(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴霧場内の粒子に照射する第１色の背景光を発生する背景光発生装置と、
背景光の中心軸と直角方向から噴霧場内の粒子に照射する第２色のシート光を発生するシート光発生装置と、
背景光発生装置と対向して設けられ、噴霧場内の粒子の背景光照明による画像とシート光照明による画像を区別して撮像する撮像装置と、
を備えたことを特徴とする粒子特徴量撮影計測装置。
【請求項２】
噴霧場内の粒子に照射する水平又は垂直偏波の背景光を発生する背景光発生装置と、
背景光の中心軸と直角方向から噴霧場内の粒子に照射する垂直又は水平偏波のシート光を発生するシート光発生装置と、
背景光発生装置と対向して設けられ、噴霧場内の粒子の背景光照明による画像とシート光照明による画像を区別して撮像する撮像装置と、
を備えたことを特徴とする粒子特徴量撮影計測装置。
【請求項３】
噴霧場内の粒子に照射する背景光を発生する背景光発生装置と、
背景光の中心軸と直角方向から噴霧場内の粒子に照射するシート光を発生するシート光発生装置と、
背景光発生装置とシート光発生装置から放射される光をそれぞれ開閉する第１シャッターと第２シャッターと、撮像装置へ入射する光を開閉する第３シャッターと、
第１，２，３シャッターの開閉を制御する制御装置と、
背景光発生装置と対向して設けられ、噴霧場内の粒子の背景光照明による画像とシート光照明による画像を区別して撮像する撮像装置と、
を備えたことを特徴とする粒子特徴量撮影計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子の投影面積、相当粒子径、縦横比、周囲長等の粒子特徴量を計測する粒子特徴量撮影計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に従来例１のシャドウ画像解析法（直接撮影法）による粒子径の計測装置の概要構成図を示す。
粒子径の計測装置は、背景光発生装置８とＣＣＤカメラ１を対向させて配置し、この間隙にノズル５から粒子を噴出させて構成する。背景光発生装置８は平行光を粒子に間欠的に照射させることによりＣＣＤカメラ１のレンズを介してＣＣＤ素子１−１０の撮像面に投影する。ＣＣＤ素子からの画像信号はノイズ処理、２値化処理等を行う画像処理部２を介してモニタ４に出力される。モニタ４に可視化された粒子像から例えば粒子径を計測する。（簡略して、モニタには撮影された拡大した粒子１個のみを示す。）
【０００３】
図５に従来例２のレーザ干渉画像法による噴霧液滴の粒子径の計測装置の概要斜視図を示す。
光源として用いられるＹＡＧレーザ６０からの間欠レーザ光は送光レンズ系でシート光にされ、噴霧場に照射する。噴霧場にタンクに貯蔵された液体をノズル５から噴出させる。
液滴からのシート光の散乱光を０次反射光（表面からの反射光）と１次屈折光（内部を通る屈折光）の強度がほぼ等しくなる受光にらみ角θ、レンズの集光角αに設置した受光レンズ系、シリンドリカルレンズにより集光してＣＣＤカメラ１でとらえ、画像処理部２を介してモニタに干渉縞を撮像する。また、レーザ光の間欠時間ｙと干渉縞の移動距離ｘと倍率ｍ（＝像高さ／物理高さ）より、移動速度＝ｘ／（ｍ・ｙ）を求めることができる。なお、干渉縞の移動距離ｘは公知の画像処理により干渉縞の中心を求めて間欠的に撮影した画像を重ね合わせて求めることができる。
【０００４】
透明な噴霧液滴にレーザ光を照射すると、液滴表面での反射光（０次反射光）と液滴の内部を通る二度屈折して前方に出射する屈折光（１次屈折光）の光路の違いによる位相差によって観測面上に明暗の干渉縞（フリンジ）ができる。これをレンズ系で撮像面に投影する。液滴像の重なりに起因する粒子弁別の困難さを改善するためにレンズ系にシリンドリカルレンズを用いることにより粒径算出に不必要な干渉縞に平行な方向（縦方向）の余分な成分を光学的に圧縮する。投影されたレンズの円形状の像は滴径の大小によって変わらないので、フリンジの間隔から液滴の径を算出することができる。焦点面では結像が得られるが、焦点をはずすことによりレンズにより空間から切り取られた縞の数を読み取ることにより液滴の径を算出することができる。液滴径ｄは以下の式で表される。
【数１】
0003635267.tif 000002
ここで、λはレーザ波長、Ｎは干渉縞数、αはレンズの集光角、θは受光にらみ角、ｎは水の屈折率である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来例１においては、長所として(1)測定原理が単純である、(2)球形／透明粒子に加えて非球形／不透明粒子の測定が可能である、(3)短時間間隔で発光するダブルパルス照明を与えることで２時刻の粒子像を撮影し、その間の移動距離により粒子速度を測定することが可能であるが、短所として、撮影光学系の被写界深度の範囲（ピントが合っているように見える範囲）にある全ての粒子が撮影されるため、(1)粒子の奥行き位置を特定できない、(2)ボケた粒子像が含まれるため粒径測定の誤差が大きくなる、(3)被写界深度が粒径に依存するため正確な粒径分布が測定されない、といった問題がある。
従来例２においては液滴の径及び速度を計測することは可能であるが、対象物が透明、かつ球形なものに限られ、正確に液滴形状を評価（計測）することはできない。
本発明は、粒子が透明／不透明、球形／非球形を問わず液体あるいは固体であっても粒子特徴量の計測（評価）が可能である粒子特徴量撮影計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の粒子特徴量撮影計測装置は、背景光を発生する背景光発生装置と、背景光の中心軸と直角方向からシート光を発生するシート光発生装置と、背景光発生装置と対向して配置され、粒子の背景光照明による画像とシート光照明による画像を区別して撮像する撮像装置と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１に本発明の実施例である粒子特徴量撮影計測装置の概要斜視図を示す。
粒子特徴量撮影計測装置は、背景光発生装置８と、被写界深度限定用シート光発生装置６と、背景光発生装置とシート光発生装置を同期して発光させる背景光・シート光発光制御装置７と、粒子を撮像する３ＣＣＤカメラ１−１と、３ＣＣＤカメラから出力された画像信号を処理する画像処理部２及び記憶部３と、モニタ４から構成される。
背景光発生装置８と３ＣＣＤカメラ１−１は対向させて配置し、背景光発生装置と３ＣＣＤカメラの間にノズル５から粒子を噴出させて噴霧場を形成する。被写界深度限定用シート光発生装置６は、背景光発生装置８と３ＣＣＤカメラ１−１との対向軸と直角の方向からシート光を発生させる。すなわち、シート光は背景光を横切る方向から入射される。
背景光発生装置８と被写界深度限定用シート光発生装置６は、背景光・シート光発光制御装置７により制御される。
【０００８】
波長の異なる２色のパルスレーザを用いて第１色の背景光（例えば、緑色）と第２色のシート光（例えば、赤色）を噴霧場の粒子に照射する。レーザ光で照射した粒子は３ＣＣＤカメラの顕微鏡レンズを介して撮影される。この際、２色のパルスレーザのうち、第１色のレーザはダブルパルス背景照明を供給し、その中に浮かび上がった粒子像を撮影することによって粒子特徴量（粒子面積、相当粒子径、粒子長、縦横比、周囲長など）を測定する。また、この第１色のレーザが供給する短い時間間隔で発光するダブルパルス照明によってその時間内の粒子移動距離を測定し、それから粒子速度を測定する。第２色のレーザは薄いシート光を形成して測定対象を側方から照明することによって、噴霧場（空気、液体媒質中）での粒子の存在位置を異なる色の像として撮影する。この粒子像と第１色レーザの背景照明で撮影された粒子像とを併せて解析することによって、粒子の３次元位置情報と粒子特徴量とを同時に測定する。また、第２色レーザで照明された粒子像のみを解析対象とすることによって、画像ノイズの影響を受けない粒子解析を行うことができる。上記実施例においては、背景光として第１の色（緑色）とシート光として第２の色（赤色）の可視光を例として説明したが、可視光に限定されることなく、例えばＸ線等も利用することができる。
また、背景光発生装置において、白発泡スチロール、白セラミック板等の反射板を用いて光源からの光を反射させて背景光とし、この背景光を粒子に照射して３ＣＣＤカメラで撮像することにより、従来の粒子撮像装置に比べてスペックノイズを低減することができる。
【０００９】
（実施例２）
実施例１が背景光とシート光として波長の異なる光を用いるものであるのに対し、実施例２は、背景光とシート光として偏光が異なる光を用いる。すなわち、背景光発生装置８は水平偏光（あるいは垂直偏光）、被写界深度限定用シート光発生装置６は垂直偏光（あるいは水平偏光）の光を照明する。
背景光及びシート光照明による粒子の撮影光は、撮像装置に入射される。
図２に、撮像装置の構成を示す。
撮影光はビームスプリッタ１−４により２つに分けられ、一方を背景光のみを通過させる偏光子１−３１を介してＣＣＤ素子１−３０に投影し、他方をシート光のみを通過させる偏光子１−４１を介してＣＣＤ素子１−４０に投影する。各ＣＣＤ素子の出力信号は画像処理部２を介して、背景光照明により撮影した画像信号はモニタ４の例えばＧ端子に入力し、シート光照明により撮影した画像信号はモニタ４のＲ端子に入力することにより、モニタに示すような粒子画像を得ることができる。
【００１０】
（実施例３）
図３に実施例３の粒子特徴量撮影計測装置の正面図を示す。
この例は、背景光発生装置８と被写界深度限定用シート光発生装置６とＣＣＤカメラ１−２にシャッタ８−１,６−１,１−２１を設けてシャッタ制御装置９により各シャッタを制御して、ＣＣＤカメラ１−２により背景光照明による粒子画像、シート光照明による粒子画像を撮影する。
まず、▲１▼シャッタ８−１とシャッタ１−２１を同期させて開閉し、噴霧場の粒子を背景光照明により撮影する、次に▲２▼シャッタ６−１とシャッタ１−２１を同期させて開閉することにより噴霧場の粒子をシート光照明により撮影する。この場合、粒子の移動時間（速度）に比べて、▲１▼,▲２▼の時間間隔を短くすることにより粒子の移動を無視して背景光、シート光照明による撮影が可能となる。▲１▼,▲２▼で撮影された画像信号は、モニタ４のＧ端子、Ｒ端子に入力され、実施例２と同様な粒子画像を得ることができる。
なお、実施例１〜３において、粒子画像をモニタに表示する代わりにフィルムに撮影、あるいは印刷することもできる。
【００１１】
【発明の効果】
本発明は、発明の実施の形態で説明した構成を備えることにより以下の効果を奏する。
１，発光強度の大きなパルスレーザを用いることにより粒子を遠方から照明することができ、大きな作動距離を確保することができる。
２，発光時間の短いパルスレーザを用いることにより、媒質中（空気中、液体中）を高速に移動する粒子を計測することができる。
３，色の異なるパルスレーザによるシート光照明を行うことにより、粒子の３次元位置情報を得ることができる。これによって、背景照明のみによる粒子解析装置の原理的問題である被写界深度問題（撮影された粒子像の視野奥行き方向が特定できないため測定結果に誤差を生じる問題）を解決することができる。
４，シート光照明された粒子のみを解析対象とすることによって画像ノイズと粒子像とを客観的に分離することができる。
５、従来例１と同様に背景照明を用いるのでどのような形状の粒子でも測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の粒子特徴量撮影計測装置の概略斜視図。
【図２】実施例２の粒子特徴量撮影計測装置における撮像装置の構成図。
【図３】実施例３の粒子特徴量撮影計測装置の概略正面図。
【図４】従来例１の粒子径計測装置の概略斜視図。
【図５】従来例２の粒子径・粒子移動距離計測装置の概略斜視図。
【符号の説明】
１    ＣＣＤカメラ
４    モニタ
６    被写界深度限定用シート光発生装置
７    背景光・シート光発光制御装置
８    背景光発生装置
【図１】
0003635267.tif 000003
【図２】
0003635267.tif 000004
【図３】
0003635267.tif 000005
【図４】
0003635267.tif 000006
【図５】
0003635267.tif 000007