基于旋轉(zhuǎn)透鏡的激光片光掃描系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于旋轉(zhuǎn)透鏡的激光片光掃描系統(tǒng)，屬于激光應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，該系統(tǒng)主要由反射鏡、旋轉(zhuǎn)透鏡及其驅(qū)動電機，以及三片柱面鏡組成；其中，旋轉(zhuǎn)透鏡為空心柱體，其橫截面的內(nèi)輪廓為圓，外輪廓由若干個相同的內(nèi)凹圓弧首尾相連而成；反射鏡固定安裝在旋轉(zhuǎn)透鏡中空內(nèi)的中心軸處，不隨旋轉(zhuǎn)透鏡轉(zhuǎn)動，用于將沿旋轉(zhuǎn)透鏡中心軸方向傳播的激光束成為沿旋轉(zhuǎn)透鏡的半徑方向傳播的入射光束；旋轉(zhuǎn)透鏡與電機相連，在電機的驅(qū)動下沿其中心軸轉(zhuǎn)動，使入射光束變?yōu)樵趦?nèi)凹圓弧形成的扇形平面內(nèi)單向掃描的光束；三片柱面鏡依次布置在入射光線的傳播方向，用于將掃描光束變?yōu)槠叫袙呙璧木匦纹?。本系統(tǒng)可顯著提高片光掃描頻率和激光器的光能利用率。
【專利說明】基于旋轉(zhuǎn)透鏡的激光片光掃描系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種三維流場測量技術(shù)中使用的激光片光掃描系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]粒子圖像測速技術(shù)(PIV)是激光技術(shù)在實驗流體力學(xué)領(lǐng)域的典型應(yīng)用，其中，二維PIV是目前最為成熟的流場測量方法，該方法使用片光光路將激光器發(fā)出的光束擴展為Imm厚的薄片光，以照亮流體中待測平面內(nèi)示蹤粒子，使用相機記錄平面內(nèi)示蹤粒子的圖像，再根據(jù)連續(xù)兩張粒子圖片計算出測量平面內(nèi)的二維流場。近年來，三維PIV已成為實驗流體力學(xué)領(lǐng)域重點發(fā)展的流速測量方法，為了獲得立體空間內(nèi)的三維流場，需要使用激光照亮測量空間內(nèi)的示蹤粒子。一種可行的方法是將激光光束擴展為橫截面為矩形的光柱，但這會顯著降低激光的強度密度。因此，常用的方法是通過片光掃描系統(tǒng)將激光光束以片光的形式依次掃過測量空間，通過等間隔的記錄若干相互平行的平面內(nèi)的粒子圖像，計算出這些平面上的三維流場，進而重構(gòu)出整個立體空間內(nèi)的三維流場。
[0003]已有的一種基于振鏡的激光片光掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所不，主要由三片柱面鏡和一個振鏡組成。其中，沿X方向入射的激光束I經(jīng)平凹柱面鏡11擴展為扇形片光2，平凸柱面鏡12將扇形片光2收縮為矩形片光3并在振鏡13的表面反射，由于振鏡13繞與y軸平行的旋轉(zhuǎn)軸來回擺動，從振鏡13表面反射的矩形片光4在楔形空間內(nèi)來往復(fù)掃描，最后，非平行掃描片光4經(jīng)平凸柱面鏡14收縮后形成平行掃描片光。受制于振鏡的擺動頻率，基于振鏡的激光片光掃描系統(tǒng)存在掃描頻率不超過200Hz的缺陷，因而僅適用于測量低速流動的三維PIV系統(tǒng)；同時，當(dāng)片光在測量空間內(nèi)往復(fù)掃描時，為了保證相同平面內(nèi)的示蹤粒子被等時間間隔的記錄，使用基于振鏡的片光掃描系統(tǒng)的PIV系統(tǒng)的相機只在片光正向掃描或反向掃描過程中拍攝圖像，這就使得激光被利用的時長只有工作時長的50%，光能利用率較低，采樣頻率也降低一倍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對基于振鏡的片光掃描系統(tǒng)頻率和光能利用率低的缺點，提出一種基于旋轉(zhuǎn)透鏡的激光片光掃描系統(tǒng)，可以實現(xiàn)相互平行的片光在特定的三維立體空間內(nèi)高速單向掃描，并顯著提高激光器的光能利用率。
[0005]本發(fā)明提出的一種基于旋轉(zhuǎn)透鏡的片光掃描系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)主要由反射鏡、旋轉(zhuǎn)透鏡及其驅(qū)動電機，以及三片柱面鏡組成；其中，旋轉(zhuǎn)透鏡為空心柱體，其橫截面的內(nèi)輪廓為圓，外輪廓由若干個相同的內(nèi)凹圓弧首尾相連而成；反射鏡固定安裝在旋轉(zhuǎn)透鏡中空內(nèi)的中心軸處，不隨旋轉(zhuǎn)透鏡轉(zhuǎn)動，用于將沿旋轉(zhuǎn)透鏡中心軸方向傳播的激光束成為沿旋轉(zhuǎn)透鏡的半徑方向傳播的入射光束；旋轉(zhuǎn)透鏡與電機相連，在電機的驅(qū)動下沿其中心軸轉(zhuǎn)動，使入射光束變?yōu)樵趦?nèi)凹圓弧形成的扇形平面內(nèi)單向掃描的光束；三片柱面鏡依次布置在入射光線的傳播方向，用于將掃描光束變?yōu)槠叫袙呙璧木匦纹?。[0006]旋轉(zhuǎn)透鏡由光學(xué)玻璃整體加工而成，所述旋轉(zhuǎn)透鏡橫截面的內(nèi)輪廓半徑為R1，外輪廓由N個半徑為R3的內(nèi)凹圓弧組成，內(nèi)凹圓弧頂點與柱體中軸的距離為R2，每個圓弧對應(yīng)的內(nèi)圓圓心角度數(shù)為α=360Ν，每個圓弧的夾角β為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于旋轉(zhuǎn)透鏡的激光片光掃描系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)主要由反射鏡、旋轉(zhuǎn)透鏡及其驅(qū)動電機，以及三片柱面鏡組成；其中，旋轉(zhuǎn)透鏡為空心柱體，其橫截面的內(nèi)輪廓為圓，外輪廓由若干個相同的內(nèi)凹圓弧首尾相連而成；反射鏡固定安裝在旋轉(zhuǎn)透鏡中空內(nèi)的中心軸處，不隨旋轉(zhuǎn)透鏡轉(zhuǎn)動，用于將沿旋轉(zhuǎn)透鏡中心軸方向傳播的激光束成為沿旋轉(zhuǎn)透鏡的半徑方向傳播的入射光束；旋轉(zhuǎn)透鏡與電機相連，在電機的驅(qū)動下沿其中心軸轉(zhuǎn)動，使入射光束變?yōu)樵趦?nèi)凹圓弧形成的在扇形平面內(nèi)單向掃描的光束；三片柱面鏡依次布置在入射光線的傳播方向，用于將掃描光束變?yōu)槠叫袙呙璧木匦纹狻?br> 2.如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)透鏡由光學(xué)玻璃整體加工而成，所述旋轉(zhuǎn)透鏡橫截面的內(nèi)輪廓半徑為R1，外輪廓由N個半徑為R3的內(nèi)凹圓弧組成，內(nèi)凹圓弧頂點與柱體中軸的距離為R2，則每個圓弧對應(yīng)的內(nèi)圓圓心角度數(shù)為α =360Ν，每個圓弧的夾角β為:
3.如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述三片柱面鏡按平凸-平凹-平凸的順序同軸排列，該軸與入射光線的傳播方向重合；第一柱面鏡(24)的母線與片光掃描方向垂直，第二、第三柱面鏡(25、 26)的母線與片光掃描方向平行。
【文檔編號】G02B26/10GK103984092SQ201410153160
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】王興奎, 陳啟剛, 李丹勛, 鐘強 申請人:清華大學(xué)