(57)【要約】      （修正有）【課題】測定時間が短く、例えば対象物の光学的歪が時間的に変動する場合であっても、その時々の光学的歪を検出して可視化できる流体挙動可視化システム等を提供する。【解決手段】一定幅の帯状をなす単位明暗ライン１１が平面上に繰り返し現れるように構成された明暗ラインパターン１と、２次元に配列した複数の撮像素子２２を有し、一方の配列方向が単位明暗ライン１１の延伸方向と直交するように撮像する撮像撮像装置２と、明暗ラインパターン１から撮像装置２に至る光路上に対象物Ｗを配置した状態において、各列の撮像素子２２によるライン画像データをそれぞれ取得し、各ライン画像データに現れるモアレ縞から対象物Ｗによって生じた光学的歪量を算出する光学的歪量算出部と、光学的歪量に基づく歪画像データを出力する歪画像データ出力部とを設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定幅の長尺帯状をなす明ライン及び暗ラインからなる単位明暗ラインが平面上に繰り返し現れるように構成された明暗ラインパターンと、
直交する２つの仮想軸であるＸ軸及びＹ軸方向に沿って２次元に配列した複数の撮像素子を有し、前記Ｘ軸方向が前記単位明暗ラインの延伸方向と直交するように前記明暗ラインパターンを撮像素子上に結像させて撮像する撮像装置であって、該撮像素子上に結像したｎ個の単位明暗ラインに対し、Ｘ軸方向にＺ・ｎ±α（Ｚ＝４ｐ、ｐ及びαは１以上の整数）の撮像素子が対応するように設定した撮像装置と、
前記明暗ラインパターンから撮像装置に至る光路上に流体を介在させた状態において、Ｘ軸方向に並ぶ１列の撮像素子による光検出値から構成されるデータであるライン画像データを各列に亘ってそれぞれ取得し、各ライン画像データに現れるモアレ縞から、前記流体の部分的な密度又は成分濃度の違いによって生じた光学的歪量を撮像素子毎にそれぞれ算出する光学的歪量算出部と、
前記光学的歪量に基づいて歪画像データを生成し、これを出力する歪画像データ出力部とを具備していることを特徴とする流体挙動可視化システム。
【請求項２】
前記光学的歪算出部が、
前記ライン画像データに基づいて、９０°ずつ位相のずれた複数種類の正弦波を抽出して生成する正弦波生成部と、
前記各正弦波から各撮像素子でのモアレ縞の位相角度を算出する位相角度算出部と、
前記撮像素子間の位相角度の差から撮像素子毎の光学的歪量を算出する歪量算出本体部とを備えたものである請求項１記載の流体挙動可視化システム。
【請求項３】
一定幅の長尺帯状をなす明ライン及び暗ラインからなる単位明暗ラインが平面上に繰り返し現れるように構成された明暗ラインパターンと、
直交する２つの仮想軸であるＸ軸及びＹ軸方向に沿って２次元に配列した複数の撮像素子を有する撮像装置とを利用した流体挙動可視化方法であり、
前記Ｘ軸方向が前記単位明暗ラインの延伸方向と直交するように前記明暗ラインパターンを撮像素子上に結像させ、かつ該撮像素子上に結像したｎ個の単位明暗ラインに対してＺ・ｎ±α（Ｚ＝４ｐ、ｐ及びαは１以上の整数）の撮像素子が対応するように撮像装置を設定し、
前記明暗ラインパターンから撮像装置に至る光路上に流体を介在させ、
Ｘ軸方向に並ぶ１列の撮像素子による光検出値から構成されるデータであるライン画像データを各列に亘ってそれぞれ取得し、
各ライン画像データに現れるモアレ縞から、前記流体の部分的な密度又は成分濃度の違いによって生じた光学的歪量を撮像素子毎にそれぞれ算出し、
前記光学的歪量に基づいて歪画像データを生成しこれを出力することを特徴とする流体挙動可視化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体（気体又は液体）の挙動を動画等によって可視化する流体挙動可視化システム等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体の挙動、すなわち流れの態様を可視化するシステムとして、従来、例えば特許文献１に示すように、煙等の微小粉体をトレーサーとして流体中に浮遊させ、このトレーサを観測することで、流体の挙動を可視化するようにしたものが知られている。
【０００３】
しかしながら、このような構成では、流体にトレーサを混入させなければならないうえ、単に流体の挙動しか測定することはできない。
そこで、本発明者は、流体の流れ（速度）に不均一な部分が生じたときには、その部分の流体の密度が他と異なることとなり、そこに光学的な屈折率の違い（光学的歪）が生じることに着目して本発明を完成させたものである。
【０００４】
ところで、本願発明者は既に、特許文献２、３に示す光学的歪の検出機構を権利化しているが、いずれのものも、透明基板のような固体物の欠陥や歪を検出するものであって、光学的歪が時間的に変動するような流体には直ちに適用できない。その理由を以下に説明する。
【０００５】
特許文献２、３に記載の発明は、基本的には、一定大きさの矩形状又は正方形状をなす明暗グリッドが繰り返されるグリッドパターンと、一列に並んだ撮像素子上に結像させたｎ個の前記明暗グリッドに対してＸ・ｎ±α（Ｘ＝４ｐ、ｐ及びαは１以上の整数）の撮像素子が対応するように設定したラインセンサとを具備し、ラインセンサによる前記グリッドパターンの撮像画像にα個のモアレ縞が現れるようにしたものである。そして、ラインセンサとグリッドパターンのとの間に透明板状体を配置すると、この透明板状体の欠陥や異物によって生じる光学的歪をモアレ縞の変化として捉えることができる。
【０００６】
しかしながら、上述した構成では走査が必要であり、走査ラインが異なる領域では測定時刻が異なってしまうため、時々刻々と変化する流体の挙動によって生じる光学的歪を検出したい場合には不具合が生じ得る。
【特許文献１】特開２００４−２３９７６４号公報
【特許文献２】特許第４０７２４６６号公報
【特許文献３】特許第４２５０１９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述したように、流体の挙動が密度の違いとなって現れ、ひいては光学的歪として検出できることに着目してなされたものであって、流体の挙動観測のみならず、成分濃度や温度の動的な変動をも観測できるようにすべく図ったものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち本発明に係る流体挙動可視化システムは、
一定幅の長尺帯状をなす明ライン及び暗ラインからなる単位明暗ラインが平面上に繰り返し現れるように構成された明暗ラインパターンと、
直交する２つの仮想軸であるＸ軸及びＹ軸方向に沿って２次元に配列した複数の撮像素子を有し、前記Ｘ軸方向が前記単位明暗ラインの延伸方向と直交するように前記明暗ラインパターンを撮像素子上に結像させて撮像する撮像装置であって、該撮像素子上に結像したｎ個の単位明暗ラインに対し、Ｘ軸方向にＺ・ｎ±α（Ｚ＝４ｐ、ｐ及びαは１以上の整数）の撮像素子が対応するように設定した撮像装置と、
前記明暗ラインパターンから撮像装置に至る光路上に流体を介在させた状態において、Ｘ軸方向に並ぶ１列の撮像素子による光検出値から構成されるデータであるライン画像データを各列に亘ってそれぞれ取得し、各ライン画像データに現れるモアレ縞から、前記流体の密度又は成分濃度の違いによって生じた光学的歪量を撮像素子毎にそれぞれ算出する光学的歪量算出部と、
前記光学的歪量に基づいて歪画像データを生成し、これを出力する歪画像データ出力部とを具備していることを特徴とするものである。
【０００９】
なお、明暗ラインの長さ方向の寸法は、具体的には、該撮像素子上に結像したときに、Ｙ軸方向に複数の撮像素子が含まれるようにしておくことが望ましい。
【００１０】
前記光学的歪算出部の好ましい具体的構成としては、前記モアレ縞のライン画像から９０°ずつ位相のずれた複数種類の正弦波を抽出して生成する正弦波生成部と、前記各正弦波から各撮像素子でのモアレ縞の位相角度を算出する位相角度算出部と、前記撮像素子間の位相角度の差から撮像素子毎の光学的歪量を算出する歪量算出本体部とを備えたものを挙げることができる。
【００１１】
また、本発明に係る流体挙動可視化方法は、一定幅の長尺帯状をなす明ライン及び暗ラインからなる単位明暗ラインが平面上に繰り返し現れるように構成された明暗ラインパターンと、直交する２つの仮想軸であるＸ軸及びＹ軸方向に沿って２次元に配列した複数の撮像素子を有する撮像装置とを利用した流体挙動可視化方法であり、
前記Ｘ軸方向が前記単位明暗ラインの延伸方向と直交するように前記明暗ラインパターンを撮像素子上に結像させ、かつ該撮像素子上に結像したｎ個の単位明暗ラインに対してＺ・ｎ±α（Ｚ＝４ｐ、ｐ及びαは１以上の整数）の撮像素子が対応するように撮像装置を設定するステップと、
前記明暗ラインパターンから撮像装置に至る光路上に流体を配置するステップと、
Ｘ軸方向に並ぶ１列の撮像素子による光検出値から構成されるデータであるライン画像データを各列に亘ってそれぞれ取得するステップと、
各ライン画像データに現れるモアレ縞から、前記流体の密度又は成分濃度の部分的な違いによって生じた光学的歪量を撮像素子毎にそれぞれ算出するステップと、
前記光学的歪量に基づいて歪画像データを生成しこれを出力するステップと行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、流体の挙動が密度の違いとなって現れ、さらにそれが光学的歪となって現れることから、流体の挙動を歪画像データとして可視化することができる。さらに、流体の挙動のみならず、部分的な温度の違いや成分濃度の違いによっても光学的歪が生じることから、本発明によれば、流体の温度や成分濃度の違いをも可視化できる。
【００１３】
具体的には、本発明では、明暗ラインパターンを用い、エリアセンサたる撮像装置によって走査することなく撮像した二次元画像に基づいて、対象物の光学的歪を算出し可視化するようにしており、対象物の２次元エリア全体を、事実上同時に（厳密には、撮像装置のシャッタ速度による時間分解能で）測定することができるので、時間的に変動する、流体の部分的な密度又は成分濃度の違いによって生じる光学的歪の一瞬を捉えてそのタイミングで精度よく歪画像として可視化することができる。したがって、この歪画像を連続して取得することによって、流体の挙動や成分濃度の変遷を動画として出力することもできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る流体挙動可視化システムの模式的全体図である。
【図２】同実施形態における撮像素子群の正面図である。
【図３】同実施形態における単位明暗ライン幅と撮像素子数との関係を示す関係説明図である。
【図４】同実施形態における情報処理装置及び撮像装置の機能的内部構成図である。
【図５】同実施形態における情報処理装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図６】同実施形態において、Ｘ軸方向に並ぶ一列の撮像素子の光検出値から得られるモアレ縞を示すグラフである。
【図７】同実施形態において、モアレ縞から正弦波を抽出したグラフである。
【図８】同実施形態において、正弦波から各撮像素子の位相角度を算出したグラフである。
【図９】同実施形態において、位相角度算出後に光学的歪を算出したグラフである。
【図１０】同実施形態において、ガスの噴出を撮像して光学的歪画像にした画像例である。
【図１１】同実施形態において、炎の噴出を撮像して光学的歪画像にした画像例である。
【図１２】本発明の他の実施形態において、透明板状体の光学的歪画像を示す画像例である。
【図１３】図１２とは明暗ラインパターンを９０°回転させて算出した光学的歪画像を示す画像例である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
本実施形態に係る流体挙動可視化システム１００は、気体又は液体Ｗに生じている密度の違う部分や成分濃度の違う部分を可視化して表示するものであって、密度分布（又は濃度分布）検出システムとも言うべきものである。
具体的に説明する。
【００１７】
この流体挙動可視化システム１００は、図１に示すように、明暗ラインパターン１と、この明暗ラインパターン１を撮像する撮像装置２と、撮像装置２から出力された画像データを解析する画像処理装置３とを備えたものであり、前記明暗ラインパターン１と撮像装置２との間に介在させた透明な気体又は液体Ｗの密度分布又は成分濃度分布を可視化するように構成したものである。
【００１８】
明暗ラインパターン１は、図１、図３等に示すように、直線帯状をなす一定幅の明ライン１ａと暗ライン１ｂとからなる単位明暗ライン１１を連続させたものであり、ここでは、平板に描画してある。ライン１ａ、１ｂの幅寸法に対する長さ寸法は５倍以上である。また、この他に、光源から平板に光をあてて、その光で明ラインを形成したり、面光源に遮光部材を一定ピッチで間欠的に並べて明暗ラインパターンとする構成等も考えられる。
【００１９】
撮像装置２は、図１、図２等に示すように、光学部材２１と、この光学部材２１の後方において矩形状又は正方形状に２次元配置した複数の撮像素子２２と、各撮像素子２２からの光量信号を画像データに変換して出力する画像データ出力部２３とをボディ内部に備えたものである。なお、撮像素子２２は、ここでは例えばＣＭＯＳセンサを用いている。その理由は、ＣＭＯＳセンサは比較的安価であり、受光素子である各フォトダイオード（図示しない）にそれぞれ増幅器が一体に組み込まれて、光量信号を読み出しやすいからであるが、ＣＣＤなど、その他の撮像素子を用いても構わない。
【００２０】
そして、撮像素子２２の直交する配列方向のいずれか一方を仮にＸ軸方向、他方をＹ軸方向としたときに、前記Ｘ軸方向が前記単位明暗ライン１１の延伸方向と直交するとともに、前記明暗ラインパターン１が撮像素子２２上に結像し、かつ該撮像素子２２上に結像したｎ個の単位明暗ライン１１に対してＺ・ｎ±α（Ｚ＝４ｐ、ｐ及びαは１以上の整数）の撮像素子２２が対応するように、撮像装置２の位置、姿勢、光学部材２１による撮像倍率、ピント等を調整するようにしている。
【００２１】
画像処理装置３は、前記撮像装置２と有線又は無線を介して通信可能に接続されたもので、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信ポートなどからなり、例えば汎用のコンピュータを利用して構成してある。なお、この画像処理装置３は必ずしも撮像装置２と別体である必要はなく、撮像装置２のボディに一体的に組み込むようにしても構わない。
【００２２】
そして、前記メモリの所定領域に設定したプログラムにしたがって前記ＣＰＵやその周辺機器が協働することにより、この画像処理装置３は、図４に示すように、画像データ受信部３１、画像データ記憶部３２、光学的歪算出部３３（正弦波生成部３３１、位相角度算出部３３２、歪量算出本体部３３３からなる。）、光学的歪量記憶部３４、歪画像データ出力部３５等としての機能を発揮する。
次に、前記画像処理装置３の各部の詳細説明を兼ねて、この流体挙動可視化システム１００の動作を詳述する。
【００２３】
まず撮像装置２が、明暗ラインパターン１を撮像してその二次元画像データを画像処理装置３に送信する。
画像処理装置３側では、この二次元画像データを、画像データ受信部３１が受信してメモリの所定領域に設定した画像データ記憶部３２に格納する（図５：ステップＳ１）。
【００２４】
次に、正弦波生成部３３１が、Ｘ軸方向に並ぶ第１列めの撮像素子２２によるデータであるライン画像データを画像データ記憶部３２から抽出する（図５：ステップＳ２）。なお、ライン画像データとは、一列に並ぶ各撮像素子２２による光量検出値の配列データである。
【００２５】
一列の撮像素子２２において、横軸に撮像素子２２の番号、縦軸に各撮像素子２２からの光量検出値をとったグラフを表すと、図６に示すように、前記明暗ラインパターン１による帯状の線となる。ここで、前述したように、撮像素子２２上に結像したｎ個の単位明暗ライン１１に対して、Ｚ・ｎ±α（Ｚ＝４ｐ、ｐ及びαは１以上の整数）の撮像素子２２が対応するように構成しているため、この帯幅が一定の周期で変動して、前記ライン画像データによって表されるグラフにはα個のモアレ縞が現れる。
【００２６】
次に、正弦波生成部３３１は、前記モアレ縞の現れるライン画像データから、図７に示すような９０°ずつ位相のずれた複数種類の正弦波を抽出して生成する（図５：ステップＳ３）。
そして、位相角度算出部３３２が、前記各正弦波から各撮像素子２２でのモアレ縞の位相角度を算出する（図５：ステップＳ４）。
【００２７】
その後、歪量算出部３３３が、前記撮像素子２２間の位相角度の差から撮像素子２２毎の光学的歪量を算出し、この光学的歪量を撮像素子２２に対応付けてメモリの所定領域に設定した光学的歪量記憶部３４に格納する（図５：ステップＳ５）。
【００２８】
ここで撮像素子２２間の位相角度の差から光学的歪量を算出できる点につき、その原理を概念的に説明しておく（詳細は特許文献１を参照されたい）。
【００２９】
仮に気体又は液体Ｗによる光学的歪が生じないのであれば、図７に示すようなモアレ縞は綺麗な正弦波となり、各撮像素子２２の光量検出値の位相角度は該正弦波にしたがって一定に増えていく。実際には０°から３５９°まで位相角度が進んで、次に０°に戻るため、各撮像素子２２での理想的な位相角度をグラフにすると、図８に示すような三角波状のものとなる。そして、隣り合う撮像素子２２間の差分を縦軸、横軸に撮像素子２２の順番をとるとともに、３５９°から０°への変化を考慮に入れた演算を施すと、図９に示すように、水平直線状のグラフとしても表現できる。
【００３０】
一方、気体や液体などにおいて密度や成分濃度に違いがあって部分的に光学的歪が生じると、モアレ縞に乱れが生じ、その乱れが、図６〜図９に示す不規則部位Ａとなって現われる。ここでは、前記歪量算出部３３３が、図９に示す部位Ａのピーク量から光学的歪量を算出し、その光学的歪量に対応する撮像素子２２も特定する。
【００３１】
以上のループを、最終列の撮像素子２２によるライン画像データまで繰り返す（図５：ステップＳ６）。このようにして、全ての撮像素子２２に対応する光学的歪量が算出され、光学的歪量記憶部３４に格納されると、歪画像データ出力部３５が、これら一連の光学的歪量を歪画像データとしてディスプレイに出力する（図５：ステップＳ７）。
【００３２】
具体的な出力例は、図１０、図１１に示すとおりである。図１０は、ガスが噴出している気体、図１１は炎の上部の気体をそれぞれ撮像し、各撮像素子２２毎に算出された光学的歪量を濃淡にして画像出力したものである。図１０ではガス噴出によって部分的な成分濃度の違いや流れの違いが空気に生じ、それが光学的歪として検出されている。また、図１１では炎による加熱によって部分的な密度の違いが空気に生じ、それが光学的歪として検出されている。
【００３３】
このように、本実施形態によれば、明暗ラインパターン１を用い、エリアセンサたる撮像装置２によって走査することなく撮像した二次元画像に基づいて、気体又は液体Ｗによる光学的歪を算出し可視化するようにしているので、気体又は液体Ｗの２次元エリア全体を、事実上、撮像装置２のシャッタ速度による時間分解能で測定することができる。
【００３４】
したがって、図１０、図１１に示すように、ガス噴出や炎などによって引き起こされた、動的に変動する流体の密度の違いや成分濃度の違いを、二次元エリア全体に亘る光学的歪として、一瞬のタイミングで精度よく可視化することができる。また、撮像を繰り返せば、光学的歪画像を動画としても表示できる。
【００３５】
なお、本発明は、前記実施形態に限られない。
例えば、本システムを光学的歪可視化システムとして考えれば、固体（例えば透明板状体）を対象物とすることもできる。図１２（ａ）において、中央の画像は、各撮像素子の光学的歪量を濃淡にして表現したものである。また、この画像の下に示してあるグラフは、歪画像データのうちの、Ｘ軸方向に並ぶ所定の一列の撮像素子に係る光学的歪量を表したものである。前記所定の一列は、オペレータによる操作で選択することができる。同様に、画像の左横に示してあるグラフは、歪画像データのうちの、Ｙ軸方向に並ぶ所定の一列の撮像素子の光学的歪量を表したものである。前記所定の一列もオペレータによる操作で選択することができる。
【００３６】
図１２（ｂ）は、図１２（ａ）と同じ対象物を撮像したものであるが、明暗ラインパターンの延伸方向を、鉛直方向ではなく、水平方向に設定したものである。このように、明暗ラインパターンの延伸方向を変化させ、撮像素子の配列方向がそれに対応するように、撮像装置の姿勢も変化させて、同一対象物であっても、種々の角度で光学的歪量を算出することにより、より精度の高い解析が可能となる。なお、図１３は、同一対象物であるが、ＴＤＩの回数を変えてノイズ低減した画像である。
その他、本発明は前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【００３７】
例えば、前記実施形態では対象物が透明基板であったが、不透明で鏡面仕上げされた対象物でも、本発明を適用することはできる。この場合、明暗ラインパターンからの光が、対象物の表面で反射して撮像装置に取り込まれるように構成すればよい。
【符号の説明】
【００３８】
１００・・・流体挙動可視化システム
１・・・明暗ラインパターン
１ａ・・・明ライン
１ｂ・・・暗ライン
１１・・・単位明暗ライン
２・・・撮像装置
２２・・・撮像素子
３３・・・光学的歪量算出部
３３１・・・正弦波生成部
３３２・・・位相角度算出部
３３３・・・歪量算出本体部
３５・・・歪画像データ出力部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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