CN103984092A - 基于旋转透镜的激光片光扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于旋转透镜的激光片光扫描系统，属于激光应用技术领域，该系统主要由反射镜、旋转透镜及其驱动电机，以及三片柱面镜组成；其中，旋转透镜为空心柱体，其横截面的内轮廓为圆，外轮廓由若干个相同的内凹圆弧首尾相连而成；反射镜固定安装在旋转透镜中空内的中心轴处，不随旋转透镜转动，用于将沿旋转透镜中心轴方向传播的激光束成为沿旋转透镜的半径方向传播的入射光束；旋转透镜与电机相连，在电机的驱动下沿其中心轴转动，使入射光束变为在内凹圆弧形成的扇形平面内单向扫描的光束；三片柱面镜依次布置在入射光线的传播方向，用于将扫描光束变为平行扫描的矩形片光。本系统可显著提高片光扫描频率和激光器的光能利用率。

Description

基于旋转透镜的激光片光扫描系统

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，特别涉及一种三维流场测量技术中使用的激光片光扫描系统。

技术背景

粒子图像测速技术(PIV)是激光技术在实验流体力学领域的典型应用，其中，二维PIV是目前最为成熟的流场测量方法，该方法使用片光光路将激光器发出的光束扩展为1mm厚的薄片光，以照亮流体中待测平面内示踪粒子，使用相机记录平面内示踪粒子的图像，再根据连续两张粒子图片计算出测量平面内的二维流场。近年来，三维PIV已成为实验流体力学领域重点发展的流速测量方法，为了获得立体空间内的三维流场，需要使用激光照亮测量空间内的示踪粒子。一种可行的方法是将激光光束扩展为横截面为矩形的光柱，但这会显著降低激光的强度密度。因此，常用的方法是通过片光扫描系统将激光光束以片光的形式依次扫过测量空间，通过等间隔的记录若干相互平行的平面内的粒子图像，计算出这些平面上的三维流场，进而重构出整个立体空间内的三维流场。

已有的一种基于振镜的激光片光扫描系统的结构如图1所示，主要由三片柱面镜和一个振镜组成。其中，沿x方向入射的激光束1经平凹柱面镜11扩展为扇形片光2，平凸柱面镜12将扇形片光2收缩为矩形片光3并在振镜13的表面反射，由于振镜13绕与y轴平行的旋转轴来回摆动，从振镜13表面反射的矩形片光4在楔形空间内来往复扫描，最后，非平行扫描片光4经平凸柱面镜14收缩后形成平行扫描片光。受制于振镜的摆动频率，基于振镜的激光片光扫描系统存在扫描频率不超过200Hz的缺陷，因而仅适用于测量低速流动的三维PIV系统；同时，当片光在测量空间内往复扫描时，为了保证相同平面内的示踪粒子被等时间间隔的记录，使用基于振镜的片光扫描系统的PIV系统的相机只在片光正向扫描或反向扫描过程中拍摄图像，这就使得激光被利用的时长只有工作时长的50%，光能利用率较低，采样频率也降低一倍。

发明内容

本发明的目的是针对基于振镜的片光扫描系统频率和光能利用率低的缺点，提出一种基于旋转透镜的激光片光扫描系统，可以实现相互平行的片光在特定的三维立体空间内高速单向扫描，并显著提高激光器的光能利用率。

本发明提出的一种基于旋转透镜的片光扫描系统，其特征在于，该系统主要由反射镜、旋转透镜及其驱动电机，以及三片柱面镜组成；其中，旋转透镜为空心柱体，其横截面的内轮廓为圆，外轮廓由若干个相同的内凹圆弧首尾相连而成；反射镜固定安装在旋转透镜中空内的中心轴处，不随旋转透镜转动，用于将沿旋转透镜中心轴方向传播的激光束成为沿旋转透镜的半径方向传播的入射光束；旋转透镜与电机相连，在电机的驱动下沿其中心轴转动，使入射光束变为在内凹圆弧形成的扇形平面内单向扫描的光束；三片柱面镜依次布置在入射光线的传播方向，用于将扫描光束变为平行扫描的矩形片光。

旋转透镜由光学玻璃整体加工而成，所述旋转透镜横截面的内轮廓半径为R₁，外轮廓由N个半径为R₃的内凹圆弧组成，内凹圆弧顶点与柱体中轴的距离为R₂，每个圆弧对应的内圆圆心角度数为α=360N，每个圆弧的夹角β为：

$\mathrm{\β}=\arcsin (\frac{R_2+R_3}{R_3}\·\sin \mathrm{\α})-\mathrm{\α}---\left(1\right)$

三片柱面镜按平凸-平凹-平凸的顺序同轴排列，该轴与入射光线的传播方向重合；第一柱面镜的母线与片光扫描方向垂直，第二、第三柱面镜的母线与片光扫描方向平行。

本发明的技术特点和优势为：

（1）片光扫描频率高。片光始终沿单向扫描，扫描频率等于电机的转速乘以旋转透镜外表面的内凹弧面个数，最大扫描频率为传统扫描光路的10倍以上。

（2）激光利用率高。由于片光始终单向扫描，扫描周期之间没有时间间隔，因此光能利用率高达100%。

附图说明

图1为已有的基于振镜的激光片光扫描系统；

图2为本发明的基于旋转透镜的激光片光扫描系统；

图3为本发明的旋转透镜示意图；

图4为本发明的旋转透镜的工作原理图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明的基于旋转透镜的激光片光扫描系统，如图2所示，主要由反射镜21、旋转透镜22及其驱动电机23，以及三片柱面镜24、25、26组成；其中，旋转透镜22为空心柱体，其横截面的内轮廓221为圆，外轮廓222由若干个相同的内凹圆弧首尾相连而成；反射镜21固定安装在旋转透镜22中空内的中心轴处，不随旋转透镜22转动，用于将沿旋转透镜22中心轴方向传播的激光束1成为沿旋转透镜22的半径方向传播的入射光束6；旋转透镜22在电机23的驱动下沿中心轴转动，使入射光束6变为在旋转透镜22的多个内凹圆弧形成的在扇形平面内单向扫描的光束7；柱面镜24、25及26依次布置在入射光线6的传播方向，用于将扫描光束7变为平行扫描的矩形片光5。

本发明的基于旋转透镜的激光片光扫描系统各部件的具体实施方式分别说明如下：

本实施例的反射镜21为K9直角三棱镜，棱镜的两条直角边长10mm，斜边长14.14mm，高20mm。

本实施例的旋转透镜22由光学玻璃整体加工而成，如图3所示，其横截面的内轮廓221是圆心位于柱体中心轴上的圆，外表面由若干个相同的内凹圆弧222首尾连接而成，圆弧222的顶点和端点分别与内轮廓221的同心圆外切和内接。设旋转透镜22横截面的内轮廓221半径为R₁，外轮廓由N个半径为R₃的内凹圆弧222组成，内凹圆弧222顶点与柱体中轴的距离为R₂，则每个圆弧对应的内圆圆心角度数为α=360N，每个圆弧的夹角β为：

$\mathrm{\β}=\arcsin (\frac{R_2+R_3}{R_3}\·\sin \mathrm{\α})-\mathrm{\α}---\left(1\right)$

本实施例的旋转透镜22的材质为K9光学玻璃，折射率n=1.519；透镜高20mm，横截面内轮廓221的半径R₁=30mm，外轮廓由20个半径R₂等于30mm的内凹圆弧222组成，圆弧顶点与旋转透镜22中心轴的距离R₂=40mm，每个圆弧的夹角β=24.4°。

本发明的旋转透镜22的工作原理，如图4所示，为便于说明，图中仅画出了一个内凹圆弧222。由于反射镜21的位置保持不变，入射光束6始终沿相同的半径与旋转透镜22的内表面221正交，当透镜22绕中轴沿顺时针方向旋转时，内凹圆弧的切线与入射光束6的夹角不断变化，入射光束6连续以不同的入射角在圆弧222发生折射。根据折射定理，当入射光束6位于圆弧右端点时（图4（a）），入射角γ最大，折射光束7沿入射光束6的右前方传播，且右偏角θ最大；当入射光束6位于在圆弧顶点时（图4（b）），入射角γ为零，折射光束7与入射光束6的传播方向相同；当入射光束6位于圆弧左端点时（图4（c）），入射角γ最大，折射光束7沿入射光束6的左前方传播，且左偏角θ最大。其中，入射光束6在圆弧端点的入射角γ为：

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{2}---\left(2\right)$

折射光线7在圆弧端点与入射光线6的夹角θ为

θ=arcsin(n·sinγ)-γ            (3)

因此，当入射光束6与内凹圆弧221的交点由起始端点运动至结束端点时，折射光线7在夹角为2θ的扇形平面内完成一次扫描；当下一个圆弧与入射光束6相交时，扫描光束进入新的扫描周期，因此，本发明的扫描频率等于旋转透镜表面的内凹圆弧数N乘以电机每秒钟的转动次数M。

本实施例的电机为福尔哈贝2250S024BX4CSD型伺服电机，其最大转速为6000转每分，因此，折射光线7的最大扫描频率为2000赫兹，扇形扫描区间的夹角22.4°。

本发明的柱面镜24、25和26是将非平行扫描光束7变为平行扫描矩形片光；其中，柱面镜24和26为平凸柱面镜，透镜25为平凹柱面镜，三片柱面镜按平凸-平凹-平凸的顺序同轴排列，该轴与入射光线6的传播方向重合；柱面镜24的母线与片光扫描方向垂直，柱面镜25及26的母线与片光扫描方向平行。本实施例的二个平凸柱面镜的焦距f=50mm，半径25.84mm，中心厚6.5mm，边厚2mm，长32mm，宽30mm；平凹柱面镜的焦距f=-50mm，半径25.84mm，中心厚2mm，边厚6.5mm，长32mm，宽30mm。

以下结合附图2对本实施例的工作方式进行说明。激光器发出的光束1沿旋转透镜22的中心轴方向传播，经全反射棱镜21后变为沿旋转透镜22半径方向传播的入射光束6；入射光束6在由伺服电机23驱动的旋转透镜22的外表面发生折射，成为单向扫描的非平行折射光束7；平凸柱面镜24将折射光束7收缩为平行扫描光束8；随后，平凹柱面镜25将平行扫描光束扩展为平行扫描扇形片光9；最后，平凸柱面镜26将平行扫描扇形片光收缩为平行扫描矩形片光5。本实施例的最大扫描频率为2000赫兹，矩形片光的扫描厚度为20mm。

Claims (3)

1.一种基于旋转透镜的激光片光扫描系统，其特征在于，该系统主要由反射镜、旋转透镜及其驱动电机，以及三片柱面镜组成；其中，旋转透镜为空心柱体，其横截面的内轮廓为圆，外轮廓由若干个相同的内凹圆弧首尾相连而成；反射镜固定安装在旋转透镜中空内的中心轴处，不随旋转透镜转动，用于将沿旋转透镜中心轴方向传播的激光束成为沿旋转透镜的半径方向传播的入射光束；旋转透镜与电机相连，在电机的驱动下沿其中心轴转动，使入射光束变为在内凹圆弧形成的在扇形平面内单向扫描的光束；三片柱面镜依次布置在入射光线的传播方向，用于将扫描光束变为平行扫描的矩形片光。

2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述旋转透镜由光学玻璃整体加工而成，所述旋转透镜横截面的内轮廓半径为R₁，外轮廓由N个半径为R₃的内凹圆弧组成，内凹圆弧顶点与柱体中轴的距离为R₂，则每个圆弧对应的内圆圆心角度数为α=360N，每个圆弧的夹角β为：

$\mathrm{\β}=\arcsin (\frac{R_2+R_3}{R_3}\·\sin \mathrm{\α})-\mathrm{\α}.$

3.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述三片柱面镜按平凸-平凹-平凸的顺序同轴排列，该轴与入射光线的传播方向重合；第一柱面镜（24）的母线与片光扫描方向垂直，第二、第三柱面镜（25、26）的母线与片光扫描方向平行。