(57)【要約】【課題】直接撮影法の利点を損なうことなく、直接撮影法における粒子像のぼけの問題を解決し、粒子特徴量を計測するための撮影装置を提供する。【解決手段】粒子撮影装置(1)は、粒子群(P)を含む流体の中に挿入されるプローブ部(1a)と、粒子群を撮像する撮像装置(10)と、背景照明を供給する照明手段(5,6) とを備える。プローブ部の軸部は、軸部を横断する粒子群通路と、粒子群が撮影装置の被写界深度の範囲内を通過するように粒子群通路の通路幅を規制する通路幅規制手段(4)とを有し、流体に浮遊した粒子は撮影装置の被写界深度の範囲内を確実に通過する。【選択図】図２
2010101881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子特徴量を測定するための粒子撮影装置において、
浮遊粒子群又は飛翔粒子群を含む流体の中に挿入されるプローブ部と、
前記プローブ部の軸芯部に形成された光路を介して前記粒子群の粒子を撮像する撮像装置と、
前記プローブ部の先端部から該プローブ部の基端部に向かって背景照明を供給する照明手段とを備え、
前記プローブ部の軸部は、該プローブ部の外面に開口し、前記軸部の軸線を横断する方向に該軸部を貫通する前記粒子群の通路と、前記粒子群が前記撮影装置の被写界深度の範囲内を通過するように、前記被写界深度に相応する寸法に粒子群通路の通路幅を規制する通路幅規制手段とを有することを特徴とする粒子撮影装置。
【請求項２】
前記通路幅規制手段は、前記軸部の周方向に延びるスリットからなり、該スリットは、前記流体が前記粒子群通路内に流入し又は前記粒子群通路から流出するための流入側開口及び流出側開口を形成することを特徴とする請求項１に記載の粒子撮影装置。
【請求項３】
前記スリットは、実質的に均一な幅を有し、該スリットによって形成される流路は、前記軸部の軸線と直交する方向に延びることを特徴とする請求項２に記載の粒子撮影装置。
【請求項４】
前記スリットの中心線は、前記軸部の軸線と直交し且つ粒子撮影装置の焦点を含む構面内に位置することを特徴とする請求項３に記載の粒子撮影装置。
【請求項５】
前記通路幅を可変設定可能にする通路寸法調整手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の粒子撮影装置。
【請求項６】
前記プローブ部は、中空の筒体又は管体からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の粒子撮影装置。
【請求項７】
前記粒子群が前記通路内に侵入するのを阻止するように該通路の流入側開口及び流出側開口を開閉する通路開閉手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の粒子撮影装置。
【請求項８】
前記プローブ部の軸部に沿って延びる背景照明光供給用の光路がプローブ部内に設けられ、背景照明光は、前記軸部の軸芯に沿って前記プローブ部の先端部に導かれた後、前記プローブ部の先端部から該プローブ部の基端部に向かって照射されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の粒子撮影装置。
【請求項９】
前記粒子群を前記通路内に誘引する粒子群誘引手段を備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の粒子撮影装置。
【請求項１０】
前記通路内に滞留又は残留した粒子を該通路から圧力下に排出する粒子排出手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の粒子撮影装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載された粒子撮影装置と、撮影した画像を保存するとともに、粒子画像処理手段を用いて粒子特徴量を計測する計測手段とを有する粒子撮影・計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、濃密に気体中又は液体中を分散飛翔する微粒子群挙動の計測技術において使用される粒子撮影装置に関するものである。本発明は殊に、気体中又は液体中に濃密に分散飛翔した微粒子群における粒子個々の粒子速度、粒子径、粒子形状等の粒子特徴量を計測する粒子撮影・計測システムに使用可能なプローブ形粒子撮影装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気体中又は液体中を分散飛翔する微粒子群に含まれる粒子個々の粒子速度、粒子径等を計測する方法として、位相ドップラ法、シャドウドップラ法、直接撮影法、レーザ干渉画像法等が知られている。
【０００３】
直接撮影法は、非特許文献１に記載されるように、分散飛翔する粒子群の後方から照明し、照明装置と対向する位置に配置されたＣＣＤカメラ等の撮像装置によって粒子の影写真を撮影し、これにより、個々の粒子の速度及び大きさ等を計測する手法である。直接撮影法は、比較的安価な装置を用いて計測システムを構成することができ、しかも、複雑な調整や校正等を必要とせずに手軽に計測し得ることから、従来より、様々な分野において利用されてきた。
【０００４】
直接撮影法においては、撮影された粒子の影写真を画像解析することによって、粒子径や粒子形状等を測定することができる。また、二重露光撮影、高速度カメラ撮影、パルスレーザ及びデジタルＣＣＤカメラを用いたフレームまたぎ撮影等により、飛翔する粒子を短い時間間隔で連続撮影して粒子の飛翔距離を測定し、飛翔距離の測定値を時間間隔で除すことにより、粒子の飛翔速度を測定することができる。
【０００５】
直接撮影法よれば、粒子形状の影響を受けずに測定を実施し得るので、粒子形状が真球であることを仮定する位相ドップラ法やレーザ干渉画像法に比べ、幅広い適用範囲を有する点で優位性がある。
【０００６】
このような直接撮影法においては、微粒子を前方から照明した場合、粒子形状や材質に依存した複雑な光散乱特性が顕れる。このため、撮影される粒子像は粒子の大きさや粒子形状を反映せず、従って、粒子計測上の要求を満たすことができない。このような事情より、直接撮影法においては、粒子を後方から照らす背景照明を行う必要があり、従って、照明装置及び撮像装置は、特許文献１に示されるように、計測対象の粒子群を挟んで互いに対向した位置に配置される。
【０００７】
しかしながら、直接撮影法にあっては、対向配置された撮影装置及び照明装置の間に存在する全ての粒子が撮影されるので、計測箇所の手前又は奥の位置において被写界深度を外れた位置に存在する粒子の像がぼけるという問題が生じる。像のぼけが生じると、小さな粒子像を検出することができず、また、大きな粒子像の撮像結果から得られた測定値は、その誤差が増大してしまう。この対策として、撮影された粒子の奥行き方向位置を何らかの方法で特定し、被写界深度を外れた粒子像を計測対象から排除する工夫が必要であった。
【０００８】
被写界深度外の粒子像を計測対象から排除する具体的手段として、以下の方法が過去に提案されている。
【０００９】
(1)背景照明で撮影された粒子像の周りに生じる回折リングの特性を利用して粒子の奥行き方向位置を特定する（非特許文献２、非特許文献３）。
【００１０】
(2)背景照明で撮影された粒子像エッジにおける輝度変化の鋭さに基づいて粒子の奥行き方向位置を判定する（非特許文献４、非特許文献５）。
【００１１】
(3)背景照明で撮影された粒子像エッジにおける輝度勾配に基づいて粒子の奥行き方向位置を判定する（非特許文献６）。
【００１２】
(4)粒子供給装置を工夫することによって粒子群が被写界深度内のみに存在するよう粒子群を導く（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００１−７４６３８
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Chigier, N.著, 1983年,"Drop size and velocity instrumentation, Progress in Energy and Combustion Science", Vol. 9,pp. 155-177.
【非特許文献２】De Corso, S. M., 1960年, "Effect of ambient and fuel pressure on spray dropsize", Transactions of the ASME, Journal of Engineering for Power, Vol.82, pp. 10-18.
【非特許文献３】竹内貴一郎, 村山博美, 千田二郎及び山田耕司著, 1982年, 「定圧容器内のディーゼル噴霧の粒度分布について」, 日本機械学会論文集(B編), 48巻, 433号, pp. 1801-1810.
【非特許文献４】Ow, C. S. and Crane, R. I. 著, 1980年, "A simple off-line   automatic image analysis systemwith application to drop sizing in two-phase flows", International Journalof Heat and Fluid Flow, Vol. 2, No. 1, pp. 47-53.
【非特許文献５】Ow, C. S. and Crane, R. I. 著, 1981年, "Pattern recognition procedures for a television-minicomputer spraydroplet sizing system", Journal of the Institute of Energy, Vol. 9, pp.119-123.
【非特許文献６】Weiss, B. A., Derov, P., DeBiase, D. and Simmons,H. C. 著, 1984年, "Fluidparticle sizing using a fully automated optical imaging system", OpticalEngineering, Vol. 23, No. 5, pp. 561-566.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、上記非特許文献２〜６に記載された計測方法においては、粒子像の輝度分布から抽出する情報と粒子の奥行き方向位置との関係を事前に校正しておく必要があり、複雑な調整や校正を必要とせずに手軽に計測できるという直接撮影法の利点が損なわれる。
【００１６】
また、上記特許文献１に記載の計測方法は、粒子供給装置への工夫が可能であって被写界深度内に粒子群を導くことができる場合に限られた方法であり、噴霧ノズルや塗装ベルから空間中に噴出する粒子群の計測の如く、粒子群の挙動及び移動を制御し難い性状又は条件の粒子群の計測には適応し難い。
【００１７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複雑な調整や校正を必要とせずに手軽に計測できる直接撮影法の利点を損なうことなく、直接撮影法において生じ得る粒子像のぼけの問題を解消することができる粒子撮影装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記目的を達成すべく、粒子特徴量を測定するための粒子撮影装置において、
浮遊粒子群又は飛翔粒子群を含む流体の中に挿入されるプローブ部と、
前記プローブ部の軸芯部に形成された光路を介して前記粒子群の粒子を撮像する撮像装置と、
前記プローブ部の先端部から該プローブ部の基端部に向かって背景照明を供給する照明手段とを備え、
前記プローブ部の軸部は、該プローブ部の外面に開口し、前記軸部の軸線を横断する方向に該軸部を貫通する前記粒子群の通路と、前記粒子群が前記撮影装置の被写界深度の範囲内を通過するように、前記被写界深度に相応する寸法に粒子群通路の通路幅を規制する通路幅規制手段とを有することを特徴とする粒子撮影装置を提供する。
【００１９】
本発明の粒子撮影装置によれば、濃密に飛翔する粒子群等の内部にプローブ部分を挿入することにより、流体中に浮遊した粒子をプローブ部の粒子群通路内に流入せしめるとともに、粒子を撮影するための背景光によって粒子の画像データを取得することができる。
【００２０】
また、本発明によれば、粒子群通路の開口に接近した粒子群は粒子群通路を通過する。撮像装置は、背景照明の存在下に粒子群の粒子を撮像する。通路幅規制手段は、被写界深度に相応する寸法に粒子群通路の通路幅を規制し、粒子群は、撮影装置の被写界深度の範囲内を確実に通過する。従って、本発明の粒子撮影装置によれば、撮影すべき粒子群の通過位置は、被写界深度に限定されるので、粒子像がぼけることなく、粒子を撮影することができる。また、本発明の粒子撮影装置によれば、撮影の際に粒子群の通過域を予測して被写界深度を決定し又は推測する手間を省略することができるので、粒子計測を効率的に実施することができる。
【００２１】
更に、本発明の粒子撮影装置によれば、背景照明を供給する光学系と、粒子群を撮影する光学系の二つの光学系が同一の軸部又は筒体に設けられた計測用探子（プローブ）形態のプローブ状装置構成を採用することができる。このようなプローブ形態の粒子撮影装置は、その検知部又は検出部を粒子群内部の所望の位置に容易に挿入することができるので、極めて有利である。  
【００２２】
他の観点より、本発明は、上記構成の粒子撮影装置と、撮影した画像を保存するとともに、粒子画像処理手段を用いて粒子特徴量を計測する計測手段とを有する粒子撮影・計測システムを提供する。
【００２３】
本発明の粒子撮影・計測システムによれば、撮影系及び照明系をコンパクトに一体化したプローブ部を濃密粒子群の内部に挿入し、これにより、濃密粒子群の内部の粒子特徴量を計測することができる。
【００２４】
なお、本発明において、粒子群は、多数の固体粒子、多数の半固体粒子、多数の液滴、更には、これら固体、半固体、液体の粒子が混在した粒子群を含む概念であり、また、流体は、気体及び液体を含む概念である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の粒子撮影装置によれば、複雑な調整や校正を必要とせずに手軽に計測できる直接撮影法の利点を損なうことなく、直接撮影法において生じ得る粒子像のぼけの問題を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の好適な実施例に係る粒子撮影装置を含む粒子撮影・計測システムの概略斜視図である。
【図２】図１に示す粒子撮影装置の構成を示す平面図、側面図及び正面図である。
【図３】プローブ部の構造を示す平面図、側面図、横断面図（I-I線断面図）及び縦断面図(II-II線断面図)である。
【図４】本発明の他の実施例を示す粒子撮影装置の斜視図である。
【図５】本発明の更に他の実施例を示すプローブ部の平面図、側面図、横断面図及び縦断面図である。
【図６】本発明の更に他の実施例に係るプローブ部を粒子誘引装置の計測位置において示す縦断面図、III-III線断面図及びIV-IV線断面図である。
【図７】図６に示すプローブ部を粒子誘引装置の退避位置において示す縦断面図、V-V線断面図及びVI-VI線断面図である。
【図８】図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、伸縮式の架橋連結部を有するプローブ部の構造を示す横断面図であり、図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）のVII-VII線における断面図である。
【図９】図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、スライド式円筒形シャッターを備えたプローブ部の構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の好適な実施形態によれば、上記通路幅規制手段は、プローブ部の軸部の周方向に延びるスリットからなる。スリットにより形成される粒子通過孔又は通過開孔の機構は、プローブ部の筒体内又は管内において粒子群が被写界深度の範囲内の領域を通過するように作用する。スリットは、粒子群を含む流体が粒子群通路内に流入し又は粒子群通路から流出するための流入側開口及び流出側開口をプローブ部の外面に形成し、プローブ部の軸部の軸線と直交する流体の流れが上記通路内に形成される。好ましくは、スリットは、実質的に均一な幅を有し、スリットによって形成される流路は、プローブ部の軸部の軸線と直交する方向に延びる。更に好ましくは、スリットの中心線は、軸部の軸線と直交し且つ粒子撮影装置の焦点を含む構面内に位置し、プローブ部の筒体内又は管内領域には、プローブ部の軸部の軸線と直交する流体の流れが形成される。
【００２８】
このように構成された粒子撮影装置によれば、粒子群を含む流体の通過位置をスリット形の通過孔機構又は通過開孔機構によって被写界深度の範囲内に限定することができるので、時間及び手間を要する撮影時の被写界深度調整作業を省略することができる。また、熟練技術を要することなく、流体の計測を簡単に行うことも可能となるので、粒子特徴量の撮影の作業性が大幅に改善する。
【００２９】
また、上記構成の粒子撮影装置によれば、濃密に飛翔する粒子群に対し、スリットを有するプローブ部の部分のみを粒子群の内部に挿入することにより、撮像すべき粒子が粒子撮影装置の被写界深度の範囲内のみを通過するようにすることができるので、被写界深度を外れた粒子の撮影を回避し、被写界深度内を通過する粒子のみを計測対象にすることができる。このため、従来の直接撮影法が抱える粒子像のぼけの問題を解決し、従来の直接撮影法では計測し得なかった濃密粒子群の内部の粒子特徴量を計測することが可能となる。
【００３０】
所望により、プローブ部は、スリットによって分割されたプローブ部の部分を相互連結する架橋連結部を有し、スリットは、架橋連結部によって流入側開口と流出側開口とに分割される。
【００３１】
好ましくは、プローブ部は、中空の筒体又は管体からなり、プローブ部の筒体内又は管内には、撮影レンズ系が配設される。このようにプローブ部内に撮影レンズ系を設けることによって、濃密粒子群の内部の粒子に対して近接撮影を行うことができ、空間分解能が高い計測を実現することができる。
【００３２】
好ましくは、撮影レンズ系を構成する光学レンズ系はテレセントリックレンズを有する。このようにテレセントリックレンズを用いることにより、被写界深度内に存在する粒子を常に同じ大きさとして撮影することが可能となるので、粒子の大きさ及び形状の計測精度を向上することができる。
【００３３】
本発明の或る好ましい実施形態において、粒子群が粒子群通路内に侵入するのを阻止するように該通路の流入側開口及び流出側開口を選択的に閉鎖する通路開閉手段がプローブ部に配設される。
【００３４】
本発明の他の好ましい実施形態において、プローブ部内には、プローブ部の軸部に沿って延びる背景照明光供給用の光路が配設され、背景照明光は、軸部の軸芯に沿ってプローブ部の先端部に導かれた後、プローブ部の先端部から該プローブ部の基端部に向かって照射される。好適には、光路は、照明用光ファイバによって形成される。このようにプローブ部の筒体内又は管体内に照明用光ファイバを備えることにより、直接撮影法において必要とされる背景照明を光ファイバによって供給するとともに、プローブ部内に背景照明の光路を組込んだ一体的且つコンパクトな粒子撮影装置を提供することができる。例えば、本発明の粒子撮影装置は、粒子群の流体内に片手で挿入できるようなコンパクトな装置形態に設計し得るので、計測すべき流体内に極めて容易に設置することが可能となるとともに、その利便性を大幅に向上することができる。
【００３５】
本発明の更に他の好ましい実施形態において、粒子撮影装置は、粒子群を粒子群通路内に誘引する粒子群誘引手段を備える。好ましくは、粒子群通路内に滞留又は残留した粒子を該通路から圧力下に排出する粒子排出手段が粒子撮影装置に更に設けられる。
【００３６】
本発明の更に他の好ましい実施形態においては、粒子撮影装置は、前述の通路幅を可変設定可能にする通路寸法調整手段を更に有する。例えば、通路寸法調整手段は、スライド部を有する伸縮式の架橋連結部、或いは、スライド式円筒形シャッターからなる。所望により、粒子撮影装置は、スライド部又はシャッターの位置を固定又は解放する係止手段又は固定手段を有する。このような通路寸法調整手段を備えた粒子撮影装置によれば、粒子群通路の通路幅を可変設定し又は微調節することができるので、被写界深度に相応する最適な寸法に通路幅を設定することができる。また、このような通路寸法調整手段を備えた粒子撮影装置によれば、粒子群通路の通路幅を任意の寸法に設定することができるので、粒子群通路を通過する粒子の数を適当に減少させ又は増量するように通路幅を任意に設定することが可能となる。
【実施例１】
【００３７】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。   
【００３８】
図1は、粒子撮影・計測システムの装置系構成を全体的に示す概略斜視図であり、図２は、図１に示す粒子撮影装置の構成を示す平面図、側面図及び正面図である。
【００３９】
図１には、本発明の好適な実施例に係る粒子撮影装置を含む粒子撮影・計測システムの装置系構成が全体的に示されている。粒子撮影装置１は、粒子撮影のための背景照明機能を有する計測プローブ部１ａをデジタルＣＣＤカメラ等の撮像装置１０に一体的に連結した構造を有する。プローブ部１ａは、飛翔粒子群Ｐの流れの中に挿入可能な円形断面の計測用探子（プローブ）形態を有する。プローブ部１ａは、撮像装置１０に一体的に連結されたテレセントリックレンズ部分２と、テレセントリックレンズ部分２の先端部に同心状且つ一体的に連結されたアダプタ部分３とから構成される。このようなプローブ形態の粒子撮影装置１は、検知部を構成するアダプタ部分３を飛翔粒子群内部の所望の位置に容易に挿入することができるので、実用的に極めて有利である。
【００４０】
粒子撮影装置１は更に、飛翔粒子群Ｐを被写界深度の範囲内において撮影すべく、流体の流路を被写界深度の範囲内に制限するスリット４を有する。スリット４は、撮影光学装置１を構成する筒状アダプタ部分３の周壁に穿設される。スリット４は、プローブ部１ａの軸線Ｘ−Ｘと直交する構面においてプローブ部１ａの周方向に延びる。プローブ部１ａの軸部を貫通する通過孔機構又は通過開孔機構がスリット４によって形成される。
【００４１】
スリット４は、被写界深度に相応する寸法の通路幅Ｗ（図２）に飛翔粒子群Ｐの通路を限定する通路幅規制手段を構成し、従って、飛翔粒子群Ｐは、撮像装置１０の被写界深度の範囲内を通過する。即ち、撮像装置１０に結像する粒子の被写界は、スリット４の通路幅Ｗに限定され、スリット４を通過する粒子が、粒子撮影・計測システムの計測対象である。  
【００４２】
アダプタ部分３は又、アダプタ部分３の先端部に配置された拡散板６を有する。粒子撮影装置１は、照明方式として背景照明を採用した構成のものであり、拡散板６には、背景照明を供給する光ファイバ５が接続される。光ファイバ５及び拡散板６は、プローブ部１ａの先端部からプローブ部１ａの基端部に向かって背景照明を供給する照明手段を構成する。
【００４３】
粒子撮影装置１の寸法及び性能は、例えば、以下のとおり設定される。
・プローブ部の外径Ｄ：30mm
・プローブ部の長さＬ：360mm
・焦点距離：90mm
・拡大倍率：0.7X〜4.5X
・視野：最小2mm（4.5X拡大）、最大15mm（0.7X拡大）
・被写界深度（絞り半開時）：最小1mm（4.5X拡大）、最大12mm（0.7X拡大）
【００４４】
撮像装置１０として、例えば、以下のデジタルＣＣＤカメラを好適に使用し得る。 
・製品名：JAI社製「jAiCV-M2CL」 
・有効画素サイズ：1600（h）×1/200（v）
・ＣＣＤ素子サイズ：11.84mm（h）×8.88mm（v）
・ビット数：10bit 
・撮影速度：30fps/dual channel
【００４５】
粒子撮影装置１を含む粒子撮影・計測システムは、図１に示す如く、レーザ装置１１、スペックルキラー１２、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）１３、ディレイジェネレータ１４及びファンクションジェネレータ１５を備える。粒子撮影・計測システムを構成する各装置１１〜１５は、仮想線（一点鎖線）で示す制御信号線を介して相互に接続されており、後述する如くスリット４を通過する飛翔粒子を可視化して撮影し、撮影した画像を保存するとともに、粒子画像処理アルゴリズムを用いて粒子特徴量（粒子速度、粒子径、粒子形状等）を計測する。  
【００４６】
レーザ装置１１は、撮影用の照明光（背景光）を供給するためのものであり、レーザ装置１１としてダブルパルスNd：YAGレーザ(ネオジウム・ヤグレーザ)等を使用することができる。例えば、以下のNd：YAGレーザをレーザ装置１１として好適に使用し得る。
・製品名：New Wave Research社製「Solo PIV laser」
・最高発光周波数：30KHz
・出力：50mJ/pulse＠532nm
・パルス幅：3〜5ns 
【００４７】
スペックルキラー１２は、レーザ装置１１の照明により発生するスペックルノイズを低減するためのものである。スペックルノイズを低減する必要がない場合には、スペックルキラー１２の設置を省略しても良い。スペックルキラー１２として、例えば、ナノフォトン社製SK-11-Mg5を好適に使用し得る。
【００４８】
ＰＣ１３は、撮像装置１０によって撮影された画像の画像データを読み込んで記憶し且つ画像データを保存するとともに、ディレイジェネレータ１４の微少時間間隔の長さを調整する。ディレイジェネレータ１４は、レーザ装置１１のパルス間隔を制御する。ディレイジェネレータ１４としてフローテック・リサーチ社製「VSD1000」、出力チャネル数：7chを好適に使用し得る。ファンクションジェネレータ１５は、レーザ装置１１の出力周波数を任意の周波数に制御する。ファンクションジェネレータ１５として、例えば、Tektronix社製FG3021Bを好適に使用し得る。
【００４９】
使用において、ファンクションジェネレータ１５のパルス信号がディレイジェネレータ１４に入力される。ディレイジェネレータ１４は、ファンクションジェネレータ１５のパルス信号に基づき、所定の時間間隔（微小時間）だけ遅延した信号をトリガ信号としてレーザ装置１１及び撮像装置１０に出力する。ディレイジェネレータ１４のトリガ信号が入力されたレーザ装置１１は、シングルパルスのレーザビーム、或いは、所定の遅延時間を設定したダブルパルスのレーザビームを発光する。ディレイジェネレータ１４のトリガ信号が入力された撮像装置１０は、粒子径の撮影等においては少なくとも１枚の画像を撮影し、粒子速度の計測等においては、微少時間間隔を隔てて少なくとも一組（２枚）の画像を撮影する。実際の計測においては、多数枚又は多数組の画像が撮影される。撮像装置１０によって撮影された画像の画像データは、ＰＣ１３に入力され、ＰＣ１３に記憶され、データ保存される。
【００５０】
本実施例においては、ディレイジェネレータ１４のトリガ信号を受信したレーザ装置１１は、ダブルパルスレーザを照明光としてスペックルキラー１２に供給する。照明光は、スペックルキラー１２を通り、光ファイバ５に導かれ、アダプタ部分３の先端部に配置された拡散板６から粒子撮影装置１のプローブ部１ａ内に背景照明光として供給される。
【００５１】
図３は、プローブ部１ａの構造を示す平面図、側面図、横断面図（I-I線断面図）及び縦断面図(II-II線断面図)である。
【００５２】
テレセントリックレンズ部分２を構成するレンズ８が、図３に示されている。レンズ８を含むテレセントリックレンズ部分系は、レンズの作動距離がズーム倍率に依存しない構造を有するので、撮像装置１０は、スリット４の間隙を通過する粒子をズーム倍率と関係なく鮮明に撮影することができる。従って、粒子サイズに応じてズーム倍率を自由に設定することが可能である。
【００５３】
図３に示す如く、テレセントリックレンズ部分２とアダプタ部分３との連結部分には、互いに螺合する螺子溝（内螺子）２ａ及び螺子山（外螺子）３ａが形成されており、アダプタ部分３は、テレセントリックレンズ部分２の先端部に着脱可能に装着される。使用において、アダプタ部分３及びテレセントリックレンズ部分２の相対回転によって螺子部同士を螺合し又は解放せしめ、これにより、アダプタ部分３をテレセントリックレンズ部分２の先端部分に取り付け、或いは、テレセントリックレンズ部分２の先端部から取り外すことができる。
【００５４】
アダプタ部分３は又、テレセントリックレンズ部分２とスリット４との間に配置された光学ウィンドウ７を有する。光学ウィンドウ７は、テレセントリックレンズ部分２とスリット４との間に配置されたレンズからなり、テレセントリックレンズ部分２の保護を図るとともに、テレセントリックレンズ部分２の側への粒子の侵入を阻止する。所望により、光学ウィンドウ７の設置を容易にするＣマントレンズホルダをアダプタ部分３に設け、Ｃマウントレンズホルダに光学ウィンドウ７を設置しても良い。
【００５５】
このように、本実施例では、流体計測時に流体がテレセントリックレンズ部分２のレンズ８に付着して、撮影される画像の品質が低下するのを防止すべく、光学ウィンドウ７をアダプタ部分３に配設しているが、光学ウィンドウ７自体が流体の付着により汚染して、撮影される画像の品質が低下する事態は避けられない。このため、アダプタ部分３は、前述の如く、テレセントリックレンズ部分２に対して取外し可能に連結されており、流体がアダプタ部分３に付着してアダプタ部分３が汚染した場合には、アダプタ部分３を取外して分離し、アダプタ部分３のみを洗浄することができる。
【００５６】
スリット４は、架橋連結部４ａを除き、プローブ部１ａの軸部の軸線Ｘ−Ｘと直交する構面においてアダプタ部分４の全周に亘って延びる均一な幅Ｗの連続開口溝として設計される。架橋連結部４ａの上側に位置するスリット４の部分４ｂは、飛翔粒子群Ｐを含む流体がアダプタ部分３の筒体内領域（管内領域１ｂ）に流入する流入側開口をアダプタ部分３に形成し、架橋連結部４ａの下側に位置するスリット４の部分４ｃは、飛翔粒子群Ｐを含む流体がアダプタ部分３の筒体内領域（管内領域１ｂ）から筒体外領域に流出する流出側開口をアダプタ部分３に形成する。従って、アダプタ部分３の筒体内には、プローブ部１ａの軸部の軸線Ｘ−Ｘと直交する流体の流れが形成される。
【００５７】
スリット４は更に、被写界の中心と粒子通過領域の中心Ｙとが一致するように設計されるとともに、スリット４の幅Ｗは、被写界深度に相応する寸法に粒子通過領域の通路幅を規制するように設計される。即ち、スリット４は、流体に浮遊した飛翔粒子群Ｐが粒子撮影装置１の被写界深度の範囲内を通過するように飛翔粒子群Ｐの通路を限定し又は規制する通路幅規制手段を構成する。
【００５８】
また、本実施例においては、架橋連結部４ａは、アダプタ部分３の基部及び先端部の一体性を保持するための必要最小限の強度を発揮し得る寸法に設計され、従って、スリット４は、実質的にプローブ部１ａの全周に亘って開口する。このため、飛翔粒子群Ｐを含む流体内にプローブ部１ａを挿入したとき、スリット４は、上下又は左右の対向位置において開口し、飛翔粒子群Ｐを含む流体は、流れを阻害されることなくスリット４内を円滑に流通する。
【００５９】
レーザ装置１１（図１）が照射したレーザ光は、光ファイバ５を介して拡散板６に背景照明として供給され、背景照明光は、テレセントリックレンズ部分２を通過し、撮像装置１０に明るい背景として撮像装置１０の像面に結像する。
【００６０】
飛翔粒子群Ｐの一部はスリット４を通過する。スリット４は、背景照明の光路を横断する方向にプローブ部１ａを貫通するので、スリット４を通過する粒子は背景照明を反射する。このため、画像中の粒子は、真っ黒な像として撮像装置１０の像面に結像する。従って、粒子とその背景とは画像上で明確に識別し得るので、ＰＣ１３は、粒子画像処理アルゴリズムを用いて粒子サイズ及び粒子速度等を計測することができる。なお、粒子撮影装置１は、テレセントリックレンズ部分２の特性により、被写界深度内の粒子の奥行き方向位置にかかわらず、対比可能な大きさの粒子像を撮影することができる。また、撮像装置１０によって撮影された画像はＰＣ１３に保存される。
【００６１】
かくして、本発明の粒子撮影装置１によれば、流体の通過位置を被写界深度に限定することができるので、粒子像がぼけることなく、粒子を撮影することができる。また、本発明の粒子撮影装置１によれば、撮影の際に被写界深度を決定し、或いは、推測する手間を省略することができるので、粒子計測を効率的に実施することができる。
【実施例２】
【００６２】
図４は、本発明の他の実施例を示す粒子撮影装置の斜視図である。図４に示す粒子撮影装置は、スリット４を選択的に開閉するスリット開閉手段を備えた点を除き、第１実施例（図１〜３）に示す粒子撮影装置と同じ基本構成を有する。図４において、第１実施例の構成要素又は構成部分と実質的に同一又は同等の構成要素又は構成部分には、同一の参照符号が付されている。
【００６３】
図４に示す粒子撮影装置１のプローブ部１ａは、前述の実施例と同じく、粒子群通過用通路を形成するスリット４を有し、通路は、軸部の軸線を横断するように軸部を貫通する。スリット４は、飛翔粒子群Ｐを含む流体がプローブ部１ａの筒体内に流入し又は該筒体から流出するための流入側開口４ｂ及び流出側開口４ｃを形成するとともに、被写界深度に相応する寸法に粒子群通路の通路幅を規制する通路幅規制手段を構成する。流体に浮遊した飛翔粒子群Ｐは、撮像装置１０の被写界深度の範囲内を通過する。
【００６４】
図４に示す粒子撮影装置１におけるテレセントリックレンズ部分２とアダプタ部分３の取り付け部分には、前述の実施例と同じく、互いに螺合する螺子山及び螺子溝が形成されており、アダプタ部分３は、テレセントリックレンズ部分２の先端部に着脱可能に装着される。
【００６５】
計測すべき飛翔粒子群Ｐを含む流体内にプローブ部１ａを挿入し、流体の特性を計測する際、流体は、スリット４の流入側開口４ｂから装置１内部に流入する。
【００６６】
流入した流体がテレセントリックレンズ部分２のレンズに付着してレンズが汚染すると、画像の撮影が困難となり、或いは、撮影した画像の画質が悪化し、解析困難な状況が生じる。このような汚染物質等の付着によるトラブルを防止すべく、スリット４とテレセントリックレンズ部分２との間に光学ウィンドウ７が配設されるが、本実施例の粒子撮影装置１は、このような光学ウィンドウ７の汚染の頻度又は機会を極力なくすために、スリット４を選択的に開閉可能な円筒形のスライド開閉式シャッター２０を更に有する。
【００６７】
シャッター２０は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に矢印で示すように粒子撮影装置１の軸線方向にスライド可能にプローブ部１ａの外側に取り付けられる。図４（Ａ）には、シャッター２０をプローブ部１ａの基端部側に変位させ、スリット４を開放状態に保持した状態が示されている。粒子撮影装置1は、この状態で粒子の撮像と粒子特徴量の計測とを実行する。図４（Ｂ）には、シャッター２０をプローブ部１ａの先端部側に変位させ、スリット４を閉塞状態に保持した状態が示されている。シャッター２０は、飛翔粒子群Ｐを含む流体がスリット４内に流入するのを阻止する。
【００６８】
このような通路開口開閉手段（シャッター２０）を有する粒子撮影装置１によれば、以下のような利点が得られる。
【００６９】
(1)測定開始前の準備過程における計測実行前の時期や、長期の計測中断時、或いは、計測終了時等において、シャッター２０を図４（Ａ）に矢印で示すように閉鎖位置に移動させてスリット４内への流体の流入を確実に防止することができるので、プローブ１ａ内の汚染を防止し、粒子撮影装置１の清掃等のメンテナンスに要する時間及び手間・労力等を軽減又は削減することができる。
【００７０】
(2)粒子撮影装置１の様々な調整のために過渡的に計測を中断する際、調整時間中にスリット４が開放した状態に放置すると、スリット４内に流入した流体によってプローブ部１ａの内部が汚染されることが懸念されるが、シャッター２０によって簡単にスリット４を閉鎖し、プローブ部１ａ内の汚染を確実に防止することができる。
【００７１】
(3)第１実施例においては、テレセントリックレンズ部分２からアダプタ部分３を取り外して清掃し又は洗浄した後、アダプタ部分３を再びテレセントリックレンズ部分２に装着する作業が必要であり、脱着作業の際に計測セッティング位置が僅かに変化するような事態が懸念されるが、シャッター２０によってプローブ部内の汚染を防止することにより、このようなアダプタ部分３の脱着・清浄・再調整の作業頻度を大幅に低減することができる。
【００７２】
なお、本実施例では、通路開口開閉手段としてスライド開閉式シャッター２０をプローブ部１ａの外側に取り付けた構成が採用されているが、スライド開閉式シャッターをプローブ部１ａの内部に配設し、或いは、プローブ部１ａの内部又は外側に回転開閉式の扉又はシャッター等の他の構造の開閉手段を配設しても良い。
【実施例３】
【００７３】
図５は、本発明の更に他の実施例に係るプローブ部１ａの構造を示す平面図、側面図、横断面図及び縦断面図である。本実施例に係る粒子撮影装置の構成は、光ファイバの経路を除き、第１実施例（図１〜３）の粒子撮影装置の構成と同一であり、第１実施例の構成要素又は構成部分と実質的に同一又は同等の構成要素又は構成部分には、同一の参照符号が付されている。
【００７４】
図５に示す如く、本実施例の粒子撮影装置１においては、背景照明用の光ファイバ５は、撮影光学装置１の内部を貫通し、アダプタ部分３の先端部から一旦装置１の外方（先方）に突出した後に折り返して、拡散板６の中央部に接続しており、前述の実施例と同じく、プローブ部１ａの先端部からプローブ部１ａの基端部に向かって背景照明光を照射する。
【００７５】
このような構成によれば、背景照明光の光路をプローブ部１ａ内に組み込んだコンパクト且つ一体的な粒子撮影装置１を提供することができる。
【実施例４】
【００７６】
図６（Ａ）及び図７（Ａ）は、本発明の他の実施例に係るプローブ部１ａの構造を示す縦断面図である。図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）は、図６（Ａ）のIII-III線及びIV-IV線における断面図である。図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）は、図７（Ａ）のV-V線及びVI-VI線における断面図である。本実施例に係る粒子撮影装置の構成は、飛翔粒子群Ｐをスリット４内に確実に流入せしめる粒子群誘引手段を備えた点を除き、第１実施例（図１〜３）の粒子撮影装置の構成と同一であり、第１実施例の構成要素又は構成部分と実質的に同一又は同等の構成要素又は構成部分には、同一の参照符号が付されている。
【００７７】
本実施例の粒子撮影装置１は、架橋連結部４ａの下側に位置するスリット４の下側半部、即ち、スリット４の流出側開口４ｃを覆う概ね半円形断面の粒子誘引装置３０を有する。粒子誘引装置３０は、プローブ部１ａの外径よりも大きい外径を有する半円形の誘引ジャケット部分３１と、外筒部分３１の先端部を閉塞するエンドプレート部分３２と、誘引ジャケット部分３１及びエンドプレート部分３２によって画成された粒子誘引流路３４と、粒子誘引流路３４と連通する吸引管路３５と、吸引管路３５に接続された吸引ポンプ、送風機等の吸引装置３６とから構成される。本実施例においては、プローブ部１ａ内に滞留又は残留した粒子Ｅを排出するための粒子排出孔９がプローブ部１ａの外周壁に穿設されており、粒子誘引装置３０は、粒子排出孔９を選択的に開閉可能な排出孔開閉シャッター３３を更に有する。
【００７８】
粒子誘引装置３０は、図６(Ａ)に示すように誘引ジャケット部分３１及びエンドプレート部分３２が前方に移動した計測位置と、図７(Ａ)に示すように誘引ジャケット部分３１及びエンドプレート部分３２が後方に移動した退避位置との間でプローブ部１ａの軸線Ｘ−Ｘ方向にスライドするようにプローブ部１ａに取り付けられる。
【００７９】
計測位置（図６）において、粒子誘引流路３４は、スリット４を完全に包囲し、粒子誘引流路３４は、スリット４の流出側開口４ｃを介してプローブ部１ａの管内領域１ｂと連通する。吸引装置３６を作動すると、吸引装置３６の吸気作用により、粒子誘引流路３４内の圧力が減圧し、この結果、架橋連結部４ａの上側に位置するスリット４の流入側開口４ｂからプローブ部１ａの上方域の流体を管内領域１ｂに誘引する圧力勾配が発生する。プローブ部１ａの上部に接近した飛翔粒子群Ｐは、この圧力勾配によって円滑にスリット４の流入側開口４ｂに流入し、スリット４の流出側開口４ｃを介して粒子誘引流路３４に流出する。前述の如く、撮像装置１０は、スリット４を通過する粒子を撮像し、ＰＣ１３は、粒子画像処理アルゴリズムを用いて粒子特徴量を計測する。
【００８０】
このように粒子誘引装置３０によって飛翔粒子群Ｐを積極的にスリット４内に誘引するように構成された粒子撮影装置１によれば、スリット４の流路抵抗等に起因してスリット４内に流入し難い微小な粒子や、粒子飛翔環境の温度分布、圧力分布、気流等の諸条件に起因してスリット４内に流入し難い状態の粒子等であっても、円滑にスリット４を通過するので、このような粒子を確実に撮像し、その粒子特徴量を計測することができる。
【００８１】
更に、このような粒子誘引装置３０を有する粒子撮影装置１によれば、静止流体中に浮遊した粒子群を積極的にスリット４内に誘引して撮像し、その粒子特徴量を計測することが可能となる。
【００８２】
また、スリット４内に流入した飛翔粒子群Ｐの一部は、粒子誘引流路３４に流出せずに残留粒子Ｅとして管内領域１ｂに滞留することがあるが、粒子誘引装置３０は、計測位置において排出孔開閉シャッター３３によって粒子排出孔９を閉塞する。このため、残留粒子Ｅは、図６（Ａ）及び図６（Ｃ）に示すように、管内領域１ｂの底部に残留する。
【００８３】
粒子誘引装置３０が退避位置（図７）に移動すると、粒子誘引流路３４はスリット４から離間し、スリット４の流出側開口４ｃを下方に開放し、同時に、排出孔開閉シャッター３３は粒子排出孔９を開放し、粒子誘引流路３４は粒子排出孔９を介して管内領域１ｂと連通する。この状態で吸引装置３６を作動すると、粒子誘引流路３４内の圧力が減圧し、管内領域１ｂの残留粒子Ｅは、粒子排出孔９から粒子誘引流路３４に流出し、吸引装置３６の捕捉手段（図示せず）によって捕捉される。
【００８４】
従って、このような粒子誘引装置３０を備えた粒子撮影装置１によれば、管内領域１ｂの残留粒子Ｅを積極的に排出し、管内領域１ｂを容易に清掃することができる。
【実施例５】
【００８５】
図８及び図９は、通路寸法調整手段を備えた粒子撮影装置の実施例を示す断面図である。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、伸縮式の架橋連結部４ａを有するプローブ部１ａの構造を示す横断面図であり、図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）のVII-VII線における断面図である。図９は、図４に示すシャッター２０と同様のスライド式円筒形シャッター５０を備えたプローブ部１ａを示す縦断面図である。各図において、前述の各実施例の構成要素又は構成部分と実質的に同一又は同等の構成要素又は構成部分には、同一の参照符号が付されている。
【００８６】
スリット４の幅Ｗは、被写界深度に相応する寸法に設定されるが、この寸法は、実際の粒子計測においては、必ずしも被写界深度の寸法値と一致する数値であることが望ましいとは限らず、多くの場合、被写界深度の寸法値よりも若干小さい数値であることが望ましいと考えられる。これは、実際の粒子群には多様な寸法の粒子が混在すること、そして、現実の粒子撮影における実質的な被写界深度は粒子径に依存する関係があることなどに起因する。
【００８７】
また、微粒子群が濃密に分散飛翔する気体又は液体の中にプローブ部１ａを挿入すると、過剰な量の微粒子がスリット４内に流入することがあり、このような場合、スリット４内に流入する微粒子の量を制限し、撮影に適した量に調整することが望ましい。このような事情を考慮し、図８及び図９に示す粒子撮影装置１は、微粒子群を含む流体のスリット通過流量を可変設定可能にする通路寸法調整手段を備える。
【００８８】
図８に示す通路寸法調整手段は、架橋連結部４ａの延長部からなる方形断面のスライド部４０と、スライド部４０を受け入れ、スライド部４０をスライド可能又は摺動可能に支持する方形断面の溝４１とから構成される。スライド部４０及び溝４１は、軸線Ｘ−Ｘと平行に延びる。図８（Ａ）には、スライド部４０を完全に溝４１内に引き込んだ状態が示されている。この状態においては、架橋連結部４ａの長さは最も短縮しており、スリット４の幅Ｗは、最小寸法に設定される。図８（Ｂ）には、スライド部４０を溝４１から適度に突出させた状態が示されている。この状態においては、架橋連結部４ａは伸長しており、スリット４の幅Ｗは、拡大した寸法に設定される。なお、プローブ部１ａは、スライド部４０の位置を選択的に固定又は解放する係止手段又は固定手段（図示せず）を有する。
【００８９】
図９に示す通路寸法調整手段は、図４に示すシャッター２０と同様のスライド式円筒形シャッター５０からなる。シャッター５０は、軸線Ｘ−Ｘと平行にスライド可能にプローブ部１ａの外周に支持される。図９（Ａ）には、シャッター５０が完全に後退してスリット４を完全に開放した状態が示されている。スリット４の幅Ｗは、この状態において最大寸法を有する。図９（Ｂ）には、シャッター５０を適度に前進させ、スリット４を部分的に閉鎖した状態が示されている。この状態においては、スリット４の幅Ｗは、縮小した寸法に設定される。なお、プローブ部１ａは、シャッター５０の位置を選択的に固定又は解放する係止手段又は固定手段（図示ぜす）を有する。
【００９０】
図８及び図９に示すような通路寸法調整手段を備えた粒子撮影装置１によれば、スリット４の幅Ｗを可変設定することができるので、被写界深度に相応する最適な寸法にスリット４の幅Ｗを適宜設定することができる。また、このような通路寸法調整手段を備えた粒子撮影装置１によれば、過剰な量の粒子がスリット４内に流入する場合には、スリット４の幅Ｗを縮小し、逆に、スリット４内に流入する粒子の量が過少である場合には、スリット４の幅Ｗを拡大するといった任意の通路寸法設定が可能となるので、粒子撮影の適用範囲又は応用範囲は大幅に拡大するであろう。
【００９１】
以上、本発明の好適な実施形態及び実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。
【００９２】
例えば、プローブ部の機械的構成、断面構造及び寸法・形状・形態等は、本発明に従って設計変更することができる。
【００９３】
また、粒子撮影装置が接続される粒子撮影・計測システムの構成機器等は、本発明の目的の範囲内で任意に設計変更し得るものである。
【００９４】
更には、前述の各実施例においては、粒子撮影装置は、レーザのエネルギー分布を改善する拡散板をアダプタ部分の先端部に配置した構成を有するが、所望より、拡散板の設置を省略することも可能である。
【００９５】
また、前述の各実施例においては、アダプタ部分をテレセントリックレンズ部分に螺子連結した構成を採用しているが、係脱可能な他の係合手段又は係止手段によってアダプタ部分をテレセントリックレンズ部分に連結しても良い。
【００９６】
更に、前述の各実施例は、方形断面の架橋連結部を左右対称の位置に対をなして配置した構造のものであるが、架橋連結部の位置、形態及び数等は、任意に設計変更し得るものである。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は、気体中又は液体中に分散飛翔する微粒子群における粒子数密度、粒子速度、粒子径、粒子形状等の粒子特徴量を計測する技術に関するものであり、ディーゼル排気、ボイラ排気、微粉炭燃焼、燃料噴霧、洗浄スプレー、噴霧コーティング、噴霧塗装、粉体輸送、農薬散布等の広範な分野に亘る基盤計測技術として多くの分野に適用し得るものである。このような基盤計測技術の適用により、既存の産業分野における技術力を維持・強化し、それを通じて新産業創出を支援するという効果が期待される。
【００９８】
例えば、自動車産業における静電塗装では、微粒子群特性が製品品質に深く関わっていながら、特性の定量化が達成されておらず、熟練技術者の経験と勘に頼っている実情がある。本発明の実用化によって微粒子群挙動を計測し、これにより、塗装外観と微粒子特性との関係が定量化し得たならば、例えば、購入者の好みに合わせたテイラード塗装の可能性等が芽生え、それを利用した新産業および新ビジネス等が新たに創出されることが期待される。従って、本発明の実用的効果は顕著なるものがある。  
【符号の説明】
【００９９】
１    粒子撮影装置
１ａ  プローブ部
１ｂ  管内領域
２    テレセントリックレンズ部分
３    アダプタ部分
４    スリット
４ａ  架橋連結部
４ｂ  流入側開口
４ｃ  流出側開口
５    光ファイバ
６    拡散板
７    光学ウィンドウ
８    レンズ
９    粒子排出孔
１０  撮像装置
１１  レーザ装置
１２  スペックルキラー
１３  ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
１４  ディレイジェネレータ
１５  ファンクションジェネレータ
２０  スライド開閉式シャッター
３０  粒子誘引装置
４０  スライド部
４１  溝
５０  スライド式円筒形シャッター
【図１】
2010101881.tif 000003
【図２】
2010101881.tif 000004
【図３】
2010101881.tif 000005
【図４】
2010101881.tif 000006
【図５】
2010101881.tif 000007
【図６】
2010101881.tif 000008
【図７】
2010101881.tif 000009
【図８】
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【図９】
2010101881.tif 000011