CN113092805A - 一种用于粒子图像测速的高均匀性片光装置及测速系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于粒子图像测速的高均匀性片光装置，涉及流场速度非接触测量领域，包括：衍射光学元件和透镜；衍射光学元件同透镜平行设置，且衍射光学元件靠近准直激光发射器；准直激光发射器发射的准直激光束穿过衍射光学元件和透镜后，形成片光；衍射光学元件远离透镜的一侧具有很多用于相位调制的方形微小单元，且方形微小单元均具有相同的宽度，但具有多个不同台阶深度。其在保证片光照明强度的同时能够实现片光的高均匀性分布，极大程度的提升光能量的利用率，且可按照指定的片光照明范围进行设计。粒子图像测速的测速系统基于高均匀性片光装置实现，其能够均匀照亮整个测量区域，提高图像质量，从而能够更加准确的得出粒子在流体中的运动速度。
Description
技术领域
本发明涉及流场速度非接触测量领域，具体而言，涉及一种用于粒子图像测速的高均匀性片光装置及测速系统。
背景技术
为了对流体力学中存在着诸多疑难问题(湍流、非定常流动等复杂流动现象)进行深入地理论研究，一项最基础的工作就是对流体进行定性和定量地测量，从而展现流体的运动规律。其中，流体的速度是定量研究流体运动最直观的表征参数。近年来，在图像处理技术和计算机技术地发展促进下，基于运动图像计算与分析技术的粒子图像测速技术得到了快速发展。它能够高效精准、非接触地测量流场的流速分布，已在各种流场测速试验中获得了广泛运用。该技术明显存在的一项技术缺陷是片光的不均匀性，它会导致示踪粒子的散射光强度不一致，严重降低图像质量，影响后续的图像处理和最终的测量精度。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种用于粒子图像测速的高均匀性片光装置，其在保证片光照明强度的同时能够实现片光的高均匀性分布，极大程度的提升光能量的利用率，且可按照指定的片光照明范围进行设计。
本发明的第二个目的在于提供一种用于粒子图像测速的测速系统，其能够均匀照亮整个测量区域，进一步提高图像质量，从而能够更加准确的得出粒子在流体中的运动速度。
本发明的实施例是这样实现的：
一种用于粒子图像测速的高均匀性片光装置，其特征在于，包括：衍射光学元件和透镜；
所述衍射光学元件同所述透镜平行设置，且所述衍射光学元件靠近准直激光发射器；所述准直激光发射器发射的准直激光束穿过所述衍射光学元件和透镜后，形成片光；
所述衍射光学元件远离所述透镜的一侧具有多个用于相位调制的方形微小单元，且方形微小单元均具有相同的宽度，但具有多个不同台阶深度。
进一步地，所述衍射光学元件采用集成电路制造工艺进行制作，经过多次套刻，在材料表面形成微米量级甚至纳米量级的台阶结构。
进一步地，所述衍射光学元件表面经过N次套刻，能获得2N个台阶深度，且台阶间的相位深度为π/2N-1。
进一步地，相位深度取值范围
台阶深度d与相位深度
之间的关系满足公式：
其中λ为入射光的波长，n为基片材料的折射率。
进一步地，所述衍射光学元件的制作材料为光学玻璃。。
进一步地，透镜为傅里叶变换透镜。
进一步地，片光装置还包括安装壳，安装壳设有用于固定衍射光学元件和透镜的安装槽。
一种用于粒子图像测速的测速系统，其特征在于，包括：激光发射器、示踪粒子发生器、相机、数据处理装置以及权利要求1-7中任意一项的片光装置；
所述示踪粒子发生器用于将所述示踪粒子注入流场形成示踪粒子流动区；
所述片光装置位于所述示踪粒子流动区上方或下方，所述激光发射器发射的准直光束垂直于所述片光装置；以使所述准直激光束垂直穿过所述衍射光学元件和所述透镜；
所述相机位于示踪粒子流动区侧方，用于获取片光照明区域内的瞬时图像；
所述数据处理装置同所述相机通信连接，用于接收所述相机获取的瞬时图像。
进一步地，所述激光发射器包括：激光器、扩束镜组和导光臂；
所述激光器用于发出单束激光；
所述单束激光垂直经所述扩束镜组衍变为扩束准直光束并进入所述导光臂；所述导光臂位于所述扩束镜组远离所述激光器的一端；
所述导光臂远离所述扩束镜组的一端同所述片光装置连接；以将所述准直光束传递至片光装置，以使所述准直光束依次穿过所述衍射光学元件和所述透镜后形成片光。
进一步地，测速系统还包括同步控制器，同步控制器分别同相机和激光发射器通信连接；以发送控制信号至相机和激光发射器，控制相机和激光发射器同步开启、同步关闭。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供的用于粒子图像测速的高均匀性片光装置，能够使得准直激光束依次穿过衍射光学元件和透镜，其中准直激光束穿过衍射光学元件时，能够利用衍射光学元件不同台阶深度的方形微小单元对准直激光束进行相位调制，且根据物理光学的基本理论去优化片光照明效果，从而有效提高照明的均匀性和能量利用率。
总体而言，本发明实施例提供的用于粒子图像测速的高均匀性片光装置，其在保证片光照明强度的同时能够实现片光的高均匀性分布，极大程度的提升光能量的利用率，且可按照指定的片光照明范围进行设计。粒子图像测速的测速系统基于高均匀性片光装置实现，其能够均匀照亮整个测量区域，进一步提高图像质量，从而能够更加准确的得出粒子在流体中的运动速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的片光装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的测速系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的激光发射器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的衍射光学元件的加工流程示意图；
图5为本发明实施例中衍射光学元件的相位分布图；
图6为本发明实施例提供的射光学元件局部结构示意图。
图标：100-片光装置、110-衍射光学元件、120-透镜、200-安装壳、300-激光发射器、310-激光器、320-扩束镜组、330-导光臂、400-示踪粒子发生器、500-相机、600-同步控制器、700-数据处理装置、800-示踪粒子流动区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致等于”并不仅仅表示绝对的相等，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“相等”，一般都存在一定的偏差。因此，除了绝对相等之外，“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
请参照图1，本实施例提供一种用于粒子图像测速的高均匀性片光装置，包括：衍射光学元件110、透镜120和安装壳200；
其中，衍射光学元件110同透镜120平行设置，且衍射光学元件110靠近准直激光发射器；准直激光发射器发射的准直激光束穿过衍射光学元件110和透镜120后，形成片光；
衍射光学元件110远离透镜120的一侧具有很多用于相位调制的方形微小单元，且方形微小单元均具有相同的宽度，但具有多个不同台阶深度。
需要注意的是，衍射光学元件110的设计实际上就是已知入射光场分布和出射光场分布求解衍射屏相位分布的过程。常用的算法大致分为两类。一是基于傅里叶变换或其它线性变化的迭代方法，如盖师贝格-撒克斯通算法、输入输出算法、杨-顾算法等。二是基于极值搜索的全局优化算法，如模拟退火算法、遗传算法等。近几年来的算法研究都是以上述两类算法为主体的。此为本领域常规现有技术，这里不做赘述。
另一个需要注意的是，这种方形微小单元通过光刻和离子束刻蚀的方式制成，且每个方形微小单元的台阶深度都是经过精确计算的，具体算法如下：将入射光的强度分布记为Ii(xi,yi)，片光的强度分布记为Io(xo,yo)，衍射光学元件的相位分布记为
常数因子记为c，傅里叶变换记为F，则满足公式
通过遗传算法或模拟退火算法等算法的计算可获得衍射光学元件每个方形微小单元的相位深度
再根据台阶深度d与相位深度
之间的关系公式
可计算出每个方形微小单元的台阶深度(其中λ为入射光的波长，n为基片材料的折射率)。
能够使得准直激光束依次穿过衍射光学元件110和透镜120，其中准直激光束穿过衍射光学元件110时，能够利用衍射光学元件110不同台阶深度的微纳结构对准直激光束进行相位调制，且根据物理光学的基本理论去优化片光照明效果，从而有效提高照明的均匀性和能量利用率。
总体而言，本发明实施例提供的用于粒子图像测速的高均匀性片光装置100，其在保证片光照明强度的同时能够实现片光的高均匀性分布，极大程度的提升光能量的利用率，且可按照指定的片光照明范围进行设计。
进一步地，为了进一步提高衍射光学元件110的透光均匀性，本实施例中，衍射光学元件采用集成电路制造工艺进行制作，经过多次套刻，在材料表面形成微米量级甚至纳米量级的台阶结构。
具体的，衍射光学元件表面经过N次套刻，能获得2N个台阶深度，且台阶间的相位深度为π/2N-1。
请结合图4所示，为衍射光学元件加工的流程示意图，通过推算很容易知道，经过N次套刻，能获得2N个台阶深度。其中第一次加工会产生相位深度为π的台阶结构，第二次加工会在已有的基础上产生相位深度为π/2的台阶结构，第三次加工会在已有的基础上产生相位深度为π/4的台阶结构，以此类推，到第N次加工时，会在以前的基础上产生相位深度为π/2N-1的台阶结构。
例如，一块基片经过3次套刻后，能得到8个台阶深度的衍射光学元件，台阶相位深度分别为0、π/4、2π/4、3π/4、π、5π/4、6π/4、7π/4。
进一步地，相位深度取值范围
台阶深度d与相位深度
之间的关系满足公式：
其中λ为入射光的波长，n为基片材料的折射率。
通过上述设计可得出，量化的台阶数越多，照明光斑的质量越好，杂散光越少，但所需要的套刻次数也就越多，加工过程也就越复杂。当台阶数取32时，照明光斑的衍射效率和非均匀性都趋于设计值，能够达到系统对照明光斑性能的要求，且加工工艺的复杂程度适中，因此选择采用台阶数为32的衍射元件。
本实施例中，衍射光学元件110的制作材料为光学玻璃，(光学玻璃为能改变光的传播方向，并能改变紫外、可见或红外光的相对光谱分布的玻璃。狭义的光学玻璃是指无色光学玻璃；广义的光学玻璃还包括有色光学玻璃、激光玻璃、石英光学玻璃、抗辐射玻璃、紫外红外光学玻璃、纤维光学玻璃、声光玻璃、磁光玻璃和光变色玻璃)。
透镜120为傅里叶变换透镜。(傅里叶变换透镜120仅为命名，实则通过透镜实现傅里叶变换。透镜是用透明物质制成的表面为球面一部分的光学元件，镜头是由几片透镜组成的，有塑胶透镜(plastic)和玻璃透镜(glass)两种。通常摄像头用的镜头构造有：1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等)。
进一步地，为了能够对衍射光学元件110和傅里叶变换透镜进行固定，提供安装基础，本实施例中，特意增设了安装壳200，安装壳200设有用于固定衍射光学元件110和透镜120的安装槽。
具体的，安装壳200包括第一安装瓣和第二安装瓣，第一安装瓣和第二安装瓣可相互拼合成完整的安装壳200，将衍射光学元件110和透镜120卡紧固定。
综上所述，用于粒子图像测速的高均匀性片光装置100其在保证片光照明强度的同时能够实现片光的高均匀性分布，极大程度的提升光能量的利用率，且可按照指定的片光照明范围进行设计。
本实施例还提供了一种用于粒子图像测速的测速系统，包括：激光发射器300、示踪粒子发生器400、相机500、数据处理装置700以及上述片光装置100；
其中，示踪粒子发生器400用于将示踪粒子注入流场形成示踪粒子流动区800；
片光装置100位于示踪粒子流动区800上方或下方，激光发射器300发射的准直光束垂直于片光装置100；以使准直激光束垂直穿过所述衍射光学元件110和所述透镜120；
相机500位于示踪粒子流动区800侧方，用于获取片光照明区域内的瞬时图像；
数据处理装置700同相机500通信连接，用于接收相机500获取的瞬时图像。
能够通过激光发射器300发射准直激光束，准直激光束穿过片光装置100后性呈均匀的片光，当示踪粒子发生器400发出示踪粒子后，示踪粒子进入示踪粒子流动区800内，此时通过相机500抓拍一张图片，经过特定时间后再次抓拍一张图像，并将两次图片发送至数据处理装置700中进行数据分析，从而得出示踪粒子的流速。
本实施例中，数据处理装置700为计算机，计算机中预设有数据处理程序，用来处理图像中的数据信息。
进一步地，激光发射器300包括：激光器310、扩束镜320和导光臂330；
激光器310用于发出单束激光；
单束激光垂直经扩束镜组320衍变为准直光束并进入导光臂330；导光臂330位于扩束镜组320远离激光器310的一端；
导光臂330远离扩束镜组320的一端同片光装置100连接；以将准直光束传递至片光装置100，以使准直光束依次穿过衍射光学元件110和透镜120后形成片光。
其中，扩束镜组320包括平行设置扩束镜和准直镜，导光臂330位于准直镜远离扩束镜的一端；单数激光垂直经扩束镜和准直镜衍变为准直光束并进入导光臂330；
此种设计，在试验现场能够通过导光臂330方便调整激光器310、扩束镜组320和片光装置100的位置，有助于光路搭建。
进一步地，为了能够保证测量过程的准确性，本实施例中特意增设了同步控制器600，同步控制器600分别同相机500和激光发射器300通信连接；以发送控制信号至相机500和激光发射器300，控制相机500和激光发射器300同步开启、同步关闭。
通过此种设计，能够对相机500和激光发射器300进行同步控制，从而能够获得片光照明瞬间的示踪粒子图像。
总体而言，粒子图像测速的测速系统基于高均匀性片光装置100实现，其能够均匀照亮整个测量区域，进一步提高图像质量，从而能够更加准确的得出粒子在流体中的运动速度。
一种粒子图像测速的测速系统的工作原理是：开启示踪粒子发生器400使得示踪粒子进入示踪粒子流动区800内，待示踪粒子稳定后，同步控制器600发送控制信号至相机500和激光发射器300，使其同步开启，此时相机500抓拍一张照片，经过一小段特定时间后，相机500和激光发射器300再次同步开启抓拍一张照片，然后以同样的方式进行循环操作，试验结束后将相机内存中的数据发送至数据处理装置700，通过数据处理装置700进行数据分析并输出。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于粒子图像测速的高均匀性片光装置，其特征在于，包括：衍射光学元件和透镜；
所述衍射光学元件同所述透镜平行设置，且所述衍射光学元件靠近准直激光发射器；所述准直激光发射器发射的准直激光束穿过所述衍射光学元件和透镜后，形成片光；
所述衍射光学元件远离所述透镜的一侧具有多个用于相位调制的方形微小单元，且方形微小单元均具有相同的宽度，但具有多个不同台阶深度。
2.根据权利要求1所述的片光装置，其特征在于，所述衍射光学元件采用集成电路制造工艺进行制作，经过多次套刻，在材料表面形成微米量级的台阶结构。
3.根据权利要求2所述的片光装置，其特征在于，所述衍射光学元件表面经过N次套刻，能获得2N个台阶深度，且台阶间的相位深度为π/2N-1。
4.根据权利要求3所述的片光装置，其特征在于，相位深度取值范围为
台阶深度d与相位深度
之间的关系满足公式：
其中λ为入射光的波长，n为基片材料的折射率。
5.根据权利要求1所述的片光装置，其特征在于，所述衍射光学元件的制作材料为光学玻璃。
6.根据权利要求1所述的片光装置，其特征在于，所述透镜为傅里叶变换透镜。
7.根据权利要求1所述的片光装置，其特征在于，所述片光装置还包括安装壳，所述安装壳设有用于固定所述衍射光学元件和所述透镜的安装槽。
8.一种用于粒子图像测速的测速系统，其特征在于，包括：激光发射器、示踪粒子发生器、相机、数据处理装置以及权利要求1-7中任意一项所述的片光装置；
所述示踪粒子发生器用于将示踪粒子注入流场形成示踪粒子流动区；
所述片光装置位于所述示踪粒子流动区上方或下方，所述激光发射器发射的准直光束垂直于所述片光装置；以使所述准直激光束垂直穿过所述衍射光学元件和所述透镜；
所述相机位于所述示踪粒子流动区侧方，用于获取片光照明区域内的瞬时图像；
所述数据处理装置同所述相机通信连接，用于接收所述相机获取的瞬时图像。
9.根据权利要求8所述的测速系统，其特征在于，所述激光发射器包括：激光器、扩束镜组和导光臂；
所述激光器用于发出单束激光；
所述单束激光垂直经所述扩束镜组衍变为扩束准直光束并进入所述导光臂；所述导光臂位于所述扩束镜组远离所述激光器的一端；
所述导光臂远离所述扩束镜组的一端同所述片光装置连接；以将所述准直光束传递至片光装置，以使所述准直光束依次穿过所述衍射光学元件和所述透镜后形成片光。
10.根据权利要求8所述的测速系统，其特征在于，所述测速系统还包括同步控制器，所述同步控制器分别同所述相机和所述激光发射器通信连接；以发送控制信号至所述相机和所述激光发射器，控制所述相机和所述激光发射器同步开启、同步关闭。
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2021
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