(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出射するレーザ光源；
前記レーザビームを、第１ビーム，第２ビームおよび第３ビームに分岐するビームスプリッタ；
第１ビームを計測対象領域に照射する第１光学手段；
計測対象領域を照射する第１ビームに対して、第１ビームが当たった粒子の０次反射光と1次屈折光の光強度が同等となる散乱角θとなる受光角で計測対象領域を撮影する第１電子カメラ；
第２ビームを第１参照光として第１電子カメラに投射する第２光学手段；
第１電子カメラの光軸に対してステレオ角φをなし、かつ第３ビームが第２参照光として投射される第２電子カメラ；
を備える粒子計測装置。
【請求項２】
第２光学手段は、第２ビームを計測対象領域を通して第１電子カメラに投射し；第３ビームも計測対象領域を通して第２電子カメラに投射される；請求項１に記載の粒子計測装置。
【請求項３】
レーザビームを出射するレーザ光源；
前記レーザビームを、第１ビーム，第２ビームおよび第３ビームに分岐するビームスプリッタ；
第１ビームを計測対象領域に照射する第１光学手段；
計測対象領域を照射する第１ビームに対して、第１ビームが当たった粒子の０次反射光と1次屈折光の光強度が同等となる散乱角θとなる受光角で計測対象領域を撮影する電子カメラ；
第２ビームを、第１参照光として前記電子カメラに投射する第２光学手段；
前記電子カメラで撮影される前記散乱角θのレーザ光に対してステレオ角φをなす反射レーザ光を前記電子カメラに投射する第３光学手段；および、
第３ビームを、第２参照光として前記電子カメラに投射する第４光学手段；
を備える粒子計測装置。
【請求項４】
第２光学手段は、第２ビームを計測対象領域を通して前記電子カメラに投射し；第４光学手段も、第３ビームを計測対象領域を通して前記電子カメラに投射する；請求項３に記載の粒子計測装置。
【請求項５】
レーザビームを出射するレーザ光源；
前記レーザビームを、第１ビームおよび第２ビームに分岐するビームスプリッタ；
第１ビームを計測対象領域に照射する第１光学手段；
計測対象領域を照射する第１ビームに対して、第１ビームが当たった粒子の０次反射光と1次屈折光の光強度が同等となる散乱角θとなる受光角で計測対象領域を撮影する電子カメラ；
第２ビームを、計測対象領域を外れた光路を経る参照光として前記電子カメラに投射する第２光学手段；および、
前記電子カメラで撮影される前記散乱角θのレーザ光に対してステレオ角φをなす反射レーザ光を前記電子カメラに投射する第３光学手段； 
を備える粒子計測装置。
【請求項６】
前記電子カメラに投射される、ステレオ角φをなす２方向のレーザ光の、計測対象領域から前記電子カメラに至る像再生距離は、同一画面上の、２方向のレーザ光による同一粒子の画像のサイズを異にするために、異なった値である、請求項３，４又は５に記載の粒子計測装置。
【請求項７】
前記電子カメラの結像面は、粒子像内に干渉縞を生ずる焦点外れ位置である；請求項１乃至６のいずれか１つに記載の粒子計測装置。
【請求項８】
前記電子カメラが撮影した画面上の、粒子像内の干渉縞の数に基づいて粒子径を算出する、請求項７に記載の粒子計測装置を用いる粒子計測方法。
【請求項９】
前記電子カメラで短時間ｄｔ間隔で２回粒子像を撮影して、第１回の撮影像に基づいて粒子の３次元位置を算出し、第２回の撮影像に基づいて粒子の３次元位置を算出し、両算出値に基づいて粒子の３次元速度を算出する、請求項１乃至７に記載の粒子計測装置を用いる粒子計測方法。
【請求項１０】
前記電子カメラで短時間ｄｔ間隔で２回粒子像を撮影して、第１回又は第２回の撮影画面上の、粒子像内の干渉縞の数に基づいて粒子径を算出し、第１回の撮影像に基づいて粒子の３次元位置を算出し、第２回の撮影像に基づいて粒子の３次元位置を算出し、両算出値に基づいて粒子の３次元速度を算出する、請求項７に記載の粒子計測装置を用いる粒子計測方法。
【請求項１１】
前記計測対象領域の位置に校正板を置いて撮影し、撮影画面上の校正板の画像から、３次元位置算出のパラメータを校正し、校正したパラメータを前記３次元位置の算出に用いる、請求項９又は１０に記載の粒子計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮影画像を表すデジタル電気信号すなわち画像データを生成する電子カメラに計測対象粒子を照射したレーザ光像を投影し、該画像データを処理して、画像データが表す画像に基づいて粒子の３次元速度，粒径等を計測する粒子計測装置及びそれを用いる粒子計測方法に関する。該粒子計測装置は、これに限定する意図ではないが、デジタルホログラフィによる、粒子の３次元速度の計測および粒子径の計測に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００２−１８１５１５号公報
【特許文献２】特開２００４−３６１２９１号公報。
【０００３】
特許文献１には、シート状の平行なレーザビームが当たった液滴からの反射及び屈折光を、レーザビームの側方からＣＣＤカメラで、干渉縞が現れる焦点外れで撮影し、液滴像領域内の干渉縞の本数Ｎに基づいて液滴の直径を算出する粒径測定において、レンズとＣＣＤ素子の間に、干渉縞の分布方向と直行する方向ｙに液滴像を偏平化して線状とするシリンドリカルレンズを介挿して、複数の液滴像のｙ方向の重なりを解消する粒径測定が記載されている。短時間差で液滴を撮影して粒径測定すると共に、該時間差内の２次元方向の液滴移動量を計測して速度に換算する二次元速度の算出も記載されている。
【０００４】
特許文献２には、放射シート状のレーザ光を照射した計測対象領域を、ステレオ角で配置した２台のカメラで各焦点位置（合焦点）に同時に撮影して、各カメラで撮影した１粒子に付き１対として現れる輝点対を、同一粒子のものを同定して該粒子の３次元位置を求める計測装置及び方法が記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
引用文献１の計測装置によれば、粒径を計測することはできるが、３次元位置を求めることはできない。引用文献２の計測装置は、粒子の３次元位置を求めることはできるが、合焦点撮影によって輝点対像を得るので、それによっては粒径を計測することはできない。
【０００６】
本発明は、粒径および３次元位置を計測し得る粒子計測装置を提供することを第１の目的とし、３次元位置演算に用いるパラメータの校正（カメラ校正）のための作業が簡易な粒子計測装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）レーザビーム(L)を出射するレーザ光源(10)；
前記レーザビーム(L)を、第１ビーム(L1)，第２ビーム(L2)および第３ビーム(L3)に分岐するビームスプリッタ(BS1,BS2)；
第１ビーム(L1ｓ)を計測対象領域に照射する第１光学手段(M1,M2,SL)；
計測対象領域を照射する第１ビーム(L1ｓ)に対して、第１ビームが当たった粒子の０次反射光と1次屈折光の光強度が同等となる散乱角θとなる受光角で計測対象領域を撮影する第１電子カメラ(20)；
第２ビーム(L2)を、第１参照光として第１電子カメラ(20)に投射する第２光学手段(M3,M4)；および、
第１電子カメラ(20)の光軸に対してステレオ角φをなし、かつ第３ビーム(L3)が第２参照光として投射される第２電子カメラ(21)；
を備える粒子計測装置（図１）。
【０００８】
なお、理解を容易にするために括弧内には、図面に示し後述する実施例の対応要素又は対応事項の符号を、例示として参考までに付記した。以下も同様である。
【発明の効果】
【０００９】
第１ビーム(L1ｓ)が当たった粒子の０次反射光と1次屈折光の光強度が同等となる散乱角θとなる受光角で計測対象領域を撮影するので、第１電子カメラ(20)の撮影画面上に現れる１粒子の輝点対（２像）の輝度が同等であり、輝点対の識別抽出の精度が向上する。第１電子カメラ(20)の結像面を、粒子像内に干渉縞を生ずる焦点外れ位置とすることにより、第１電子カメラ(20)の撮影画面上の粒子像内に現れる干渉縞が明瞭になり、粒径計測の精度を高くすることができる。
【００１０】
第１および第２電子カメラ(20,21)の撮影画面上の同一の粒子像に３次元ＰＴＶを適用して粒子の３次元位置を算出することができる。短時間ｄｔ間隔で２度撮影して、各回撮影画面に基づいて粒子のｄｔ前，後の３次元位置を算出し両位置差とｄｔに基づいて３次元速度を算出できる。計測対象領域にカメラ校正板をおいて第１および第２電子カメラ(20,21)で撮影して、像再生した校正板の画像に基づいて、カメラ校正（３次元位置算出のパラメータの校正）を行うことができ、校正を比較的に容易に実施できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（２）第２光学手段(M3,M4)は、第２ビーム(L2)を計測対象領域を通して第１電子カメラ(20)に投射し；第３ビーム(L3)も計測対象領域を通して第２電子カメラ(21)に投射される；上記（１）に記載の粒子計測装置（図１）。
【００１２】
すなわちインライン光学系を用いるインラインホログラフィ撮影システムである。従来は物体光（粒子像光）に対する立体視用の参照光の入射角の範囲が非常に狭く、光学系の設定が非常に難しいが、本実施態様によれば、インライン光学系なのでその複雑さがない。電子カメラの撮像素子たとえばＣＣＤ素子などは、ホログラムの空間解像度が非常に低く、奥行き方向の像再生が非常に粗い。したがって、粒子の奥行き方向（第３軸）位置の検出精度が悪い。しかし本実施態様によれば、第３軸方向の粒子の位置は、幾何学的な関係から得られるため、高精度である。
【００１３】
（３）レーザビーム(L)を出射するレーザ光源(10)；
前記レーザビーム(L)を、第１ビーム(L1)，第２ビーム(L2)および第３ビーム(L3)に分岐するビームスプリッタ(BS1,BS2)；
第１ビーム(L1ｓ)を計測対象領域に照射する第１光学手段(M1,SL)；
計測対象領域を照射する第１ビーム(L1ｓ)に対して、第１ビームが当たった粒子の０次反射光と1次屈折光の光強度が同等となる散乱角θとなる受光角で計測対象領域を撮影する電子カメラ(M4,20)；
第２ビーム(L2)を、第１参照光として前記電子カメラ(20)に投射する第２光学手段(M3,M4)；
前記電子カメラで撮影される前記散乱角θのレーザ光に対してステレオ角φをなすレーザ光(L3)を前記電子カメラ(20)に投射する第３光学手段(M6,BS3)；および、
第３ビーム(L3)を、第２参照光として前記電子カメラ(20)に投射する第４光学手段(M5,M6,BS3)；
を備える粒子計測装置（図５）
上記（１）に記述した作用効果が同様に得られる。加えて、カメラが一台でよいので、計測システムの構造が簡単になり、カメラの設定，調整の作業量も少ない。
【００１４】
（４）第２光学手段(M3,M4)は、第２ビーム(L2)を計測対象領域を通して前記電子カメラ(20)に投射し；第４光学手段(M5,M6,BS3)も、第３ビーム(L3)を計測対象領域を通して前記電子カメラ(20)に投射する；請求項３に記載の粒子計測装置（図５）。
【００１５】
上記（２）に記述した作用効果が同様に得られる。
【００１６】
（５）レーザビーム(L)を出射するレーザ光源(10)；
前記レーザビーム(L)を、第１ビーム(L1)および第２ビーム(L2)に分岐するビームスプリッタ(BS1,BS2)；
第１ビーム(L1ｓ)を計測対象領域に照射する第１光学手段(M1,SL)；
計測対象領域を照射する第１ビーム(L1ｓ)に対して、第１ビームが当たった粒子の０次反射光と1次屈折光の光強度が同等となる散乱角θとなる受光角(L2m)で計測対象領域を撮影する電子カメラ(M4,20)；
第２ビーム(L2)を、計測対象領域を外れた光路を経る参照光として前記電子カメラ(20)に投射する第２光学手段(M5,M7,BS4)；および、
前記電子カメラで撮影される前記散乱角θのレーザ光に対してステレオ角φをなすレーザ光(L3m)を前記電子カメラ(20)に投射する第３光学手段(M6,BS3)； 
を備える粒子計測装置（図８）。
【００１７】
すなわちオフアクシス（off axis）型のホログラフィ撮影システムである。上記（１）に記述した作用効果が同様に得られ、また、カメラが一台でよいので、計測システムの構造が簡単になり、カメラの設定，調整の作業量も少ない。インライン型の場合、参照光も計測対象領域を透過するので液滴そのもののホログラムが干渉縞像ホログラム画面にかさなって撮影されるので、干渉縞像ホログラムに対して光学的ノイズとなる。しかし、本実施態様によれば、参照光は計測対象領域を透過しないので、該光学的ノイズを生じない。干渉縞像ホログラムに基づく３次元位置計測の精度を向上させることが可能となる。
【００１８】
（６）前記電子カメラ(20)に投射される、ステレオ角φをなす２方向のレーザ光の、計測対象領域から前記電子カメラ(20)に至る像再生距離は、同一画面上の、２方向のレーザ光による同一粒子の画像のサイズを異にするために、異なった値である、上記（３），（４）又は（５）に記載の粒子計測装置（図５，図８）。
【００１９】
相関判定により２方向のレーザ光による同一粒子の同一サイズの画像を抽出することもできるが、本実施態様によれば、サイズにしたがって２方向のレーザ光による同一粒子の画像を分離抽出できるので、同一画面上の２方向のレーザ光による同一粒子画像を分離する精度を高くすることができる。画像処理技術（ソフトウエア＝プログラム）により自動的に分離する実施態様では、まずサイズによって粒子画像を２グループに分離して２画面とし、像再生距離の差によるサイズ比にしたがって一方の画面を拡大又は縮小して同一サイズの２画面を生成してから、相関判定処理によって、同一粒子像を抽出（同定）する。コンピュータ（例えばパソコンのアプリケーションプログラム）とオペレータとの対話により同一粒子像を抽出する実施態様では、ディスプレイ上の表示画像に対するオペレータの目視判定により同一粒子をマーキングする。これに基づいてコンピュータが２方向のレーザ光による同一粒子像を各方向のレーザ光による各粒子像を表わす２画面を生成し、像再生距離の差によるサイズ比にしたがって一方の画面を拡大又は縮小して同一サイズの２画面を生成してから、相関判定処理によって、同一粒子像を抽出（同定）する。この対話形式の処理においても、２方向のレーザ光による同一粒子像にサイズ差があるので、同一粒子像を抽出するための目視判定が容易である。
【００２０】
（７）前記電子カメラ(20,21)の結像面は、粒子像内に干渉縞を生ずる焦点外れ位置である；上記（１）乃至（６）のいずれか１つに記載の粒子計測装置。
【００２１】
（８）前記電子カメラ(20,21)が撮影した画面上の、粒子像内の干渉縞の数に基づいて粒子径を算出する、上記（７）に記載の粒子計測装置を用いる粒子計測方法。
【００２２】
（９）前記電子カメラ(20,21)で短時間ｄｔ間隔で２回粒子像を撮影して、第１回の撮影像に基づいて粒子の３次元位置を算出し、第２回の撮影像に基づいて粒子の３次元位置を算出し、両算出値に基づいて粒子の３次元速度を算出する、上記（１）乃至（７）に記載の粒子計測装置を用いる粒子計測方法。
【００２３】
（１０）前記電子カメラ(20,21)で短時間ｄｔ間隔で２回粒子像を撮影して、第１回又は第２回の撮影画面上の、粒子像内の干渉縞の数に基づいて粒子径を算出し、第１回の撮影像に基づいて粒子の３次元位置を算出し、第２回の撮影像に基づいて粒子の３次元位置を算出し、両算出値に基づいて粒子の３次元速度を算出する、上記（７）に記載の粒子計測装置を用いる粒子計測方法。
【００２４】
（１１）前記計測対象領域の位置に校正板を置いて撮影し、撮影画面上の校正板の画像から、３次元位置算出のパラメータを校正し、校正したパラメータを前記３次元位置の算出に用いる、上記（９）又は（１０）に記載の粒子計測方法。
【００２５】
これによれば、計測対象領域の位置に校正板を置いて撮影すれば、校正用の画像が得られるので、パラメータの校正のための作業が簡易である。
【００２６】
本発明の他の目的及び特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【実施例１】
【００２７】
図１に、本発明の第１実施例の構成を示す。レーザ装置１０は、ダブルパルス発振のＮｄ：ＹＡＧレーザ（波長：５３２ｎｍ，出力：５０ｍＪ／pulse，閃光時間：５ｎｓ）であり、２台のＣＣＤカメラ２０，２１（有効画素数：１３６０（Ｈ）×１０３６（Ｖ）pixles）でインラインホログラムを撮影する。まず、レーザ装置１０から出力されたボリューム光Ｌから一つ目のビームスプリッタＢＳ１により粒子計測光Ｌ１を分離し、該粒子計測光Ｌ１を、ミラーＭ１，Ｍ２およびシート状光への変換レンズユニットＳＬで、シート状光Ｌ１ｓとして、本実施例では、ノズルＮＺによって水滴が噴霧される計測対象領域に照射する。二つ目のビームスプリッタＢＳ１により第１参照光Ｌ２をボリューム光Ｌから分離し、残ったボリューム光を第２参照光Ｌ３としている。第２参照光Ｌ２は、ミラーＭ３，Ｍ４で反射して計測対象領域に照射する。
【００２８】
計測対象領域において、上記シート状光Ｌ１ｓの光軸，第１参照光Ｌ２および第３参照光Ｌ３が交叉し、しかも第１参照光Ｌ２の、計測対象領域を通過する光路に第１カメラ２０の光軸があり、第２参照光Ｌ３の、計測対象領域を通過する光路に第２カメラ２１の光軸がある。
【００２９】
第１実施例では、カメラ２０，２１のそれぞれに入射するレーザ光Ｌ２，Ｌ３の光路は立体（３次元）配置である。シート状光Ｌ１ｓの光軸と、それに対してθの角度をなす第１カメラ２０の光軸とを含む第１平面と、同様にシート状光Ｌ１ｓの光軸と、それに対してθの角度をなす第２カメラ２１の光軸とを含む第２平面とは、非平行の異なる面であって、シート状光Ｌ１ｓの光軸の位置で交叉する。
【００３０】
図２に、計測対象領域においてシート状光Ｌ１ｓが当たった水滴Dropletによる０次反射光および１次屈折光の、カメラ２０の撮像面への投影光路を、模式的に示す。光透過性球形粒子にレーザのようなコヒーレント光を照射すると、粒子表面で反射する０次反射光と、粒子内部で屈折を繰り返し散乱する１次からｎ次までの屈折光が生じる。このうち、散乱角が小さい前方散乱では、０次反射光と粒子内部で２度屈折する１次屈折光が支配的になる。
【００３１】
カメラ２０，２１間のステレオ角φは、デジタル再構築の便宜性を考慮して９０°としている。計測対象粒子が水滴の場合、水の相対屈折率ｎが１．３３であるので、図３に示すように、表面反射光（０次反射光）と1次屈折光の光強度が散乱角７０°において等しくなるので、２台のカメラ２０，２１の受光角θはそれぞれ７０°とした。カメラ２０の撮像素子であるＣＣＤ素子の受光面にカメラレンズ２０Ｌの焦点があると、０次反射光による投影像（輝点）と１次屈折光による投影像（輝点）が受光面に現れる。これらの輝点を一般にGlare  Points（輝点対）とよぶ。図２に輝点対２０Ｇｆを示す。しかし、ＣＣＤ素子の受光面に対してカメラレンズ２０Ｌの焦点がずれていると、干渉縞が内部に現れた粒子像２０Ｓｆとなる。輝点対２０Ｇｆおよび干渉縞粒子像２０Ｓｆのいずれも、受光角θを０次反射光と1次屈折光の強度が同等となる角度（水の場合で７０°）に設定することにより、最も明確になる。
【００３２】
なお、本第１実施例ならびに後述の第２，第３実施例のいずれにおいても、測定対象領域には、粒子計測光としてシート状光Ｌ１ｓを照射している。これにより、撮影粒子が少なく、ノイズとなる多数の粒子像が少ない。したがって粒子像の選別あるいは抽出の精度を高くすることができる。しかし、必ずしもシート状光を用いる必要はない。シート状光Ｌ１ｓに代えて、１粒以上の少数の粒子群を同時照射し得る横断面の粒子計測光Ｌ１を用いることもできる。また、画像データ処理においてノイズ分離機能又は粒子像摘出機能が高ければ、さらに横断面面積の大きい非シート状の粒子計測光を用いることもできる。
【００３３】
干渉縞粒子像２０Ｓｆ内の縞数Ｎを観測することにより、次のように粒子直径Ｄｐを算出することができる。
【００３４】
【数１】
0004774517.tif 000002
【００３５】
ここで、ｄｐは粒径、Ｎは干渉縞の縞次数、λは波長、θはカメラの受光角、αは集光角、ｎは粒子と周囲媒体との相対屈析率である。カメラの受光角θとはレーザ進行方向とカメラの光軸とがなす角をさす。
【００３６】
波長λや角度θは光学系により決定されるパラメータであるので、屈折率ｎが既知ならば、粒径ｄｐは干渉縞像の縞数Ｎにより求められ、粒径の絶対計測が可能である。０次反射光と１次屈折光の強度が等しいとき、干渉縞の振幅が最大となり良好な干渉像となる。図３で示すように０次反射光と１次屈折光の強度比は散乱角θによって変化し、光強度の等しくなる角度θは、光源の偏光や対象とする粒子の屈折率ｎなどによっても変化する。
【００３７】
３次元速度計測では，２台のカメラ２０，２１で計測対象領域をステレオ視することにより撮影されたホログラムパターンの像再構築に、３次元ＰＴＶを適用する。ＰＴＶ（粒子追跡法）とは、連続する２時刻間の流体画像上で同一粒子の対応付けを行うことにより、物体空間上の個々の粒子の移動量を求める手法である。
【００３８】
再度図１を参照する。レーザ装置１０およびＣＣＤカメラ２０，２１には、シーケンサ２３が、レーザ発射指示信号および撮影指示信号を、パソコン（ＰＣ）２２からのスタート指示に応答して送信する。
【００３９】
パソコン２２には、粒子計測アプリケーションプログラム（「粒子計測」という）がインストールされており、オペレータが該「粒子計測」を起動することにより、メインメニューが、パソコン２２に接続されたディスプレイに表示される。メインメニューには、サブメニュー項目「カメラ校正」，「パラメータ調整」および「計測」が表示されている。オペレータが「カメラ校正」をクリックすると、「カメラ校正」の入力画面がディスプレイに表示される。図１に示すノズルＮＺ直下の計測対象領域に校正板を配置して、「２次元校正」を指定して実行入力をすることにより、パソコン２２は、１回の撮影を行ない、各カメラ２０，２１の撮影画面（の画像データ）が、パソコン２２に送り込まれると、ディスプレイにサムネイル表示する。その後、パソコン２２（の「粒子計測」）と対話形式で、各撮影画面をディスプレイに表示して、２次元画像処理で用いる幾何学的パラメータの設定を行う。「３次元校正」を指定して実行を入力したときには、パソコン２２は、短時間ｄｔ間隔の２回の撮影を行ない、後述する３次元速度の算出３ＤＶＭ（図４）の輝点対像の再構築Ｓ３１〜３次元位置の算出Ｓ３６を順次に、パラメータ参照の演算となるステージでは対話形式でオペレータの介入による、パラメータの調整を行う。このようにして確定したパラメータ値が、次回校正まで、粒子計測で使用される。
【００４０】
メインメニュー上の「パラメータ調整」を指定したときには、パソコン２２は、「２次元校正」と「３次元校正」で設定されているパラメータ値をディスプレイに表示し、この表示画面からオペレータは、パラメータ値を調整又は変更することができる。
【００４１】
メインメニュー上の「計測」をオペレータが指定したときには、「計測」の手順説明が表示され、実行を指示すると、パソコン２２（の「粒子計測」アプリケーション）が、粒子計測を実行する。
【００４２】
図４に、該粒子計測の概要を示す。本実施例では、三次元ＰＴＶアルゴリズムは画像からの粒子検出，２時刻間での粒子追跡，そして幾何学カメラモデルによる三次元再構築の３ステップで構成するので、「計測」の実行が入力されるとパソコン２２は、短時間ｄｔ間隔の２回の撮影を、シーケンサ２３に指示し、これに応答してシーケンサ２３が、第１の撮影をレーザ装置１０とカメラ２０，２１に指示し、そしてｄｔ経過後に第２回の撮影を指示する。そしてカメラ２０，２１に順次に、画像転送を指示する。カメラ２０，２１は、第１回撮影画像と第２回撮影画像を記憶媒体に記憶しており、画像転送指示に応答して第１回撮影画像と第２回撮影画像をパソコン２２に転送する。パソコン２２はそれらを内部メモリに格納する（ステップＳ１）。以下では、括弧内には、ステップという語を省略してステップＮｏ．符号のみを記す。
【００４３】
ここで、第１カメラ２０の第１回撮影画像（画面）にＰ１１と、第２回撮影画像（画面）にＰ１２と識別符号を与え、第２カメラ２１の第１回撮影画像（画面）にＰ２１と、第２回撮影画像（画面）にＰ２２と識別符号を与える。
【００４４】
パソコン２２は、画像処理（Ｓ２）によってコントラストの補正及びノイズ除去を行ってから、粒子像を抽出する（Ｓ３）。そして「粒径算出」（ＰＤＭ）において、画面Ｐ１１上の１つの粒子像の干渉縞数Ｎを算出して、（１）式に基づいて粒子直径Ｄｐを算出して、Ｐ１１画面をディスプレイに表示して該粒子像を４角枠で示して、算出した干渉縞数Ｎ，粒子直径Ｄｐおよび（１）式のパラメータ値をディスプレイに表示する。ここでオペレータが表示画面上の「確認」ボタンをクリックすると、パソコン２２は、内部メモリに設定した計測データテーブル（１メモリ領域）に、干渉縞数Ｎ，粒子直径Ｄｐおよび（１）式のパラメータ値を格納する。オペレータが「確認」ではなく、Ｐ１１上の特定領域を枠指定し、その中の粒子像内の縞数Ｎｐを入力し、又は、表示中の干渉縞数ＮをＮｐに変更し、および／又は表示中のパラメータ値を変更して、「再実行ボタン」をクリックするとパソコン２２は、入力値と（１）式に基づいて粒子直径Ｄｐを再度算出してパラメータ値とともにディスプレイに表示する。そして「３次元速度の算出」（３ＤＶＭ）を実行する。
【００４５】
「３次元速度の算出」（３ＤＶＭ）では、まず始めに、デジタルホログラフィによって干渉縞像から輝点対像を再構築し（Ｓ３１）、再構築した画面に対して粒子マスク相関法を適用し輝点対像を検出する（Ｓ３２）。これを、撮影画面Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ２１およびＰ２２に対して行う。次に、第１時刻（第１回撮影）の画面Ｐ１１，Ｐ１２上で検出した各粒子に対して、第２時刻（第２回撮影）の画面Ｐ２１，Ｐ２２上に設定した探査領域から輝点対像間隔などの粒子情報を基に対応粒子を決定する（Ｓ３３，Ｓ３４）。
【００４６】
次に、３次元位置算出のパラメータを用いて、第１回撮影の粒子の３次元位置（始点位置）と第２回撮影の粒子の３次元位置（終点位置）を算出する（Ｓ３５，Ｓ３６）。これにおいては、カメラ校正データ（校正により設定したパラメータ）から、像平面と物体空間との投影関数を算出し、それによって得られたカメラの視点と画像上の粒子の位置により、画像上の各粒子から物体空間中に１本の視線を決定する。もし、ステレオ画像上で同一粒子ならば、左右の視線が交わるはずであるので、それぞれの視線の間隔が最小となる２視線の各粒子を同一粒子とし、該粒子の三次元位置を算出する。
【００４７】
次に、算出した３次元位置（始点位置，終点位置）と時間間隔ｄｔを３次元速度算出式に与えて３次元速度を算出してディスプレイに表示し、計測データテーブルに加える（Ｓ３７）。そして、計測値処置用の入力画面をディスプレイに表示し、登録指示があれば指定された登録先に登録し、印刷指示があると図示を省略したプリンタでプリントアウトする（Ｓ４）。
【実施例２】
【００４８】
図５に、本発明の第２実施例の構成を示す。この第２実施例は、一台のＣＣＤカメラ２０で、デジタルホログラフィ画像を得るものである。レーザ装置１０が出射するレーザビームがビームスプリッタＢＳ１により、粒子測定光Ｌ１と参照光に別けられ、該参照光が更にビームスプリッタＢＳ２により、第１参照光Ｌ２と第２参照光Ｌ３に別けられる。第１，第２参照光Ｌ２，Ｌ３が、測定対象領域で互いに直交すると共に、粒子測定光Ｌ１のシート状変換光Ｌ１ｓの光軸と交叉する。測定対象領域を通過した第１，第２参照光Ｌ２，Ｌ３はビームスプリッタＢＳ３で合成され、ＣＣＤカメラ２０に入射する。ＣＣＤカメラ２０は、二方向からの光を同時に撮影する。
【００４９】
第２実施例では、シート状光Ｌ１ｓの光軸とカメラ２０に入射するレーザ光Ｌ２，Ｌ３の光路とは同一平面（２次元）状の配置である。すなわち、シート状光Ｌ１ｓの光軸と、それに対してθの角度をなしてミラーＭ４に入射するレーザ光Ｌ２と、ミラーＭ６に入射するレーザ光Ｌ３とは、同一平面上にある。
【００５０】
ビームスプリッタＢＳ２で分けられた第１参照光Ｌ２は、シート光Ｌ１ｓの光軸に対してθの角度である。粒子計測光であるシート光Ｌ１ｓは測定対象粒子を照明し、該粒子表面に二つの輝点を生じさせる。それらの輝点の明るさは散乱角度θに依存し、水滴（入射光の波長：５３２ｍｍ，相対屈折率：１．３３）の場合、約７０°でそれらの輝点の明るさが等しくなる。そこでθ＝７０°に設定している。ステレオ角φは、９０°である。シート状光Ｌ１ｓの光軸とレーザ光Ｌ２およびＬ３の光路とが同一平面上の配置であり、ステレオ角φが９０°であるので、測定対象領域を通過する第２参照光Ｌ３の光軸は２０°となっている。したがってこの第２参照光Ｌ３の方向の撮影では、１次屈折光が優勢であり、一点の輝点すなわち１次屈折光の輝点が観察される。
【００５１】
第１，第２参照光Ｌ２，Ｌ３は、インラインホログラフィ光学系のオブジェクト光に相当する。それらの光は、粒子にシート状光が当たることによって生じた輝点または輝点対および粒子に平行光として入射し、ホログラムを生じさせる。Ｌ２は輝点対および粒子からのホログラム、Ｌ３は輝点および液滴のホログラムを発生させる効果をもつ。一般的なデジタルホログラフィでは、被写体を拡大または縮小させるためのレンズを介さずにホログラムが直接記録されるため、観察領域は使用したＣＣＤ素子のサイズによって決定される。第２実施例では、ＣＣＤカメラ２０に、被写体を拡大または縮小させるためのレンズを装備し、局所的なホログラムを観察する機構を備えているので、観察領域をそのレンズで容易に変えることができる。
【００５２】
また、第２実施例では、二方向に生じるホログラムを一台のカメラ２０によって記録するので、図６に示すように、二方向のホログラムが同一画面に撮影される。二方向に生じるホログラムの分離を容易にするために、第１，第２参照光Ｌ２，Ｌ３の、計測対象領域からカメラ２０に至る光路距離に差をつけている。該距離差が像の再生距離に反映し、得られたホログラムに、図６に示すように、サイズ差を生ずるので、各方向の粒子像の分離が容易である。
【００５３】
輝点対から生じる干渉縞像の縞次数が粒径と比例する。本手法により得られるホログラムでは、拡大または縮小するためのレンズを用いているため光学的な性質から輝点対から生じる干渉縞が同時に撮影される。ゆえに既存の方法と同様に縞像の解析から粒径を得る。もしくは、ホログラムから得られた輝点対の再生像を適当な画像処理で抽出し、その像をさらにデフォカス面に再生することで干渉縞像が得られる。したがって、上記の方法より径を評価することも可能である。
【００５４】
３次元速度計測は３Ｄ−ＰＴＶに基づく処理を行い、物体の３次元位置を特定する。そこで物体と像面との幾何学的な関係を導く必要がある。一般的には校正板と呼ばれる間隔や位置が知られたドットまたはグリッドの描かれた板を測定領域に配置し、その校正板の画像から幾何学的な関係を導く方法が採られる。第２実施例の粒子計測装置でも同様な手順でカメラ校正を行うが、得られる校正板の画像は校正板のホログラムである。そこで第２実施例の粒子計測装置でも、同様なカメラ校正を実現させるため、オブジェクト光を透過させるガラス製の校正板を利用する。グリッドを描かれたガラス板をＬ２およびＬ３に対して４５゜に傾けた位置に配置し、そのガラス板を精密ステージにより奥行き方向に移動させ、適当な断面でホログラムを記録する。記録されたホログラムから像再生を行い、得られた校正板画像からカメラ校正を行う。
【００５５】
図７に、第２実施例による粒子計測の概要を示す。これは、ＣＣＤカメラ２０のＣＣＤ素子の撮像面に対して焦点をずらして、第１参照光Ｌ２経路の粒子撮影像に干渉縞２０ｓｆ（図２）を表わすものである。「計測」の実行が入力されるとパソコン２２は、短時間ｄｔ間隔の２回の撮影を、シーケンサ２３に指示し、これに応答してシーケンサ２３が、第１の撮影をレーザ装置１０とカメラ２０に指示し、そしてｄｔ経過後に第２回の撮影を指示する。そしてカメラ２０に、画像転送を指示する。カメラ２０は、第１回撮影画像と第２回撮影画像を記憶媒体に記憶しており、画像転送指示に応答して第１回撮影画像と第２回撮影画像をパソコン２２に転送する。パソコン２２はそれらを内部メモリに格納する（ステップＳ１ａ）。
【００５６】
ここで、カメラ２０の第１回撮影画像（画面）にＰ１と、第２回撮影画像（画面）にＰ２と識別符号を与える。パソコン２２は、画像処理（Ｓ２）によってコントラストの補正及びノイズ除去を行ってから、粒子像を抽出する（Ｓ３）。そして、画面Ｐ１より第１参照光Ｌ２経路の粒子像と、第２参照光Ｌ３経路の粒子像とを分離してそれぞれを同一サイズに修正して別画面Ｐ１１，Ｐ１２として、同様に、画面Ｐ２より第１参照光Ｌ２経路の粒子像と、第２参照光Ｌ３経路の粒子像とを分離してそれぞれを同一サイズに修正して別画面Ｐ２１，Ｐ２２とする（Ｓ１ｂ）。
【００５７】
そして「粒径算出」（ＰＤＭ）において、画面Ｐ１１上の１つの粒子像の干渉縞数Ｎを算出して、（１）式に基づいて粒子直径Ｄｐを算出して、Ｐ１１画面をディスプレイに表示して該粒子像を４角枠で示して、算出した干渉縞数Ｎ，粒子直径Ｄｐおよび（１）式のパラメータ値をディスプレイに表示する。ここでオペレータが表示画面上の「確認」ボタンをクリックすると、パソコン２２は、内部メモリに設定した計測データテーブル（１メモリ領域）に、干渉縞数Ｎ，粒子直径Ｄｐおよび（１）式のパラメータ値を格納する。オペレータが「確認」ではなく、Ｐ１１上の特定領域を枠指定し、その中の粒子像内の縞数Ｎｐを入力し、又は、表示中の干渉縞数ＮをＮｐに変更し、および／又は表示中のパラメータ値を変更して、「再実行ボタン」をクリックするとパソコン２２は、入力値と（１）式に基づいて粒子直径Ｄｐを再度算出してパラメータ値とともにディスプレイに表示する。そして「３次元速度の算出」（３ＤＶＭ）を実行する。
【００５８】
「３次元速度の算出」（３ＤＶＭ）では、まず始めに、デジタルホログラフィによってＰ１１，Ｐ１２画面上の干渉縞像から１次屈折光の輝点像を再構築し（Ｓ３１ａ）、再構築した画面に対して粒子マスク相関法を適用し１次屈折光の輝点像を検出する（Ｓ３２ａ）。撮影画面Ｐ２１およびＰ２２には、Ｌ３の受光角が７０°ではなく、２０度であるので、もともと１次屈折光の輝点像がある。次に、第１時刻（第１回撮影）の画面Ｐ１１，Ｐ１２上で検出した各粒子に対して、第２時刻（第２回撮影）の画面Ｐ２１，Ｐ２２上に設定した探査領域から輝点像の粒子情報を基に対応粒子を決定する（Ｓ３３，Ｓ３４）。以後の処理は、図４に示した第１実施例の処理と同様である。
【実施例３】
【００５９】
図８に、本発明の第３実施例の構成を示す。この第３実施例は、第２実施例のインラインの第１，第２参照光Ｌ２，Ｌ３を省略して、オフアクシスの参照光Ｌ２を、ビームスプリッタＭ７で、２方向の粒子計測光Ｌ２ｍおよびＬ３ｍに合成してカメラ２０に入射するようにしたものである。第２実施例と同様に、粒子計測光Ｌ２ｍは、シート状光Ｌ１ｓの光軸に対してθ＝７０°であるので、干渉縞情報（２０ｓｆ：図２）を含む。第３実施例でも、第２実施例と同様に、シート状光Ｌ１ｓの光軸と、それに対してθの角度をなしてミラーＭ４に入射するレーザ光Ｌ２と、ミラーＭ６に入射するレーザ光Ｌ３とは、同一平面上にある。ステレオ角φは、９０°である。粒子計測光Ｌ３ｍは、シート状光Ｌ１ｓの光軸に対して２０°の角度であるので、粒子の１次屈折光が優勢であり、干渉縞情報は少ない。ステレオ角φは、９０°である。
【００６０】
第３実施例による粒子計測の内容は、図７に示す第２実施例のものと同様である。この第３実施例では、参照光Ｌ２が測定対象領域を通過しないので粒子情報（カメラ２０に対してはノイズ）を含まない。これにより、第１，第２実施例よりもノイズが少ない粒子画像が得られ、粒子摘出を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１実施例の装置構成を示すブロツク図である。
【図２】図１に示すノズルＮＺ直下の計測対象領域の粒子Dropletとカメラ２０の撮像面との間のレーザ光路を模式的に示す縦断面図である。
【図３】水滴粒子を撮影する散乱角θと水滴粒子の０次反射光輝度および１次屈折光輝度との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示すパソコン２２の、それにインストールされた粒子計測アプリケーションにより実行する粒子計測の処理概要を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２実施例の装置構成を示すブロツク図である。
【図６】図５に示すＣＣＤカメラ２０で撮影した粒子画像の一例を示す写真の複製である。
【図７】図５に示すパソコン２２の、それにインストールされた粒子計測アプリケーションにより実行する粒子計測の処理概要を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施例の装置構成を示すブロツク図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０：レーザ装置
２０，２１：ＣＣＤカメラ
２２：パソコン
２３：シーケンサ
Ｂ１〜Ｂ４：ビームスプリッタ
Ｍ１〜Ｍ７：ミラー
ＳＬ：シート状光への変換レンズ
ＮＺ：水滴粒子噴霧ノズル
【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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