353_088-125CP-TW
發佈日期 :
2009-04-29
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： | |
| ※申請日期： ※ＩＰＣ分類： | |
| 一、發明名稱： (中文/英文)
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一種連續雷射數位化粒子影像測速儀之組成及方法 (全文下載) A Low-Cost Continuous-Wave-Laser(Cw Laser)Digital Particle Image Velocimetry
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| 二、申請人： 共 人
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| 指定 為應受送達人
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| 三、發明人： | |
| ◎專利代理人： | |
| 四、聲明事項 | |
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| □主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
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| □主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
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| □ 主張專利法第二十六條微生物：
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| □ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存 | |
| 五、中文發明摘要： | |
| 本發明一種低價位連續波雷射數位化粒子影像測速儀(DigitalParticle Image Velocimetry,DPIV)和方法，係應用低價位的基本量測設備包括:複合光連續波雷射、高速數位攝影機(CCD，Charge CoupleDevice)、光電管、影像處理卡、電腦等，加裝一個色彩交替平面光產生裝置。藉色彩交替光產生裝置，將複合光改成色彩交替平面光，診測流場，以高速數位攝影機(CCD)製成色彩交替影像，由電腦分析影像，配合交叉關連分析法，判定流速方向、大小的方法和裝備。 | |
| 六、英文發明摘要： | |
| The patent of a low-cost alternating color-pulse digital particle-image velocimetry (DPIV) system is proposed. In the proposed system low-cost basic equipmcnts are used such as a continuous-wave laser in mixed mode, a CCD camera, a PMT (Photo-Multiplier Tube), an image-processing card, a PC etc., with an add-on alternating-color planar laser-sheet generating facility to achieve the purpose of DPIV of planar velocity measurements. With the add-on facility, the laser beam from the continuous-wave laser operated in mixed mode is turned into a planar laser sheet with alternating color at a designated frequency. The CCD camera captures the alternating-color images of the flowfield seeded with small particles. The images are then sent to a personal computer for analysis of the magnitude and direction of the velocity distribution of the flowfield. | |
| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：
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| 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： | |
| 九、發明說明： | |
| 產業上之利用領域 本發明揭示一種低價位連續雷射波數位化粒子影像測速儀，用高速數位攝影機(CCD)拍攝粒子流場，將其影像個人電腦處理，判定速度的方向和大小，流場中粒子的移動軌跡、瞭解流場二維平面的速度大小，以及在空間中速度分佈。 背景 早期流體力學，是使用熱線測速儀(Hot Wire Anemometer)或者皮托管(Pitot Tube)等介入性量具，置放流場中，量測該點的數據；而以視流法(Flow Visualization Techniques)觀察流線的幾何分佈、流場形狀......等定性資料，瞭解流場的特性。 由於科技日新月異，光學、電子學、影像處理、雷射科技以及數位計算機的蓬勃發展，雷射都普勒測速技術(Laser Doppler Velocimetry, LDV)被廣泛應用以量測流場單點速度；此種非介入式量測，不但不影響流場的完整性，又能提供高準確性的流場速度與紊流(Turbulence)資料。軍點量測技術只能在單點上得到資料，無法即時瞭解整個平面的速度分佈：經前人努力，在七0年代末期，Simpkins, P.G.等人於1978年J.of Fluid Mech.第89卷第665頁至671頁報導所發展之數位化粒子軌跡測速法(Pawicle StreakVelocimetry, PSV)，藉由高速數位攝影機(CCD)拍攝經雷射或其他光源掃瞄布植撒粒子之流場瞬間Mie散射影像，以影像(底片或相片)分析流場中粒子的移動軌跡、瞭解流場二雒平面的速度大小，以及在空間中速度分佈的相互關係：此種軌跡測速法，設備簡單易用，以人工分析方式，便可簡單地算出速度：但面對複雜、快速而且琉場顆粒較多的影像，便難以處理，且無法莘確判定流場速度的方向。 習知技藝 為了判定速度的方向，曾有人使用經過編碼、不同時間長度的閃光，便單一顆粒在影片上能留下長度不同的線段：再藉由線段長短，比照編碼來判斷速度方向：然此種方法，處理複雜的琉場影像，仍較困難。八0年代末期，Meynart, R.於1983年Applied Optics.第19卷第9期第1385頁至1386頁報導使用楊氏干涉條紋法(Young’sFringe Method)，或者He,Z.H.等人於1984牛Experimental Mechanics,第117頁至121頁報導二維自行關連分析法(Auto-correlationMethod)；其中楊氏干涉條紋法，因數學運算較為複雜；而大都選用二維自我關連分析法；此兩種方法，雖能分析比較複雜的影像圖片；但仍然無法解泱，粒子運動方向的困擾。 為了解泱前述之各項缺點，數位化粒子影像測速法因運而生；數位化粒子影像測速法係利用高能脈衝雷射(Pulse Laser)、高速數位攝影機(Charge Couple Device,CCD Camera)、影像擷取卡(FrameGrabber)，個人電腦(Personal Computer)等設備；以高速數位攝影機(CCD，Charge Couple Device)拍攝經過高能脈衝雷射掃瞄的流場影像，在個人電腦上，經由影像擷取卡，擷取影像，用單一影像自我關連分析法，以判定速度大小；速度方向之判定或者藉由準確控制雙脈衝(Double Pulse)雷射閃光相對攝影機鏡頭開啟之相對時間，以判定兩張影像之時間順序，再搭配利用交叉關連分析法(cross-correlation method)，處理兩張不同時問之影像，以判定速度方向；或者利用兩台雷射，將其中一台雷射延遲並讓其雷射光通過拉曼管(Raman Tube)改變顏色，再利用不同顏色影像及交叉關連分析法(Cross-Correlation Method)，來判定速度方向及大小。上述方法，確實能得到良好的量測效果，但雙脈衝(Double Pulse)高能雷射、變色用拉曼管、複雜延遲控制器以及高速影像擷取卡等設備，價格昂貴，非一般研究機構或人員能負擔。 近幾年，彩色數位影像技術蓬勃發長，很容易分離同一影像中的不同色相：巳分離色相的影像，配合交叉闞連分析法(Cross-Correlation Method)之過程如圖1所示。所謂彩色數位化影像之拍攝，如同一般單眼相機一樣有快門時間之設定，當快門開啟時綠色光雷射照亮了流場中的顆粒並使這些顆粒散射出綠色光，此時稱為第一時間點，綠色光照射一段時間後再輪到藍色光照射，此時為第二時問點，在綠色藍色交替的時間差下，相同的顆粒因為在流場中移動的關係所以會在不同的位置以不同的顏色顯像，從綠色光開始照射到藍色光照射結束這段時間皆是在快門時間內完成，如此便能得到彩色數位化圖片(101)一幅。彩色數位圖片中之綠色影像(102)以黑色實心記號代替表示，彩色圖片中之藍色影像(103)以空心記號代替表示，困為彩色數位化圖片是以三原色相即紅、藍、綠所構成，數位化彩色圖片一般皆是以個人電腦配合程式語言對數位化彩色圖片做影像色相分離(104)，如此作法便可將一張彩色數位化圖片中綠色之影像與藍色之影像分別獨立出來。前述分離數位化彩色圖片色相之目的在於要利用數學中所謂交叉關連分析(105)法來判斷到底是否同一個顆粒在不同的時間點所留下的痕跡，知道相同顆粒在不同時間點留下來的痕跡距離後，除以綠色藍色的交替時間便可以算出顆粒的移動速度(106)。前述之作法可以在同一張影像上比對不同顏色的訊號，因而得知流場速度方向。Jaw,S.-Y.等人於1998年The 22nd Symposium on Naval Hydrodynamics, Washington D.C.,U.S.A.,.報導交替色彩影像測速法即依此發展：該方法係以氳離子雷射，產生複合光，藉由聲光調變設備(Acousto-Opto Modulator,AOM)，交替改變雷射波長顏色，使複合光變成雙色交替平面光，以掃瞄流場，由高速數位攝影機(CCD)拍攝記錄，製作雙色交替影像，因而能區別不同時間的影像，判定流場方向和大小，達成二維影像測速：氬離子雷射為連續波，雖然限制了最高測量速度範圍與精度，但其價格平實：交替色彩影像測速法，是以氬離子雷射，產生複合波，故能降低設備費用，但必須運用特殊聲光調變技術，改變雷射光波長：而該特殊聲光調變設備，不易取得，在操作、控制上，也有諸多困難。 發明人從事流場觀察、量測多年，實際操作以上各種方法：證實色彩交替影像應用於影像測速儀中，能相當準確、有效的判定流場速度的方向和大小：甚至可以應用於生物科技以及微機械上，做非介入式(non-intrusive)介質傳遞速度的量測：為避免上述操作、控制困難，裝置取得不易的問題，本案發明人，揚棄以特殊聲光調變技術改變複合光為色彩交替光的方法，而有本發明--低價位連續雷射波數位化粒子影像測速方法及裝置。 發明目標 本發明之首要目的係揭示一種低價位連續雷射波數位化粒子影像測速儀(Digital Particle Image Velocimetry, DPIV)，藉色彩交替光產生裝置，將複合光改成色彩交替平面光，診測流場，以高速數位攝影機(CCD)製成色彩交替影像，由電腦分析影像，配合交叉關連分析法，判定流速方向、大小。 本發明之另一目的係揭示一種低價位連續雷射波數位化粒子影像測速方法，用CCD拍攝粒子流場，其影像個人電腦處理，判定速度的方向和大小，流場中粒子的移動軌跡、瞭解流場二維平面的速度大小，以及在空間中速度分佈。 凡是熟悉該技藝的人士在閱讀下列經由不同圖解所展示之較佳實施例詳細說明後，無疑地將非常清楚本發明所揭示之目的和優點。 發明之詳細說明 本發明『低價位連續波雷射數位化粒子影像測速方法』，是以一套分光裝置(301)將複合雷射光分離後，再以間歇性截光裝置(305)，分別、間歇阻隔已分離的雷射光，產生兩道明暗交替(你明我暗)的間歇光束。兩道明暗間歇光束，經合光裝置(309)後，再經柱狀鏡，散開成為色彩交替平面光(25)，掃描照射粒子流場(51)。由高速數位攝影機(CCD，Charge Couple Device，8)拍攝，成為色彩交替影像，交由電腦(9)的影像處理分離色相，配合交叉關連分析法(105)，判定速度方向及大小，完成二維的流場速度量測。實施本測速方法的裝置，均取用最基本、低廉的流場光學零組件裝置(如氬離子雷射、光學稜鏡……)加以改裝，故費用低廉，深具市場競爭力。 低價位連續波雷射數位化粒子影像測速儀的裝置(DPIV)，包括一氬離子雷射(1)，一色彩交替平面光產生裝置(3)，一旁通分光透鏡(31)，一高速數位攝影機(CCD，8)，一電腦(9)， 其特徵係在色彩交替平面光產生裝置(3)後側方安置有平面反射鏡(304)，以調整兩道光路成平行進入間歇性截光裝置(305)，間歇性截光裝置(305)後方於不同距離處設置兩片平面反射鏡(304)，使光路平行進入合光裝置(309)，於其後方有平面散光裝置(310)。另以旁通分光透鏡(31)，於其軸線後方安置有高速數位攝影機觸發裝置(6)。 色彩交替平面光產生裝置(3)中所包含之間歇性截光裝置(305)，包括一個可變速馬達(3051)和一個多孔縫截光板(3052)，多孔縫截光板之徑向方向分隔有內、外兩個不同周徑．各周徑上依需要度間歇地排列三組不同規格、數目相同的孔縫組。 本發明低價位連續波雷射數位化粒子影像測速儀的裝置(DPIV)，設備上使用連續波氬離子雷射(1)，該雷射之軸線前方有色彩交替平面光產生裝置(3)，另以分光鏡(31)安置於色彩交替平面光產生裝置(3)之側面以承接一部份之綠色明暗脈衝，在旁通分光透鏡(31)之軸線後方安置有高速數位攝影機觸發裝置(6)，並以訊號線(7)連接至高速數位攝影機(CCD，8)，高速數位攝影機以導線(81)連接至個人電腦(9)。以兩個正三角柱狀稜鏡對接組成分光裝置(301)。 色彩交替平面光產生裝置(3)如圖3所示，於分光裝置(301)後側方安置有兩片平面反射鏡(304)，以調整兩道光路成平行進入間歇性截光裝置(305)，間歇性截光裝置(305)後方於不同距離處設置兩片平面反射鏡(304)，使光路平行進入合光裝置(309)，於其後方有平面散光裝置(310)。該合光裝置為兩五邊形稜鏡所構成，而平面散光裝置(310)係使用一般之柱狀鏡。 於較遠離間歇性截光裝置(305)之後方平面反射鏡(304)，之前方設備有旁通分光透鏡(31)，於旁通分光透鏡(31)之軸線後方安置有高速數位攝影機觸發裝置(6)，並以訊號線(7)連接至高速數位攝影機(CCD，8)。高速數位攝影機觸發裝置(6)主要由光電倍增管(Photomultiplier Tube，311)以及光電倍增管電源供應與訊號產生控制器(312)所構成。 上述的間歇性截光裝置(305)，包括一個可變速馬達(3051)，和一個多孔縫截光板(3052)，多孔縫截光板之徑向方向分隔有內、外兩個不同周徑如圖4所示。周徑上依需要度間歇地排列三組不同規格、數目相同的孔縫組，分別為組1孔縫(3053)、組2孔縫(3054)、組3孔縫(3055)。其中，組1孔縫(3053)與組3孔縫(3055)同徑向，組1孔縫(3053)與組2孔縫(3054)同在外周徑，組2孔縫(3054)與組3孔縫(3055)在徑向上，間歇排序。 低價位連續波雷射數位化粒子影像測速儀方法，請依序參考圖2、圖3、圖4，多波長多色光(2)由連續波雷射數位化粒子影像測速儀(Digital Particle Image Velocimetry, DPIV)之氬離子雷射(1)輸出，該雷射可以持續輸出多波長多色光(2)，其係複合光，以藍色光(488 nm)及綠色光(514.5 nm)最強。雷射所輸出之複合光進入色彩交替平面光產生裝置(3)後，經圖3所示之連串裝置後產生藍綠交替脈衝平面光(5)照明粒子流場(51)。除此之外，另於色彩交替平面光產生裝置(3)內有一旁通分光透鏡(31)，可將一部份之綠色明暗脈衝(4)引導旁通進入高速數位攝影機觸發裝置(6)，內含光電倍增管(Photomultiplier Tube，311)與訊號產生控制器(3l2)，該觸發裝置收到綠色雷射訊號時，經由訊號線(7)立即輸出標準TTL(標準5V方波)訊號(71)至高速數位攝影機(CCD，8)，用以啟動快門拍攝粒子流場(51)內流線的幾何分佈、流場形狀、流場速度與紊流(Turbulence)......等定性資料。高速數位攝影機之彩色數位化影像隨即以導線(81)，送入附加影像處理介面之個人電腦(9)儲存，配合圖1所述之處理過程來分離得自高速數位攝影機(CCD，8)的彩色數位化影像，判定速度的方向和大小，流場中粒子的移動軌跡、瞭解流場二維平面的速度大小，以及在空間中速度分佈。 而雷射所輸出之複合光，產生藍綠交替脈衝平面光(5)照明粒子流場(51)之過程，如圖3所示。該多波長多色光(2)由雷射(1)輸出後進入色彩交替平面光產生裝置(3)，首先進入雙正三角柱狀稜鏡之分光裝置(301)，將複合光中混合的藍綠兩色加以分離，形成兩道路徑不同的綠色(302)與藍色(303)連續光；就如同太陽白光經此分光裝置亦可以被分離成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫一般。在配置光學設備時為了縮小光路所佔空間，故必須對光路以平面反射鏡(304)加以調整，使得空間能夠充分被利用。除此之外兩片平面反射鏡(304)亦必須肩負調整兩道光路成平行進入間歇性截光裝置(305)的工作，間歇性截光裝置(305)於圖4中加以說明。平行進入間歇性截光裝置(305)的雷射光綠色(302)與藍色(303)連續光，分別經間歇阻隔、分離成為明暗交替(你明我暗)的兩道明暗間歇光脈衝，其一為綠色明暗間歇性脈衝(306)，另一為藍色明暗間歇性脈衝(307)。所謂明暗交替脈衝係指當綠色光照明時藍色光不出光，反之藍色通過時綠色光會停止，也就是兩種顏色交替輸出。綠色明暗間歇性脈衝(306)與藍色明暗間歇性脈衝(307)經過兩片平面反射鏡(304)調整，使光路平行後進入合光裝置(309)合成色彩交替光。該合光裝置(309)為兩五邊形稜鏡構成，該合光裝置為兩五邊形稜鏡所構成，其原理係利用光在石英玻璃內部傳遞時，因為折射率不同而造成折射與反射的現象，促使進入該裝置之兩道互相平行的綠色明暗間歇性脈衝(306)與藍色明暗間歇性脈衝(307)回歸到同一行進路線。 高速數位攝影機(8)的快門啟動係利用TTL(標準5V方波)訊號(7)所觸發，該觸發訊號之發出係由觸發裝置(6)接收到旁通分出之綠色明暗間歇光脈衝(4)所引起之反應。為達到此目的，設備中使用一旁通分光透鏡(31)置於綠色明暗間歇性脈衝(306)光路上，使綠色明暗間歇性脈衝(306)形成綠色明暗間歇光脈衝(4)，當其通過時該綠色明暗間歇光脈衝(4)照射至高速數位攝影機觸發裝置(6)。高速數位攝影機觸發裝置(6)主要是由光電倍增管(Photomultiplier Tube，311)以及光電倍增管電源供應與訊號產生控制器(312)所構成。 如圖4所示的間歇性截光裝置(305)，當可變速馬達(3051)帶動多孔縫截光板(3052)旋轉時，組2孔縫(3054)與組3孔縫(3055)，依序間歇阻斷光線，使通過截光板兩個不同色彩的光束，產生明暗交替(你明我暗)的明暗間歇光脈衝；組1孔縫(3053)是組2孔縫的參考點，用來監測定速馬達轉速；通過截光裝置的交替明暗脈衝，再以合光裝置(309)，合成色彩交替光，再平面散光裝置(310)，成為色彩交替平面光；該交替明暗脈衝的頻率，則可藉馬達轉速控制器調節。 本發明『低價位連續雷射數位化粒子影像測速方法及裝置』，是藉光電管感應單一色光，啟動高速數位攝影機(CCD)，故在快門時間內，由同一影像中，含有多組藍綠色訊號，能推知藍綠兩色的交替吹數(脈衝頻率)，確知藍、綠色訊號的時間順序，確保影像品質。 實施操作過程 1.以氬離子雷射(1)，產生含藍、綠色之複合光。2.以雙正六角型稜鏡為分光裝置，分離複合光為藍、綠兩單色光。3.通當位置架設反射鏡，反射藍、綠兩色光，反射的綠色光在上，且平行反射的藍光。4.兩反射光垂直通過旋轉的多孔縫截光板(3052)，綠色光通過內圈組3孔縫，藍色光通過外圈組2孔縫；因多孔縫截光板(3052)阻隔光，多孔縫截光板(3052)之孔縫讓光通過，依序連續發生，兩反射光形成兩束交替明暗的明暗脈衝。5.通當架設反射鏡，平行反射兩束明暗脈衝。6.在多孔縫截光板(3052)、反射鏡之間，綠光行進線上，安裝旁通分光透鏡(31)，擷取小部分綠光，輸入光電倍增管(PhotomultiplierTube，311)。7.用合光裝置將兩個平行明暗脈衝，合成一色彩交替光。8.以柱狀鏡為平面散光裝置，將色彩交替光，散開成色彩交替平面光，照射粒子流場(51)以進行量測。9.光電倍增管(311)感應綠色脈衝的同時，光電管控制器立刻輸出一個TTL(標準5V方波)訊號，進入高速數位攝影機(CCD，8))的可觸發(Trigger)裝置(6)，觸發高速數位攝影機(8)快門，開始記錄影像。10.在電腦(9)上，處理影像，且配合交叉關連分析法，判定流速的方向和大小。 由實體操作得知，本『低價位連續雷射數位化粒子影像測速裝置』均應用流場量測基本配備，加裝一個色彩交替平面光產生裝置，就可完成複雜的二維流場速度量測，不但費用低廉，又容易操作；其量測方法不但新穎，且價格低廉。 圖式說明： 圖1影像訊號分離與運用交叉關連分析法之示意圖圖2低價位連續波雷射數位化粒子測速儀圖3色彩交替平面光產生裝置圖4間歇性截光裝置 圖號說明： 1 連續波氬離子雷射2 多波長多色光複合輸出3 色彩交替平面光產生裝置4 綠色明暗脈衝5 藍綠交替脈衝平面光6 高速數位攝影機觸發裝置7 訊號線8 高速數位攝影機(CCD)9 個人電腦25 色彩交替平面光31 旁通分光透鏡51 粒子流場71 TTL(標準5V方波)訊號81 導線101 彩色數位化圖102 綠色影像103 藍色影像104 影像色相分離105 交叉關連分析106 顆粒的移動速度301 分光裝置302 綠色303 藍色304 平面反射鏡305 間歇性截光裝置306 綠色明暗間歇性脈衝307 藍色明暗間歇性脈衝309 合光裝置310 平面散光裝置311 光電倍增管(Photo multiplier Tube)312 訊號產生控制器3051 可變速馬達3052 多孔縫截光板3053 組1孔縫3054 組2孔縫3055 組3孔縫
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| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種連續雷射數位化粒子影像測速儀，其裝置包括一連續波氬離子雷射，一色彩交替平面光產生裝置，一旁通分光透鏡，一高速數位攝影機，一電腦，色彩交替平面光產生裝置含間歇性截光裝置與平面散光裝置，其特徵係在色彩交替平面光產生裝置後側方安置有平面反射鏡，以調整光路進入間歇性截光裝置，間歇性截光裝置後方於不同距離處設置平面反射鏡，使光路進入合光裝置，於其後方有平面散光裝置、另於旁通分光透鏡其軸線後方，安置有高速數位攝影機觸發裝置；間歇性截光裝置，包括可變速馬達和多孔縫截光板，多孔縫截光板之徑向方向分隔有內、外兩個不同周徑，各周徑上依需要度間歇地排列三組不同規格、數目相同的孔縫組。 2.如申請專利範圍第1項所述之連續雷射數位化粒子影像測速儀，其設備上使用連續波氬離子雷射，雷射之軸線前方有色彩交替平面光產生裝置，另以分光鏡安置於色彩交替平面光產生裝置之側面以承接一部份之綠色明暗脈衝，在旁通分光透鏡之軸線後方安置有高速數位攝影機觸發裝置，並以訊號線連接至高速數位攝影機，以導線將訊號連接至個人電腦。 3.如申請專利範圍第1項所述之連續雷射數位化粒子影像測速儀，於分光裝置後側方安置有兩片平面反射鏡，以調整兩道光路成平行進入間歇性截光裝置，間歇性截光裝置後方於不同距離處設置兩片平面反射鏡，使光路平行進入合光裝置，於其後方有平面散光裝置。 4.如申請專利範圍第1項所述之連續雷射數位化粒子影像測速儀，於較遠離間歇性截光裝置之後方平面反射鏡之前方，設備有旁通分光透鏡，於旁通分光透鏡之軸線後方安置有高速數位攝影機觸發裝置，並以訊號線連接至高速數位攝影機。 5.如申請專利範圍第1項所述之連續雷射數位化粒子影像測速儀，其間歇性截光裝置，包括可變速馬達和多孔縫截光板，多孔縫截光板之徑向方向分隔有內、外兩個不同周徑，周徑上依需要度間歇地排列三組不同規格、數目相同的孔縫組，分別為組1孔縫、組2孔縫、組3孔縫；其中，組1孔縫與組3孔縫同徑向，組1孔縫與組2孔縫同在外周徑，組2孔縫與組3孔縫在徑向上，間歇排序。 |
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| 十一、圖式： | |
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