(57)【要約】  本発明は、光源設定が容易で、高速ビデオも必要とせず、膨大な電算処理を必要としない「移動物体の測定装置」を提供することを目的とする。  本発明の「移動する物体の測定装置」は、３色以上の複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序で点滅させる光源と、前記光源の光によって照射された移動又は変化する複数の物体を撮影する装置と、移動距離を比較検討するための既知の寸法の比較対照からなり、前記撮影装置は、撮影するタイミングと撮影時間を設定可能であり、前記撮影時間内に前記複数色の光源が少なくともそれぞれ一回は点滅するように設定された構成となっている。
2008156022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序で変化させて移動又は変化する物体を照射する光源と、
前記光源の光によって照射された移動又は変化する物体を撮影する装置と、
からなり、
前記撮影する装置は、撮影するタイミングと撮影時間を設定可能であり、前記撮影時間内に前記複数色の光が少なくともそれぞれ一回は変化するように設定された物体の測定装置。
【請求項２】
複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序で変化させて移動又は変化する物体を照射する光源と、
前記光源の光によって照射された移動又は変化する物体を撮影する装置と、
移動距離を比較検討するための既知の寸法の比較対象と、
からなり、
前記撮影する装置は、撮影するタイミングと撮影時間を設定可能であり、前記撮影時間内に前記複数色の光が少なくともそれぞれ一回は変化するように設定された物体の測定装置。
【請求項３】
前記光源は、輝度が変化する光に加えて、さらに輝度が変化する光とは異なる色又照度で前記移動する物体を照射する連続光を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の物体の測定装置。
【請求項４】
前記撮影する装置を２台有し、前記２台の撮影する装置を用いて同じ移動または変化する物体を同時に撮影することで、ステレオ撮影を可能にする機能を有する請求項１または２に記載の物体の測定装置。
【請求項５】
前記複数色の光は３色以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の物体の測定装置。
【請求項６】
複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序で変化させて移動又は変化する物体を照射し、
前記光によって照射された移動又は変化する物体を撮影し、
移動または変化する物体を測定する方法であって、
前記撮影は、撮影するタイミングと撮影時間を設定し、前記撮影時間内に前記複数色の光が少なくともそれぞれ一回は変化するように設定することを特徴とする、物体を測定する方法。
【請求項７】
複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序で変化させて移動又は変化する物体を照射し、
前記光によって照射された移動又は変化する物体を撮影し、
移動距離を比較検討するための既知の寸法の比較対象と前記撮影した結果とを比較して、
移動または変化する物体を測定する方法であって、
前記撮影は、撮影するタイミングと撮影時間を設定し、前記撮影時間内に前記複数色の光が少なくともそれぞれ一回は変化するように設定することを特徴とする、物体を測定する方法。
【請求項８】
前記撮影を、２台の撮影装置を用いて同じ移動または変化する物体を同時に撮影することで、ステレオ撮影を行うことを特徴とする請求項６または７に記載の物体を測定する方法。
【請求項９】
前記複数色の光は３色以上であることを特徴とする請求項６〜請求項８に記載の物体を測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序で変化させる光源を用いて、高速で移動又は変化する物体の移動速度、速度変化、移動方向、形状変化を測定する方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンターの射出ノズルからのインクの射出状況、洗浄スプレーからの洗浄液の射出状況、切削系工作機械における切子の生成状況など、装置や部品の設計において、高速で移動又は変化する物体の移動速度、速度変化、移動方向、形状変化を把握することが必要となることが多い。【０００３】
これら肉眼では充分に捉えることのできない、高速移動及び変化する物体を観察するために、従来からレーザードップラー、レーザーシート光を用いたＰＩＶ(Particle  Image  Velocimetry)  、高速度撮影ビデオなどが使用されている。【０００４】
レーザードップラーを使用する場合は、計測対象物にレーザー光線を照射し、反射時のドップラー効果を利用して速度を計測するものである。原則的に計測は速度のみに限られ、対象も一点またはレーザー光との一対一対応である。ランダムに位置し移動する複数の移動体を計測することはできない。又、現状では装置の価格は非常に高価であり、また計測時のセッティングもデリケートであるうえに、危険がともなう場合もある。【０００５】
ＰＩＶ(Particle  Image  Velocimetry)は、粒子画像の処理に基づく流速計測法の総称で、相関法、粒子追跡法などがある。原則的にいずれも多重露光のモノクロ静止画で移動する粒子状等の物体を撮影し、これを様々な数学的手法を用いて解析し、移動速度・方向などを検出するものである。
粒状の移動液滴のみならず、トレーサーと呼ばれるアルミ微小片などを流れる流体にまぜ、光源からの反射光を撮影することにより計測を行うこともできる。
移動液滴やトレーサーを移動する点として捉え、静止画に微小時間差で多重露光した各点を、直接相関法、ＦＥＴ相互相関法、自己相関法、粒子抽出法、二値化相関法など様々な手法で、モノクロ画像に写った各点の時系列と相関関係を解析することにより、移動ベクトルを抽出するものである。つまり、「ある点のΔ時間後の点はこれである。」と「複数の移動する粒子状物体の時間的相関関係」を計算で類推する。
これらの方法では、各移動点が急激なベクトル変化を起こさないことを前提にしたアルゴリズムを用いているので、ベクトル変化の大きい移動体では誤った時系列対応付け（誤ベクトルと呼称する）を行なったり、対応付け不可能である場合が発生する。
又、ブラウン運動のように各粒子がランダムな移動ベクトルを有する場合にも対応付けが非常に困難になる。【０００６】
また、計算量が膨大となり、撮影後に解析結果が算出されるまでに大きな時間差が発生する。再現性が低かったり、発生させるのが困難な現象を観測する場合に、再計測の要否の判断や、計測条件変更の有無の判断に時間がかかり、計測そのものが困難になる場合も多い。
又、多重露光が２回の場合は、各点の移動は、速度と方向のみ計測でき、３回以上であれば、速度変化と方向変化も計測することが可能となる。但し、露光回数が増えると、相関関係を解析する計算量は更に膨大となる。
又、測定点数が多い（粒子数が多い）場合も、相関づけを検討する対象が多くなり、計算量が膨大となり、また誤ベクトルも多く発生する。
以上のようにＰＩＶにおいては、微小時間間隔の画像を電算処理で解析して、移動物体の移動ベクトルを計測する場合に「不確かさの発生」や、「電算処理時間の長さ」などの問題が依然として残る。【０００７】
高速度撮影ビデオは、現状の最先端のものでは、１秒間での撮影コマ数が一億を超えており、非常に高速に移動または変化する物体の計測・観察に用いられている。
但し、一秒間に２０００コマを超える性能を有するものは高価で、またコマ数が多くなるほど、撮影画質（ピクセル）が低くなる。又、一般的に高速度ビデオはモノクロで、カラー撮影のものはコマ数の少ないものに限定される。
撮影には、大光量の光源が必要で、必要光源の設定には大きな費用と熟練度を必要とする場合が多い。このため、高速度ビデオ撮影を必要とする研究者は、撮影の専門家に依頼することが多い。手元に保有することが高価なため困難であることと、撮影に熟練度が必要となるために、必要なときに必要な撮影をすぐに行うことや、再現性の低い現象を繰り返し撮影する場合などには、大きなコストを必要とする。
更に、高速度撮影ビデオにより得られた一次データである動画は、そのままでは文書などに反映することはできないうえに、計測対象の移動ベクトルなども定量化されたデータではない。計測対象の動きを定量化するためには、上述したＰＩＶの画像解析手法を用いるなどの時間とコストを要する二次処理が必要となる。【０００８】
【非特許文献１】参考文献  「ＰＩＶハンドブック」可視化情報学会編  森北出版株式会社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の測定装置では、注意深いセッティングが必要な光源を用いるなど、これを使用するにあたって装置使用の熟練を要することになる。専門の人間をこれに従事させ、必要となるたびに専門家に外注するなどしていては、非常にコストを要することになる。
又、急激なベクトル変化を起こす移動する物体に対しては、計測結果の信頼性が低くかったり、更に計測結果を得るのに非常に時間のかかる計測装置では、迅速な計測を行えないなどの問題点を従来の計測装置は有していた。
高速で移動及び変化する物体の移動速度、速度変化、移動方向、形状変化を手軽に、安価に、迅速に計測できる装置が必要とされている。
光源設定が容易で、高速ビデオも必要とせず、膨大な電算処理を必要としない物体の測定方法および装置を、提供することを目的とする。【００１０】
このような課題を解決するための本発明の物体の測定装置は、複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序で変化させて移動又は変化する物体を照射する光源と、光源の光によって照射された移動又は変化する物体を撮影する装置と、からなり、撮影する装置は、撮影するタイミングと撮影時間を設定可能であり、撮影時間内に複数色の光が少なくともそれぞれ一回は変化するように設定された構成を有する。
また、さらに、このような課題を解決するための本発明の物体の測定装置は、複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序で変化させて移動又は変化する物体を照射する光源と、光源の光によって照射された移動又は変化する物体を撮影する装置と、移動距離を比較検討するための既知の寸法の比較対象と、からなり、撮影する装置は、撮影するタイミングと撮影時間を設定可能であり、撮影時間内に複数色の光が少なくともそれぞれ一回は変化するように設定された構成を有する。
また、光源は、輝度が変化する光に加えて、さらに輝度が変化する光とは異なる色又照度で移動する物体を照射する連続光を含んでも良い。
また撮影する装置を２台有し、２台の撮影する装置を用いて同じ移動または変化する物体を同時に撮影することで、ステレオ撮影を可能にする機能を有する構成としても良い。
このような課題を解決するための本発明の物体を測定する方法は、複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序で変化させて移動又は変化する物体を照射し、光によって照射された移動又は変化する物体を撮影し、移動または変化する物体を測定する方法であって、撮影は、撮影するタイミングと撮影時間を設定し、撮影時間内に複数色の光が少なくともそれぞれ一回は変化するように設定する、構成を有する。
さらに、このような課題を解決するための本発明の物体を測定する方法は、複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序で変化させて移動又は変化する物体を照射し、光によって照射された移動又は変化する物体を撮影し、移動距離を比較検討するための既知の寸法の比較対象と撮影した結果とを比較して、移動または変化する物体を測定する方法であって、撮影は、撮影するタイミングと撮影時間を設定し、撮影時間内に複数色の光が少なくともそれぞれ一回は変化するように設定する、構成を有する。
また、前記複数色の光は３色以上であるとさらに良い。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序で変化させて移動又は変化する物体を照射する光源と、光源の光によって照射された移動又は変化する物体を撮影する装置と、移動距離を比較検討するための既知の寸法の比較対象と、からなり、撮影する装置は、撮影するタイミングと撮影時間を設定可能であり、撮影時間内に複数色の光が少なくともそれぞれ一回は変化するように設定された構成を有するので、物体が移動もしくは変化する過程で異なった色で撮影されるので、物体の移動経路などが容易に特定できる。このため、移動体及び変化する物体を安価に簡易に迅速に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１、及び実施の形態２による、測定装置の概要を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１による、光源の発光の様子をタイムチャート化したものである。
【図３】この発明の実施の形態１、及び実施の形態２による、光源の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１、及び実施の形態２による、ライトガイド発光部内部での、各色用の光ファイバーの配置を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１による、撮影された飛翔液滴の様子を図式化した図である。
【図６】この発明の実施の形態１、及び実施の形態２による、図１を上方向と横方向から見た図である。
【図７】この発明の実施の形態２による、光源の発光の様子をタイムチャート化したものである。
【図８】この発明の実施の形態２による、撮影された飛翔液滴の様子を図式化した図である。
【符号の説明】
【００１３】
１、光源    ２、飛翔液滴    ３、デジタルスチールカメラ    ４、定規
５、カメラレンズの視界    ６、照射光    ７、制御信号発生部
８、ＬＥＤ駆動電流発生部    ９、電源部    １０、ＬＥＤ駆動部
１１、ＬＥＤ    １２、電流検出・表示部    １３、ライトガイド
１４、ライトガイド集光部    １５、ライトガイド発光部
１６、光ファイバー    １７、シリンドリカルレンズ
１８、照射される撮影範囲    １９、実線の楕円で囲んだ部位の飛翔液滴
２０、破線の楕円で囲んだ部位の飛翔液滴
２１、二重線の楕円で囲んだ部位の飛翔液滴    ２２、照射光の拡散角度
２３−１、撮影角度Ｙ°    ２３−２、撮影角度Ｘ°    ２４、照射光の厚み
２５、誤差    ２６、飛翔液滴    ２７、飛翔液滴    ２８、飛翔液滴
２９、測定値    ３０、撮影範囲    ３１、撮影面の寸法Ａ
３２、撮影面の寸法Ｂ    ３３、照射される撮影範囲。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明における「実施の形態１」の測定装置を示す。
「実施の形態１」は、３色以上の複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序で変化させる光源１と、前記光源の光によって照射された移動又は変化する物体（飛翔液滴２）を撮影する装置（デジタルスチールカメラ２）と、移動距離を比較検討するための既知の寸法の比較対照（定規４）からなり、前記撮影装置（デジタルスチールカメラ３）は、撮影するタイミングと撮影時間を設定可能であり、前記撮影時間内に前記複数色の光源１が少なくとも各色それぞれ一回は変化するように設定された構成となっている。
光源１から照射された順次変化する複数色の照射光６は、図１左方より右方に移動する飛翔液滴２を照射する。各色の変化光は、図２のタイムチャートで発光している。
デジタルカラースチールカメラ３は、一定時間の間、シャッターを開く。被写体である飛翔液滴２は、カメラレンズの撮影視界５と照射光６が交錯する範囲でのみ撮影される。ここでは撮影される液滴２を黒丸、撮影されない液滴２を白丸で図示している。
尚、撮影時の周囲の明るさは、光源１に飛翔液滴２が照らされる照度よりも、低いことが望ましい。つまり、太陽光下のような明るい環境では、計測はむずかしい。【００１５】
図２は、本発明における「実施の形態１」における光源の発光の様子をタイムチャート化したものである。発光には発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）を用いる。これは、キセノン球を色フィルターで着色した光源や、レーザー光であってもかまわない。意図する変化のタイムチャートに対して、応答性よく反応するものであれば、発光体の種類は問わない。電力で発光するものである必要もない。連続発光する光源の光を断続的に遮断するような発光方法でもよい。一般にキセノン球よりもＬＥＤが、又ＬＥＤよりもレーザー発光のほうが、応答性は良好である。測定対象物の移動や変化速度が速いものほど、良好な応答性を有する発光体を必要とする。以下「実施の形態１」では、ＬＥＤを発光体に用いた場合の実施例を示す。
尚、実際の電圧値及び発光量は、回路に使用される半導体素子や発光体の応答時間の関係で、若干の遅れや、波形のナマリなどを生ずるが、ここでは無視する。
また、色を赤・緑・青としているが他の色を用いてもよいし、色数を３色としているが４色以上としてもよい。但し、２色では、進行方向が予測できない飛翔液滴の進行方向の特定が困難である。
図２において、各色光源は一定時間Ｔの間隔で、一定時間ｔの発光を順次繰り返す。各色の発光順序は入れ替わることなく、つねに所定の順序で繰り返される。一定時間Ｔと一定時間ｔは、測定対象の移動速度や形状変化速度に応じて任意に設定する。【００１６】
図３は、本発明における「実施の形態１」の光源の構成を示す図である。
制御信号発生部７で、任意のパルス間隔とパルス幅を有するピーク値５Ｖの微小電流パルス信号を生成し、ＬＥＤ駆動電流発生部８に信号を送る。電源部９では、発光に必要な電力を必要な電圧値で供給する。ＬＥＤ駆動電流発生部８では、電源部９から得た電圧・電流をもとに微小電流パルス信号にて制御されたＬＥＤ駆動用の電流を生成する。ＬＥＤ駆動部１０はこの電流により、ＬＥＤ１１を発光する。  一般的にＬＥＤは、各ＬＥＤ個体ごとに発光量を電流値でコントロールするので、電流検出・表示部１２を設け、この値をもとに人間が電源部９の出力電圧を設定することにより電流をコントロールし、結果的に発光量をコントロールする。【００１７】
ＬＥＤ１１で発光した光は、光ファイバーを用いた光の通路であるライトガイド１３により各色個別にライトガイド集光部１４で集光される。ライトガイド内部では、光ファイバーにより各色個別に光がライトガイド発光部１５に伝達される。
図４に示すように、ライトガイド発光部１５の内部では、各色用の光ファイバー１６は、各色が均一にまばらになるように配置されて、光を放出する。また、ライトガイド発光部１５の光出口側にはシリンドリカルレンズ１７が設けられ、光はあまり拡散せず、光源から離れた位置でも光の減衰を少なくしている。これにより、各色の光は、等間隔に位相をずらして、ライトガイドから規則正しい順序と時間間隔で同じ部位を照らすことになる。
尚、三次元的に広範囲を照射したい場合は、シリンドリカルレンズなどを使用せず照射角度を大きくしてもよい。但し、この場合は大きな光量を必要とする。デジタルカラースチールカメラ３を二台配置して同時にシャッターを切り、ステレオ撮影を行って、飛翔液滴２の三次元的な移動を計測したい場合など、広範囲で照射する必要がある場合もあり得る。【００１８】
図５は、本発明における「実施の形態１」の撮影された飛翔液滴の様子を図式化したものである。
照射される撮影範囲１８は、図１における照射光６と、カメラレンズの撮影視界５の交錯する範囲である。
飛翔液滴は、赤緑青赤緑青・・・の順次発光する光源で撮影され、図５では、便宜上赤は○、緑は△、青は×で示すものとする。
又、この例では図２のタイムチャートにおけるＴ／３の時間（発光間隔）は、１／１０００秒とし、シャッター開放時間は、２．５／１０００秒とする。
任意にシャッターを開いた直後の発光が赤のタイミングあったので、各飛翔液滴は赤緑青の順序で、３回多重露光撮影されている。定規４を撮影範囲内に収まるように配置しておくことで、画像内での定規４との比較により、一定時間での液滴の移動ベクトルを計測することができる。  すなわち、赤の点から緑の点までの距離、緑の点から青の点までの距離が、１／１０００秒間に動いていることになるので、計算により速度が求まる。赤−緑間と緑−青間の間隔や移動方向が変化していれば、ベクトル変化が発生していることになる。ベクトル変化を重点的に測定したい場合は、シャッター開放時間を長くする。５．５／１０００秒とすれば、一つの液滴に対して５回の多重露光が行われ、ベクトル変化をより詳細に測定できる。
また、図示されていないが、実際の撮影画像では、飛翔液滴の大きさも確認することができる。以下は、実際の画像では飛翔液滴の大きさも判断できることを前提として記述する。【００１９】
実施の形態１では、１枚の画像内で液滴の密度や分布、各液滴の移動速度や速度変化、及び方向や方向変化、ならびに各液滴の大きさを確認できる。これらのデータを定量化することも、市販されている電子静止画データ内に寸法測定用の格子状の線を配置できるプログラムソフトや、逆に撮影データを二次元ＣＡＤに取り込むことにより、二次元ＣＡＤの寸法測定機能を利用することにより、容易に安価に実現することができる。
定量化を自動化するために、ＰＩＶ的な解析手法を用いる場合でも、時系列ごとに色が異なるため連続性をたどる手がかりとなり、解析アルゴリズムも単純化することができる。又、誤ベクトルの発生も大幅に低減することができる。ある点から次の点を識別する際の選択が、通常のＰＩＶに比べ１／色数となるからである。【００２０】
図５における実線の楕円で囲んだ部位の飛翔液滴１９は、他と違い移動方向が下向きで移動速度もおそく、大きさも小さい。他の飛翔液滴と衝突しての破片と推定できる。
図５における破線の楕円で囲んだ部位の飛翔液滴２０は、他の多くの飛翔液滴と大きさや進行方向、進行速度が似通っている。本件の測定対象における代表的な運動形態の飛翔液滴と判断できる。
図５のおける二重線の楕円で囲んだ部位の飛翔液滴２１は、代表的な飛翔液滴と比較して、進行方向は同じであるが速度が遅い。本件の測定対象は、方向が同じで速度の異なる飛翔液滴が一部混在することが確認できるとともに、速度の違いにより飛翔液滴同士の衝突が発生していることが類推される。【００２１】
図６は図１を上方向と横方向から見た図である。照射光の拡散角度２２や撮影画角Ｙ°２３−１及び撮影画角Ｘ°２３−２は、誇張して図式化している。尚、通常のデジタルスチールカメラでは、撮影画角Ｘ°３８−１と撮影画角Ｙ°３８−２は、ほぼ同じ角度である。
飛翔液滴２は、撮影時間内での最初のパルス発光時での位置を丸で表し、撮影されるものを白丸、撮影されないものを黒丸で表している。また、撮影時間内での最後のパルス発光の位置を×で表している。
照射光の厚み２４（デジタルスチールカメラ３の撮影方向の照射光の厚み。）の範囲内で、各飛翔液滴２である被写体とカメラ間の距離にはバラツキがある。
飛翔液滴２６では、移動距離の誤差α２５となる。これはカメラに明るい望遠レンズを用いることにより、撮影画角Ｘ°３８−１と撮影画角Ｙ°３８−２を小さくし、誤差を小さくすることができる。又、照射光の拡散角度２２を小さくすることで、照射光の厚み２４を小さくし、誤差を小さくすることができる。この場合、「撮影方向に直角な面に対して大きく角度の異なる方向に進行している飛翔液滴」は、測定対象から外すことになる。照射光の拡散角度２２を小さく、又はレーザー光などによりほとんどゼロにした発光は、「シート光」と呼ばれ、流体工学や流体を扱う企業の研究分野では、頻繁に使用されている。二次元的な物体の移動のみを計測することに対しても、大きな需要がある。
飛翔液滴２７では、測定値２９と「実際の移動距離」の間に大きな誤差を生ずる。
又、飛翔液滴２８は、照射光６の範囲外から、範囲内を通過して、範囲外に達している。この場合、デジタルスチールカメラ３のシャッター開放時間内で、光源１が赤緑青赤緑青と仮に６回変化したとして、少なくとも最初の赤と最後の青は撮影されない。これにより、飛翔液滴２−３が「撮影方向に直角な面」に対して大きく角度の異なる方向に進行していることが判別できる。このような、「撮影方向に直角な面に対して大きく角度の異なる方向に進行している飛翔液滴郡を測定したい場合は、前述のデジタルスチールカメラ３を２台用いたステレオ撮影を行う必要がある。
尚、あらかじめ照射光６の厚みの範囲での誤差を把握しておくことで、本装置における測定誤差を把握することができる。
カメラレンズの画像歪みについても、予めグラフ用紙などの正確な格子状の静止画を撮影しておくことにより、歪みによる誤差を把握することができるとともに、必要により定量化の際に補正することもできる。【００２２】
図１における、「移動距離を比較検討するための既知の寸法の比較対照」である定規４は、飛翔液滴２の移動距離を比較検討するために配置されるのであるが、必ずしも飛翔洗浄液２が撮影された同じ画像内で撮影される必要はない。図１におけるデジタルスチールカメラ３と光源１との位置関係や方向、及びカメラ設定を測定時と同じにした状況で、定規４を撮影しても、のちに撮影画像を照合することで、移動距離を比較検討することができる。
又、図１におけるデジタルスチールカメラ３と光源１との位置関係や方向、及びカメラ設定を測定時と同じにした状況で、図６における撮影面の寸法Ａ３０や、撮影面の寸法Ｂ３１を把握しておけば、この寸法も「移動距離を比較検討するための既知の寸法の比較対照」となる。
実施の形態２．【００２３】
図１は、本発明における「実施の形態２」の測定装置を示す。
「実施の形態２」は、３色以上の複数色の光を所定の時間間隔と所定の順序でパルス発光し、なおかつ前記パルス発光時よりも小さい発光量で連続発光する光源１と、前記光源によって照射された移動又は変化する物体（飛翔液滴２）を撮影する装置（デジタルスチールカメラ２）と、移動距離を比較検討するための既知の寸法の比較対照（定規４）からなり、前記撮影装置（デジタルスチールカメラ３）は、撮影するタイミングと撮影時間を設定可能であり、前記撮影時間内に前記複数色の光源１が少なくとも各色それぞれ一回は変化するように設定された構成となっている。
光源１から照射された複数色で順次パルス発光し、前記点パルス発光よりも小さい発光量で連続発光する照射光６は、図１左方より右方に移動する飛翔液滴２を照射する。光源１は、図２のタイムチャートで発光している。なお、このような連続発光する照射光６は、場合によっては自然光を活用することもできる。
デジタルカラースチールカメラ３は、一定時間の間、シャッターを開く。被写体である飛翔液滴２は、カメラレンズの撮影視界５と照射光６が交錯する範囲でのみ撮影される。ここでは撮影される液滴を黒丸、撮影されない液滴を白丸で図示している。
尚、撮影時の周囲の明るさは、光源１に飛翔液滴２が照らされる照度よりも、低い必要が望ましい。つまり、太陽光下のような明るい環境では、計測はむずかしい。【００２４】
図７は、本発明における「実施の形態２」における光源の発光の様子をタイムチャート化したものである。パルス発光には発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）を用いる。これは、キセノン球を色フィルターで着色した光源や、レーザー光であってもかまわない。意図する変化のタイムチャートに対して、応答性よく反応するものであれば、発光体の種類は問わない。電力で発光するものである必要もない。連続発光する光源の光を断続的に遮断するような発光方法でもよい。一般にキセノン球よりもＬＥＤが、又ＬＥＤよりもレーザー発光のほうが、応答性は良好である。測定対象物の移動や変化速度が速いものほど、良好な応答性を有する発光体を必要とする。連続発光に関しては、パルス発光とは別途に電球などの発光体を用いてもかまわない。パルス発光時と連続発光時は、同じ発光体を用いる必要はない。
以下「実施の形態２」では、パルス発光、連続発光ともにＬＥＤを発光体に用いた場合の実施例を示す。
尚、図７のタイムチャートにおいて、実際の電圧値及び発光量は、回路に使用される半導体素子や発光体の応答時間の関係で、若干の遅れや、波形のナマリなどを生ずるが、ここでは無視する。
また、パルス発光、連続発光ともに色を赤・緑・青としているが他の色を用いてもよいし、色数を３色としているが４色以上としてもよい。但し、パルス発光が２色では、進行方向が予測できない飛翔液滴の進行方向の特定が困難である。連続光は単色でも、変化光同様の複数色でもよい。
図７において、各色光源は一定時間Ｔの間隔で、一定時間ｔのパルス発光を順次繰り返す。各色のパルス発光順序は入れ替わることなく、つねに所定の順序で繰り返される。一定時間Ｔと一定時間ｔは、測定対象の移動速度や形状変化速度に応じて任意に設定する。
連続光は、他の色がパルス発光しているタイミングでは発光しない。色が混ざり鮮明な発光が行われないのを防ぎ鮮明な画像を得るためである。必ずしも、他の色のパルス発光タイミングで発光をやめる必要はない。
他の色がパルス発光しているタイミングでは発光しないと、各色単独では連続光とは言えないが、三色を総合して考えると、光源１はパルス発光よりも小さい発光量で連続発光していることになる。
又、飛翔液滴２の軌道を特定するためのパルス発光より小さい発光量の発光を「連続光」と便宜上呼称しているが、必ずしも厳密に連続している必要はなく、飛翔液滴２の軌道を判別可能ならば、瞬間的に発光が途切れても、その機能は満たせている。ここでは、あるパルス発光と次のパルス発光の間の、飛翔液滴の軌道を特定できる程度に連続的な発光を「連続光」と呼称することとする。
つまり、連続光はパルス発光よりも発光量が弱い必要もないことになる。
ある色のパルス発光のそれとは異なる色の次のパルス発光の色の間に、それらと異なる色の連続又はそれに受ずる発光があれば、飛翔液滴２の軌道は特定できる。【００２５】
図３は、本発明における「実施の形態１」の光源の構成を示す図である。
制御信号発生部７で、任意のパルス間隔とパルス幅を有するピーク値５Ｖのパルス電圧と前述の連続発光を司るための５Ｖより小さい連続電圧を合成した信号を生成する。連続電圧といえども他の色がパルス発光するタイミングでは０Ｖとなっている。又、連続電圧は任意の電圧に設定できるものとする。
制御信号発生部７はこの信号をＬＥＤ駆動電流発生部８に送る。
電源部９では、発光に必要な電力をパルス発光ピーク時での任意の電圧値で供給する。
ＬＥＤ駆動電流発生部８では、電源部９から得た電圧を制御信号ピーク時の電圧とし、それ以外のタイミングでは、５Ｖと制御信号電圧との比にもとづいて決定された電圧のＬＥＤ駆動電流を生成する。
ＬＥＤ駆動部１０はこのＬＥＤ駆動電流により、ＬＥＤ１１を発光する。  一般的にＬＥＤは、各ＬＥＤ個体ごとに発光量を電流値でコントロールするので、電流検出・表示部１２を設け、この値をもとに人間が電源部９の出力電圧と制御信号発生部７の連続電圧を設定することにより電流をコントロールし、結果的に発光量をコントロールする。【００２６】
ＬＥＤ１１で発光した光は、光ファイバーを用いた光の通路であるライトガイド１３により各色個別にライトガイド集光部１４で集光される。ライトガイド内部では、光ファイバーにより各色個別に光がライトガイド発光部１５に伝達される。
図４に示すように、ライトガイド発光部１５の内部では、各色用の光ファイバー１６は、各色が均一にまばらになるように配置されて、光を放出する。また、ライトガイド発光部１５の光出口側にはシリンドリカルレンズ１７が設けられ、光はあまり拡散せず、光源から離れた位置でも光の減衰を少なくしている。
尚、三次元的に広範囲を照射したい場合は、シリンドリカルレンズなどを使用せず照射角度を大きくしてもよい。但し、この場合は大きな光量を必要とする。デジタルカラースチールカメラ３を二台配置して同時にシャッターを切り、ステレオ撮影を行って、飛翔液滴２の三次元的な移動を計測したい場合など、広範囲で照射する必要がある場合もあり得る。【００２７】
図８は、本発明における「実施の形態２」の撮影された飛翔液滴の様子を図式化したものである。
照射される撮影範囲３２は、図１における照射光６と、カメラレンズの撮影視界５の交錯する範囲である。
飛翔液滴２は、赤緑青赤緑青・・・と順次パルス発光し、かつパルス発光時よりも小さい光量で発光する光源で照射される。尚、図８では便宜上、赤のパルス発光で照射された飛翔液滴は○、緑は二重丸、青は三重丸で示すものとする。
連続発光により照射された飛翔液滴３３は、白ヌキで表している。連続発光時は、三色の電圧をバランスを取って設定し、白色に近い発光色となるようにする。但し、必ずしも白色に近づける必要はなく、パルス発光時と連続発光時の発光量の差による濃淡で、「パルス発光で飛翔液滴が照射された点」と「連続発光で照射された軌道」が判別できれば、赤に近い色バランスでもよく、又単色でもよい。
この例では図７のタイムチャートにおけるＴ／３の時間（発光間隔）は、１／１０００秒とし、シャッター開放時間は、２．５／１０００秒とする。
任意にシャッターを開いた直後のパルス発光が赤のタイミングあったので、各飛翔液滴は赤緑青の順序で、３回パルス発光にて多重露光撮影されている。パルス発光とパルス発光の間は、撮影可能な程度の淡い白色で飛翔液滴は照射されている。このため、撮影された飛翔液滴の軌道は連続している。【００２８】
実施の形態１と比較して実施の形態２では、撮影された飛翔液滴の軌道が連続しているので、実施の形態１よりも飛翔液滴の連続性の判断が確実にできる。飛翔液滴の分布密度が高かったり、ベクトル変化が大きかったり、移動方向がランダムである場合は、実施の形態２は実施の形態１よりも有効性が高い。【００２９】
定規４を撮影範囲内に収まるように配置しておくことで、画像内での定規４との比較により、一定時間での液滴の移動ベクトルを計測することができる。  すなわち、赤の点から緑の点までの距離、緑の点から青の点までの距離が、１／１０００秒間に動いていることになるので、計算により速度が求まる。赤−緑間と緑−青間の間隔や移動方向が変化していれば、ベクトル変化が発生していることになる。ベクトル変化を重点的に測定したい場合は、シャッター開放時間を長くする。５．５／１０００秒とすれば、一つの液滴に対して５回の多重露光が行われ、ベクトル変化をより詳細に測定できる。
また、図示されていないが、実際の撮影画像では、飛翔液滴の大きさも確認することができる。以下は、実際の画像では飛翔液滴の大きさも判断できることを前提として記述する。【００３０】
実施の形態２では、１枚の画像内で液滴の密度や分布、各液滴の移動速度や速度変化、及び方向や方向変化、ならびに各液滴の大きさを確認できる。これらのデータを定量化することも、市販されている電子静止画データ内に寸法測定用の格子状の線を配置できるプログラムソフトや、逆に撮影データを二次元ＣＡＤに取り込むことにより、二次元ＣＡＤの寸法測定機能を利用することにより、容易に安価に実現することができる。
定量化を自動化するために、ＰＩＶ的な解析手法を用いる場合でも、時系列ごとに色が異なるため連続性をたどる手がかりとなるうえに、連続発光により飛翔液滴の軌道が連続して撮影されるので、解析アルゴリズムも単純化することができる。又、誤ベクトルの発生も大幅に低減することができる。【００３１】
「実施の形態２」におけるその他の実施形態は、実施の形態１と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明における計測装置は、飛翔液滴などの粒状の移動物体のみではなく、微小アルミ片などのトレーサーを用いることにより、液体や気体の移動も計測することができる。また、移動のみならず攪拌槽内で液体が攪拌される様子も計測・観測できる。
高速に移動又は変化する物体を安価に迅速に容易に測定する必要性は、飛行機や自動車などの輸送機器製造産業、塗装関連産業、スプレーノズル製造のような流体を扱う産業、プラント産業などの多岐にわたって存在する。
この発明は、それらの多くに利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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