纹影实验除了仪器本身，光路的搭建也至关重要。好的实验结果，离不开一个好的光路。我想通过这篇短文对比一下三种常用的纹影光路。鹭威公司之前发布过一则压缩气体罐喷出的微型超音速射流的纹影短片。为了对比三种光路对纹影成像的区别，我们把这个实验在每一个光路上都重新进行了测试。通过实拍的图片让大家有更加直观的感受。

光路一，单镜离轴光路 Single Mirror Off-Axis Light Path

这种光路是最简单的一种纹影光路。只需要一面凹面反射镜，光源和相机分别布置在反射镜中心轴线的两侧。更加具体地描述，光源出口与反射镜中心距离为2倍焦距（2f）；从点光源发出的锥形光柱经凹面反射镜反射，在与镜面轴线对称的另一侧形成与光源大小一致的光斑（图中小红点位置），切光刀片便设置在该位置。反射的光线最终进入相机成像。这种光路下，测试位置为紧靠反射镜正前方的区域（图中虚线方框）。

讲完理论，直接上图片。我们可以看到从细长的喷管出来的射流。射流中心靠近出口处的激波串也隐约可见。仔细观察图片，细心的读者可能已经注意到喷管阴影两侧也出现了湍流结构（图中黄色箭头），这是怎么回事，难道喷管漏气了？

当然不会是漏气造成的，它们其实是射流在镜子中的像。由于相机与镜子中心有一个夹角，实验气流在镜子中的影子也会被相机记录下来，这就是重影形成的原因。当喷管远离镜面，重影的效果就会更加明显。图3中便出现了两个喷管。在实验中我们当然是不希望出现重影的，不然会严重影响实验观测。

小结：单镜离轴光路简单易搭建，但是图像中会出现重影，影响结果分析。

光路二，单镜共轴光路 Single Mirror Co-Axis Light Path

单镜离轴光路虽然光路简单，但是会出现重影。这是由于入射和反射光锥均偏离反射镜轴线。如果能够将两个光锥重合起来，重影便会消除。这就是我们要看的第二种光路——单镜共轴光路。

如图所示，该光路中添加了一个分光镜。通过分光镜的使用入射和反射光锥重合到了一起。分光镜有一个重要的参数——分光比。如分光比为70：30（R:T），表明70%的入射光被反射，30%透过。在单镜共轴光路中，分光镜通常采用50：50分光比的分光镜。由于分光镜的使用，光源和相机的相对位置也与之前迥异，分别垂直于分光镜的两个表面。在这种光路下，光源和相机的位置是确定的，不像在单镜离轴光路中不那么确定。不知道大家注意到没有，由光源发出的光只有50%经分光镜反射到纹影镜。当反射的光线再一次通过分光镜进入相机，需要再次损失50%，所以该光路不能充分利用光源的亮度，最多只有25%的光被利用，这就是消除重影的代价。但是鹭威纹影开发的光源亮度充足，完全可以克服亮度的损失。那么我们就看一下这个光路的效果吧。

很显然，喷管两侧的“漏气”被消除了。虽然损失了很多光，但是通过增大鹭威LED光源的亮度，图片亮度在1us曝光下并没有变暗。

小结：单镜共轴光路能够有效消除重影，但是光亮损失大。

光路三，双镜Z形光路

最后一种光路就是我们做专业实验最常用的Z形光路了，通过两面凹面反射镜将光路折叠为Z形。不同于上述两种光路，光源出口和刀口均布置于反射镜焦点处。Z形光路的优点在于测试段在平行光当中，对于有观察窗口的实验段（如风洞），光线可以垂直于表面穿过，避免折射。当然Z形光路也不会有重影了。然而由于需要两面反射镜，实验成本也增加了很多。

我们之前发布的微型超音速射流就是通过Z形光路采集的，如图所示。该光路避免了光路重叠，能够更加清晰地显示射流出口的激波。

小结：测试段在平行光路中，实验效果好，但是光路搭建较复杂，实验成本也高于上述两种光路。

对比总结

比较了这三种最常用的实验光路，希望对大家今后纹影实验的光路选择有所帮助。最后我们将三种光路做一个总结：