一种适用于PIV测量的片光装置
技术领域
本实用新型涉及片光装置设计领域，具体涉及一种适用于PIV测量的片光装置。
背景技术
在PIV测量中，片光装置是透镜组将激光束转换成具有一定厚度(通常低于2mm)的扇形的平面激光，常规的片光装置通常为凸透镜与平凹柱面镜的组合，或者凸透镜、凹透镜与平凹柱面镜的组合，其片光特点有：(1)片光发散方向上能量分布为高斯分布，中间很高，往两侧逐渐降低；片光传播方向上能量递减；片光厚度方向上能量分布为高斯分布；(2)片光发散角不可调。以上片光特点导致了粒子图像中能量分布极度不均匀和激光能量的大量损失，大大降低了PIV片光可照亮的粒子图像范围。
为提高PIV测量面积，优化片光装置是一种性价比很高的方法，合理的片光装置可以扩大现有设备的测量能力，使得PIV系统可以测量更大空间范围的速度场，同时提高粒子图像质量，降低数据计算误差。
实用新型内容
实用新型目的
针对以上需求，本实用新型公开了一种适用于PIV测量的片光装置，包括笼式共轴形式的导轨，螺纹形式的套管调节装置，可与套管联动的透镜架，以及包含一个非球面透镜、两个平凸柱面镜和两个平凹柱面镜的透镜组。适用于各类2D2C-PIV或2D3C-PIV测量，可以获得能量分布相对均匀的扇形片光。
实用新型技术解决方案
为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用下述的技术方案：
一种适用于PIV测量的片光装置，包括导轨、透镜组，透镜组依次由非球面透镜、平凸柱面镜Ⅰ、平凹柱面镜Ⅰ、平凹柱面镜Ⅱ、平凸柱面镜Ⅱ组成，平凸柱面镜Ⅰ与平凹柱面镜Ⅰ为一组，二者柱面弯曲方向一致；平凹柱面镜Ⅱ、平凸柱面镜Ⅱ为一组，二者柱面弯曲方向一致且与第一组透镜的柱面角度成90°；其中非球面透镜、平凸柱面镜Ⅰ、平凹柱面镜Ⅱ通过透镜架固定在导轨上，平凹柱面镜Ⅰ和平凸柱面镜Ⅱ安装在透镜架上并可沿导轨水平移动，移动过程中始终保持平凹柱面镜Ⅰ和平凸柱面镜Ⅱ沿着轴心平移。
优选的，非球面透镜、平凸柱面镜Ⅰ、平凹柱面镜Ⅰ、平凹柱面镜Ⅱ、平凸柱面镜Ⅱ分别安装在互相独立的透镜架上，每个透镜架上均开设有滑动孔，导轨穿过每个透镜架上的滑动孔。
优选的，还包括圆筒状且带有内螺纹的套管Ⅰ和套管Ⅱ，安装平凹柱面镜Ⅰ的透镜架Ⅲ与套管Ⅰ螺纹连接；安装平凸柱面镜Ⅱ的透镜架Ⅴ与套管Ⅱ螺纹连接；套管Ⅰ和套管Ⅱ两端通过固定在导轨上的限位块固定。
优选的，每个透镜架上均设置有螺纹挡圈以压紧透镜。
优选的，安装非球面透镜和平凸柱面镜Ⅰ的透镜架之间设置有限位块Ⅰ，安装平凸柱面镜Ⅰ、平凹柱面镜Ⅰ的透镜架之间设置有限位块Ⅱ，套管Ⅰ两端分别与限位块Ⅰ、限位块Ⅱ端面贴合；限位块Ⅲ设置于安装平凸柱面镜Ⅱ的透镜架远离平凹柱面镜Ⅱ一侧；套管Ⅱ两端分别与限位块Ⅱ、限位块端面Ⅲ贴合，限位块Ⅰ、限位块Ⅱ1、限位块Ⅲ中部均开设有通孔以防遮挡透镜。
优选的，限位块Ⅰ、限位块Ⅱ、限位块Ⅲ上均开设有滑动孔，导轨穿过限位块Ⅰ、限位块Ⅱ、限位块Ⅲ上的滑动孔。
优选的，安装非球面透镜、平凸柱面镜Ⅰ、平凹柱面镜Ⅱ的透镜架及限位块Ⅰ、限位块Ⅱ、限位块Ⅲ上均开设有螺纹孔，在螺纹孔处用顶丝与导轨固定连接。
优选的，导轨有四根，呈笼式共轴形式分布。
优选的，导轨为光滑的钢杆。
本实用新型的优点
本实用新型的优点在于：
(1)可以提高激光器能量利用效率，优化片光内激光能量分布；
(2)具备发散角和光腰可调功能，适用于各种2D2C-PIV和2D3C-PIV测量的片光调节需求。
附图说明
图1为本实用新型的一种适用于PIV测量的片光装置的结构示意图。
图2为本实用新型的一种适用于PIV测量的片光装置的原理图。
图中：1-导轨、2-透镜架Ⅰ、3-非球面透镜、4-螺纹挡圈Ⅰ、5-限位块Ⅰ、6-螺纹孔、7-螺纹孔、8-透镜架Ⅱ、9-平凸柱面镜Ⅰ、10-螺纹挡圈Ⅱ、11-螺纹孔、12-透镜架Ⅲ、13-平凹柱面镜Ⅰ、14-螺纹挡圈Ⅲ、15-螺纹孔、16-套管Ⅰ、17-限位块Ⅱ、18-透镜架Ⅳ、19-平凹柱面镜Ⅱ、20-螺纹挡圈Ⅳ、21-螺纹孔、22-螺纹孔、23-透镜架Ⅴ、24-平凸柱面镜Ⅱ、25-螺纹挡圈Ⅴ、27-套管Ⅱ、28-限位块Ⅲ、29-螺纹孔。
具体实施方式
结合实用新型内容概述和附图，详细说明本实用新型的具体实施方式。
一种适用于PIV测量的片光装置，图1为剖视图，装置包括四根导轨1，将非球面透镜3安装到透镜架Ⅰ2中，用螺纹挡圈Ⅰ4将非球面透镜3压紧，将四根导轨1插入透镜架2的四个滑动孔中，在螺纹孔6处用顶丝将透镜架Ⅰ2与导轨1固联；将限位块Ⅰ5套到导轨1上，平移将透镜架Ⅰ2包住，在螺纹孔7处用顶丝将限位块Ⅰ5与导轨1固联；将平凸柱面镜Ⅰ9安装到透镜架Ⅱ8中，用螺纹挡圈Ⅱ10将平凸柱面镜Ⅰ9压紧；将透镜架Ⅱ8套到导轨1上，平移与限位块Ⅰ5贴合，在螺纹孔11处用顶丝将透镜架Ⅱ8与导轨1固联；将平凹柱面镜Ⅰ13安装到透镜架Ⅲ12中，用螺纹挡圈Ⅲ14将平凹柱面镜Ⅰ13压紧；透镜架Ⅲ12外圆为螺纹，套管Ⅰ16内圆为螺纹，将透镜架Ⅲ12旋入套管Ⅰ16中，二者通过螺纹15连接；将套管Ⅰ16与透镜架Ⅲ12整体套到导轨1上，套管Ⅰ16一端与限位块Ⅰ5贴合；将限位块Ⅱ17套到导轨1上，一端与套管Ⅰ16另一端贴合，在螺纹孔21处用顶丝将限位块Ⅱ17与导轨1固联；将平凹柱面镜Ⅱ19安装到透镜架Ⅳ18中，用螺纹挡圈Ⅳ20将平凹柱面镜Ⅱ19压紧；将透镜架Ⅳ18套到导轨1上，在螺纹孔22处用顶丝将透镜架Ⅳ18与导轨1固联；将平凸柱面镜Ⅱ24安装到透镜架Ⅴ23中，用螺纹挡圈Ⅴ25将平凸柱面镜Ⅱ24压紧；透镜架Ⅴ23外圆为螺纹，套管Ⅱ27内圆为螺纹，将透镜架Ⅴ23旋入套管Ⅱ27中，二者通过螺纹26连接；将套管Ⅱ27与透镜架Ⅴ23整体套到导轨1上，套管Ⅱ27一端与透镜架Ⅳ18贴合；将限位块Ⅲ28套到导轨1上，一端与套管Ⅱ27贴合；在螺纹孔29处用顶丝将限位块Ⅲ28与导轨1固联，限位块Ⅰ5、限位块Ⅱ17、限位块Ⅲ28中部均开设有通孔以防遮挡透镜。
安装需注意平凸柱面镜Ⅰ9和平凹柱面镜Ⅰ13柱面弯曲方向一致，平凹柱面镜镜Ⅱ19与平凸柱面镜Ⅱ24柱面弯曲方向一致，平凸柱面镜Ⅰ9与平凹柱面镜镜Ⅱ19的曲面弯曲方向成90°。
使用时，让激光束从非球面透镜3这一端入射，光束经过非球面透镜3后，能量分布转变成平顶分布，光斑由圆形变为正方形；方形光束通过平凸柱面镜Ⅰ9和平凹柱面镜Ⅰ13后，在单方向上压缩，通过旋转套管Ⅰ16，可调整透镜架Ⅲ12的前后位置，可使得从平凹柱面镜Ⅰ13出射的光束变为厚度较为均匀的扁平状光束；扁平状光束通过平凹柱面镜Ⅱ19和平凸柱面镜Ⅱ24后，在光斑长度方向上扩张，通过旋转套管Ⅱ27，可调整透镜架Ⅴ23的前后位置，可使得从平凸柱面镜Ⅱ24出射的光束变成厚度较为均匀的扇形片光。
其原理如下：激光器射出的激光呈现高斯分布，表现为中间能量高，四周能量低；激光束通过非球面透镜3后，光斑变为能量分布均匀的正方形光斑；平凸柱面镜Ⅰ9与正方形光斑中心同轴，且四边平行；光斑通过平凸柱面镜Ⅰ9后，单方向上收束汇聚，在平凸柱面镜Ⅰ9焦点范围内放置平凹柱面镜Ⅰ13，保证平凸柱面镜Ⅰ9和平凹柱面镜Ⅰ13弯曲方向一致，且四边平行，平凹柱面镜Ⅰ13焦距小于平凸柱面镜Ⅰ9焦距，移动平凹柱面镜Ⅰ13的位置，可以使得光斑变为矩形平行光；平凹柱面镜Ⅱ19中心与光轴重合，且弯曲方向与平凹柱面镜Ⅰ13的方向呈90度；光束通过平凹柱面镜Ⅱ19后，矩形光束长边方向被拉伸；平凸柱面镜Ⅱ24的焦距大于平凹柱面镜Ⅱ19，平凸柱面镜Ⅱ24的弯曲方向与平凹柱面镜Ⅱ19方向一致；光束通过平凸柱面镜Ⅱ24后，在长边方向适当收束，通过调整平凸柱面镜Ⅱ24的前后位置，可以调整远端光斑的宽度，即片光发散角可调，远端获得的片光为一个等厚度的扇形片光，厚度内和片光发散方向内能量分布均匀，激光能量利用率大大提高。
上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此来限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神本质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖本实用新型的保护范围内。本实用新型未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
