EP0586661A1 - Method and device for optically measuring the size or speed of an object moving through a fluid - Google Patents

Method and device for optically measuring the size or speed of an object moving through a fluid

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EP0586661A1
EP0586661A1 EP93906664A EP93906664A EP0586661A1 EP 0586661 A1 EP0586661 A1 EP 0586661A1 EP 93906664 A EP93906664 A EP 93906664A EP 93906664 A EP93906664 A EP 93906664A EP 0586661 A1 EP0586661 A1 EP 0586661A1
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EP
European Patent Office
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speed
sensors
fluid
determined time
signals
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP93906664A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Alain Kleitz
Jean-Claude Robin
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LHESA ELECTRONIQUE
Electricite de France SA
Original Assignee
LHESA ELECTRONIQUE
Electricite de France SA
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Publication date
Application filed by LHESA ELECTRONIQUE, Electricite de France SA filed Critical LHESA ELECTRONIQUE
Publication of EP0586661A1 publication Critical patent/EP0586661A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01P3/38—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light using photographic means
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    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/712—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using auto-correlation or cross-correlation detection means
    • G—PHYSICS
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    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/7086—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using optical detecting arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for optical measurement of the dimensions of an object or of the speed of an object or of a fluid moving in a field.
  • It can also and in particular be used to measure the dimensions of a particle, or even the speed of a flying object on the sky background, or more generally of an object or a moving surface in a field little contrasted by relation to the object.
  • Particle size measurement devices are already known. For example, there are measuring devices that operate from sample collection. However, such devices do not allow speed measurement in real time, which limits their interest.
  • the images must indeed be of good quality, that is to say contrasted on a uniform background.
  • conventional lighting sources as in the case of a laser diode, for example, do not light up very uniformly.
  • the present invention aims to provide a method and a device for optical measurement of the dimensions or the speed of an object or of a fluid, meeting better than those previously known the requirements of practice, in particular in that it uses to simple optical principles, like that of omboscopy in the case of a measurement requiring field lighting, which it is easy to implement, in particular by operators not specialized in data processing, and which it presents excellent results in terms of the quality of the measurements obtained.
  • the invention proposes in particular a method of optical measurement of the dimensions or of the speed of an object or of a fluid moving in a field, characterized in that
  • a first image of the object or of the fluid in motion is captured along an aiming axis, for a first determined time, on a first charge-coupled matrix camera sensor
  • a second image of the object or of the fluid in motion is captured on the same line of sight, for a third determined time, possibly equal to the first determined time, on a second matrix-linked camera sensor loads,
  • the two signals thus obtained are simultaneously processed from the two sensors to deduce the dimensions or the speed of the object by subtraction between said signals or the speed of the fluid by auto-correlation.
  • the principle of the invention is based on the use of two sensors of charge coupled matrix cameras (known in English terminology under the abbreviation CCD) which record one after the other the image of a moving phenomenon during a determined time, with a small and adjustable time difference, between the two recordings.
  • CCD charge coupled matrix cameras
  • the distance between the two images then makes it possible to calculate very precisely the modulus of the speed of the particle in a plane perpendicular to the line of sight, the order of the black / white or white / black doublet giving the direction of the speed of the particle.
  • the invention makes it possible to eliminate most of the background defects, the recording of the two images being able to be carried out successively very quickly.
  • the camera actually behaves like a double shutter and only sees the field for two very short periods of time.
  • the light rays from two rays are separated into two substantially equal parts the object or the fluid to be measured to focus said parts respectively on the first and second sensors; the first determined time is less than about 5 ⁇ s, and advantageously less than 3 ⁇ s;
  • the second determined time is less than around 50 milliseconds and advantageously around 20 milliseconds;
  • the field is lit for a fourth determined time; the fourth determined time is less than 500 nanoseconds, and advantageously is of the order of 100 nanoseconds.
  • the analog signals from charge coupled cameras are directly processed in real time, to deduce the absolute value of the speed in the field perpendicular to the line of sight and / or the direction of the speed of the object or fluid.
  • the camera then generally behaves like a conventional camera, providing a unique video signal, directly visible on a monitor screen by an operator.
  • the present invention also provides a device for optical measurement of the dimensions or of the speed of an object or of a fluid moving in a field, characterized in that it comprises:
  • optical means suitable for being placed on the path of the light rays coming from the object or the fluid to be measured, for separating said light rays into two substantially equal parts and focusing said parts respectively on said first and second sensors,
  • the optical means comprise a semi-transparent plate and a mirror
  • the signal processing means include means for digitizing the analog signals obtained from the sensors;
  • the charge coupled camera sensors are line transfer sensors;
  • the means for triggering the exposure of the sensors comprise means for adjusting the times and the determined time intervals; such an arrangement makes it possible in particular to define the time interval separating the shots by each sensor;
  • the device further comprises means for lighting the field for a determined time and means for synchronizing said lighting time with the exposure times of the sensors;
  • the device includes a thresholding circuit.
  • a thresholding circuit allowing the development of one or more video signal intensity thresholds, authorizes direct binary coding of the images obtained and thus minimizes the memory capacity requirements of the image processing system.
  • FIG. 1 schematically shows an optical measurement device according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of the sensor part of the device of Figure 1;
  • FIG. 3 is a diagram showing in the form of blocks the various elements of a device suitable for implementing the method according to the invention.
  • FIG. 4a is a diagram showing in the form of blocks the elements of the analog video channel of Figure 3;
  • FIG. 5 is a diagram showing in the form of blocks the elements of the control of charge coupled camera sensors, and their electronic shutter;
  • FIG. 6 is a timing diagram illustrating the operation of a device according to an embodiment of the invention, with discontinuous illumination of the field;
  • FIG. 7 is an example of a gray level histogram of a doublet corresponding to a particle, of the type of those obtained with the present invention.
  • FIG. 1 shows a device 1 according to an embodiment of the invention applied to the measurement of the speed of particles 2, for example droplets of liquid, in movement (arrow 3) in a field 4.
  • the device comprises a tube 5 suitable for being inserted into an apparatus (not shown) in which the particles pass, for example inside a centrifuge or a turbine in operation, in a manner known per se.
  • the tube for example cylindrical with an external diameter of 25 mm, has at one end 6 an opening 7 of the "needle eye” type, for example of length 30 mm and width 15 mm, passing transversely through the tube 5 right through. .
  • This opening is at an axial distance determined relative to the other end 8 of the tube on which the housing 9 of the measurement camera 10 and of part of a lighting system 11 of the field 4 is fixed.
  • the lighting system 11 comprises light emission means 12 comprising for example a diode laser controlled through " a housing 13, for example to emit light in a pulsed manner.
  • the system 11 also comprises an optical fiber 14 known in itself, for transmitting light to a first optical system 15 for lighting the field 4 from the rear, located at the distal end 16 of the tube 5, of the other side of the opening 7, relative to the housing 9.
  • the first optical system 15 comprises a prism 17 for returning the beam 18 leaving the end 19 of the optical fiber 14 to a condenser 20, known in itself, which focuses the lighting beam 21 on the focusing plane 22 perpendicular to the opening 7 through which the moving particles 2 pass.
  • the light ray 23, corresponding to the image of these particles, is returned to the objective 24, located between the opening 7 and the housing 9, inside the tube, which condenses the ray on the face 25 of input of an optical fiber 26, of known type, for example a so-called image transport multifiber.
  • the device comprises a second optical system 27 for separation into two parts of the light beam 28, coming from the other end face 29 of the fiber 26, and for focusing these two parts of light rays on the camera 10 with two sensors .
  • the device comprises a camera control box 30, connected at 31 to the lighting control box 13, making it possible to control the lighting and camera controls one for the other, for synchronization .
  • the housing 30 is also connected to an image processing unit 32 comprising for example a microcomputer of the PC type or a work station, comprising in particular a screen for viewing in real time images 33 of the doublets of particles, of the histogram 34 of the particles measured (number of particles as a function of their diameter) after processing the images, etc.
  • FIG. 2 is a more detailed schematic view of the camera 10 of FIG. 1.
  • the camera 10 comprises a housing 35, a first CCD sensor 36 and a second CCD sensor 37, advantageously of the line transfer type, for example sensors from the company SONY, corresponding to the manufacturer references ICX 024 AL-3.
  • the sensors 36 and 37 are each provided with electronics 38 and 39, called proximity, and are connected via cables 40 and 41 (for example 5 m in length) to the control box 30 of the camera.
  • the camera 10 is also associated with the optical means 27 placed on the path 42 of the light rays coming from the object or the fluid to be measured.
  • the optical means 27 comprise for example a focusing lens 43, disposed on the path of the light ray leaving the optical fiber, in the extension of the latter.
  • Means for separating the light fluxes into two are provided and are for example constituted by a semi-reflecting plate 44, located in the extension of the optical path 42, following the focusing means 43.
  • the blade 44 lets in the order of 50% of the flux towards the first sensor 36, and reflects at 45 ° the remaining flux towards the second sensor 37, for example via a mirror 45 allowing a double inversion of the image, which will allow direct subtraction of the analog images without electronic inversion operation.
  • the light flux can be separated into two unequal portions.
  • the sensors 36 and 37, and the means 43 and 44 for separation and focusing are respectively arranged so as to allow good focusing on each of said sensors.
  • FIG. 3 is a general diagram in the form of blocks showing the elements of the device 50 according to the embodiment of the invention more particularly described here.
  • the device 50 comprises two CCD sensors 51 and 52 and means 53 for lighting a field of particles to be measured.
  • Means 54 for controlling the cameras and the lighting are provided. They include circuits 55 and 56 for piloting, respectively, sensors 51 and 52, and a circuit 57 for triggering ("shutter" in English terminology) of the cameras and the lighting.
  • Means 58 known in themselves, TV signal generators are also provided to allow the operation of the device.
  • the device 50 of FIG. 3 also includes means 59 for processing the signals 60 and 61 coming respectively from the sensors 51 and 52.
  • the means 59 comprise circuits 62 and 63 for analog or digital processing of the signals 61 and 62, circuits which are each advantageously provided with an analog control output (viewer) 64 and 65.
  • the signals 66 originating from the processing are subtracted or auto-correlated at 67 before being directed to a stage 68 of video output for restitution of the speed measurements of the particles.
  • FIG. 4A is a detailed block diagram of the means 59 for analog processing of the signals 60 and 61 coming from the sensors 51 and 52.
  • the means 59 comprise circuits 62 and 63 of known type, which respectively constitute the video channels of the CCD sensors 51 and 52.
  • the video outputs 60 (respectively 61) of the CCD sensors 51 (respectively 52) are connected to a circuit 70 (respectively 70 ') of double sampling.
  • the signals 74 (74 ') thus amplified and filtered are then processed by the circuit 67.
  • a video output stage 75 (respectively 75 ′) for example for visual control by an operator is also provided.
  • a bypass 76 (respectively 76 ') comprising a low-pass filter 77 (77') and a gain control circuit 78 (respectively 78 ') connected on one side to the output of the "clamp" circuit 73 (respectively 73 ') and connected on the other side to the amplifier 71 (respectively 71 ') is provided to allow the gain of the amplifier to be varied, in a manner known per se.
  • the gain adjustment can of course also be carried out manually, by an operator, using a potentiometer for example.
  • the signals 74 and 74 'then drive the subtraction circuit 67 which comprises for example an amplifier 79 (for the signals 74), an inverting amplifier 80 (for the signals 74'), an adder circuit 81, and an output stage 82 video for speed measurement.
  • the subtraction circuit 67 which comprises for example an amplifier 79 (for the signals 74), an inverting amplifier 80 (for the signals 74'), an adder circuit 81, and an output stage 82 video for speed measurement.
  • FIG. 4B is a digital variant of the processing of the signals coming from the channels A and A 'of FIG. 4A, at the output of the sampling circuits 70 and 70'.
  • the signals respectively drive two analog / digital converters 83 and 83 ′, then a digital subtraction circuit 84, subtraction which is restored at 85.
  • a digital / analog converter is provided with video output stage 87 for control 88.
  • FIG. 5 is a detailed block diagram of the circuits 55, 56 and 57 for controlling the CCD sensors 51, 52 and the lighting 53.
  • Each of the circuits 55 and 56 for controlling the sensors comprises, in a known manner, an oscillator 89 ( respectively 89 '), a generator 90 (respectively 90') of control signals from the CCD sensor attacked in 91 (respectively 91 ') and 92 (respectively 92') by the TV signals of the generator 58 and two circuits 93 (respectively 93 ' ) and 94 (respectively 94 ') of interface for vertical phases and horizontal phases, which attack the corresponding CCD sensor 51 (respectively 52).
  • the device according to the embodiment of the invention more particularly described here further comprises an electronic shutter circuit 57.
  • the circuit 57 attacked by the TV signal (VD) coming from the generator 58, comprises a delay circuit 95, three time generator circuits, namely a first generator circuit 96 of a first determined time t ⁇ , laying for the first image captured by the CCD sensor 51, a second generator circuit 97 of a third determined time t ⁇ , (for example equal to t ⁇ ), of pose for the second image captured by the CCD sensor 52, and a third generator circuit 98 d 'a second determined time t 2 delay between the first exposure and the second exposure.
  • VD TV signal
  • the generators 96 and 97 are respectively connected to interface circuits 99 and 100 for triggering the channels 101 and 102 of the CCD sensors 51 and 52.
  • the signals from the generators 96 and 97 also attack a delay circuit 103 for triggering the lighting circuit 53, for example adjustable by a value ranging from 0 s to t] _.
  • the adjustment range of t2 which is the time between two shots, is for example between about 3 ⁇ s and about 500 ⁇ s, the times of poses tl and t3 being greater than or equal to 1 ⁇ s, for example fixed at 2 ⁇ s.
  • the circuit 57 also generates control of the laser diode in synchronism with the operation of the CCD sensors for a very short time t4, taken for example equal to 100 ns; this very short time makes it possible to obtain a perfectly clear image of particles.
  • the adjustments are made in a manner known per se, for example by means of coding wheels acting on the circuit 57.
  • FIG. 6 shows the timing diagram of the signals illustrating the operation of the device.
  • Lines 104 and 105 correspond respectively to CCD sensors 51 and 52.
  • the CCD sensor 51 operates during time ti, then after time t2, the CCD sensor 52 is activated during time t 3 (here equal to tj).
  • a lighting "flash" is emitted for a time t ⁇ (line 106), for example at mid-period.
  • the device then performs the simultaneous reading of the matrices of the sensors 51 and 52, for pixel by pixel subtraction of the information from the two sensors (line 107).
  • the circuits 55 and 56 also deliver the signals necessary to correctly read the matrices of the CCD sensors.
  • the sensors are synchronized with each other, the circuit 55 being for example the "master" circuit providing the start time for deleting frames to shutter circuit 57, to reset the exposure process for each new measurement.
  • the signals from CCD sensors are then processed in a conventional manner, analog or digital, by amplification, addition of deletions, synchronization, etc. by circuits 62 and 63.
  • circuit 67 The difference between the two video signals is made by circuit 67.
  • a thresholding of the signals obtained is also carried out, so as to obtain a binary image, to facilitate processing.
  • FIG. 7 shows in gray level a video image of a particle obtained with a device according to the invention.
  • the abscissa is in pixels, the gray levels appearing on the ordinate.
  • a first thresholding 108 is performed to give a first binary image.
  • An analysis of this image then makes it possible, in known manner, to obtain a first data table which represents for each particle:
  • This first table makes it possible to construct the histogram 34.
  • a second threshold 109 makes it possible to obtain a second data table in the same way.
  • the speed is determined by simple measurement of the difference e between the two centers of gravity of the particle and its double.
  • Video outputs 64 and 65 allow simple control and easy adjustment of settings, in real time, by the operator.
  • the present invention is not limited to the embodiment more particularly described. On the contrary, it relates to all variants thereof and in particular those where the invention is applied to the measurement of the speed of a fluid.
  • the invention is also applicable when studying a phenomenon for which the rear lighting or lateral is impossible (liquid films on a wall, very dense dispersed medium, etc.).
  • the anti-reflection treatment of the protective window can quickly deteriorate (thermal effect, erosion by particles, etc.).
  • the device according to the invention eliminates these drawbacks.
  • the device and the method according to the invention make it possible to bring out, from a slowly evolving background (with respect to time 2, phenomena which are not very contrasting but in motion.
  • the speeds of the phenomena to be studied can thus range from a few tenths of meters per second to supersonic speeds.

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Abstract

Il s'agit d'un procédé et d'un dispositif de mesure optique des dimensions ou de la vitesse d'un objet (1) ou d'un fluide en mouvement dans un champ (4). Le procédé est caractérisé en ce que l'on capte selon un axe de visée, pendant un premier temps déterminé t1, une première image de l'objet ou du fluide en mouvement sur un premier capteur (36, 51) de caméra matricielle à couplage de charges; après un deuxième temps déterminé t2, on capte selon le même axe de visée, pendant un troisième temps déterminé t3, éventuellement égal au premier temps déterminé, une seconde image de l'objet ou du fluide en mouvement sur un second capteur (37, 52) de caméra matricielle à couplage de charges; puis on traite simultanément les deux signaux (60, 61) ainsi obtenus à partir des deux capteurs pour en déduire les dimensions ou la vitesse de l'objet par soustraction entre lesdits signaux ou la vitesse du fluide par auto-corrélation.It is a method and a device for optical measurement of the dimensions or the speed of an object (1) or a moving fluid in a field (4). The method is characterized in that, along an axis of sight, during a first determined time t1, a first image of the moving object or fluid is captured on a first sensor (36, 51) of a matrix camera with coupling fillers; after a second determined time t2, a second image of the object or fluid in motion is captured along the same line of sight, for a third determined time t3, possibly equal to the first determined time, on a second sensor (37, 52 ) charge-coupled area-array camera; then the two signals (60, 61) thus obtained from the two sensors are simultaneously processed to deduce therefrom the dimensions or the speed of the object by subtraction between said signals or the speed of the fluid by auto-correlation.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE OPTIQUE DES DIMENSIONS OU DE LA VITESSE D'UN OBJET EN MOUVEMENT DANS UN FLUIDEMETHOD AND DEVICE FOR OPTICALLY MEASURING THE DIMENSIONS OR SPEED OF A MOVING OBJECT IN A FLUID
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure optique des dimensions d'un objet ou de la vitesse d'un objet ou d'un fluide en mouvement dans un champ.The present invention relates to a method and a device for optical measurement of the dimensions of an object or of the speed of an object or of a fluid moving in a field.
Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans le domaine de la mesure des vitesses de particules.It finds a particularly important, although not exclusive, application in the field of measuring particle velocities.
Elle peut également et notamment être utilisée pour mesurer les dimensions d'une particule, ou encore la vitesse d'un objet volant sur fond de ciel, ou plus généralement d'un objet ou d'une surface en mouvement dans un champ peu contrasté par rapport à l'objet.It can also and in particular be used to measure the dimensions of a particle, or even the speed of a flying object on the sky background, or more generally of an object or a moving surface in a field little contrasted by relation to the object.
Par dimensions il convient d'entendre en l'espèce les dimensions hors tout de l'objet ou de la particule dans le plan perpendiculaire à l'axe de visée.By dimensions should be understood in this case the overall dimensions of the object or particle in the plane perpendicular to the line of sight.
On connaît déjà des dispositifs de mesure de particules du type granulomètre. Par exemple, il existe des appareils de mesure fonctionnant à partir de prélèvements d'échantillons. De tels appareils ne permettent cependant pas une mesure de la vitesse en temps réel, ce qui en limite l'intérêt.Particle size measurement devices are already known. For example, there are measuring devices that operate from sample collection. However, such devices do not allow speed measurement in real time, which limits their interest.
On connaît également des dispositifs de mesure directe de la vitesse de particules. Ces dispositifs connus présentent aussi des inconvénients.Devices for direct measurement of the speed of particles are also known. These known devices also have drawbacks.
Ils sont en effet basés sur des lois optiques complexes telles que les lois sur la diffraction de la lumière. Les nombreux paramètres à prendre en compte tels que la taille, l'indice de réfraction, et la forme des particules nécessitent alors un appareil complexe, en général réservé aux laboratoires.They are indeed based on complex optical laws such as the laws on the diffraction of light. The numerous parameters to be taken into account such as the size, the refractive index, and the shape of the particles then require a complex apparatus, generally reserved for laboratories.
L'utilisation de la vidéo, basée sur l'ombroscopie notamment, n'a pas non plus donné entière satisfaction à ce jour.The use of video, based on ombroscopy in particular, has not been entirely satisfactory to date either.
Pour obtenir un traitement en temps réel les images doivent en effet être de bonne qualité, c'est- à-dire contrastées sur un fond uniforme. Or malheureusement les sources d'éclairage classiques comme c'est le cas d'une diode laser par exemple, éclairent de façon peu homogène.To obtain real-time processing, the images must indeed be of good quality, that is to say contrasted on a uniform background. Unfortunately, conventional lighting sources, as in the case of a laser diode, for example, do not light up very uniformly.
Pour pallier cette insuffisance, on a alors cherché à éliminer le fond d'image par soustraction entre signaux correspondants à deux images successives.To overcome this insufficiency, we then sought to eliminate the background image by subtraction between signals corresponding to two successive images.
Une telle opération ne donne cependant pas satisfaction du fait notamment de l'impossibilité d'éliminer la présence d'objets parasites dus aux variations du champ d'une image à l'autre.However, such an operation is not satisfactory, in particular because of the impossibility of eliminating the presence of parasitic objects due to variations in the field from one image to another.
En conclusion les différents dispositifs et procédés connus de mesure de dimensions ou de vitesse présentent des inconvénients, car ils sont complexes, nécessitant par exemple la mise en oeuvre de logiciels de traitement de signaux sophistiqués, et/ou parce qu'ils ne permettent pas d'obtenir des résultats de bonne qualité.In conclusion, the various known devices and methods for measuring dimensions or speed have drawbacks, because they are complex, requiring for example the use of sophisticated signal processing software, and / or because they do not allow '' get good quality results.
La présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif de mesure optique des dimensions ou de la vitesse d'un objet ou d'un fluide, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle fait appel à des principes optiques simples, comme celui de l'ombroscopie dans le cas d'une mesure nécessitant un éclairage du champ, qu'elle est aisée à mettre en oeuvre, notamment par des opérateurs non spécialisés en informatique, et qu'elle présente d'excellents résultats au niveau de la qualité des mesures obtenues.The present invention aims to provide a method and a device for optical measurement of the dimensions or the speed of an object or of a fluid, meeting better than those previously known the requirements of practice, in particular in that it uses to simple optical principles, like that of omboscopy in the case of a measurement requiring field lighting, which it is easy to implement, in particular by operators not specialized in data processing, and which it presents excellent results in terms of the quality of the measurements obtained.
Dans ce but l'invention propose notamment un procédé de mesure optique des dimensions ou de la vitesse d'un objet ou d'un fluide en mouvement dans un champ, caractérisé en ce queTo this end, the invention proposes in particular a method of optical measurement of the dimensions or of the speed of an object or of a fluid moving in a field, characterized in that
- on capte selon un axe de visée, pendant un premier temps déterminé, une première image de l'objet ou du fluide en mouvement sur un premier capteur de caméra matricielle à couplage de charges,- a first image of the object or of the fluid in motion is captured along an aiming axis, for a first determined time, on a first charge-coupled matrix camera sensor,
- après un deuxième temps déterminé, on capte selon le même axe de visée, pendant un troisième temps déterminé, éventuellement égal au premier temps déterminé, une seconde image de l'objet ou du fluide en mouvement sur un second capteur de caméra matricielle à couplage de charges,- after a second determined time, a second image of the object or of the fluid in motion is captured on the same line of sight, for a third determined time, possibly equal to the first determined time, on a second matrix-linked camera sensor loads,
- puis on traite simultanément les deux signaux ainsi obtenus à partir des deux capteurs pour en déduire les dimensions ou la vitesse de l'objet par soustraction entre lesdits signaux ou la vitesse du fluide par auto-corrélation.- Then the two signals thus obtained are simultaneously processed from the two sensors to deduce the dimensions or the speed of the object by subtraction between said signals or the speed of the fluid by auto-correlation.
Le principe de l'invention repose sur l'utilisation de deux capteurs de caméras matricielles à couplage de charges (connues en terminologie anglosaxonne sous l'abréviation CCD) qui enregistrent l'une après l'autre l'image d'un phénomène en mouvement pendant un temps déterminé, avec un écart de temps faible et ajustable, entre les deux enregistrements. L'ajustement de ce deuxième temps dépend de la vitesse de l'objet en mouvement.The principle of the invention is based on the use of two sensors of charge coupled matrix cameras (known in English terminology under the abbreviation CCD) which record one after the other the image of a moving phenomenon during a determined time, with a small and adjustable time difference, between the two recordings. The adjustment of this second time depends on the speed of the moving object.
En lisant ensuite simultanément le contenu des deux matrices à couplage de charges et par soustraction (ou auto-corrélation) des informations, on obtient une seule image présentant un fond uniforme sur lequel se détache bien le phénomène observé, par exemple dans le cas d'une mesure de vitesse de particules, pour chaque particule, un doublet formé d'une première image sombre et d'une deuxième image claire.By then reading simultaneously the content of the two charge-coupled matrices and by subtraction (or auto-correlation) of the information, one obtains a single image having a uniform background on which the observed phenomenon stands out well, for example in the case of a particle speed measurement, for each particle, a doublet formed by a first dark image and a second light image.
La distance entre les deux images permet ensuite de calculer très précisément le module de la vitesse de la particule dans un plan perpendiculaire à l'axe de visée, l'ordre du doublet noir/blanc ou blanc/noir donnant le sens de la vitesse de la particule.The distance between the two images then makes it possible to calculate very precisely the modulus of the speed of the particle in a plane perpendicular to the line of sight, the order of the black / white or white / black doublet giving the direction of the speed of the particle.
L'invention permet l'élimination de la plupart des défauts du fond, l'enregistrement des deux images pouvant s'effectuer successivement très rapidement.The invention makes it possible to eliminate most of the background defects, the recording of the two images being able to be carried out successively very quickly.
Le fond et ses défauts, dus par exemple à la présence de poussière, évoluent donc peu pendant ce temps.The background and its defects, due for example to the presence of dust, therefore change little during this time.
La caméra se comporte en fait comme un double obturateur et ne voit le champ que pendant deux laps de temps très courts.The camera actually behaves like a double shutter and only sees the field for two very short periods of time.
Du fait de l'excellent contraste obtenu, la mesure de dimensions de la particule est par ailleurs grandement facilitée.Due to the excellent contrast obtained, the measurement of particle dimensions is also greatly facilitated.
Dans des modes de réalisation avantageux de l'invention on a, en outre, recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :In advantageous embodiments of the invention, use is made of one and / or the other of the following arrangements:
- pour capter les première et seconde images selon le même axe de visée, on sépare en deux parties sensiblement égales les rayons lumineux provenant de l'objet ou du fluide à mesurer pour focaliser respectivement lesdites parties sur les premiers et seconds capteurs ; le premier temps déterminé est inférieur à de l'ordre de 5 μs, et avantageusement à de l'ordre de 3 μs ;- to capture the first and second images along the same line of sight, the light rays from two rays are separated into two substantially equal parts the object or the fluid to be measured to focus said parts respectively on the first and second sensors; the first determined time is less than about 5 μs, and advantageously less than 3 μs;
- le deuxième temps déterminé est inférieur à de l'ordre de 50 millisecondes et avantageusement à de l'ordre de 20 millisecondes ;- The second determined time is less than around 50 milliseconds and advantageously around 20 milliseconds;
- pendant qu'on capte les première et seconde images de l'objet pendant les premier et troisième temps déterminés, on éclaire le champ pendant un quatrième temps déterminé ; le quatrième temps déterminé est inférieur à 500 nanosecondes, et avantageusement est de l'ordre de 100 nanosecondes.- while capturing the first and second images of the object during the first and third determined times, the field is lit for a fourth determined time; the fourth determined time is less than 500 nanoseconds, and advantageously is of the order of 100 nanoseconds.
De façon inattendue, un temps d'éclairage aussi court permet en effet de faire sensiblement disparaître un défaut d'image appelé "smearing" en terminologie anglosaxonne et apparaissant parfois lors de l'utilisation de capteurs à couplage de charges ;Unexpectedly, such a short lighting time indeed makes it possible to substantially disappear an image defect called "smearing" in English terminology and sometimes appearing when using charge coupled sensors;
- on traite directement, en temps réel, les signaux analogiques issus des caméras à couplage de charges, pour en déduire la valeur absolue de la vitesse dans le champ perpendiculaire à l'axe de visée et/ou le sens de la vitesse de l'objet ou du fluide.- the analog signals from charge coupled cameras are directly processed in real time, to deduce the absolute value of the speed in the field perpendicular to the line of sight and / or the direction of the speed of the object or fluid.
En permettant le décalage dans le temps de la fenêtre temporelle d'acquisition des images par les capteurs, tout en conservant le synchronisme de la lecture, on peut en effet effectuer la différence des informations vidéo par traitement analogique, en temps réel.By allowing the time window of the acquisition window of the images by the sensors to be offset, while keeping the synchronism of the reading, it is indeed possible to make the difference of the video information by analog processing, in real time.
La caméra se comporte alors globalement comme une caméra classique, fournissant un signal vidéo unique, directement visuable sur un écran moniteur par un opérateur.The camera then generally behaves like a conventional camera, providing a unique video signal, directly visible on a monitor screen by an operator.
La présente invention propose également un dispositif de mesure optique des dimensions ou de la vitesse d'un objet ou d'un fluide en mouvement dans un champ, caractérisé en ce que il comprend :The present invention also provides a device for optical measurement of the dimensions or of the speed of an object or of a fluid moving in a field, characterized in that it comprises:
- un premier capteur de caméra matricielle à couplage de charges,- a first matrix camera sensor with charge coupling,
- un second capteur de caméra matricielle à couplage de charges,- a second matrix camera sensor with charge coupling,
- des moyens optiques propres à être placés sur le trajet des rayons lumineux provenant de l'objet ou du fluide à mesurer, pour séparer lesdits rayons lumineux en deux parties sensiblement égales et focaliser respectivement lesdites parties sur lesdits premier et second capteurs,- optical means suitable for being placed on the path of the light rays coming from the object or the fluid to be measured, for separating said light rays into two substantially equal parts and focusing said parts respectively on said first and second sensors,
- des moyens de déclenchement de l'exposition desdits capteurs pendant des temps déterminés, successivement et après un intervalle de temps déterminé,means for triggering the exposure of said sensors for determined times, successively and after a determined time interval,
- et des moyens de traitement simultané des signaux obtenus à partir des deux capteurs pour en déduire les dimensions ou la vitesse de l'objet par soustraction entre lesdits signaux, ou la vitesse du fluide par auto-corrélation.- And means for simultaneous processing of the signals obtained from the two sensors to deduce the dimensions or the speed of the object by subtraction between said signals, or the speed of the fluid by auto-correlation.
Dans des modes de réalisation avantageux on a de plus recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :In advantageous embodiments, one and / or the other of the following arrangements are also used:
- les moyens optiques comportent une lame semi- transparente et un miroir ;- the optical means comprise a semi-transparent plate and a mirror;
- les moyens de traitement des signaux comportent des moyens de numérisation des signaux analogiques obtenus à partir des capteurs ;the signal processing means include means for digitizing the analog signals obtained from the sensors;
- les capteurs de caméra à couplage de charges sont des capteurs à transfert de lignes ; - les moyens de déclenchement de l'exposition des capteurs comportent des moyens de réglage des temps et des intervalles de temps déterminé ; une telle disposition permet notamment de définir l'intervalle de temps séparant les prises de vue par chaque capteur ; le dispositif comprend de plus des moyens d'éclairage du champ pendant un temps déterminé et des moyens de synchronisation dudit temps d'éclairage avec les temps d'exposition des capteurs;- the charge coupled camera sensors are line transfer sensors; the means for triggering the exposure of the sensors comprise means for adjusting the times and the determined time intervals; such an arrangement makes it possible in particular to define the time interval separating the shots by each sensor; the device further comprises means for lighting the field for a determined time and means for synchronizing said lighting time with the exposure times of the sensors;
- le dispositif comprend un circuit de seuillage. Un tel circuit, permettant l'élaboration d'un ou de plusieurs seuils d'intensité du signal vidéo, autorise le codage direct en binaire des images obtenues et minimise ainsi les besoins en capacité mémoire du système de traitement d'image.- The device includes a thresholding circuit. Such a circuit, allowing the development of one or more video signal intensity thresholds, authorizes direct binary coding of the images obtained and thus minimizes the memory capacity requirements of the image processing system.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs.The invention will be better understood on reading the following description of particular embodiments, given by way of nonlimiting examples.
La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels :The description refers to the accompanying drawings in which:
- la figure 1 montre schématiquement un dispositif de mesure optique selon un mode de réalisation de 1'invention ;- Figure 1 schematically shows an optical measurement device according to an embodiment of the invention;
- la figure 2 est une vue schématique de la partie capteur du dispositif de la figure 1 ;- Figure 2 is a schematic view of the sensor part of the device of Figure 1;
- la figure 3 est un schéma montrant sous forme de blocs les différents éléments d'un dispositif propre à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention ;- Figure 3 is a diagram showing in the form of blocks the various elements of a device suitable for implementing the method according to the invention;
- la figure 4a est un schéma montrant sous forme de blocs les éléments de la voie vidéo analogique de la figure 3 ;- Figure 4a is a diagram showing in the form of blocks the elements of the analog video channel of Figure 3;
- la figure 4b est une variante d'une partie du schéma de la figure 4a, pour traitement numérique ; δ- Figure 4b is a variant of part of the diagram of Figure 4a, for digital processing; δ
- la figure 5 est un schéma montrant sous forme de blocs les éléments du pilotage des capteurs de caméra à couplage de charges, et de leur obturation électronique ;- Figure 5 is a diagram showing in the form of blocks the elements of the control of charge coupled camera sensors, and their electronic shutter;
- la figure 6 est un chronogramme illustrant le fonctionnement d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, avec éclairage discontinu du champ ;- Figure 6 is a timing diagram illustrating the operation of a device according to an embodiment of the invention, with discontinuous illumination of the field;
- la figure 7 est un exemple d'histogramme en niveau de gris d'un doublet correspondant à une particule, du type de ceux obtenus avec la présente invention.- Figure 7 is an example of a gray level histogram of a doublet corresponding to a particle, of the type of those obtained with the present invention.
La figure 1 montre un dispositif 1 selon un mode de réalisation de l'invention appliqué à la mesure de la vitesse de particules 2, par exemple des goutelettes de liquide, en mouvement(flèche 3) dans un champ 4.FIG. 1 shows a device 1 according to an embodiment of the invention applied to the measurement of the speed of particles 2, for example droplets of liquid, in movement (arrow 3) in a field 4.
Le dispositif comprend un tube 5 propre à être introduit dans un appareil (non représenté) dans lequel transitent les particules, par exemple à l'intérieur d'une centrifugeuse ou d'une turbine en fonctionnement, de façon connue en soi.The device comprises a tube 5 suitable for being inserted into an apparatus (not shown) in which the particles pass, for example inside a centrifuge or a turbine in operation, in a manner known per se.
Le tube, par exemple cylindrique de diamètre externe 25 mm, comporte à une extrémité 6 une ouverture 7 du type "chas d'aiguille", par exemple de longueur 30 mm et de largeur 15 mm, traversant transversalement le tube 5 de part en part.The tube, for example cylindrical with an external diameter of 25 mm, has at one end 6 an opening 7 of the "needle eye" type, for example of length 30 mm and width 15 mm, passing transversely through the tube 5 right through. .
Cette ouverture est à une distance axiale déterminée par rapport à l'autre extrémité 8 du tube sur laquelle est fixé le boîtier 9 de la caméra de mesure 10 et d'une partie d'un système d'éclairage 11 du champ 4.This opening is at an axial distance determined relative to the other end 8 of the tube on which the housing 9 of the measurement camera 10 and of part of a lighting system 11 of the field 4 is fixed.
Le système d'éclairage 11 comprend des moyens 12 d'émission de lumière comportant par exemple une diode laser commandée par l'intermédiaire" d'un boîtier 13, par exemple pour émettre la lumière de manière puisée.The lighting system 11 comprises light emission means 12 comprising for example a diode laser controlled through " a housing 13, for example to emit light in a pulsed manner.
Le système 11 comprend également une fibre" optique 14 connue en elle-même, de transmission de la lumière vers un premier système optique 15 d'éclairage du champ 4 par l'arrière, situé à l'extrémité distale 16 du tube 5, de l'autre côté de l'ouverture 7, par rapport au boîtier 9.The system 11 also comprises an optical fiber 14 known in itself, for transmitting light to a first optical system 15 for lighting the field 4 from the rear, located at the distal end 16 of the tube 5, of the other side of the opening 7, relative to the housing 9.
Dans ce mode de réalisation de l'invention, les principes de l'ombroscopie sont en effet utilisés.In this embodiment of the invention, the principles of ombroscopy are in fact used.
Le premier système optique 15 comprend un prisme 17 de renvoi du faisceau 18 sortant de l'extrémité 19 de la fibre optique 14 vers un condenseur 20, connu en lui-même, qui focalise le faisceau d'éclairage 21 sur le plan de focalisation 22 perpendiculaire à l'ouverture 7 traversée par les particules 2 en mouvement.The first optical system 15 comprises a prism 17 for returning the beam 18 leaving the end 19 of the optical fiber 14 to a condenser 20, known in itself, which focuses the lighting beam 21 on the focusing plane 22 perpendicular to the opening 7 through which the moving particles 2 pass.
Le rayon lumineux 23, correspondant à l'image de ces particules, est renvoyé vers l'objectif 24, situé entre l'ouverture 7 et le boîtier 9, à l'intérieur du tube, qui condense le rayon sur la face 25 d'entrée d'une fibre optique 26, de type connu, par exemple une multifibre dite de transport d'image.The light ray 23, corresponding to the image of these particles, is returned to the objective 24, located between the opening 7 and the housing 9, inside the tube, which condenses the ray on the face 25 of input of an optical fiber 26, of known type, for example a so-called image transport multifiber.
Le dispositif comprend un deuxième système optique 27 de séparation en deux parties du rayon lumineux 28, issu de l'autre face d'extrémité 29 de la fibre 26, et de focalisation de ces deux parties de rayons lumineux sur la caméra 10 à deux capteurs.The device comprises a second optical system 27 for separation into two parts of the light beam 28, coming from the other end face 29 of the fiber 26, and for focusing these two parts of light rays on the camera 10 with two sensors .
Le dispositif comprend un boîtier de commande 30 de la caméra 10, connecté en 31 au boîtier 13 de commande de l'éclairage, permettant d'asservir les commandes de l'éclairage et de la caméra l'un à l'autre, pour synchronisation. Le boîtier 30 est par ailleurs connecté à une unité 32 de traitement d'image comportant par exemple un micro-ordinateur du type PC ou une station de travail, comprenant notamment un écran de visualisation en temps réel des images 33 des doublets de particules, de l'histogramme 34 des particules mesurées (nombre de particules en fonction de leur diamètre) après traitement des images, etc.The device comprises a camera control box 30, connected at 31 to the lighting control box 13, making it possible to control the lighting and camera controls one for the other, for synchronization . The housing 30 is also connected to an image processing unit 32 comprising for example a microcomputer of the PC type or a work station, comprising in particular a screen for viewing in real time images 33 of the doublets of particles, of the histogram 34 of the particles measured (number of particles as a function of their diameter) after processing the images, etc.
La figure 2 est une vue schématique plus détaillée de la caméra 10 de la figure 1.FIG. 2 is a more detailed schematic view of the camera 10 of FIG. 1.
La caméra 10 comporte un boîtier 35, un premier capteur CCD 36 et un deuxième capteur CCD 37, avantageusement du type à transfert de lignes, par exemple de capteurs de la société SONY, correspondant aux références constructeur ICX 024 AL-3.The camera 10 comprises a housing 35, a first CCD sensor 36 and a second CCD sensor 37, advantageously of the line transfer type, for example sensors from the company SONY, corresponding to the manufacturer references ICX 024 AL-3.
Les capteurs 36 et 37 sont chacun munis d'une électronique 38 et 39, dite de proximité, et sont connectés via les cables 40 et 41 (par exemple de 5 m de longueur) au boîtier de commande 30 de la caméra.The sensors 36 and 37 are each provided with electronics 38 and 39, called proximity, and are connected via cables 40 and 41 (for example 5 m in length) to the control box 30 of the camera.
La caméra 10 est par ailleurs associée aux moyens optiques 27 placés sur le trajet 42 des rayons lumineux provenant de l'objet ou du fluide à mesurer.The camera 10 is also associated with the optical means 27 placed on the path 42 of the light rays coming from the object or the fluid to be measured.
Les moyens optiques 27 comportent par exemple une lentille de focalisation 43, disposée sur le trajet du rayon lumineux sortant de la fibre optique, dans le prolongement de cette dernière.The optical means 27 comprise for example a focusing lens 43, disposed on the path of the light ray leaving the optical fiber, in the extension of the latter.
Des moyens de séparation en deux des flux lumineux sont prévus et sont par exemple constitués par une lame semi-réfléchissante 44, située dans le prolongement du chemin optique 42, à la suite des moyens de focalisation 43.Means for separating the light fluxes into two are provided and are for example constituted by a semi-reflecting plate 44, located in the extension of the optical path 42, following the focusing means 43.
La lame 44 laisse passer de l'ordre de 50% du flux vers le premier capteur 36, et réfléchit à 45° le flux restant vers le second capteur 37, par exemple via un miroir 45 permettant une double inversion de l'image, ce qui va autoriser la soustraction directe des images analogiques sans opération d'inversion électronique.The blade 44 lets in the order of 50% of the flux towards the first sensor 36, and reflects at 45 ° the remaining flux towards the second sensor 37, for example via a mirror 45 allowing a double inversion of the image, which will allow direct subtraction of the analog images without electronic inversion operation.
Dans certains modes de réalisation, le flux lumineux peut être séparé en deux portions inégales.In certain embodiments, the light flux can be separated into two unequal portions.
Les capteurs 36 et 37, et les moyens 43 et 44 de séparation et de focalisation sont respectivement disposés de façon à permettre une bonne mise au point sur chacun desdits capteurs.The sensors 36 and 37, and the means 43 and 44 for separation and focusing are respectively arranged so as to allow good focusing on each of said sensors.
Les moyens 44 et 45 sont par ailleurs fixés au boîtier 35 via des montures mécaniques réglables 46 et 47, de façon connue en elle-même. la figure 3 est un schéma général sous forme de blocs montrant les éléments du dispositif 50 selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici.The means 44 and 45 are also fixed to the housing 35 via adjustable mechanical mounts 46 and 47, in a manner known per se. Figure 3 is a general diagram in the form of blocks showing the elements of the device 50 according to the embodiment of the invention more particularly described here.
Le dispositif 50 comporte deux capteurs CCD 51 et 52 et des moyens 53 d'éclairage d'un champ de particules à mesurer.The device 50 comprises two CCD sensors 51 and 52 and means 53 for lighting a field of particles to be measured.
Des moyens 54 de pilotage des caméras et de l'éclairage sont prévus. Ils comprennent des circuits 55 et 56 de pilotage, respectivement, des capteurs 51 et 52, et un circuit 57 de déclenchement ("shutter" en terminologie anglosaxonne) des caméras et de l'éclairage.Means 54 for controlling the cameras and the lighting are provided. They include circuits 55 and 56 for piloting, respectively, sensors 51 and 52, and a circuit 57 for triggering ("shutter" in English terminology) of the cameras and the lighting.
Des moyens 58, connus en eux-mêmes, générateurs de signaux TV sont par ailleurs prévus pour permettre le fonctionnement du dispositif.Means 58, known in themselves, TV signal generators are also provided to allow the operation of the device.
Le dispositif 50 de la figure 3 comprend également des moyens 59 de traitement des signaux 60 et 61 issus respectivement des capteurs 51 et 52.The device 50 of FIG. 3 also includes means 59 for processing the signals 60 and 61 coming respectively from the sensors 51 and 52.
Les moyens 59 comportent des circuits 62 et 63 de traitement analogique ou numérique des signaux 61 et 62, circuits qui sont chacun avantageusement munis d'une sortie de contrôle analogique (visionneuse) 64 et 65.The means 59 comprise circuits 62 and 63 for analog or digital processing of the signals 61 and 62, circuits which are each advantageously provided with an analog control output (viewer) 64 and 65.
Les signaux 66 issus du traitement sont soustraits ou auto-corrélés en 67 avant d'être dirigés vers un étage 68 de sortie vidéo pour restitution des mesures de vitesse des particules.The signals 66 originating from the processing are subtracted or auto-correlated at 67 before being directed to a stage 68 of video output for restitution of the speed measurements of the particles.
La figure 4A est un schéma bloc détaillé des moyens 59 de traitement analogique des signaux 60 et 61 issus des capteurs 51 et 52.FIG. 4A is a detailed block diagram of the means 59 for analog processing of the signals 60 and 61 coming from the sensors 51 and 52.
Les moyens 59 comprennent des circuits 62 et 63 de type connu, qui constituent respectivement les voies vidéo des capteurs CCD 51 et 52.The means 59 comprise circuits 62 and 63 of known type, which respectively constitute the video channels of the CCD sensors 51 and 52.
Les sorties vidéos 60 (respectivement 61) des capteurs CCD 51 (respectivement 52) sont connectés à un circuit 70 (respectivement 70') de double échantillonnage.The video outputs 60 (respectively 61) of the CCD sensors 51 (respectively 52) are connected to a circuit 70 (respectively 70 ') of double sampling.
Les signaux sont ensuite amplifiés en 71 (71') avec un gain G en puissance variable (par exemple G = 70) ; puis ils sont filtrés dans un filtre passe- bas 72 (72'), avant d'attaquer un circuit 73 (73') de restitution de composante continue (circuit "clamp" en terminologie anglosaxonne) .The signals are then amplified at 71 (71 ') with a gain G in variable power (for example G = 70); then they are filtered in a low-pass filter 72 (72 ′), before attacking a circuit 73 (73 ′) for restitution of the continuous component (“clamp” circuit in English terminology).
Les signaux 74 (74') ainsi amplifiés et filtrés sont ensuite traités par le circuit 67.The signals 74 (74 ') thus amplified and filtered are then processed by the circuit 67.
Un étage de sortie vidéo 75 (respectivement 75') par exemple pour contrôle visuel par un opérateur, est également prévu.A video output stage 75 (respectively 75 ′) for example for visual control by an operator is also provided.
Par ailleurs, une dérivation 76 (respectivement 76') comprenant un filtre passe bas 77 (77') et un circuit de contrôle de gain 78 (respectivement 78') connecté d'un côté à la sortie du circuit "clamp" 73 (respectivement 73') et raccordé de l'autre côté à l'amplificateur 71 (respectivement 71') est prévu pour permettre de faire varier le gain de l'amplificateur, de façon connue en elle-même.In addition, a bypass 76 (respectively 76 ') comprising a low-pass filter 77 (77') and a gain control circuit 78 (respectively 78 ') connected on one side to the output of the "clamp" circuit 73 (respectively 73 ') and connected on the other side to the amplifier 71 (respectively 71 ') is provided to allow the gain of the amplifier to be varied, in a manner known per se.
Le réglage du gain peut bien entendu être également effectué manuellement, par un opérateur, grâce à un potentiomètre par exemple.The gain adjustment can of course also be carried out manually, by an operator, using a potentiometer for example.
Les signaux 74 et 74' attaquent ensuite le circuit de soustraction 67 qui comprend par exemple un amplificateur 79 (pour les signaux 74) , un amplificateur inverseur 80 (pour les signaux 74'), un circuit additionneur 81, et un étage 82 de sortie vidéo pour mesure des vitesses.The signals 74 and 74 'then drive the subtraction circuit 67 which comprises for example an amplifier 79 (for the signals 74), an inverting amplifier 80 (for the signals 74'), an adder circuit 81, and an output stage 82 video for speed measurement.
La figure 4B est une variante numérique du traitement des signaux issus des voies A et A' de la figure 4A, en sortie des circuits d'échantillonage 70 et 70'.FIG. 4B is a digital variant of the processing of the signals coming from the channels A and A 'of FIG. 4A, at the output of the sampling circuits 70 and 70'.
Les signaux attaquent respectivement deux convertisseurs analogique/numérique 83 et 83', puis un circuit de soustraction numérique 84, soustraction qui est restituée en 85.The signals respectively drive two analog / digital converters 83 and 83 ′, then a digital subtraction circuit 84, subtraction which is restored at 85.
Un convertisseur numérique/analogique est prévu avec étage de sortie vidéo 87 pour contrôle 88.A digital / analog converter is provided with video output stage 87 for control 88.
La figure 5 est un schéma bloc détaillé des circuits 55, 56 et 57 de pilotage des capteurs CCD 51, 52 et de l'éclairage 53. Chacun des circuits 55 et 56 de pilotage des capteurs comporte, de façon connue, un oscillateur 89 (respectivement 89'), un générateur 90 (respectivement 90') de signaux de pilotage du capteur CCD attaqués en 91 (respectivement 91') et 92 (respectivement 92') par les signaux TV du générateur 58 et deux circuits 93 (respectivement 93') et 94 (respectivement 94') d'interface pour phases verticales et phases horizontales, qui attaquent le capteur CCD correspondant 51 (respectivement 52) . Le dispositif selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici comporte de plus un circuit "shutter" électronique 57.FIG. 5 is a detailed block diagram of the circuits 55, 56 and 57 for controlling the CCD sensors 51, 52 and the lighting 53. Each of the circuits 55 and 56 for controlling the sensors comprises, in a known manner, an oscillator 89 ( respectively 89 '), a generator 90 (respectively 90') of control signals from the CCD sensor attacked in 91 (respectively 91 ') and 92 (respectively 92') by the TV signals of the generator 58 and two circuits 93 (respectively 93 ' ) and 94 (respectively 94 ') of interface for vertical phases and horizontal phases, which attack the corresponding CCD sensor 51 (respectively 52). The device according to the embodiment of the invention more particularly described here further comprises an electronic shutter circuit 57.
Le circuit 57, attaqué par le signal TV (VD) issu du générateur 58, comprend un circuit retard 95, trois circuits générateurs de temps, à savoir un premier circuit générateur 96 d'un premier temps déterminé t^, de pose pour la première image captée par le capteur CCD 51, un deuxième circuit générateur 97 d'un troisième temps déterminé tβ, (par exemple égal à t^) , de pose pour la deuxième image captée par le capteur CCD 52, et un troisième circuit générateur 98 d'un deuxième temps déterminé t2 de retard entre la première pose et la deuxième pose.The circuit 57, attacked by the TV signal (VD) coming from the generator 58, comprises a delay circuit 95, three time generator circuits, namely a first generator circuit 96 of a first determined time t ^, laying for the first image captured by the CCD sensor 51, a second generator circuit 97 of a third determined time tβ, (for example equal to t ^), of pose for the second image captured by the CCD sensor 52, and a third generator circuit 98 d 'a second determined time t 2 delay between the first exposure and the second exposure.
Les générateurs 96 et 97 sont connectés respectivement à des circuits d'interface 99 et 100 de déclenchement des voies 101 et 102 des capteurs CCD 51 et 52.The generators 96 and 97 are respectively connected to interface circuits 99 and 100 for triggering the channels 101 and 102 of the CCD sensors 51 and 52.
Les signaux issus des générateurs 96 et 97 attaquent par ailleurs un circuit retard 103 de déclenchement du circuit d'éclairage 53, par exemple réglable d'une valeur allant de 0s à t]_.The signals from the generators 96 and 97 also attack a delay circuit 103 for triggering the lighting circuit 53, for example adjustable by a value ranging from 0 s to t] _.
On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif mis en oeuvre dans le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici, appliqué à la mesure de particules en mouvement, en faisant notamment référence à la figure 3 et aux figures 6 et 7.We will now describe the operation of the device used in the embodiment of the invention more particularly described here, applied to the measurement of moving particles, with particular reference to FIG. 3 and to FIGS. 6 and 7.
On règle tout d'abord les paramètres de temps déterminés t^, t2, tβ et t..We first of all set the determined time parameters t ^, t 2 , tβ and t ..
La gamme de réglage de t2, qui est le temps entre deux prises de vue, est par exemple comprise entre de l'ordre de 3 μs et de l'ordre de 500 μs, les temps de poses tl et t3 étant supérieurs ou égaux à 1 μs, par exemple fixés à 2 μs.The adjustment range of t2, which is the time between two shots, is for example between about 3 μs and about 500 μs, the times of poses tl and t3 being greater than or equal to 1 μs, for example fixed at 2 μs.
Comme on l'a vu, le circuit 57 génère par ailleurs la commande de la diode laser en synchronisme avec le fonctionnement des capteurs CCD pendant un temps t4 très court, pris par exemple égal à 100 ns ; ce temps très court permet d'obtenir une image de particules parfaitement nette.As we have seen, the circuit 57 also generates control of the laser diode in synchronism with the operation of the CCD sensors for a very short time t4, taken for example equal to 100 ns; this very short time makes it possible to obtain a perfectly clear image of particles.
Les réglages se font de façon connue en soi, par exemple par l'intermédiaire de roues codeuses agissant sur le circuit 57.The adjustments are made in a manner known per se, for example by means of coding wheels acting on the circuit 57.
On a représenté sur la figure 6 le chronogramme des signaux illustrant le fonctionnement du dispositif.FIG. 6 shows the timing diagram of the signals illustrating the operation of the device.
Les lignes 104 et 105 correspondent respectivement aux capteurs CCD 51 et 52.Lines 104 and 105 correspond respectively to CCD sensors 51 and 52.
Le capteur CCD 51 fonctionne pendant le temps ti, puis après le temps t2, le capteur CCD 52 est activé pendant le temps t3 (ici égal à tj).The CCD sensor 51 operates during time ti, then after time t2, the CCD sensor 52 is activated during time t 3 (here equal to tj).
Simultanément,pendant les intervalles de temps ti et t3 de prises d'images sur chaque capteur, un "flash" d'éclairage est émis pendant un temps t^ (ligne 106) , par exemple à mi-période.Simultaneously, during the time intervals ti and t 3 for taking pictures on each sensor, a lighting "flash" is emitted for a time t ^ (line 106), for example at mid-period.
Le dispositif effectue ensuite la lecture simultanée des matrices des capteurs 51 et 52, pour soustraction pixel à pixel des informations issues des deux capteurs (ligne 107) .The device then performs the simultaneous reading of the matrices of the sensors 51 and 52, for pixel by pixel subtraction of the information from the two sensors (line 107).
Pendant le fonctionnement du dispositif, les circuits 55 et 56 délivrent par ailleurs les signaux nécessaires pour lire correctement les matrices des capteurs CCD.During the operation of the device, the circuits 55 and 56 also deliver the signals necessary to correctly read the matrices of the CCD sensors.
Les capteurs sont synchronisés l'un avec l'autre, le circuit 55 étant par exemple le circuit "maître" fournissant l'instant de début de suppression de trame au circuit shutter 57, pour réinitialiser le processus d'exposition à chaque nouvelle mesure.The sensors are synchronized with each other, the circuit 55 being for example the "master" circuit providing the start time for deleting frames to shutter circuit 57, to reset the exposure process for each new measurement.
Les signaux issus de capteurs CCD sont ensuite traités de façon classique, analogique ou numérique, par amplification, ajout de suppressions, synchronisation, etc par les circuits 62 et 63.The signals from CCD sensors are then processed in a conventional manner, analog or digital, by amplification, addition of deletions, synchronization, etc. by circuits 62 and 63.
La différence entre les deux signaux vidéo est effectuée par le circuit 67.The difference between the two video signals is made by circuit 67.
Dans le mode de réalisation plus particulièrement décrit, on effectue également un seuillage des signaux obtenus, de façon à obtenir une image binaire, pour faciliter le traitement.In the embodiment more particularly described, a thresholding of the signals obtained is also carried out, so as to obtain a binary image, to facilitate processing.
On va maintenant se référer à la figure 7 qui montre en niveau de gris une image vidéo d'une particule obtenue avec un dispositif selon l'invention.We will now refer to FIG. 7 which shows in gray level a video image of a particle obtained with a device according to the invention.
L'abscisse est en pixels, les niveaux de gris figurant en ordonnée.The abscissa is in pixels, the gray levels appearing on the ordinate.
Un premier seuillage 108 est effectué pour donner une première image binaire. Une analyse de cette image permet ensuite d'obtenir, de façon connue, un premier tableau de données qui représente pour chaque particule :A first thresholding 108 is performed to give a first binary image. An analysis of this image then makes it possible, in known manner, to obtain a first data table which represents for each particle:
- les coordonnées du centre de gravité,- the coordinates of the center of gravity,
- la surface,- the surface,
- le périmètre,- the perimeter,
- un ou plusieurs facteurs de forme.- one or more form factors.
Ce premier tableau permet de construire l'histogramme 34.This first table makes it possible to construct the histogram 34.
Un deuxième seuillage 109 permet d'obtenir de la même manière un second tableau de données.A second threshold 109 makes it possible to obtain a second data table in the same way.
Le principe mis en oeuvre pour déterminer la vitesse est alors le suivant : On cherche, pour chaque particule du premier tableau, le "double" de cette particule dans le deuxième tableau.The principle used to determine the speed is then as follows: We seek, for each particle in the first table, the "double" of this particle in the second table.
Après identification du double, la vitesse est déterminée par simple mesure de l'écart e entre les deux centres de gravité de la particule et de son double.After identifying the double, the speed is determined by simple measurement of the difference e between the two centers of gravity of the particle and its double.
Pour éviter les confusions et bien identifier les "doublons", l'opérateur règle le temps t2 entre deux prises de vue, de façon à obtenir des particules d'un même doublon assez proches l'une de l'autre.To avoid confusion and clearly identify "duplicates", the operator adjusts the time t2 between two shots, so as to obtain particles of the same duplicate fairly close to each other.
Les sorties vidéo 64 et 65 permettent un contrôle simple et un ajustage aisé des réglages, en temps réel, par l'opérateur.Video outputs 64 and 65 allow simple control and easy adjustment of settings, in real time, by the operator.
Comme il va de soi et comme il résulte de ce qui précède, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation plus particulièrement décrit. Elle en concerne au contraire toutes les variantes et notamment celles où l'invention est appliquée à la mesure de la vitesse d'un fluide.As is obvious and as follows from the above, the present invention is not limited to the embodiment more particularly described. On the contrary, it relates to all variants thereof and in particular those where the invention is applied to the measurement of the speed of a fluid.
Dans ce cas,il n'y aura pas soustraction des images vidéo obtenues successivement mais auto¬ corrélation par des méthodes différentes, et donc avec des moyens programmés différents, de type connu.In this case, there will be no subtraction of the video images obtained successively but auto-correlation by different methods, and therefore with different programmed means, of known type.
On pourra se référer utilement aux ouvrages suivants décrivant de telles techniques, incorporés ici par référence :We can usefully refer to the following works describing such techniques, incorporated here by reference:
- CHERMAN et COSTER - Précis d'analyse d'image - Presses du CNRS 1989- CHERMAN and COSTER - Image analysis summary - CNRS presses 1989
- MARION - Traitement d'images - Editions Masson- MARION - Image processing - Editions Masson
- J.W. GOODMAN - Introduction à l'optique de Fourier et à l'holographie - Editions Masson.- J.W. GOODMAN - Introduction to Fourier optics and holography - Editions Masson.
L'invention est également applicable en cas d'étude d'un phénomène pour lequel l'éclairage arrière ou latéral est impossible (films liquide sur une paroi, milieu dispersé très dense, etc...).The invention is also applicable when studying a phenomenon for which the rear lighting or lateral is impossible (liquid films on a wall, very dense dispersed medium, etc.).
La solution classique (microscope de métallurgiste) consistant à éclairer par l'avant en utilisant une lame semi réfléchissante et une partie de l'optique d'observation est en effet peu satisfaisante.The conventional solution (metallurgical microscope) consisting of lighting from the front using a semi-reflecting plate and part of the observation optics is indeed unsatisfactory.
En effet pour obtenir un contraste suffisant de l'image par rapport au fond, il est indispensable d'éliminer les lumières parasites notamment celles provenant des réflections sur tous les dioptres rencontrés par l'éclairage. De façon connue, ceci est partiellement obtenu par des traitements anti-reflet.Indeed, to obtain sufficient contrast of the image with respect to the background, it is essential to eliminate stray light, in particular that coming from reflections on all the diopters encountered by the lighting. In known manner, this is partially obtained by anti-reflection treatments.
Cependant dans le cas où le phénomène à observer est dans un milieu agressif, le traitement anti-reflet du hublot de protection peut rapidement se détériorer (effet thermique, érosion par les particules, etc) .However, if the phenomenon to be observed is in an aggressive environment, the anti-reflection treatment of the protective window can quickly deteriorate (thermal effect, erosion by particles, etc.).
Le dispositif selon l'invention permet d'éliminer ces inconvénients.The device according to the invention eliminates these drawbacks.
D'une manière générale, le dispositif et le procédé selon l'invention permettent de faire ressortir d'un fond à évolution lente (par rapport au temps 2Î des phénomènes peu contrastés mais en mouvement. En modifiant les temps de prise d'image, les vitesses des phénomènes à étudier peuvent ainsi s'échelonner de quelques dixièmes de mètres par seconde aux vitesses supersoniques. In general, the device and the method according to the invention make it possible to bring out, from a slowly evolving background (with respect to time 2, phenomena which are not very contrasting but in motion. By modifying the image taking times, the speeds of the phenomena to be studied can thus range from a few tenths of meters per second to supersonic speeds.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure optique des dimensions ou de la vitesse d'un objet (1) ou d'un fluide en mouvement dans un champ (4) , caractérisé en ce que1. Method for optical measurement of the dimensions or the speed of an object (1) or of a fluid in motion in a field (4), characterized in that
- on capte selon un axe de visée, pendant un premier temps déterminé t^, une première image de l'objet ou du fluide en mouvement sur un premier capteur (36, 51) de caméra matricielle à couplage de charges,- a first image of the object or of the fluid in motion is captured along an aiming axis, for a first determined time t ^, on a first sensor (36, 51) of a charge-coupled matrix camera,
- après un deuxième temps déterminé t2, on capte selon le même axe de visée, pendant un troisième temps déterminé t3, éventuellement égal au premier temps déterminé, une seconde image de l'objet ou du fluide en mouvement sur un second capteur (37, 52) de caméra matricielle à couplage de charges,- after a second determined time t2, a second image of the object or of the fluid in motion on a second sensor is captured along the same line of sight, for a third determined time t 3 , possibly equal to the first determined time , 52) of charge-coupled matrix camera,
- puis on traite simultanément les deux signaux (60, 61) ainsi obtenus à partir des deux capteurs pour en déduire les dimensions ou la vitesse de l'objet par soustraction entre lesdits signaux ou la vitesse du fluide par auto-corrélation.- Then the two signals (60, 61) thus obtained are processed simultaneously from the two sensors to deduce the dimensions or the speed of the object by subtraction between said signals or the speed of the fluid by auto-correlation.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour capter lesdites première et seconde images selon le même axe de visée, on sépare en deux parties sensiblement égales les rayons lumineux (28) provenant de l'objet ou du fluide à mesurer pour focaliser respectivement lesdites parties sur lesdits premier et second capteurs.2. Method according to claim 1, characterized in that, to capture said first and second images along the same line of sight, the light rays (28) coming from the object or the fluid to be measured are separated into two substantially equal parts to focus said parts respectively on said first and second sensors.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 , caractérisé en ce que le premier temps déterminé t^ est inférieur à de l'ordre de 5 micro-secondes, et avantageusement à de l'ordre de 3 micro-secondes.3. Method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the first determined time t ^ is less than of the order of 5 micro-seconds, and advantageously of the order of 3 micro-seconds.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième temps déterminé t2 est inférieur à de l'ordre de 50 ms et avantageusement à de l'ordre de 20 ms.4. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the second determined time t2 is less than about 50 ms and advantageously less than 20 ms.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pendant qu'on capte les première et seconde images de l'objet pendant les premier et troisième temps déterminés, on éclaire le champ pendant un quatrième temps déterminé t.4.5. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that, while the first and second images of the object are captured during the first and third determined times, the field is illuminated for a determined fourth time t. 4 .
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le quatrième temps déterminé t est inférieur à 500 ns, et avantageusement de l'ordre de 100 ns.6. Method according to claim 5, characterized in that the fourth determined time t is less than 500 ns, and advantageously of the order of 100 ns.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que on traite directement en temps réel les signaux anologiques issus des caméras à couplage de charges, pour en déduire la valeur absolue de la vitesse dans le plan (22) perpendiculaire à l'axe de visée et le sens de la vitesse de l'objet ou du fluide.7. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the anological signals coming from charge coupled cameras are directly processed in real time, in order to deduce therefrom the absolute value of the speed in the plane (22) perpendicular to the line of sight and the direction of the speed of the object or fluid.
8. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes à la mesure de la vitesse d'une particule (2) .8. Application of the method according to any one of the preceding claims to the measurement of the speed of a particle (2).
9. Dispositif (1, 50) de mesure optique des dimensions ou de la vitesse d'un objet ou de la vitesse d'un fluide en mouvement dans un champ, caractérisé en ce que il comprend :9. Device (1, 50) for optical measurement of the dimensions or of the speed of an object or of the speed of a fluid moving in a field, characterized in that it comprises:
- un premier capteur (36, 51) de caméra matricielle à couplage de charges,- a first sensor (36, 51) of charge-coupled matrix camera,
- un second capteur (37, 52) de caméra matricielle à couplage de charges,a second sensor (37, 52) of a charge coupled matrix camera,
- des moyens optiques (27) propres à être placés sur le trajet des rayons lumineux provenant de l'objet ou du fluide à mesurer, pour séparer lesdits rayons lumineux en deux parties sensiblement égales et focaliser respectivement lesdites parties sur lesdits premier et second capteurs,- optical means (27) suitable for being placed on the path of the light rays coming from the object or of the fluid to be measured, to separate said light rays into two substantially equal parts and focusing said parts respectively on said first and second sensors,
- des moyens de déclenchement (54) de l'exposition des dits capteurs pendant des temps et avec des intervalles de temps déterminés,- means for triggering (54) the exposure of said sensors for specific times and with determined time intervals,
- et des moyens (59) de traitement simultané des signaux (60, 61) obtenus à partir des deux capteurs pour en déduire les dimensions ou la vitesse de l'objet par soustraction entre lesdits signaux, ou la vitesse du fluide par auto-corrélation.- And means (59) for simultaneous processing of the signals (60, 61) obtained from the two sensors to deduce therefrom the dimensions or the speed of the object by subtraction between said signals, or the speed of the fluid by auto-correlation .
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens optiques comportent une lame semi-transparente (44) et un miroir (45) .10. Device according to claim 9, characterized in that the optical means comprise a semi-transparent plate (44) and a mirror (45).
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que les moyens (59) de traitement des signaux comportent des moyens (83, 83') de numérisation des signaux analogiques (60, 61) obtenus à partir des capteurs.11. Device according to any one of claims 9 and 10, characterized in that the means (59) for processing the signals comprise means (83, 83 ') for digitizing the analog signals (60, 61) obtained from sensors.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que les capteurs (36, 67, 51, 52) de caméra à couplage de charges sont des capteurs à transfert de ligne.12. Device according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the sensors (36, 67, 51, 52) of charge coupled camera are line transfer sensors.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les moyens (54) de déclenchement de l'exposition des capteurs comportent des moyens de réglage des temps et des intervalles de temps déterminés.13. Device according to any one of claims 9 to 12, characterized in that the means (54) for triggering the exposure of the sensors comprise means for adjusting the times and determined time intervals.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que il comprend de plus des moyens (11, 53, 57) d'éclairage du champ pendant un temps déterminé et des moyens de synchronisation du dit temps d'éclairage avec les temps d'expositions des capteurs. 14. Device according to any one of claims 9 to 13, characterized in that it further comprises means (11, 53, 57) for lighting the field for a determined time and means for synchronizing said time of lighting with sensor exposure times.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que il comprend de plus un circuit de seuillage propre à élaborer au moins un seuil d'intensité des signaux vidéo pour permettre le codage direct en binaire des images obtenues sur les premier et second capteurs (36, 37, 51, 52) de caméra à couplage de charge. 15. Device according to any one of claims 9 to 14, characterized in that it further comprises a thresholding circuit capable of developing at least one intensity threshold of the video signals to allow direct binary coding of the images obtained on the first and second load coupled camera sensors (36, 37, 51, 52).
EP93906664A 1992-03-24 1993-03-24 Method and device for optically measuring the size or speed of an object moving through a fluid Withdrawn EP0586661A1 (en)

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