本文是一篇题为《a review on the latest development of light field imaging in flow field and temperature field measurement》的学术论文，发表于2025年，刊载于期刊《measurement science and technology》。作者Zhitian Niu、Qianwen Wang、Yatao Ren等来自哈尔滨工业大学、中国计量大学、东南大学等研究机构。该论文属于一篇“综述”（review）文章，旨在系统总结和阐述光场成像技术在流场和温度场测量领域的最新进展、应用、挑战及未来方向。以下将对此综述的核心内容进行详细介绍。
综述的主题与核心议题 这篇综述聚焦于一个新兴且快速发展的交叉学科领域：光场成像测量技术。其核心议题是探讨光场成像如何超越传统二维成像系统的局限，利用其能够同时捕捉光线空间信息和角度信息的独特能力，为复杂三维物理场的精确测量——特别是流场（如流体速度、粒子运动）和温度场（如火焰温度分布）——提供创新的解决方案。综述不仅梳理了理论基础和技术实现，更重点回顾了该技术在多个具体应用场景中的最新研究成果、当前面临的技术瓶颈以及未来的发展趋势。
光场成像的基础理论与设备原理 为了理解后续的应用，综述首先系统性地阐述了光场成像的基础理论。这一部分构成了后续所有应用研究的基石。其核心概念是“光场”（Light Field, LF），即对光线在空间中位置和方向分布的完整描述。早期有七维光场函数的提出，但在实践中，常简化为通过两个二维平面交点来定义的四维光场模型，例如双平面参数化模型。
在设备实现上，综述重点介绍了两种主流的光场相机设计。第一种是“光场1.0”（Light Field 1.0），由Ng等人首次实现，其特点是将微透镜阵列（Microlens Array, MLA）置于主透镜的像平面上。每个微透镜在其后的传感器上形成一个子图像，该子图像记录了从场景中一点发出的不同方向的光线（角度采样）。这种设计的空间分辨率由微透镜数量决定，而角度分辨率则由每个微透镜覆盖的像素数决定。第二种是“聚焦式光场相机”或“光场2.0”（Light Field 2.0），其MLA不位于主透镜的焦平面，从而使得每个微透镜如同一个微型相机，捕获场景在相机内部的二次成像或预聚焦图像，提供了更大的设计自由度。此外，综述还提到了便于快速原型开发的外部中继MLA设计。然而，无论何种设计，都存在空间分辨率与角度分辨率之间的固有权衡，这是当前光场硬件的一个主要限制。
在三维重建算法方面，综述将其分为被动和主动两大类。被动三维重建利用自然光照下的光场图像，通过分析光线几何变换与相机姿态的关系来实现场景重建，例如基于Plücker坐标的线性约束模型或结合立体匹配与光束法平差的优化方法。主动三维重建则通常与结构光（如条纹投影）相结合，通过投影编码图案（特别是相位信息）来增强对弱纹理表面的重建精度和鲁棒性。这些算法为后续流场和温度场的定量测量提供了关键的几何信息获取手段。
光场成像在温度场测量中的应用与进展 这是本综述深入探讨的第一个核心应用领域。光场测温技术的原理主要建立在双色测温法（Two-color Pyrometry）和三维体测量（3D Volume Measurement）之上。
对于表面或可近似为灰体的火焰，双色测温法通过比较光场相机RGB通道捕获的两个不同波长（通常对应红、绿或蓝色滤光片的响应波段）的辐射强度比，结合普朗克辐射定律的简化形式，可以计算物体点的温度。该方法的一个关键优势在于，对于灰体，它无需知道物体表面的精确发射率，因为两个波长下的发射率比值可假设为常数，从而消除了发射率不确定性的影响。这使得基于单次拍摄的光场图像，即可同时获得场景的三维位置信息和辐射温度信息，系统结构简单。
对于作为参与性介质的燃烧火焰，情况更为复杂。火焰内部的吸收、散射和发射过程导致相机接收到的辐射是沿整个光路累积的结果，而非表面辐射的简单投影。因此，需要求解辐射传递方程（Radiative Transfer Equation, RTE）这一正向问题，来模拟辐射在介质中的传输。综述详细列举了求解RTE的各类数值方法，包括基于网格的离散坐标法、有限体积法，无网格的局部Petrov-Galerkin法、自然单元法，以及随机的蒙特卡洛法、反向蒙特卡洛法和辐射分布因子法。这些正向模型是后续进行温度场反问题求解——即从测量到的辐射强度分布反推内部温度分布——的基础。
在测量设备和实验进展方面，综述指出设备相对简单，主要使用校准后的聚焦式或非聚焦式光场相机直接拍摄火焰。众多研究者围绕此技术展开了一系列工作：例如，Xu和Sun等人构建了光场成像系统并分析了乙烯扩散火焰；Qi等人提出了结合波动光学理论和辐射传输过程的改进光场成像模型，成功重建了轴对称和非轴对称三维火焰温度分布；Huang等人将Landweber迭代法与光场成像结合，提高了三维温度场重建效率；Yuan等人提出了基于光场比色测温的三维温度场测量新方法，并在蜡烛火焰上进行了实验验证，与热电偶对比最大误差率为3.31%；Sun等人开发了聚焦式光场相机的几何标定方法，用于火焰三维温度测量，重建温度与热电偶测量值的相对误差在6.7%以内。
然而，从光场图像反演温度场是一个典型的病态逆问题，存在解不唯一、对测量噪声敏感、参数间串扰、计算量大等挑战。综述系统梳理了解决此逆问题的各类算法：包括基于梯度的优化方法（如LSQR、共轭梯度）、迭代方法（如代数重建技术ART、同步代数重建技术SART）、智能优化算法（如粒子群优化PSO）、正则化方法（如Tikhonov正则化、总变分正则化）以及新兴的机器学习方法。机器学习方法，特别是卷积神经网络，在火焰目标识别、温度场重建和预测中展现出巨大潜力，能显著降低计算负担并提高实时性。
光场成像在流场测量中的应用与进展 流场测量是光场成像技术另一个极具价值的应用领域，主要体现在光场粒子图像测速（Light Field PIV, LF-PIV）和光场粒子跟踪测速（Light Field PTV, LF-PTV）上。
LF-PIV的基本原理与层析PIV类似，但视角来源不同。其工作流程是：首先将原始光场图像解码为一系列离散视角下的子图像；然后使用层析重建算法（如乘法代数重建技术MART）将这些子图像反演成一个三维的虚拟粒子浓度体；最后对连续拍摄的两个三维体进行互相关计算，得到三维速度场。LF-PIV的关键优势在于仅需单台相机即可获得数十甚至上百个视角，简化了系统配置。但其深度方向分辨率受限于主透镜孔径的视差基线。为了提升性能，研究者们提出了多种改进方法，如密集光线追迹重建、滤波重聚焦、去卷积等。近年来重要的进展包括“颜色与深度编码照明”技术，通过使不同深度的粒子呈现不同颜色，显著提高了轴向分辨率；以及“合成颜色与深度编码”照明，使用RGB激光提供了更高功率和灵活性。此外，双相机LF-PIV系统被证明能比单相机系统更有效地减少粒子重建的拉长现象，提高深度方向空间分辨率。
LF-PTV则侧重于对单个示踪粒子进行逐帧跟踪，获取拉格朗日轨迹信息。综述比较了基于光场1.0和光场2.0的追踪方法。光场1.0通常需要解码视角并进行跨视角匹配与三角定位，如“射线捆绑法”；而光场2.0可以采用“极三角连线法”等直接从原始图像进行粒子追踪，避免了解码过程，计算更快。在微尺度流动测量中，常采用LF-PIV-PTV混合算法。该算法先通过PIV获得低分辨率速度场用于粒子运动补偿，再利用最近邻法进行粒子匹配和跟踪，兼顾了大范围流场结构获取和局部高精度粒子追踪的优势，特别适用于微通道等复杂流动环境。
在应用场景方面，光场流场测量技术已成功应用于多种复杂流动，包括激波/边界层干扰、激光粉末床熔融过程中的飞溅粒子跟踪、冲击合成射流、湍流边界层等。这些应用展示了该技术在解析三维非定常涡结构、颗粒运动轨迹和复杂湍流特性方面的强大能力。
光场成像在三维测量与材料参数评估中的其他应用 除了流场和温度场，综述还简要概述了光场成像在其他领域的应用。在三维形貌测量方面，通过与结构光（条纹投影）结合，利用相位一致性代替辐射一致性，可以提高三维形状测量的精度。也有研究将其用于涡轮叶片几何尺寸的快速三维成像和振动模态分析。 在材料参数评估方面，光场成像能够捕获材料表面从不同角度观察时的反射特性，为基于深度学习的高精度材料识别提供了丰富的数据集。此外，光场技术也被应用于光谱成像和背景纹影技术，前者能够分析各向异性材料的光谱角度特性，后者则可实现密度变化的三维可视化，用于激波、热羽流等现象的精细研究。
未来的挑战与研究展望 综述在最后展望了光场成像测量技术的未来。硬件方面，需要继续开发更高空间和角度分辨率的光场相机，并探索多光谱/高光谱光场成像。算法与数据处理方面，深度学习将发挥越来越重要的作用，用于特征自动提取、噪声抑制和高效逆问题求解。系统架构上，可能需要结合边缘计算与云计算，以满足高时空分辨率测量的实时性需求。此外，通过构建多视角、多尺度的光场相机阵列，或与其他成像技术（如红外热像、PIV）融合形成多模态测量平台，将能更全面地分析流热耦合等复杂过程。然而，技术发展仍面临诸多挑战，包括高精度微透镜阵列的制造难度、海量光场数据的存储与实时处理压力、深度学习模型训练所需的高质量标注数据匮乏以及模型泛化能力等。解决这些问题需要传感器技术、算法开发和系统集成等多方面的协同进步。
综述的意义与价值 本综述由该领域活跃的研究团队撰写，系统性地整合了光场成像在流场和温度场测量中的理论、技术、应用及前沿动态。其重要意义在于： 1. 知识整合与脉络梳理：为研究人员和学生提供了一个全面了解该跨学科领域的入口，清晰地阐述了从基础光场理论到具体工程应用的完整逻辑链条。 2. 技术发展现状评估：详细总结了当前主流的技术路线（如LF-PIV、双色测温）、关键算法（各类RTE求解器和逆问题算法）以及硬件设计，并指出了各自的优势与局限（如分辨率权衡、病态逆问题）。 3. 指明研究热点与方向：突出了如颜色编码照明、深度学习辅助重建、混合PIV-PTV算法等最新技术突破，并明确提出了未来在硬件、算法和系统集成方面亟待解决的关键问题和发展趋势。 4. 促进跨领域应用：通过展示在燃烧诊断、微流体、航空航天、材料科学等众多领域的成功应用案例，激发了不同学科研究者利用光场成像技术解决本领域三维测量难题的兴趣，推动了技术的传播与创新。
这篇综述不仅是一篇详尽的文献总结，更是一份指导未来研究的技术路线图，对于推动光场成像测量科学的发展及其在工业和科学研究中的深入应用具有重要的参考价值。