CN114721162A - 用于Tomo-PIV体积光光路的调整系统和标定板位置的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开用于Tomo‑PIV体积光光路的调整系统和标定板位置的校正方法，属于Tomo‑PIV领域。包括：反射镜架，用于固定激光反射镜，且反射镜架倾斜平面与水平面的夹角为45°；激光反射镜，用于反射水平入射的体积光；俯仰台，用于在xy平面俯仰微调反射镜架的角度，使得反射的体积光平行于yz平面出射；光阑，用于将平行于yz平面出射的体积光切割为边界强度分明的指定规则形状；升降台，用于调整上述装置与入射体积光的相对高度，使得水平入射的体积光能通过激光反射镜反射并使反射的体积光的光轴通过光阑中心。本发明通过调整光阑和升降台，一方面将体积光切割为较为规则的形状，另一方面，切割掉体积光强度较低的边界，提高了体积光的边界强度。

Description

用于Tomo-PIV体积光光路的调整系统和标定板位置的校正 方法

技术领域

本发明属于光学设计和层析粒子图像测速(Tomographic Partivle ImageVelocimetry,Tomo-PIV)技术领域，更具体地，涉及用于Tomo-PIV体积光光路的调整系统和标定板位置的校正方法。

背景技术

层析粒子图像测速技术是近几年发展的一种无接触式的三维流场测量手段，其由于能够真实反映三维流场而在流动测量领域得到广泛应用。基本原理为：首先用体积光照亮预拍摄三维体积域，然后使用多台相机记录在流体中的粒子的运动，最后通过重构的三维粒子场中粒子的运动计算出流体的三维速度场。因此，要进行Tomo-PIV实验，首先需要进行三维体积光的布置。

由于Tomo-PIV对流场光强要求较高，目前Tomo-PIV普遍采用高能线激光器作为光源，并通过一系列的光学镜片将线激光整形为准直的体积光。目前激光整形以透镜的组合为主，其扩束的体积光截面普遍为圆形或者椭圆形分布。在实验过程中，每台相机均需要拍摄一定景深范围内的流场，以使整个照明区域的粒子全部对焦，因此照明区域如果过大则会增大对拍摄的景深要求，而大景深往往会导致镜头光圈值增大，镜头进光量减少，进而导致拍摄图像出现信噪比减小，图像质量变差的问题。同时，非必要区域内三维流场的处理也会造成计算资源的浪费。因此，为了得到高质量的拍摄图像并节约计算资源，往往需要对原始体积光进行二次切割处理，使得照射拍摄区域的体积光尺度与目标拍摄流场的大小相当。

另一方面，为了确定三维流场的空间尺寸，校正图像的空间扭曲，在进行Tomo-PIV实验前，往往需要对体积域进行空间标定。标定的作用类似于在拍摄空间与内建立真实的三维物理坐标系。在标定过程中，标定板需要沿着体积光厚度方向的移动多个等距位置，以覆盖整个体积拍摄流场。为了满足上述要求，往往需要对体积光的位置和方位角度进行调整，以使得体积光准直面与标定板面平行。

在体积光产生系统中，激光整形的镜片的间距以及放置角度的微小变动往往会对光束整形效果产生较为严重的影响。而在实际测量过程中，体积光的拍摄区域往往需要根据拍摄需求进行位置的移动。因此，拍摄位置的变动往往伴随激光器以及光学镜片位置的移动，进而带来耗时的体积光系统的调整过程。一方面会增大Tomo-PIV的操作流程的复杂度，另一方面也导致激光器及其光学部件因频繁移动造成的寿命的衰减。

因此，为了满足上述拍摄要求，亟需设计出一套调整精度高、调整范围大，操作简单的体积光光路的调整装置，以优化Tomo-PIV的拍摄流程。

发明内容

针对Tomo-PIV系统对体积光的形状、方位角度以及强度等因素要求较高，且尚无适用性较强的相关调整装置的技术问题，本发明提供了用于Tomo-PIV体积光光路的调整系统和标定板位置的校正方法，其目的在于实现调整精度高、调整范围大、操作步骤简单的体积光光路调整。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种用于Tomo-PIV体积光光路的调整系统，所述调整系统包括：光路方位调整模块、光阑和升降台；

所述光路方位调整模块包括激光反射镜、激光反射镜架和俯仰台；

所述反射镜架，用于固定激光反射镜，且反射镜架倾斜平面与水平面的夹角为45°；

所述激光反射镜，用于反射水平入射的体积光；

俯仰台，用于可拆卸连接反射镜架，并在xy平面俯仰微调反射镜架的角度，使得反射的体积光平行于yz平面出射；

光阑，用于将平行于yz平面出射的体积光切割为边界强度分明的指定规则形状；

升降台，为光路方位调整模块和光阑构成的机构的支撑装置，用于调整该机构与入射体积光的相对高度，使得水平入射的体积光能够通过激光反射镜反射并使反射的体积光的光轴通过光阑的中心。

优选地，所述调整系统还包括：旋转台、光学平板和移动导轨；

所述旋转台，用于可拆卸连接俯仰台，并在xz平面内旋转俯仰台，使得切割后的体积光到达照明的区域所在的y方向和z方向的位置；

所述光学平板，用于可拆卸连接旋转台；

所述移动导轨，用于固定光学平板，并在x方向移动光学平板，使得切割后的体积光到达照明区域所在的x方向位置。

有益效果：本发明通过旋转调节，获得体积光在y方向和z方向的移动自由度，通过平移调节，获得在x方向的移动自由度，在不移动入射光源的情况下，实现了体积光在三个方向位置的调整，提升了体积光光路调整的灵活性。

优选地，所述调整系统还包括：位于照亮区域上方的第二激光反射镜，用于对照亮体积流场的体积光进行反射，进而对体积流场进行二次照明。

有益效果：本发明通过第二激光反射镜对体积流场进行二次照明，从而增大拍摄流场的亮度，提高体积光的能量利用效率，提高了拍摄图像的信噪比。

优选地，矩形光阑的侧面通过螺纹孔与四根第一光学支撑杆连接；

采用四根第二支撑杆与光学平板连接；

每根第一光学支撑杆和每根第二支撑杆之间利用万向节连接；

所述万向节支持两杆360°相对转动，同时配备锁紧手轮便于锁紧牢固。

有益效果：本发明通过四个万向节即可实现光阑在反射镜正上方与光学平板平行的稳定布置，此外，该连接方式可以使光阑具有y，z方向的移动自由度，在y方向的移动可以使光阑的高度可调，在z方向的移动便于调整光阑中心与体积光光轴重合。

优选地，若光阑的长度大于体积光截面光斑，将光阑的位置升高，直至光斑的长轴为光阑长度的120％停止；反之，将光阑的位置降低，直至光斑的长轴为光阑长度的120％停止。

有益效果：高度可调节，弥补光阑为矩形时，光阑长度尺寸对光斑长度的限制，增大可整形的范围。

优选地，所述调整系统还包括：位于照亮区域内的标定板，用于对体积流场的空间位置进行标定。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种标定板位置的校正方法，该方法包括：

S1.通过如上述调整系统，将体积光调整到激光照射预定位置；

S2.调整光阑的宽度为1mm，得到面激光；

S3.将标定板调整为与面激光相切，从而实现标定板位置的校正。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)针对Tomo-PIV系统对体积光的形状、方位角度以及强度等因素要求较高，本发明提出一种用于Tomo-PIV体积光光路的调整系统，通过激光反射镜和俯仰台的组合，调整体积光的方位角，通过升降台和光阑的组合，调整体积光的形状和边界强度。具体而言，通过调整俯仰台，可使体积光竖直向上反射(平行于yz平面出射)，满足Tomo-PIV系统对体积光方位角；通过调整光阑和升降台，一方面将体积光切割为较为规则的形状，另一方面，切割掉体积光强度较低的边界，提高了体积光的边界强度。通过调整旋转台，使得体积光能够在y方向和z方向进行移动，通过调整光学导轨，使得体积光在x方向移动，即在激光源位置不发生移动下使得体积光能够在三维方向进行调节，提升了体积光位置调整的灵活性，避免了由于频繁移动激光仪器而造成的使用损耗。此外，该系统组成简单，加工组装难度小。

(2)本发明提出一种标定板位置的校正方法，由调节光阑有效透过尺寸获得面激光，并通过面激光与标定板面相切的方式，极大简化体积光与标定板共面的条件的实现。

附图说明

图1为本发明中用于Tomo-PIV体积光光路的调整系统原理图。

图2为本发明中光路方位调整模块实物图。

图3为本发明中体积光切割模块的三维结构图(左)以及实物图(右)。

图4(a)为有双程反射模块时矩形体积光的示意图。

图4(b)为无双程反射模块时矩形体积光的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中用于Tomo-PIV体积光光路的调整系统，用于将近似水平的入射体积光，调整方位角度、形状和强度后再输出。如图1所示，其主要由光路方位调整模块、体积光切割模块、双程反射模块三部分组成。

光路调整模块主要用于将入射的体积光竖直向上反射，并将光斑调整至预定位置。

光路方位调整模块包括：升降台、俯仰台、旋转台、激光反射镜、激光反射镜架、光学平板和支撑杆。其中，

激光反射镜，用于体积激光的反射，以改变激光光路的方向。

反射镜架，用于固定激光反射镜，其中，镜架倾斜平面与水平面设计角度为45固，以便水平入射的体积光能够通过镜面反射而竖直向上出射，即使出射的体积光与图1中y-z平面平行。本发明采用右手坐标系。

然而实际上，由于镜架加工误差以及镜面与镜架安装误差，镜面与水平面角度并非准确的45实，同时激光也并非满足完全水平入射的条件，因此，设置一个具有单维角度(y-z平面)的调整功能俯仰台，通过俯仰台对反射镜架的角度进行微调，进而实现体积光以平行于y-z平面的角度出射。

在实际操作中，往往需要在y-z平面内移动光斑的位置，以满足实验中照明区域位置的要求。因此，将上述装置放置于旋转台上，即可通过调整旋转台实现体积光在y-z平面内的移动。

光学平板主要用于螺丝紧固安装上述装置，以及体积切割模块的支撑杆。光学平板可以相对于升降台沿着x方向移动，进而调整出射的光束的在x方向的相对位置。

升降台为整个系统的支撑装置。通过调整升降台的高低，即可调整装置与入射激光的相对高度，使得激光能够通过激光反射镜反射并使激光的光轴通过体积光切割装置的中心。

体积光切割模块主要具有两个功能，一方面用于体积光的切割整形以获得规则截面的光斑；另一方面用于将体积光整形为面激光，以便在实验标定步骤中调整标定板与体积光平行。

体积光切割模块为矩形光阑，其主要通过仅允许部分体积光透过的方式来对体积光进行形状的切割。首先，光阑的有效透过尺寸可以进行精确调整(宽度)，以便获得不同尺寸的体积光。此外，该系统中光阑的位置可在支撑杆不同高度处进行调节，以增大调整范围。

以截面为椭圆形的体积光为例，由于其具有沿程单一维度扩散的特性(长轴沿程增大，短轴长度不变)，即当光阑位置较低时，光斑的长轴较短；光阑处于较高位置处时，体积光的光斑长轴较长。在某一位置处，如果光阑的长度大于光斑，则无法在长轴方向对光斑进行切割，此时可通过升高光阑(在较高位置处光斑长轴增大)实现对长轴方向形状的切割。

具体而言，体积光的截面为椭圆形，当体积光的长轴较短时，将光阑的位置升高，直至体积光的长轴为光阑长度的120％停止；反之，将光阑的位置降低，直至体积光的长轴为光阑长度的120％停止。因此，高度可调节的功能可以弥补光阑为矩形时，光阑长度尺寸对光斑长度的限制(长度方向不可变)，增大可整形的范围。通过体积切割模块的调整即可获得预期规则形状且边界分明的体积光。

此外，在后续实验标定过程中，为了调整体积光与标定板的平行，可以减小光阑中有效透过尺寸(将光阑的宽度调整为1mm)，将输出的光调整为薄的面激光，进而调整面激光与标定板外平面相切，而后还原光阑有效透过尺寸，即可简单实现体积光与标定板的平行。

双程反射模块主要为一块激光反射镜构成，位于照亮区域的上方。本发明中的两个激光反射镜的适用波长均与入射体积光的波长一致。对于Tomo-PIV，拍摄区域内光强越大，图像信噪比越高。因此，为了增大拍摄流场的亮度，提高体积光的能量利用效率，采用双程反射模块对照亮体积流场的体积光进行反射，进而对体积流场进行二次照明，达到增大流场的亮度的目的。

实施例

本实施例中，光路调整的目标描述如下：入射光为短轴方向准直的椭圆形体积光，要求改变光传播方向为垂直向上出射，同时要求将椭圆形的体积光切割为矩形，并实现体积光对拍摄区域的二次照明。

为了实现上述体积光的光路的调整，搭建了一套体积光整形装置，下面结合图2-图4，对各模块的搭建详细介绍：

1、光路方位调整模块

图2中展示了本实施例中的光路方位调整模块的实物图。反射镜架由3030黑色铝型材拼接而成，斜边处采用45°连接件进行连接。将尺寸为200mm*220mm的激光反射镜放置在铝型材卡槽中固定，底部通过转接板与俯仰台相连接，俯仰台能够±15°的倾角调节，精度为6’。俯仰台安装在旋转台上，可以实现360°的调节。选择尺寸为700mm*450mm*13mm的光学平板作为支撑台面。将光学平板与移动导轨滑台紧固连接，使得上述装置能够沿单方向移动，移动导轨可移动范围为0～30mm，精度为0.1mm。整个装置放置在手动升降台上，手动升降台的升降高度为100mm-470mm。

2、体积光切割模块

图3展示了本实施例中的体积光切割模块的三维结构图以及实物图。该模块中光阑为矩形，光阑长度为100mm，通过刀片单向开启，可通过细牙螺杆在0～20mm进行光阑宽度的调整。矩形光阑侧面通过螺纹孔与光学支撑杆100mm的连接，采用四根长度为300mm的支撑杆与光学平板连接作为承载部件。支撑杆之间的连接利用万向节完成。万向节可以连接两支撑杆，并支持两杆360°相对转动，同时配备锁紧手轮便于锁紧牢固。通过四个万向节即可实现光阑反射镜正上方与光学平板平行的稳定布置，通过调整万向节与竖直支撑杆的锁紧手轮，即可进行光阑高度的调整。在调整体积光与标点板平行的过程中，将光阑宽度调整为1mm，在通过调整俯仰台和旋转台的角度以及升降台的高度，使得1mm激光面与标定板相切即可。调整结束后，将狭缝宽度调节到15mm，获得厚度15mm的矩形准直体积光。

本发明还提出一种判断体积光是否平行于yz平面的方法，该方法包括：

S1.在一次反射后的体积光上方放置一底部平整且透光性良好的水槽；

S2.将水槽内盛一定体积的水，静置保持水面无波动；

S3.通过调整俯仰台，使体积光照射透明水槽底部的入射光斑与通过水面反射的光斑完全重合，即可保证体积光平行于yz平面。

3、双程反射模块

双程反射模块为尺寸为150mm*220mm的激光反射镜。本实施例中直接将反射镜放置在透明拍摄装置的上方即可实现体积光束的反射，完成进而对拍摄区域二次照射。

图4(a)-4(b)中，横轴为图像长度的坐标，单位为pixel，左边纵轴为图像宽度的坐标，单位为pixel，右边纵轴为平均参考亮度值，无量纲。有双程反射模块时，测量拍摄区域平均参考亮度值为32141；无双程反射模块时，测量拍摄区域平均参考亮度值为28787。由此可知，在使用该模块时，流场的亮度有明显提升。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于Tomo-PIV体积光光路的调整系统，其特征在于，所述调整系统包括：光路方位调整模块、光阑和升降台；

所述光路方位调整模块包括激光反射镜、激光反射镜架和俯仰台；

所述反射镜架，用于固定激光反射镜，且反射镜架倾斜平面与水平面的夹角为45°；

所述激光反射镜，用于反射水平入射的体积光；

俯仰台，用于可拆卸连接反射镜架，并在xy平面俯仰微调反射镜架的角度，使得反射的体积光平行于yz平面出射；

光阑，用于将平行于yz平面出射的体积光切割为边界强度分明的指定规则形状；

升降台，为光路方位调整模块和光阑构成的机构的支撑装置，用于调整该机构与入射体积光的相对高度，使得水平入射的体积光能够通过激光反射镜反射并使反射的体积光的光轴通过光阑的中心。

2.如权利要求1所述的调整系统，其特征在于，所述调整系统还包括：旋转台、光学平板和移动导轨；

所述旋转台，用于可拆卸连接俯仰台，并在xz平面内旋转俯仰台，使得切割后的体积光到达照明的区域所在的y方向和z方向的位置；

所述光学平板，用于可拆卸连接旋转台；

所述移动导轨，用于固定光学平板，并在x方向移动光学平板，使得切割后的体积光到达照明区域所在的x方向位置。

3.如权利要求1所述的调整系统，其特征在于，所述调整系统还包括：位于照亮区域上方的第二激光反射镜，用于对照亮体积流场的体积光进行反射，进而对体积流场进行二次照明。

4.如权利要求1所述的调整系统，其特征在于，矩形光阑的侧面通过螺纹孔与四根第一光学支撑杆连接；

采用四根第二支撑杆与光学平板连接；

每根第一光学支撑杆和每根第二支撑杆之间利用万向节连接；

所述万向节支持两杆360°相对转动，同时配备锁紧手轮便于锁紧牢固。

5.如权利要求4所述的调整系统，其特征在于，若光阑的长度大于体积光截面光斑，将光阑的位置升高，直至光斑的长轴为光阑长度的120％停止；反之，将光阑的位置降低，直至光斑的长轴为光阑长度的120％停止。

6.如权利要求1至5任一项所述的调整系统，其特征在于，所述调整系统还包括：位于照亮区域内的标定板，用于对体积流场的空间位置进行标定。

7.一种标定板位置的校正方法，其特征在于，该方法包括：

S1.通过如权利要求6所述的调整系统，将体积光调整到激光照射预定位置；

S2.调整光阑的宽度为1mm，得到面激光；

S3.将标定板调整为与面激光相切，从而实现标定板位置的校正。

Images