专利名称：一种基于数字全息术的流场显示装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种流场显示装置，属于光学测量技术领域。
背景技术：
流场是流体运动所占据的空间，由于不能直接用眼睛或视频装置接收，加上探测 过程不能干扰流场，使得常规探测仪器无法准确测量流场状态。又由于引入测量器件 后，会对流场产生影响且难于实现全场测暈，所以，到目前为止，对流场的研究工作 多集中于流场理论的数值计算。传统流场显示技术大多基丁加入不同示踪粒子，例如 染色法等。Stocks在1852年所发明的激光诱导荧光法实现了浓度场和脉动速度场的二 维分布显示，但是在对图像解释时，往往只是凭经验和直觉来判断流动结构，而显示 图像上浓度场与脉动速度场之间的关系十分复杂，这可能导致实验结果判断有误。20 世纪卯年代发展起来的粒子图像测速(PIV)技术可以和流动显示配合，定量测量湍 流速度场，通过拍摄并测量流场中跟随流体运动的颗粒(示踪粒子)的速度来反映流 场速度。然而，以上两种技术需要提前加入相应的示踪粒子，而且颗粒和流体之间仍 然存在"跟随"的问题，实际反映的是流动中示踪物的运动，而不是真正的流体运动， 并且示踪物可能对场产生干扰，有些需要人为判断，因而准确度不高。传统的流动显 示方法多利用加入有色染料的方法直观观察流场状态及其变化，不仅可观察的流场种 类有限，而且精确度低，难以做到定量分析。总之，由于传统的流场显示方法在流场 显示方面的局限性，迫切需要对其进行改进。 发明内容
为了避免现有技术的不足之处，本实用新型提出一种基于数字全息术的流场显示 装置，可以克服传统流场测量过程中所用粒子对流场造成干扰以及跟随性较差等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括激光器l，分束装置2，第一扩
束准直装置3，全反射镜4，成像装置6，分束装置7，第二扩束准直装置8，全反射镜9， 图像采集装置10和计算机11;在激光器1发出的光路中设置形成第一光束和第二光束的 分束装置2;在第一光束的光路中，设置一个将光束变为平行光的扩束准直装置8;之 后设置改变光路方向的全反射镜9;在第二光束的光路中，设置一个将光束变为平行光 的扩束准直装置3，之后依次设置改变光路方向的全反射镜4和待测流场样品5，在待测流场样品5和图像采集装置10之间设置将待测流场成像于图像采集装置10表面的成像 装置6;在成像装置6与图像采集装置10之间设置一个将第一光束反射到与第二光束方
向平行的分束装置7。图像采集装置10与计算机11连接，用于实时接收第一光束与第二
光束干涉所形成的全息图。
所述的分束装置2为固定分光比分束镜、分光比可调分束镜或光纤耦合器。 所述的全反射镜4、 9的作用为改变光束传播方向，在全光纤系统中，即分束装置2
为光纤耦合器时，全反射镜可省去不用。
所述的第一扩束准直装置3、第二扩束准直装置8可以扩展激光束直径，并将之转
变为平行光束，为空间滤波器，或透镜组，或光纤准直器与空间滤波器的组合。
所述的待测流场样品5是产生层流、紊流等各种状态的流场，为气体场或液体场。 所述的成像装置6为倒置望远镜系统、显微物镜、单个透镜或者透镜组。 所述的分束装置7为分光棱镜或半透半反镜。
所述的图像采集装置10可以代替传统的全息干板，实时记录数字全息图，为一CCD 电荷耦合器件或者是CMOS器件。
本发明的有益效果是(1)本流场显示装置中的成像装置6根据待测流场尺寸的不 同可以选用不同器件，从而对测量不同面积流场具有一定的灵活性，解决图像釆集装 置面积与像素单元有限的问题。运用显微物镜装置可以将微流场进行放大测量，或者 运用倒置望远镜装置可以将较大面积的流场縮小成像于图像釆集装置，提高测量的灵 敏度。(2)利用本流场显示装置，图像采集装置所记录的数字全息图经过计算机处理， 数值再现全息图获得包含振幅和相位的物光波场的复振幅分布，可实现各种复振幅运 算和操作，提高数据处理过程的速度与精度，可以用来研究流场的瞬态过程，真正实 现流场显示测量的实时化；(3)由于在利用本流场显示装置对流场进行测量的过程中 没有仪器探头等扰动流场，光束通过待测流场后并不对其造成干扰，从而避免由此产 生的误差。
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图l是本实用新型实施例l的结构示意图。 图2是本实用新型实施例2的结构示意图。
4图3是本实用新型实施例3的结构示意图。 图4是本实用新型实施例4的结构示意图。
图中，l-激光器、2-分束装置、3-扩束准直装置、4-全反射镜、6-待测流场样品、 6-成像装置、7-分束装置、8-扩束准直装置、9-全反射镜、10-图像采集装置、11-计算机。
具体实施方式
实施例l:如图1所示，包括激光器l，分束装置2，扩束准直装置3，全反射镜4， 待测流场样品5，成像装置6，分束装置7，扩束准直装置8，全反射镜9，图像采集装置 lO和计算机ll。
本实施例中，分束装置2采用分光比可调分束镜；待测流场样品5采用液体流场； 成像装置6选用倒置望远镜组；扩束准直装置3和扩束准直装置8为由显微镜和凸透镜组
成的扩束镜组；分束装置7选用分光棱镜，图像采集装置10选用面阵CCD。
本实施例的工作过程为激光器l发出波长单一的平面偏振光，被分光比可调分束
器2分成方向互相垂直的第一光束和第二光束。第一光束由扩束装置3扩束并准直成平 行光，被全反射镜4反射后穿过待测流场6，选择合适的倒置望远镜组6，使得经过待测 流场6的光束完整成像在CCD10表面位置。
第二光束由扩束准直装置8扩束并准直成平行光后，被全反射镜9反射，经分束装 置7反射后作为平行光与第一光束在CCD10表面发生干涉。
调节倒置望远镜组6和CCD10与待测流场6三者之间的距离，使待测流场6经过倒置 望远镜组6清晰成像在CCD10表面上。在CCD10记录范围内调节第一、二光束之间的 夹角，然后分别拍摄静止流场和变化流场两种情况下的数字全息千涉图。最后，将两 种情况的数字全息图由计算机ll通过快速傅里叶变换算法和数字图像处理等手段进行 数值重构，利用二次曝光全息原理即可以获得流场的数字全息再现像。
本实施例的有益效果是可根据被测流场大小选择不同镜头型号的倒置望远镜，无 论流场相对CCD耙面尺寸较大还是较小，都有相应型号的倒置望远镜使其完整成像在 CCD耙面；对于前后镜头型号确定的倒置望远镜，其物像距等参数是已知的，使调节 流场清晰成像的过程简单方便；倒置望远镜的精密设计在很大程度上减少了成像过程 中产生的各种像差。本实施例的另一有益效果是物体位置变化并不影响图像的放大倍率。远心镜头从 相同的视角来观察和显示整个物体，因此，不会出现类似使用单透镜时三维特征出现 的透视变形和图像位置错误。即使在流场纵向较深的内部区域，在整个视野中也清晰 可见，因此，在检测三维流场时或当图像尺寸和形状精确性十分重要的情况下，本实 施例中的装置非常有用。
实施例2:如图2所示，包括激光器l，分束装置2，扩束准直装置3，全反射镜4， 待测流场样品5，透镜6，分束装置7，扩束准直装置8，全反射镜9，图像采集装置IO 和计算机U。
与实施例l不同的是，成像装置6用单个透镜代替倒置望远镜组。
本实施例的工作过程为激光器l发出波长单一的平面偏振光，被分光比可调分束
器2分成方向互相垂直的第-一光束和第二光束。第一光束由扩束装置3扩束并准直成平 行光，被全反射镜4反射后穿过待测流场6，选择合适的透镜6，使得经过待测流场6的 光束完整成像在CCD10表面位置。
第二光束由扩束准直装置8扩束并准直成平行光后，被全反射镜9反射，经分束装 置7反射后作为平行光与第一光束在CCD10表面发生干涉。
调节透镜6和CCD10与待测流场6三者之间的距离，使待测流场6经过透镜6清晰成 像在CCD10表面上。在CCD10记录范围内调节第一、二光束之间的夹角，然后分别拍 摄静止流场和变化流场两种情况下的数字全息干涉图。最后，将两种情况的数字全息 图由计算机ll通过快速傅里叶变换算法和数字图像处理等手段进行数值重构，利用二 次曝光全息原理即可以获得流场的数字全息再现像。
本实施例的有益效果是凸透镜无需因为光束面积的较大范围改变而更换，操作简 单，灵活；在使用单透镜观察测量同一个样品的不同面积流场时，处理的结果具有很 高的可比性。
实施例3:如图3所示，包括激光器l，分束装置2，扩束准直装置3，全反射镜4， 待测流场样品5，显微物镜6，分束装置7，扩束准直装置8，全反射镜9，图像采集装置 lO和计算机ll。
与实施例l不同的是，成像装置6用单个显微物镜代替倒置望远镜组。本实施例的工作过程为激光器l发出波长单一的平面偏振光，被分光比可调分束 器2分成方向互相垂直的第一光束和第二光束。第一光束由扩束准直装置3扩束并准直 成平行光，被全反射镜4反射后穿过待测流场6，选择合适的显微物镜6，使得经过待测 流场6的光束完整成像在CCD10表面位置。
第二光束由扩束准直装置8扩束并准直成平行光后，被全反射镜9反射，经分束装 置7反射后作为平行光与第一光束在CCD10表面发生干涉。
调节显微物镜6和CCD10与待测流场6三者之间的距离，使待测流场6经过显微物镜 6清晰成像在CCD10表面上。在CCD10记录范围内调节第一、二光束之间的夹角，然 后分别拍摄静止流场和变化流场两种情况下的数字全息干涉图。最后，将两种情况的 数字全息图由计算机ll通过快速傅里叶变换算法和数字图像处理等手段进行数值重 构，利用二次曝光全息原理即可以获得流场的数字全息再现像。
本实施例的有益效果是适用于微流场测量。通过调整显微物镜6、 CCD10以及流场 样品三者之间的位置，可以将微流场的微小变化放大到CCD可分辨的范围，充分利用 CCD耙面尺寸。由于显微物镜物方视场直径(即通过显微镜能看到的图像范围)约为 11-20毫米，物镜放大倍率通常为5 100倍，相对于实施例l中的倒置望远镜，可测量 流场面积更小，放大倍数范围更大，使用起来相对简单。
实施例4:如图4所示，包括激光器l，分束装置2，扩束准直装置3，待测流场样品 5，倒置望远镜6，分束装置7，扩束准直装置8，图像采集装置10和计算机11。
与实施例3不同的是，装置中没有全反射镜4、 9，分束装置2用光纤耦合器代替分 光比可调分束镜。扩束准直装置3和扩束准直装置8由光纤准直器和空间滤波器两部分 组成。
本实施例的工作过程为激光器发出的光通过光纤传输到达光纤耦合器2，被光纤 耦合器2分为第一光束和第二光束，第一光束经光纤传输由扩束装置3中的光纤准直器 准直成细平行光，再由扩束装置3中的空间滤波器扩束并准直后成光斑面积为待测流场 面积大小的平行光，穿过待测流场6，选择合适的显微物镜6，使得经过待测流场6的光 束完整成像在CCD10表面位置。第二光束由扩束准直装置8经光纤传输由扩束装置3中的光纤准直器准直成细平行 光，再由扩束装置3中的空间滤波器扩束并准直后成光斑面积较大的平行光，经分束装
置7反射后作为平行光与第一光束在CCD10表面发生干涉。
调节显微物镜6和CCD10与待测流场6三者之间的距离，使待测流场6经过显微物镜 6清晰成像在CCD10表面上。在CCD10记录范围内调节第一、二光束之间的夹角，然 后分别拍摄静止流场和变化流场两种情况下的数字全息干涉图。最后，将两种情况的 数字全息图由计算机ll通过快速傅里叶变换算法和数字图像处理等手段进行数值重 构，利用二次曝光全息原理即可以获得流场的数字全息再现像。
本实施例的有益效果是用光纤代替部分光学器件，不仅提高了装置的抗振动能力， 避免了因光路不稳定使测量结果产生较大误差，而且在一定程度上减小了装置的体积， 有利于装置小型化。
权利要求1、一种基于数字全息术的流场显示装置，包括激光器，分束装置，第一扩束准直装置，全反射镜，成像装置，分束装置，第二扩束准直装置，全反射镜，图像采集装置和计算机，其特征在于在激光器发出的光路中设置形成第一光束和第二光束的分束装置；在第一光束的光路中，设置一个将光束变为平行光的扩束准直装置，之后设置改变光路方向的全反射镜；在第二光束的光路中，设置一个将光束变为平行光的扩束准直装置，之后依次设置改变光路方向的全反射镜和待测流场样品，在待测流场样品和图像采集装置之间设置将待测流场成像于图像采集装置表面的成像装置；在成像装置与图像采集装置之间设置一个将第一光束反射到与第二光束方向平行的分束装置；图像采集装置与计算机连接，实时接收第一光束与第二光束干涉所形成的全息图。
2、 根据权利要求1所述的一种基于数字全息术的流场显示装置，其特征在于 所述的分束装置为固定分光比分束镜或分光比可调分束镜。
3、 根据权利要求1所述的一种基于数字全息术的流场显示装置，其特征在于 所述的分束装置为光纤耦合器，全反射镜省去不用。
4、 根据权利要求1所述的一种基于数字全息术的流场显示装置，其特征在于 所述的第一扩束准直装置和第二扩束准直装置为空间滤波器、透镜组或光纤准 直器与空间滤波器的组合。
5、 根据权利要求1所述的一种基于数字全息术的流场显示装置，其特征在于 所述的成像装置为倒置望远镜系统、显微物镜、单个透镜或者透镜组。
6、 根据权利要求1所述的一种基于数字全息术的流场显示装置，其特征在于 所述的分束装置为分光棱镜或半透半反镜。
7、 根据权利要求1所述的一种基于数字全息术的流场显示装置，其特征在于 所述的图像采集装置为一 CCD电荷耦合器件或者是CMOS器件。
专利摘要本实用新型公开了一种基于数字全息术的流场显示装置，在激光器发出的光路中设置分束装置，在第一光束光路中，依次设置一个将光束变为平行光的扩束准直装置和改变光路方向的全反射镜；在第二光束光路中，依次设置一个将光束变为平行光的扩束准直装置、改变光路方向的全反射镜和待测流场样品，在待测流场样品和图像采集装置之间设置将待测流场成像于图像采集装置表面的成像装置；在成像装置与图像采集装置之间设置一个将第一光束反射到与第二光束方向平行的分束装置；图像采集装置与计算机连接。本实用新型具有一定的灵活性，能够提高测量的灵敏度，可实现各种复振幅运算和操作，提高数据处理过程的速度与精度，避免误差。
文档编号G01M10/00GK201382849SQ200920032229
公开日2010年1月13日 申请日期2009年3月17日 优先权日2009年3月17日
发明者孙伟伟, 赵建林, 邸江磊, 闫晓博 申请人:西北工业大学