液下气泡多角度光学特征分析装置的制作方法

1.本公开涉及水下光学探测技术领域，具体涉及一种液下目标多角度光学特征分析装置。


背景技术：

2.气泡广泛存在于水利、能源、化工、石油、冶金等工业过程，研究气泡的光学特性在流体动力学、地环境科学、生化工程及舰船尾流中都有十分重要的作用。探测气泡多角度的光学特性能够了解在每个角度气泡图像特点，有利于对气泡尺寸、数量等特征进行分析。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.针对上述问题，本公开提供了目标多角度光学特征分析装置，用于至少部分解决传统装置结构复杂、成本高昂、观测结果不够准确等技术问题。
5.(二)技术方案
6.本公开提供了一种液下目标多角度光学特征分析装置，包括：支撑框架；定位装置，适用于对分析目标进行定位，分析目标定位于定位装置的中心轴线上；旋转机构，设置成环绕中心轴线可转动地安装在支撑框架上；照明装置，安装在旋转机构上，照明装置被构造成在旋转机构的驱动下以不同的径向角度对分析目标进行照明；以及摄像机，响应于照明装置以不同的径向角度对分析目标进行照明摄取分析目标的图像。
7.进一步地，还包括：液体槽，安装在支撑框架内，旋转机构设置在液体槽内；以及排气孔，安装在旋转机构处，从排气孔排出的气体导致液体槽内的液体产生气泡，气泡用作分析目标。
8.进一步地，还包括：气源，安装在支撑框架上；以及输气管，输气管的一端与气源连通，输气管的另一端设有排气孔。
9.进一步地，旋转机构包括：旋转云台，可转动地安装在支撑框架上；引导杆，引导杆的一端安装在旋转云台上并平行于中心轴线延伸；以及支撑台，安装在引导杆的另一端，支撑台底部与摄像机底部高度平齐；照明装置包括：光源，安装在引导杆上；以及光学模组，设置成引导来自于光源的光束在径向方向上照射到分析目标。
10.进一步地，支撑台的一端可转动地通过螺纹旋钮安装在引导杆的另一端，使得所述支撑台可在螺纹旋钮的驱动下沿引导杆上下移动，并使得支撑台在引导杆的驱动下环绕中心轴线转动。
11.进一步地，光学模组包括：导光管，安装在光源上，以在平行于中心轴线的方向上引导光源发出的光束；以及45
°
反射镜，安装在支撑台上，适用于将从导光管出射的光束反射成在径向方向上朝向分析目标照射。
12.进一步地，光学模组还包括调节轮，光源通过调节轮安装在引导杆上，调节轮设置成调节光源的位置，使得从光源发出的光束经导光管之后大致入射到45
°
反射镜的反射中
心。
13.进一步地，定位装置还包括：第一支撑梁，通过第一导轨机构安装在支撑框架上，使得第一支撑梁在垂直于中心轴线的第一水平方向上往复移动；以及第二支撑梁，通过第二导轨机构安装在第一支撑梁上，使得第二支撑梁在垂直于第一水平方向的第二水平方向上往复移动；其中，旋转云台安装在第二支撑梁上，通过驱动旋转云台在第一水平方向和/或第二水平方向上的移动，使得旋转云台的旋转轴线与中心轴线重合。
14.进一步地，液体槽为透明槽，透明槽的除成像孔之外的部位的内侧和/或外侧设有遮光膜，成像孔与位于液体槽之外的摄像机镜头对齐。
15.进一步地，旋转机构设置成在360度的范围内往复转动，以允许照明装置以任意的径向角度间隔对分析目标进行照明。
16.(三)有益效果
17.本公开提供的液下目标多角度光学特征分析装置，一方面，旋转云台和引导杆能够保证每个角度下光源到达感兴趣区的光程一致，利用摄像机在固定的位置对感兴趣区进行采集数据，确定每个角度下目标到摄像机的光程一致，每个角度的光程一致有利于对多角度的气泡反射光进行定量分析。另一方面，对照明视场中心、成像视场中心的标定使之共同交叠，且交叠线位于定位装置的中心轴线上，方便气泡进入感兴趣区视场且不会受旋转的影响。还有一方面，对除光学器件外其余部件均进行全遮光处理，避免了无关干扰，使气泡测量结果更加准确。还有一方面，装置中45
°
反射镜的引入避免了灯光或光学相机需要水密这一要求，降低设备成本。整体上，本公开的目标多角度光学特征分析装置成本低廉，排除了无关因素的影响，测量结果更准确。
附图说明
18.图1a示意性示出了根据本公开实施例中液下目标多角度光学特征分析装置的结构示意图；
19.图1b示意性示出了根据本公开实施例中液下目标多角度光学特征分析装置加水后的结构示意图；
20.图1c示意性示出了根据本公开实施例中液下目标多角度光学特征分析装置进行遮光处理后的结构示意图；
21.图2示意性示出了根据本公开实施例中液下目标多角度光学特征分析装置的三维结构示意图；
22.图3示意性示出了根据本公开实施例的测量多角度气泡光学特性的流程图；
23.图4a～4c示意性示出了根据本公开实施例中分别拍摄的90
°
，135
°
，180
°
的气泡图；
24.附图标记说明：
25.1.支撑框架，2.第一支撑梁，3.第一导轨机构，4.第二支撑梁，5.第二导轨机构，6.旋转云台，7.引导杆，8.调节轮，9.光源，10.导光管，11.45
°
反射镜，12.光学整形透镜，13.光阑，14.支撑台，15.排气孔，16.液体槽，17.摄像机，18.气源。
具体实施方式
26.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
27.本公开的实施例提供了一种液下目标多角度光学特征分析装置，请参见图1a，包括：支撑框架1；定位装置，适用于对分析目标进行定位，分析目标定位于定位装置的中心轴线上；旋转机构，设置成环绕中心轴线可转动地安装在支撑框架1上；照明装置，安装在旋转机构上，照明装置被构造成在旋转机构的驱动下以不同的径向角度对分析目标进行照明；以及摄像机17，响应于照明装置以不同的径向角度对分析目标进行照明摄取分析目标的图像。
28.支撑框架1作为整个装置的支撑结构，其余结构均设置于支撑框架1的中空部分或固定于该支撑框架1上。定位装置，可移动地设置于支撑框架1上，用于对分析目标进行定位，分析目标例如可以是气泡、微生物等等。旋转机构，可转动地设置于支撑框架1上，以保证每个角度的光程一致，有利于对多角度的气泡反射光进行定量分析，且分析目标进入感兴趣区视场且不会受旋转的影响。照明装置，安装在旋转机构上，随该旋转机构同步转动，为分析目标所处的目标区域进行照明。摄像机17，设置于支撑框架1的外侧，用于采集感兴趣区的分析目标的图像；摄像机17例如可以是光学相机，光学相机能在不同角度下观测分析目标，这里的光学相机不需要水密，降低了设备成本。
29.在上述实施例的基础上，还包括：液体槽16，安装在支撑框架内，旋转机构设置在液体槽16内；以及排气孔15，安装在旋转机构处，从排气孔排出的气体导致液体槽16内的液体产生气泡，气泡用作分析目标。
30.支撑框架1的底部支撑液体槽16，旋转机构至少部分设置在液体槽16内，液体槽16为光学特征分析装置提供液体环境。摄像机17紧贴液体槽16的外侧，摄像机17相对于液体槽16的位置固定不变，液体槽16相对于装置支架1的位置固定不变，摄像机17和照明装置中感兴趣区之间的位置关系通过移动旋转机构在装置支架1上的位置来调节。排气孔15，用于输送分析目标，例如气泡，排气孔15设置于定位装置的中心轴线上，使分析目标的位置固定于该中心轴线上，便于成像。
31.在上述实施例的基础上，还包括：气源18，安装在支撑框架1上；以及输气管，输气管的一端与气源18连通，输气管的另一端设有排气孔15。
32.气源18，设置于支撑框架1的外侧，通过输气管将分析目标运送至感兴趣区，通过排气孔15输出，排气孔15中心与旋转转台旋转中心线重合，出气孔产生的气泡沿着旋转中心竖直向上运动。需要说明的是，输送管从液体槽16外伸入到支撑台14的下方，输送管固定于旋转机构上，排气孔15竖直向上固定在支撑台14上，输送管随旋转机构同步旋转，输送管的长度需要保证可随旋转机构旋转360
°
，且不发生缠绕。
33.在上述实施例的基础上，旋转机构包括：旋转云台6，可转动地安装在支撑框架1上；引导杆7，引导杆的一端安装在旋转云台6上并平行于中心轴线延伸；以及支撑台14，安装在引导杆7的另一端，支撑台14底部与摄像机17底部高度平齐；照明装置包括：光源9，安装在引导杆7上；以及光学模组，设置成引导来自于光源的光束在径向方向上照射到分析目标。
34.旋转机构固定在支撑框架1上，且伸入到液体槽16中，其包括旋转云台6和引导杆
7，该旋转云台6的下部分是一个水平的圆环，圆环下接一根竖直方向上的引导杆7。旋转云台6的旋转中心和圆环中心对齐，通过转动旋转云台6，可以带动引导杆7转动。支撑台14，固定于引导杆7上远离旋转云台6的一侧，光学模组固定于该支撑台14上，用于引导来自于光源的光束在径向方向上照射到分析目标。引导杆7上还设置有光源9，作为照明光源。
35.在上述实施例的基础上，支撑台14的一端可转动地通过螺纹旋钮安装在引导杆7的另一端，使得所述支撑台14可在螺纹旋钮的驱动下沿引导杆7上下移动，并使得支撑台14在引导杆7的驱动下环绕中心轴线转动。
36.支撑台14随着引导杆7同步运动，照明装置、光学模组、排气孔15、旋转云台6的中心线共面，旋转机构、照明装置以及光学模组同步径向旋转，使得照明装置以不同的径向角度对分析目标进行照明，以及使得摄像机17以不同的径向角度对分析目标进行拍摄成像。
37.在上述实施例的基础上，光学模组包括：导光管10，安装在光源9上，以在平行于中心轴线的方向上引导光源发出的光束；以及45
°
反射镜11，安装在支撑台14上，适用于将从导光管出射的光束反射成在径向方向上朝向分析目标照射。
38.导光管10固定于光源9上，用于引导光源9发出的光束竖直向下照射，接着通过45
°
反射镜11，将光束转成水平方向，朝向分析目标。
39.在上述实施例的基础上，光学模组还包括调节轮8，光源9通过调节轮8安装在引导杆7上，调节轮8设置成调节光源9的位置，使得从光源发出的光束经导光管之后大致入射到45
°
反射镜的反射中心。
40.调节轮8用于调整光源指向，具体地，调节轮8可以是万向调节轮，该万向调节轮固定于引导杆7上，通过调节万向调节轮调整光源9的光束竖直向下照射，大致入射到45
°
反射镜的反射中心，光束再依次经过45
°
反射镜11、光学整形透镜12、光阑13，最后照射到感兴趣区上。
41.在上述实施例的基础上，如图2所示，定位装置还包括：第一支撑梁2，通过第一导轨机构3安装在支撑框架1上，使得第一支撑梁2在垂直于中心轴线的第一水平方向上往复移动；以及第二支撑梁4，通过第二导轨机构5安装在第一支撑梁2上，使得第二支撑梁4在垂直于第一水平方向的第二水平方向上往复移动；其中，旋转云台6安装在第二支撑梁4上，通过驱动旋转云台6在第一水平方向和/或第二水平方向上的移动，使得旋转云台6的旋转轴线与中心轴线重合。
42.旋转云台6通过第一导轨机构3、第二导轨机构5安装在装置支架1顶部，且能随着装置支架1顶部的第一支撑梁2和第二支撑梁4前后及左右移动。第二支撑梁4的底部与旋转云台6的顶部耦合，可以通过移动滑块带动旋转云台6沿导轨机构方向移动；第二导轨机构5的两端安装有滑轮，可以通过移动滑轮带动旋转云台6沿第二水平方向上往复移动；第一导轨机构3的两端安装有能在装置支架1上运动的滑轮，可以通过移动滑轮带动旋转云台6沿垂直于第二导轨机构5的方向上往复移动。
43.在上述实施例的基础上，液体槽16为透明槽，透明槽的除成像孔之外的部位的内侧和/或外侧设有遮光膜，成像孔与位于液体槽16之外的摄像机17镜头对齐。
44.液体槽16的内侧和/或外侧进行遮光处理，且除45
°
反射镜、光学整形透镜和光阑外，其余所有部件都经过遮光处理，避免其对光路中的光反射或散射，影响气泡成像。摄像机17相对于液体槽16的位置固定后，于该处留有与摄像机17镜头大小相同的孔洞，让摄像
机17能通过这个孔洞对气泡进行成像。
45.在上述实施例的基础上，旋转机构设置成在360度的范围内往复转动，以允许照明装置以任意的径向角度间隔对分析目标进行照明。
46.旋转机构带动照明装置在360度的范围以不同的径向角度对分析目标进行照明，例如30度、45度、60度、或者90度，以30度径向角度间隔对分析目标进行照明，这时可以采集12个点的不同角度的图像；以90度径向角度间隔对分析目标进行照明，这时可以采集4个点的不同角度的图像。当然，这里并不限定具体的角度，任意的径向角度均可实现对分析目标进行照明。
47.下面通过具体实施方式对本公开作进一步说明。
48.本实施例提供一种结构简单、成本低廉、观测准确的水下气泡多角度光学特性分析装置，用于在不同入射光角度下对液体中气泡的光学特性进行准确地探测。
49.水下气泡多角度光学特性分析装置，参见图1a，包括光源9、摄像机17、旋转云台6、引导杆7、光学模组、气源18、液体槽16和支撑框架1。液体槽16固定在支撑框架1底部，旋转云台6的顶端通过导轨机构与支撑框架1的顶部固定，底端与引导杆7耦合，通过旋转云台6可实现引导杆7(安装有光源9、光学模组)同步旋转，从而调整气泡的入射光和反射光之间的夹角，利用固定在遮光透明水槽外的光学相机采集由气泡发生器产生的进入到感兴趣区域的气泡，得到该角度下气泡的光学图像。
50.为了控制感兴趣区位于实焦平面上，旋转云台6通过导轨机构固定在支撑框架1顶端，第一导轨机构3、第二导轨机构5两端装有滑轮，使滑轨能够带着旋转云台6沿导轨机构在第一水平方向上、第二水平方向上往复移动，使成像视场中心和感兴趣区中心重合。
51.为了多角度探测气泡，本公开使用高精度进行360
°
旋转的环扫转台。环扫转台由旋转云台6和引导杆7组成，旋转云台6底部是一个水平的圆环，圆环下安装一根竖直方向的引导杆7，例如可以是螺纹杆。旋转云台6与引导杆7耦合，通过转动旋转云台6，可以带动引导杆7转动。
52.进一步的，光源9、光学模组、气源18应固定在引导杆7上，跟随旋转云台6同步转动。光源9通过调节轮8安装在引导杆7上，通过调节调节轮8调整光源9的指向；光学模组中，导光管10可以直接固定在光源9上。本公开使用支撑台14，将45
°
反射镜11、光学整形透镜12和光阑13固定在支撑台14上，支撑台14固定在引导杆7上；气源18的输送管通过卡箍固定在引导杆7上。
53.为了确保光源9能够以某一角度射向感兴趣区，应对照明视场进行标定。使用调节轮8调整光源9，使之竖直向下照射；通过水平仪调整支撑台14的倾斜角，确保位于支撑台14上的45
°
反射镜11水平放置，调整支撑台14的方位角使固定在支撑台上的45
°
反射镜11反射的光线中心通过感兴趣区，且感兴趣区位于照明视场的中心。
54.为了使气泡经过旋转后仍位于成像视场和照明视场中心，气源18与一根带有排气孔15的输送管相连，输送管从液体槽16外伸入到支撑台14的下方，输送管被固定在引导杆7上，输送管连接的排气孔15竖直向上固定在支撑台14上，整个输送管和排气孔15能随着旋转云台6同步旋转。排气孔15的中心与旋转云台6的旋转中心线重合，排气孔15产生的气泡沿旋转中心线竖直向上运动。
55.为了避免除水平射向成像中心的光外其余光的干扰，应对整体装置进行遮光处
理，液体槽16内部应贴上黑色吸光材料，只留下一个圆形孔洞供摄像机17进行成像，这里摄像机17为光学相机，该孔洞在光学相机位置选定后进行确定。图1b为加水后的装置图，图1c是进行遮光处理后的装置图。
56.为了使本公开的气泡多角度探测装置不仅适用于对待样品溶液中的气泡进行多角度观测，而且还可以同时作为其他微生物的多角度进行观测，本公开在感兴趣区下方固定一个带排气孔15的输送管。对气泡进行观测的时候，使用气泡发生器(气源18)连接输送管自动的产生规律的气泡，方便的气泡发生器也可以换成注射器人工的产生可控的气泡。当观测其他目标时，可以将其它目标代替空气注入到输送管中，进入到成像视场和照明视场的中心。
57.图2是该水下气泡多角度光学特性分析装置的三维结构示意图。引导杆7通过与旋转云台6耦合被旋转云台6带动转动，旋转云台6上方与导轨机构固定，带有两组滑轮的支撑梁安装在支撑框架1上，以方便调整引导杆7与光学相机之间的相对位置，进而使光学相机清晰地获取感兴趣处的气泡图像，输送管尾端的排气孔15竖直向上穿过支撑台14上的圆孔。光学相机17和气泡发生器18放置在在遮光透明水槽外。
58.光学模组按照如下光路进行搭建，整个光路为光由光源9打出，在通过导光管10后被水平的45
°
发射镜11转成水平射向感兴趣区的光，光再经由支撑台14上的光学整形透镜12进行扩束、压窄，光阑13整形，约束后射入感兴趣区。其中导光管10用于遮挡竖直打下的光，被固定在光源9上。
59.图3示意性示出了本公开气泡多角度探测装置的调节方法的流程图。首先，调节光源9使光束竖直向下，接着调节螺纹旋钮和支撑台14指向，使45
°
反射镜11反射出的光柱中心穿过成像中心。调节第一导轨机构3、第二导轨机构5，使成像实焦旋转中心位于视场中心后固定导轨机构。接着调节旋转云台6，带动引导杆7转动，以获取分析目标不同角度的图像。
60.作为本实施例的一种优先设计方案，光学相机的镜头和ccd的选取需达到对移动的微小目标进行成像的要求。光学相机应选曝光时间可调范围尽量小，以300μs为例；光学相机镜头景深应至少大于成像目标的直径长度，以2.8mm为例；空间分辨率应该大于能够分辨一个气泡的最小像素数，以8.5μm为例；光学相机的成像帧率应该足够大，能在同一个气泡运动图像高度上的时间内拍前后几张图片，以75hz为例；作为短时间曝光的弥补，光学相机增益应该可以大幅度增调。
61.作为本实施例的一种优先设计方案，光源9通过万向调节轮与引导杆7耦合，光源9会随着引导杆7一起旋转，通过万向调节轮可以调整光源9，使之打出一个竖直向下的光。由于整个实验装置经过大量遮光处理处于暗光环境下，且光学相机在曝光时间远低于正常工作曝光时间几百倍的情况下工作，光源9需选取合适的功率。
62.作为本实施例的一种优先设计方案，液体槽16优先采用开口向上的长方体透明水槽，以1cm厚的长59cm，宽31cm，高31.5cm长方体玻璃缸为例，支撑框架1的大小配合遮光透明水槽进行选择，而对透明水槽进行的遮光部分优先采用遮光材料在水槽内部进行贴合，以摄影布为例，应将摄影布毛面朝内。
63.作为本实施例的一种优先设计方案，气泡的产生优先采用自动输送的方式，由可调节功率的气泵控制输送管中气体的流动，最后在排气孔15导出大小均匀、单位时间密度
可控的气泡。
64.作为本实施例的一种优先设计方案，支撑台14的设立和标定应优先保证光路的准确性为目标。将顶部圆环圆心和光源与顶部圆环固定点连线，并在延长线上找长度至少大于45
°
反射镜11底部长度一半的位置设置一个打孔，螺纹杆(引导杆7)穿入顶部的圆环打孔中，并用螺母卡死。支撑台14是一根长度略大于顶部圆环半径的直尺。两个螺纹旋钮夹着支撑台14一同穿入螺纹杆中，通过调节上下螺纹旋钮的高度，可以控制支撑台14卡死在螺纹杆的某一位置，支撑台14在水平方向旋转，使支撑台从螺纹杆一侧指向旋转云台旋转6中心，支撑台14位于旋转云台6旋转中心侧(支撑台14宽边的中心)对应旋转云台6旋转中心的正下方，于此点嵌入排气孔15。由上文打孔点位置的确立和支撑台14在水平方向的旋转可知，此时的光源9打出的光必定会竖直落在支撑台14上，由落在支撑台14上的位置确定45
°
反射镜11所放的位置。
65.作为本实施例的一种优先设计方案，排气孔15的位置和朝向在显微成像中影响很大，为了避免旋转带来的影响和气泡达到成像景深外，应使排气孔15位置位于旋转云台6的旋转中心，且排气孔15方向竖直向上朝向。可以使用铅坠正对旋转中心下方为排气孔15的位置的确定提供方向上的指引。
66.本实施例的实验结果如图4a～4c，实验结果是在通过标定过程后，逐渐旋转云台进而光学相机采集到90
°
，135
°
，180
°
角度下的由气泡发生器产生的气泡图像，图4a是90
°
气泡图，图4b是135
°
气泡图，图4c是180
°
气泡图。实验结果中气泡形态明显，不同角度下气泡光学形态清楚且有明显差异，方便进行分析。
67.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。