CN107024417A - 基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置及方法，光源设置在待测颗粒上方，直接或通过视窗照明待测颗粒，镜头设置在待测颗粒前方，镜头后面置有分光棱镜，用于将一束入射光分为两束线偏振光；分光棱镜的两个出射面一侧分别设置一个半波片，用来改变线偏振光的偏振角；每只半波片的出射面后分别设置一个分光棱镜，用于将两束入射光分为四束；两只分光棱镜的四个出射面后分别设置一个微透镜阵列，微透镜阵列后设置图像传感器，图像传感器连接计算机。本发明在保证空间分辨率的前提下，可以有效提升在颗粒光场测量中的深度分辨率和测量深度，不仅使得小空间颗粒测量的精度成倍提高，更使得光场测量技术在大空间颗粒测量中的应用成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光场成像的颗粒测量装置及方法，特别涉及一种采用单镜头多光路光场测量系统以获取颗粒粒径大小、三维位置和运动速度信息的装置及方法。
背景技术
近年来随着数字相机和光场测量技术的发展，采用数字光场相机拍摄颗粒或两相流中的颗粒相以获取相关信息的颗粒图像测量方法开始引起测量人员的关注。对于一定空间分布的颗粒粒径大小、三维位置和运动速度信息的获取，可以采用由具有大靶面图像传感器的数字光场相机和高质量工业相机镜头组成的光学测量系统，在某一特定距离进行测量。但大靶面图像传感器和镜头的匹配设计困难且成本高昂；传感器尺寸和像素数的限制使得光场测量的深度分辨率和空间分辨率相互制约，令测量精度和准确性都大大降低；需要使用多焦距微透镜阵列来保证有效测量深度的距离，但多焦距微透镜阵列制作难度大、成本高、且光学性能受限，同时会使得空间分辨率大幅度降低。
发明目的
本发明的目的是要提供一种基于光场测量技术、使用单镜头多光路光场测量系统的颗粒测量装置及方法，具有测量深度范围大、测量空间及深度分辨率高、装置简单、操作简便、测量精确、成本低廉的优点。
本发明的技术方案是：一种基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置，由光源、镜头、分光棱镜、半波片、微透镜阵列、图像传感器、计算机组成，所述的光源设置在待测颗粒上方，直接或通过视窗照明待测颗粒，所述镜头设置在待测颗粒前方，所述镜头后面置有分光棱镜，用于将一束入射光分为两束线偏振光；所述分光棱镜的两个出射面一侧分别设置一个半波片，用来改变线偏振光的偏振角；每只半波片的出射面后分别设置一个分光棱镜，用于将两束入射光分为四束；两只分光棱镜的四个出射面后分别设置一个微透镜阵列，每片微透镜阵列后设置图像传感器，图像传感器连接计算机。
所述的光源为白光光源或单色光源。
所述分光棱镜为半透半反棱镜、五角分光棱镜、半透半反平面分光镜和分光光学元件中的任一种。
所述半波片为至少四分之一波片或可以改变偏振光偏振角的光学元件。
所述图像传感器为CCD或CMOS器件。
一种采用基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量的测量方法，其步骤为：
1. 测量前首先对基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置采用透明标定物进行标定，获得像素代表的实际尺寸；
2. 采用光源照明待测颗粒区域，调节光源的位置和强度大小，使背景光均匀；
3. 分光棱镜置于镜头后，将所接收到的光源分为两路，再分别经过各自光路的半波片、分光棱镜，光源被分为四路，分别在经过后四片微透镜阵列后，由图像传感器成像；
4. 采用不同焦距型号的微透镜阵列或调整图像传感器与微透镜阵列的距离的方式，使得四个图像传感器具有不同但相邻的工作距离；
5. 调节图像传感器曝光时间及感光度参数，使得四个图像传感器在对同一对象进行拍摄时可以获得亮度、对比度相同的图像；
6. 通过同步触发方式使得四个图像传感器同时对待测颗粒区域进行拍摄，并将获取图像输入计算机；
7. 在计算机上，将四个图像传感器6对同一颗粒区域同时拍摄获取的四幅图像进行重聚焦、深度计算、颗粒匹配或颗粒轨迹长度识别处理，获得待测颗粒的粒径大小、三维位置和运动速度信息。
本发明的有益效果是：在保证空间分辨率的前提下，可以有效提升在颗粒光场测量中的深度分辨率和测量深度，不仅使得小空间颗粒测量的精度成倍提高，更使得光场测量技术在大空间颗粒测量中的应用成为可能。同时，还可以结合离焦测量方法获得颗粒场更加准确的深度信息和更高的深度分辨率。
附图说明
图1为本发明的基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置的实施例1示意图；
图2为本发明的基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置的实施例2示意图；
图3为本发明的基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置的实施例3示意图；
图4为本发明的基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置的实施例4示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，一种采用单镜头多光路光场测量系统的颗粒测量装置，由光源1、镜头2、分光棱镜3、半波片4、微透镜阵列5、图像传感器6、计算机7组成，所述的光源1直接或通过视窗照明待测颗粒，第一个分光棱镜3置于镜头2后，将一束入射光分为两束线偏振光。第一个分光棱镜3的两个出射面一侧分别设置第一个半波片4和第二个半波片4，来改变线偏振光的偏振角。每只半波片4的出射面后分别设置第二个分光棱镜3和第三个分光棱镜3，将两束入射光分为四束。第二个分光棱镜3和第三个分光棱镜3的四个出射面后分别设置焦距等各参数都相同的第一个微透镜阵列5、第二个微透镜阵列5、第三个微透镜阵列5、第四个微透镜阵列5，并按照不同距离（如图1中Δd1、Δd2、Δd3和Δd4所示）在每片微透镜阵列5后设置图像传感器6，每个图像传感器6连接计算机7。
一种采用单镜头多光路光场测量系统的颗粒测量装置的颗粒测量方法，其步骤为：
（1） 测量前首先对测量装置采用透明标定物进行标定，获得不同距离下图像传感器6的像元（像素）代表的实际尺寸的对应关系曲线或对应表；
（2）采用光源1照明待测颗粒区域，调节光源的位置和强度大小，使背景光均匀；
（3）分光棱镜3置于镜头2后，将所接收到的光源分为两路，再分别经过各自光路的半波片4、分光棱镜3，光源被分为四路，分别在经过后四片微透镜阵列5后，分别由采用CCD或CMOS的图像传感器6传感器成像；
（4） 通过采用相同焦距型号的微透镜阵列5，并调整图像传感器6与微透镜阵列5的距离的方式，使得四个图像传感器6具有不同但相邻的工作距离；
（5） 调节相机曝光时间及感光度等参数，使得四个图像传感器在对同一对象进行拍摄时可以获得亮度、对比度等参数相同的图像；
（6）通过同步触发等方式使得四个图像传感器6同时对待测颗粒区域进行拍摄，并将获取图像输入计算机7；
（7） 在计算机7上，将四个图像传感器6对同一颗粒区域同时拍摄获取的四幅图像进行重聚焦、深度计算、颗粒匹配或颗粒轨迹长度识别等处理，获得待测颗粒的粒径大小、三维位置和运动速度等信息。
实施例2：
如图2所示，将实施例1中的四片相同焦距参数的微透镜阵列5替换为四片焦距参数都不相同的微透镜阵列8，测量步骤与实施例1操作过程相同。
实施例3：
如图3所示，将实施例1中的四片相同焦距参数的微透镜阵列5替换为四片焦距参数都不相同的微透镜阵列8，并按照相同距离在每片微透镜阵列后设置图像传感器（Δd1=Δd2=Δd3=Δd4），测量步骤与实施例1操作过程相同。
实施例4：
如图4 所示，也可将实施例1中的分光棱镜3用平面分光镜9代替，此平面分光镜9是在光学平片上镀分光膜构成。
本发明的基本原理：在目前的光场颗粒测量过程中，一方面，为了保证一定的空间分辨率，使得颗粒在传感器上可以清晰、准确地成像，测量系统的设计中会很大程度上牺牲光场相机的深度分辨率，压缩测量系统的三维测量深度；但从另一角度看，深度信息对于被测颗粒达的空间位置、运动速度场等信息的获取是十分重要的，因此在保证空间分辨率的前提下应尽可能地通过增加传感器尺寸及像素数等方式增加相机的深度分辨率。另一方面，为了保证测量所需的空间分辨率和深度分辨率，光场测量系统在颗粒及多相流测量，特别是大空间流场测量当中会使用具有大靶面图像传感器和多焦距微透镜阵列的光场相机，并为其配备高质量工业相机镜头；但从另一角度而言，如果采用多个图像传感器分别配置或共用微透镜阵列的方式，则可以在长测量深度、高成像质量、低成本的前提下，有效提升测量系统的空间分辨率和深度分辨率，提高测量精度、准确性。
Claims (6)
1.一种基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置，由光源(1)、镜头(2)、分光棱镜(3)、半波片(4)、微透镜阵列(5)、图像传感器(6)、计算机(7)组成，其特征在于：所述的光源(1)设置在待测颗粒上方，直接或通过视窗照明待测颗粒，所述镜头(2)设置在待测颗粒前方，所述镜头(2)后面置有分光棱镜(3)，用于将一束入射光分为两束线偏振光；所述分光棱镜(3)的两个出射面一侧分别设置一个半波片(4)，用来改变线偏振光的偏振角；每只半波片(4)的出射面后分别设置一个分光棱镜(3)，用于将两束入射光分为四束；两只分光棱镜(3)的四个出射面后分别设置一个微透镜阵列(5)，每片微透镜阵列(5)后设置图像传感器(6)，图像传感器(6)连接计算机(7)。
2.根据权利要求1所述的基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置，其特征在于：所述的光源(1)为白光光源或单色光源。
3.根据权利要求1所述的基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置，其特征在于：所述分光棱镜(3)为半透半反棱镜、五角分光棱镜、半透半反平面分光镜和分光光学元件中的任一种。
4.根据权利要求1所述的基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置，其特征在于：所述半波片(4)为至少四分之一波片或可以改变偏振光偏振角的光学元件。
5.根据权利要求1所述的基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置，其特征在于：所述图像传感器(6)为CCD或CMOS器件。
6.一种采用权利要求1-6任一所述的基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置的测量方法，其特征在于，其步骤为：
1）测量前首先对基于单镜头多光路光场成像的三维颗粒场测量装置采用透明标定物进行标定，获得像素代表的实际尺寸；
2）采用光源(1)照明待测颗粒区域，调节光源(1)的位置和强度大小，使背景光均匀；
3）分光棱镜(3)置于镜头(2)后，将所接收到的光源(1)分为两路，再分别经过各自光路的半波片(4)、分光棱镜(3)，光源(1)被分为四路，分别在经过后四片微透镜阵列(5)后，由图像传感器(6)成像；
4）采用不同焦距型号的微透镜阵列(5)或调整图像传感器与(6)微透镜阵列(5)的距离的方式，使得四个图像传感器(6)具有不同但相邻的工作距离；
5）调节图像传感器(6)曝光时间及感光度参数，使得四个图像传感器(6)在对同一对象进行拍摄时可以获得亮度、对比度相同的图像；
6）通过同步触发方式使得四个图像传感器(6)同时对待测颗粒区域进行拍摄，并将获取图像输入计算机(7)；
7）在计算机(7)上，将四个图像传感器(6)对同一颗粒区域同时拍摄获取的四幅图像进行重聚焦、深度计算、颗粒匹配或颗粒轨迹长度识别处理，获得待测颗粒的粒径大小、三维位置和运动速度信息。
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