紋影實(shí)驗(yàn)除了儀器本身，光路的搭建也至關(guān)重要。好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，離不開一個(gè)好的光路。我想通過(guò)這篇短文對(duì)比一下三種常用的紋影光路。鷺威公司之前發(fā)布過(guò)一則壓縮氣體罐噴出的微型超音速射流的紋影短片。為了對(duì)比三種光路對(duì)紋影成像的區(qū)別，我們把這個(gè)實(shí)驗(yàn)在每一個(gè)光路上都重新進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)實(shí)拍的圖片讓大家有更加直觀的感受。

光路一，單鏡離軸光路 Single Mirror Off-Axis Light Path

這種光路是最簡(jiǎn)單的一種紋影光路。只需要一面凹面反射鏡，光源和相機(jī)分別布置在反射鏡中心軸線的兩側(cè)。更加具體地描述，光源出口與反射鏡中心距離為2倍焦距（2f）；從點(diǎn)光源發(fā)出的錐形光柱經(jīng)凹面反射鏡反射，在與鏡面軸線對(duì)稱的另一側(cè)形成與光源大小一致的光斑（圖中小紅點(diǎn)位置），切光刀片便設(shè)置在該位置。反射的光線最終進(jìn)入相機(jī)成像。這種光路下，測(cè)試位置為緊靠反射鏡正前方的區(qū)域（圖中虛線方框）。

講完理論，直接上圖片。我們可以看到從細(xì)長(zhǎng)的噴管出來(lái)的射流。射流中心靠近出口處的激波串也隱約可見。仔細(xì)觀察圖片，細(xì)心的讀者可能已經(jīng)注意到噴管陰影兩側(cè)也出現(xiàn)了湍流結(jié)構(gòu)（圖中黃色箭頭），這是怎么回事，難道噴管漏氣了？

當(dāng)然不會(huì)是漏氣造成的，它們其實(shí)是射流在鏡子中的像。由于相機(jī)與鏡子中心有一個(gè)夾角，實(shí)驗(yàn)氣流在鏡子中的影子也會(huì)被相機(jī)記錄下來(lái)，這就是重影形成的原因。當(dāng)噴管遠(yuǎn)離鏡面，重影的效果就會(huì)更加明顯。圖3中便出現(xiàn)了兩個(gè)噴管。在實(shí)驗(yàn)中我們當(dāng)然是不希望出現(xiàn)重影的，不然會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。

小結(jié)：?jiǎn)午R離軸光路簡(jiǎn)單易搭建，但是圖像中會(huì)出現(xiàn)重影，影響結(jié)果分析。

光路二，單鏡共軸光路 Single Mirror Co-Axis Light Path

單鏡離軸光路雖然光路簡(jiǎn)單，但是會(huì)出現(xiàn)重影。這是由于入射和反射光錐均偏離反射鏡軸線。如果能夠?qū)蓚€(gè)光錐重合起來(lái)，重影便會(huì)消除。這就是我們要看的第二種光路——單鏡共軸光路。

如圖所示，該光路中添加了一個(gè)分光鏡。通過(guò)分光鏡的使用入射和反射光錐重合到了一起。分光鏡有一個(gè)重要的參數(shù)——分光比。如分光比為70：30（R:T），表明70%的入射光被反射，30%透過(guò)。在單鏡共軸光路中，分光鏡通常采用50：50分光比的分光鏡。由于分光鏡的使用，光源和相機(jī)的相對(duì)位置也與之前迥異，分別垂直于分光鏡的兩個(gè)表面。在這種光路下，光源和相機(jī)的位置是確定的，不像在單鏡離軸光路中不那么確定。不知道大家注意到?jīng)]有，由光源發(fā)出的光只有50%經(jīng)分光鏡反射到紋影鏡。當(dāng)反射的光線再一次通過(guò)分光鏡進(jìn)入相機(jī)，需要再次損失50%，所以該光路不能充分利用光源的亮度，最多只有25%的光被利用，這就是消除重影的代價(jià)。但是鷺威紋影開發(fā)的光源亮度充足，完全可以克服亮度的損失。那么我們就看一下這個(gè)光路的效果吧。

很顯然，噴管兩側(cè)的“漏氣”被消除了。雖然損失了很多光，但是通過(guò)增大鷺威LED光源的亮度，圖片亮度在1us曝光下并沒有變暗。

小結(jié)：單鏡共軸光路能夠有效消除重影，但是光亮損失大。

光路三，雙鏡Z形光路

最后一種光路就是我們做專業(yè)實(shí)驗(yàn)最常用的Z形光路了，通過(guò)兩面凹面反射鏡將光路折疊為Z形。不同于上述兩種光路，光源出口和刀口均布置于反射鏡焦點(diǎn)處。Z形光路的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)試段在平行光當(dāng)中，對(duì)于有觀察窗口的實(shí)驗(yàn)段（如風(fēng)洞），光線可以垂直于表面穿過(guò)，避免折射。當(dāng)然Z形光路也不會(huì)有重影了。然而由于需要兩面反射鏡，實(shí)驗(yàn)成本也增加了很多。

我們之前發(fā)布的微型超音速射流就是通過(guò)Z形光路采集的，如圖所示。該光路避免了光路重疊，能夠更加清晰地顯示射流出口的激波。

小結(jié)：測(cè)試段在平行光路中，實(shí)驗(yàn)效果好，但是光路搭建較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)成本也高于上述兩種光路。

對(duì)比總結(jié)

比較了這三種最常用的實(shí)驗(yàn)光路，希望對(duì)大家今后紋影實(shí)驗(yàn)的光路選擇有所幫助。最后我們將三種光路做一個(gè)總結(jié)：