊要求，只需能显示分辨率在800×600以上，色彩质量在16位以上的图形即可，计算机中的图形编译器是由主机中所安装的专业绘图软件构成，例如Photoshop、Autocad等，只要能够绘制上述要求的彩色图形；可以将已有技术中常用的三原色圆环设置为默认的彩色图形，而其他的图形根据实际需要绘制。会聚透镜的口径应与投影仪中的投影透镜相适应，为减少色散效应，会聚透镜的直径应在彩色图形尺度的4倍以上，放置位置视需要调节，只要能够将投影仪所投影的彩色图形会聚到散射屏上；散射屏应采用散射能力好并且自身尽量不吸收和反射可见光的材料，粗糙度为4-10μm的毛玻璃可以作为一个合适的选择；遮光板为非透光性的材料，覆盖在散射屏的粗糙面上，覆盖方式可以是夹持、吸附、卡插等，遮光板上有与彩色图案形状相适应的透光窗口，窗口的尺寸以略小于彩色图案的尺寸为宜，以保证滤去彩色图案周围的余光而不发生泄漏。遮光板的中心处还可以设置透光小孔，这样可以利用该小孔上透过的余光作为背景光、利用该少量的余光照亮流场的轮廓，则可以使流场结构更易于观察，以便更好地显示流场状态。具体使用时，可以很方便地由计算机控制输出图形的形状和色彩，利用投影仪和会聚透镜将该彩色图形会聚到散射屏上，在散射屏上形成相应的彩色图案；当图形变化时，只需将遮光板和纹影仪刀口作相应调整即可。
附图给出了具体的实施例，但本发明并不限于此。在图1所示的二维彩色纹影数字光源系统实施例中，光具座采用高度及方向可调的二维精密螺纹调节架，光具座与导轨之间采用滑块的连接方式，以便调整各部件的高度以及相互之间的位置及方向。导轨再安置在平台上。彩色投影仪型号为PHILIPS LC-3132，其数据输入接口接到计算机的数据输出接口上；计算机配置为P4、1.8G、256M内存、TNT2显卡，计算机中的图形编译器是由计算机中所安装的Photoshop绘图软件及TNT2显卡构成，并将已有技术中常用的红绿蓝三原色圆环设置为默认的图形，外径16mm，内径8mm。会聚透镜参数为焦距120mm、直径120mm。散射屏为粗糙度4-10μm的毛玻璃，厚度2mm，散射屏的外周设置夹持遮光板的卡槽；遮光板为黑色相片纸，插在散射屏外周的卡槽中、使之紧贴在散射屏粗糙的一面(散射屏粗糙的一面可以向着也可以背对着会聚透镜，但遮光板必须紧贴着散射屏粗糙的一面)，遮光板与会聚在散射屏上的三原色圆环同心，遮光板的透光窗口与三原色圆环相适应，外径14.5mm，内径10.5mm，并且在轴心处有直径1.0mm的透光小孔。
使用默认的彩色数字光源三原色圆环输出图样对彩色纹影仪进行测试。分别采用超音速风洞和氦气泡作为干扰源。实验结果表明，该二维彩色纹影数字光源系统使用方便、质量优良，能够清晰地显示出流场中的折射率的变化。此外，还可以使用红黄蓝三原色圆环或者图6所示的图案或者其他图案作为输出图样对彩色纹影仪进行测试。