CN105974596A - 层析粒子图像测速的三维立体照明方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层析粒子图像测速的三维立体照明方法，包括以下步骤：1)、利用鲍威尔棱镜对点光源进行一维扩束，得到发散的片光源；2)、利用柱面镜将步骤1)得到的发散的片光源准直成平行的片光源；3)、利用N块棱镜对步骤2)得到的平行的片光源进行扩束，计算得到第i块棱镜的入射角本发明的层析粒子图像测速的三维立体照明方法能量损失小，利用率高，而且所使用的鲍威尔棱镜划线优于柱面透镜的划线模式，能消除高斯光束的中心热点和褪色边缘分布，光密度均匀，稳定性好。

Description

层析粒子图像测速的三维立体照明方法

技术领域

本发明涉及一种层析粒子图像测速的三维立体照明方法。

背景技术

层析粒子图像测速(Tomographic Particle Image Velocimetry)是一种先进的光学测量技术，能够定量获取三维体视流场结构，可作为湍流、多涡系干扰等三维复杂流场的有效测量手段。层析粒子图像测速技术自出现以来，受到了国际上有关行业的广泛关注。层析粒子图像测速应用了三维立体激光束照亮全场的示踪粒子，利用多个相机从不同的角度同时拍摄记录下流场，通过层析的方法重建出流场的三维立体空间粒子场。因此在层析粒子图像测速系统中，光源选择至关重要，光源的大小决定了层析粒子图像测速的适用范围，光源的能量利用率对获取图像的质量有很大影响，获得目标流场中清晰有效的粒子图像是整个粒子图像测速技术的一个关键步骤。如果无法获得清晰可靠的图像，便无法进行粒子图像测速的流场测量。

因此，需要一种新的三维立体激光照明方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对在现有技术中层析粒子图像测速的光源能量利用率的不足，提供一种光源能量利用率高的层析粒子图像测速的三维立体照明方法。

为实现上述发明目的，本发明的层析粒子图像测速的三维立体照明方法可采用如下技术方案：

一种层析粒子图像测速的三维立体照明方法，包括以下步骤：

1)、利用鲍威尔棱镜对点光源进行一维扩束，得到发散的片光源；

2)、利用柱面镜将步骤1)得到的发散的片光源准直成平行的片光源；

3)、利用N块棱镜对步骤2)得到的平行的片光源进行扩束，则第i块棱镜的入射角通过下式计算得到：

${\mathrm{\θ}}_i^{opt}=arcsin\[\sqrt{\frac{{\left(M_i^{opt}\right)}^2-1}{{\left(M_i^{opt}\right)}^2-1/n_i^2}}\]$

上式中，为第i块棱镜的入射角，为第i块棱镜的扩束比，其中，

$M_i^{opt}=\frac{n_i}{{\left(n_1{n}_2\mathrm{...}{n}_N\right)}^{1/N}}{M}^{1/N},i=1,2...,N;$

n_i为第i块棱镜的折射率，N为棱镜的数量，M为放大倍数。

更进一步的，步骤3)中棱镜为K9直角棱镜。K9玻璃是一种性能优异的光学材料，透光度，折射效果都很好，折射率为1.6563，是国内常见的光学元件材料，本发明采用的直角棱镜为K9玻璃。

更进一步的，所述K9直角棱镜顶角为33.4°，平行的片光源从所述K9直角棱镜的斜面入射，入射角为56.59°。本发明采用顶角33.4°的K9直角棱镜，单个棱镜的扩束比为1.5163，单个棱镜能量利用率98.3％，大大提高了光源的能量利用率，经过试验采用其他顶角或者入射角均会大大降低棱镜的能量利用率。

更进一步的，步骤2)中所述柱面镜为平凸柱面镜。柱面镜可以有效减小球差和色差，使得照明系统光均匀度较好。

更进一步的，所述点光源为激光。

有益效果：本发明的层析粒子图像测速的三维立体照明方法能量损失小，利用率高，而且所使用的鲍威尔棱镜划线优于柱面透镜的划线模式，能消除高斯光束的中心热点和褪色边缘分布，光密度均匀，稳定性好。

附图说明

图1是本发明的棱镜扩束原理图；

图2是本发明的棱镜扩束光路示意图；

图3是本发明的棱镜扩束后横截面为矩形的实验图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1、图2和图3所示，本发明的层析粒子图像测速的三维立体照明方法，包括以下步骤：

1)、利用鲍威尔棱镜对点光源进行一维扩束，得到发散的片光源；

2)、利用柱面镜将步骤1)得到的发散的片光源准直成平行的片光源；其中柱面镜为平凸柱面镜。

3)、利用N块棱镜对步骤2)得到的平行的片光源进行扩束，则第i块棱镜的入射角通过下式计算得到：

${\mathrm{\θ}}_i^{opt}=arcsin\[\sqrt{\frac{{\left(M_i^{opt}\right)}^2-1}{{\left(M_i^{opt}\right)}^2-1/n_i^2}}\]$

上式中，为第i块棱镜的入射角，为第i块棱镜的扩束比，其中，

$M_i^{opt}=\frac{n_i}{{\left(n_1{n}_2\mathrm{...}{n}_N\right)}^{1/N}}{M}^{1/N},i=1,2...,N;$

n_i为第i块棱镜的折射率，N为棱镜的数量，M为放大倍数。

其中棱镜优选为K9直角棱镜。K9玻璃是一种性能优异的光学材料，透光度，折射效果都很好，折射率为1.6563，是国内常见的光学元件材料，本发明采用的直角棱镜为K9玻璃。

优选的，K9直角棱镜顶角为33.4°。平行的片光源从K9直角棱镜的斜面入射，入射角为56.59°。本发明采用顶角33.4°的K9直角棱镜，单个棱镜的扩束比为1.5163，单个棱镜能量利用率98.3％，大大提高了光源的能量利用率，经过试验采用其他顶角或者入射角均会大大降低棱镜的能量利用率。

发明原理：

一、利用鲍威尔棱镜将点光源进行一维扩束，获得发散的片光源。当约直径为1mm的准直激光光束打到鲍威尔棱镜的棱上时，光线入射后发生折射，折射角主要由两个棱面所构成的角度决定，最后经过出射面时再发生一次折射，整个出射光线形成一道扇形光幕。再利用柱面镜将发散的片光源准直成平行的片光源，如图1所示。

二、棱镜扩束最佳组合：如图1，棱镜材料的折射率为n，当入射的平行光的宽度为d，在第一表面上入射角为θ₁、折射角为θ₂，在第二表面上入射角为φ₁、折射角为φ₂，出射光的宽度为D，则棱镜扩束系统放大倍数为M_i:

$M_i=\frac{{\mathrm{cos\θ}}_2}{{\mathrm{cos\θ}}_1}\×\frac{{\mathrm{cos\φ}}_2}{{\mathrm{cos\φ}}_1}---\left(1\right)$

N块棱镜的扩束系统总的放大倍数为M：

$M=\underset{1}{\overset{N}{\Π}}{M}_i---\left(2\right)$

入射光为P偏振光，根据菲涅尔公式可知，第i块棱镜的能量透射率T_i：

$T_i=\frac{4n\×{\mathrm{cos\θ}}_2/{\mathrm{cos\θ}}_1}{{(n+{\mathrm{cos\θ}}_2/{\mathrm{cos\θ}}_1)}^2}---\left(3\right)$

N块棱镜的扩束系统总的能量透过率T：

$T=\underset{1}{\overset{N}{\Π}}{T}_i---\left(4\right)$

当棱镜的材料相同，以同一个入射角入射到棱镜，出射角度φ₂为0即垂直出射，棱镜的放大倍数最大，并且可以知道棱镜的顶角与第一个面的折射角θ₂大小相同，而第一个面的折射角θ₂由入射角θ₁决定。

当放大倍数M为常数，由Lagrange算法可知第i块棱镜最佳放大倍数即扩束比

$M_i^{opt}=\frac{n_i}{{\left(n_1{n}_2\mathrm{...}{n}_N\right)}^{1/N}}{M}^{1/N},i=1,\mathrm{...},N---\left(5\right)$

当n₁＝n₂＝...＝n_N，此时每块棱镜的扩束比此时第i块棱镜最佳入射角θ_i：

${\mathrm{\θ}}_i^{opt}=arcsin\[\sqrt{\frac{{\left(M_i^{opt}\right)}^2-1}{{\left(M_i^{opt}\right)}^2-1/n_i^2}}\]---\left(6\right)$

通过以上论述可知，当平行的片光源以入射角入射到棱镜，然后垂直出射，此时能量的损失和扩束比为最佳组合。

鉴于以上，本发明中使用的棱镜为K9直角棱镜，两直角边分别为50mm，75.8mm，折射率为1.5163，顶角为33.4°，入射角为56.59°，垂直出射，单个棱镜扩束比为1.5163，单个棱镜能量利用率98.3％。

实施例1：

1)、该发明使用的激光器为固体激光器，波长为532nm，将激光器发出的点光源经过鲍威尔棱镜，一维扩束成发散角为30度的片光源；

2)，利用一个焦距为50mm，直径为25.4mm的平凸柱面镜，将发散的片光源准直成长度为25mm的平行片光源；

3)，本发明所使用棱镜的为两直角边分别为50mm，75.8mm，顶角为33.4度的K9直角棱镜，以56.59°入射到棱镜的斜面，从直角面垂直出射。经过6个棱镜组合的扩束系统，扩束为横截面为矩形，大小为25mm*12mm的立体光源。

本发明的层析粒子图像测速的三维立体照明方法能量损失小，利用率高，而且所使用的鲍威尔棱镜划线优于柱面透镜的划线模式，能消除高斯光束的中心热点和褪色边缘分布，光密度均匀，稳定性好。

Claims (6)

1.一种层析粒子图像测速的三维立体照明方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、利用鲍威尔棱镜对点光源进行一维扩束，得到发散的片光源；

2)、利用柱面镜将步骤1)得到的发散的片光源准直成平行的片光源；

3)、利用N块棱镜对步骤2)得到的平行的片光源进行扩束，则第i块棱镜的入射角通过下式计算得到：

${\mathrm{\θ}}_i^{opt}=arcsin\[\sqrt{\frac{{\left(M_i^{opt}\right)}^2-1}{{\left(M_i^{opt}\right)}^2-1/n_i^2}}\]$

上式中，为第i块棱镜的入射角，为第i块棱镜的扩束比，其中，

$M_i^{opt}=\frac{n_i}{{(n_1{n}_2...n_N)}^{1/N}}{M}^{1/N},i=1,2...,N;$

n_i为第i块棱镜的折射率，N为棱镜的数量，M为放大倍数。

2.如权利要求1所述的层析粒子图像测速的三维立体照明方法，其特征在于：步骤3)中棱镜为K9直角棱镜。

3.如权利要求2所述的层析粒子图像测速的三维立体照明方法，其特征在于：所述K9直角棱镜顶角为33.4°。

4.如权利要求3所述的层析粒子图像测速的三维立体照明方法，其特征在于：步骤3)中平行的片光源从所述K9直角棱镜的斜面入射，入射角为56.59°。

5.如权利要求1所述的层析粒子图像测速的三维立体照明方法，其特征在于：步骤2)中所述柱面镜为平凸柱面镜。

6.如权利要求1所述的层析粒子图像测速的三维立体照明方法，其特征在于：所述点光源为激光。