(57)【要約】【課題】三次元位置計測のために複数台のテレビカメラを不要にするとともに、計測処理時間を短縮する。【解決手段】トレーサ粒子のホログラム像をカメラで撮像して取得したホログラム画像データをデータ処理装置で処理し、トレーサ粒子の三次元位置を計測する。データ処理装置の４つのプロセッサにホログラム画像データを入力するステップＳ１と、複数のプロセッサの並列処理によりＺ軸方向を分担して、ホログラム画像データに対し二次元フーリエ変換（Ｘ−Ｙ面内）を施すことでトレーサ粒子の三次元画像データを取得するステップＳ２と、並列処理の方向をＸ軸方向に分割したメモリにトレーサ粒子の三次元画像データを転送するステップＳ３と、複数のプロセッサの並列処理によりＸ軸方向を分担して、トレーサ粒子の三次元画像データの輝度値をＺ軸方向に追跡するステップＳ４と、輝度値を基にトレーサ粒子の三次元位置を確定するステップＳ５とを備えている。【選択図】  図５
2005315850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光源から放射されたレーザビームが流路内の流体中の微粒子により散乱された散乱光と参照光との干渉により生成されるホログラム像を前記パルスレーザ光源の発光と同期して撮像する撮像装置と、前記撮像装置で撮像されたホログラム画像データを処理して前記微粒子の三次元位置を探索するデータ処理装置とを備えたことを特徴とする三次元位置計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の三次元位置計測装置において、
前記パルスレーザ光源から放射されたレーザビームの口径を前記流路の太さ、又は前記撮像装置を構成する撮像素子の受光面のサイズに対応するように拡大して前記流路に入射させる手段を備えたことを特徴とする三次元位置計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の三次元位置計測装置において、
前記流路を透過した散乱光及び参照光の光束の口径を前記撮像装置を構成する撮像素子の受光面のサイズに対応するように拡大する手段を備えたことを特徴とする三次元位置計測装置。
【請求項４】
請求項３記載の三次元位置計測装置において、
前記拡大する手段は、前記レーザビームの光路方向の流路長と同程度の被写界深度を有するレンズであることを特徴とする三次元位置計測装置。
【請求項５】
請求項１記載の三次元位置計測装置において、
前記データ処理装置は、撮像面と直交する方向を並列処理により分担して、前記ホログラム画像データに対し二次元フーリエ変換を施すことで前記微粒子の三次元画像データを取得する手段と、前記撮像面と平行な方向を並列処理により分担して、前記微粒子の三次元画像データのデータ値を前記撮像面と直交する方向に追跡する手段と、前記データ値を基に前記微粒子の三次元位置を確定する手段とを備えたことを特徴とする三次元位置計測装置。
【請求項６】
請求項１記載の三次元位置計測装置と、該三次元位置計測装置で計測された前記微粒子の三次元位置の時間的変化から前記微粒子の速度を測定する手段とからなることを特徴とする三次元流速計測装置。
【請求項７】
請求項１記載の三次元位置計測装置と、該三次元位置計測装置で計測された前記微粒子の三次元位置の前記流路内の分布状態に基づいて前記流路の形状を測定する手段とからなることを特徴とする流路形状計測装置。
【請求項８】
流路内の流体中の微粒子のホログラム像を撮像装置で撮像して取得したホログラム画像データを処理して前記微粒子の三次元位置を探索するデータ処理装置のコンピュータに、前記コンピュータの複数のプロセッサに前記ホログラム画像データを入力するステップと、前記複数のプロセッサの並列処理により撮像面と直交する方向を分担して、前記ホログラム画像データに対し二次元フーリエ変換を施すことで前記微粒子の三次元画像データを取得するステップと、前記複数のプロセッサの並列処理により前記撮像面と平行な方向を分担して、前記微粒子の三次元画像データのデータ値を前記撮像面と直交する方向に追跡するステップと、前記データ値を基に前記微粒子の三次元位置を確定するステップとを実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項９】
請求項１記載の三次元位置計測装置の計測対象である流路中に配置され、前記三次元位置計測装置における撮像装置のキャリブレーションを行うためのキャリブレーションプレートであって、透明板で構成され、その表面に前記流路中に配置される微粒子と同程度の大きさを有する実体像パターンが形成されていることを特徴とするキャリブレーションプレート。
【請求項１０】
請求項９記載のキャリブレーションプレートにおいて、
前記透明板の表面にフリンジ像パターンが形成されており、そのフリンジ像パターンはそのホログラム像が前記透明板の表面から所定の距離に合焦するものであることを特徴とするキャリブレーションプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラムを用いた三次元位置計測装置に関し、特に流路内を流れる流体中に存在する微粒子の位置探索の高速化とカメラのキャリブレーションの容易化を実現した三次元位置計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の三次元流速計測装置としては、例えばトレーサ粒子を混入した流体を流路に流し、その流路の画像を複数のテレビカメラで撮影し、ステレオ画像処理の原理で三次元位置を計測し、その時間的変化を追跡するものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
このようなステレオ画像処理により対象の三次元位置を計測する場合、撮影した画像上の座標（画面座標）と計測対象物の実際に計測したい座標（ワールド座標）との対応付けを行うためのカメラキャリブレーションが必要である。これは、ワールド座標内で位置が既知である複数の特定点の座標と、これらの特定点を撮像した点の画面座標上の座標値（画面座標値）との対応関係を求めておき、測定対象点の計測点の画面座標値と上記特定点に対応する点の画面座標値との位置関係から、上記計測点のワールド座標上の座標値を算出するものである。そして、ワールド座標内で位置が既知である複数の特定点を提供する手段として、予め複数のパターンが所定位置に描かれたキャリブレーションプレートが用いられる（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−１２９０２５号公報
【特許文献２】特開平１１−３３７５６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の三次元流速計測装置では、複数台のテレビカメラを用いるため、コストが高く、かつ広い設置スペースが必要である。また、三次元位置を計測するための演算が複雑になるため、処理時間が長くなる。特許文献２に記載のカメラ較正方法においても同様な問題がある。
【０００５】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その第１の目的は、三次元位置計測のために複数台のテレビカメラを不要にすることである。また、第２の目的は、三次元位置計測の処理時間を短縮することである。さらに、第３の目的は、複数台のテレビカメラが不要な三次元位置計測装置のテレビカメラのキャリブレーションを容易にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、パルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光源から放射されたレーザビームが流路内の流体中の微粒子により散乱された散乱光と参照光との干渉により生成されるホログラム像を前記パルスレーザ光源の発光と同期して撮像する撮像装置と、前記撮像装置で撮像されたホログラム画像データを処理して前記微粒子の三次元位置を探索するデータ処理装置とを備えたことを特徴とする三次元位置計測装置である。ここで、微粒子とは、粒径数十ミクロン以下のトレーサ粒子、微小生物、各種生体細胞等である。
請求項２に係る発明は、請求項１記載の三次元位置計測装置において、前記パルスレーザ光源から放射されたレーザビームの口径を前記流路の太さ、又は前記撮像装置を構成する撮像素子の受光面のサイズに対応するように拡大して前記流路に入射させる手段を備えたことを特徴とする三次元位置計測装置である。
請求項３に係る発明は、請求項１記載の三次元位置計測装置において、前記流路を透過した散乱光及び参照光の光束の口径を前記撮像装置を構成する撮像素子の受光面のサイズに対応するように拡大する手段を備えたことを特徴とする三次元位置計測装置である。
請求項４に係る発明は、請求項３記載の三次元位置計測装置において、前記拡大する手段は、前記レーザビームの光路方向の流路長と同程度の被写界深度を有するレンズであることを特徴とする三次元位置計測装置である。
請求項５に係る発明は、請求項１記載の三次元位置計測装置において、前記データ処理装置は、撮像面と直交する方向を並列処理により分担して、前記ホログラム画像データに対し二次元フーリエ変換を施すことで前記微粒子の三次元画像データを取得する手段と、前記撮像面と平行な方向を並列処理により分担して、前記微粒子の三次元画像データのデータ値を前記撮像面と直交する方向に追跡する手段と、前記データ値を基に前記微粒子の三次元位置を確定する手段とを備えたことを特徴とする三次元位置計測装置である。
請求項６に係る発明は、請求項１記載の三次元位置計測装置と、該三次元位置計測装置で計測された前記微粒子の三次元位置の時間的変化から前記微粒子の速度を測定する手段とからなることを特徴とする三次元流速計測装置である。
請求項７に係る発明は、請求項１記載の三次元位置計測装置と、該三次元位置計測装置で計測された前記微粒子の三次元位置の前記流路内の分布状態に基づいて前記流路の形状を測定する手段とからなることを特徴とする流路形状計測装置である。
請求項８に係る発明は、流路内の流体中の微粒子のホログラム像を撮像装置で撮像して取得したホログラム画像データを処理して前記微粒子の三次元位置を探索するデータ処理装置のコンピュータに、前記コンピュータの複数のプロセッサに前記ホログラム画像データを入力するステップと、前記複数のプロセッサの並列処理により撮像面と直交する方向を分担して、前記ホログラム画像データに対し二次元フーリエ変換を施すことで前記微粒子の三次元画像データを取得するステップと、前記複数のプロセッサの並列処理により前記撮像面と平行な方向を分担して、前記微粒子の三次元画像データのデータ値を前記撮像面と直交する方向に追跡するステップと、前記データ値を基に前記微粒子の三次元位置を確定するステップとを実行させることを特徴とするプログラムである。
請求項９に係る発明は、請求項１記載の三次元位置計測装置の計測対象である流路中に配置され、前記三次元位置計測装置における撮像装置のキャリブレーションを行うためのキャリブレーションプレートであって、透明板で構成され、その表面に前記流路中に配置される微粒子と同程度の大きさを有する実体像パターンが形成されていることを特徴とするキャリブレーションプレートである。
請求項１０に係る発明は、請求項９記載のキャリブレーションプレートにおいて、前記透明板の表面にフリンジ像パターンが形成されており、そのフリンジ像パターンはそのホログラム像が前記透明板の表面から所定の距離に合焦するものであることを特徴とするキャリブレーションプレートである。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に係る発明によれば、ホログラム画像データが微粒子の三次元位置情報を持っているため、複数台のテレビカメラを用いずに流路中の微粒子の三次元位置を計測できる。
請求項２に係る発明によれば、複数台のテレビカメラを用いずに、パルスレーザ光源から放射されるレーザビームの口径よりも太い流路内の流体中の微粒子の三次元位置を計測できる。
請求項３に係る発明によれば、複数台のテレビカメラを用いずに、撮像装置を構成する撮像素子の受光面のサイズよりも細い流路（マイクロチャネル等）内の流体中の微粒子の三次元位置を計測できる。
請求項４に係る発明によれば、複数台のテレビカメラを用いずに、撮像装置を構成する撮像素子の受光面のサイズよりも細い流路内の流体中の微粒子の三次元位置をレーザビームの光路方向の全域にわたって光路方向のずれを生ずることなく計測できる。
請求項５、８に係る発明によれば、撮像面と直交する方向を並列処理により分担して、ホログラム画像データに対し二次元フーリエ変換を施すことで微粒子の三次元画像データを取得し、さらに前記撮像面と平行な方向を並列処理により分担して、前記微粒子の三次元画像データのデータ値を前記撮像面と直交する方向に追跡するので、流路中の微粒子の三次元位置を計測するための処理時間を短縮できる。
請求項６に係る発明によれば、複数台のテレビカメラを用いずに流路中の微粒子の三次元位置を計測し、その時間的変化から微粒子の速度を測定できる。
請求項７に係る発明によれば、複数台のテレビカメラを用いずに流路中の微粒子の三次元位置を計測し、その微粒子の前記流路内の分布状態に基づいて前記流路の形状を測定できる。
請求項９に係る発明によれば、キャリブレーションプレートを既知の位置に配置してレーザ光を照射し、実体像パターンのホログラム像をテレビカメラで撮像してホログラム画像データを取得し、そのホログラム画像データをフーリエ変換して実体像パターンの三次元画像データのデータ値を取得し、そのデータ値をテレビカメラの撮像面と直交方向に探索して前記実体像パターンの位置を確定し、その位置と前記既知の位置とを比較することにより、複数台のテレビカメラが不要な三次元位置計測装置のテレビカメラのキャリブレーションを容易に行える。
請求項１０に係る発明によれば、キャリブレーションプレートを任意の位置に配置してレーザ光を照射し、フリンジ像パターンのホログラム像をテレビカメラで撮像し、その画像データを基に前記テレビカメラを所定の基準位置に配置することができるので、複数台のテレビカメラが不要な三次元位置計測装置のテレビカメラのキャリブレーションを、キャリブレーションプレートを既知の位置に配置するための位置計測作業を行わず、かつ工作精度の高い機具を用いることなく容易に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係る三次元流速計測装置の構成を示す図である。この三次元流速計測装置は、レーザ装置１と、レーザ装置１の光路上前方に順次配置されるＮＤ（Neutral Density）フィルタ２、ビームエキスパンダ３、流路４及び高速度カメラ５と、高速度カメラ５に接続されるデータ処理装置６と、レーザ装置１の発光タイミング及び高速度カメラ５の撮像タイミングを同期させる同期制御装置７とを備えている。
【０００９】
レーザ装置１は高速度カメラ５に充分な光量が得られるような高出力のものが好適であり、本実施形態では波長５２７ｎｍのＹＬＦレーザを用いている。このレーザ装置１は、図２（ａ）に示されているように、同期制御装置７の制御により１ｋＨｚ（周期１ｍｓｅｃ）のダブルパルスレーザ光を放射する。１ｋＨｚ毎に出力される２個のパルスの間隔は可変である。ＮＤフィルタ２はレーザ装置１の光路に挿入することで、レーザ装置１から放射されるレーザビームの強度を低下させ、所望の強度に調節するためのものである。ビームエキスパンダ３は、レーザ装置１から放射されるレーザビームの口径（φ１〜２ｍｍ）を高速度カメラ５の撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）の受光面のサイズ（例えば２ｃｍ×２ｃｍ）と同程度の矩形に拡大する。流路４は、断面が例えば直径４ｃｍの円形の透明なガラス管により、紙面に垂直な方向に形成されている。また、内部に流速計測対象である流体（水等）が流れており、トレーサ粒子８が混入されている。ここで、流路４の太さ（ここではガラス管の直径）とＣＣＤの受光面のサイズを同程度にしてもよい。
【００１０】
高速度カメラ５は、図２（ｂ）に示すように、同期制御装置７の制御により、１ｋＨｚのフレーム周波数で動作する。フレーム周期とレーザ装置１のダブルパルスの発生周期とは同期しており、この図の場合、ダブルパルスの１つ目の発光により奇数フィールドの画像データが生成され、２つ目の発光により偶数フィールドの画像データが生成される。なお、このようなフレーム周波数１ｋＨｚのインターレース方式ではなく、フレーム周波数２ｋＨｚのプログレシブ方式のカメラを用いてもよい。図示されていないが、高速度カメラ５は、水平方向１０２４ピクセル、垂直方向１０２４ピクセルの画素を有するＣＣＤと、そのＣＣＤで生成されたアナログ画像信号を８ビット（２５６階調）のデジタル画像データに変換するカメラ信号処理回路と、デジタル画像データを格納するための画像メモリと、データ処理装置６とデータ通信を行うための高速通信インターフェース（ＩＥＥＥ１３９４、キガビットイーサネット（登録商標）等）とを備えている。データ処理装置６については後述する。
【００１１】
以上の構成を有する三次元流速計測装置において、レーザ装置１から放射されたパルスレーザビームは、ＮＤフィルタ２により所望の強度に調節され、ビームエキスパンダ３で断面形状が直径１〜２ｍｍの円形から例えば縦横共に２ｃｍの正方形に拡大されて流路４に照射される。流路４に照射されたレーザビームは、流路４を流れる流体中に存在するトレーサ粒子８により散乱され、散乱されなかったレーザビームとともに高速度カメラ４のＣＣＤに入射する。このとき、散乱されなかったレーザビームが参照光となり、散乱光と参照光とが干渉する（インラインホログラム）。従って、ＣＣＤに入射するのは図３に示されているようなトレーサ粒子のフリンジ像（ホログラム像）となる。この図の例では、ＣＣＤの撮像面（入射光軸に垂直な平面）１１内に５個のトレーサ粒子に対応する５個のフリンジ像１２乃至１６が表れている。なお、図のＸ軸は撮像面の横方向、Ｙ軸は縦方向である。これらのフリンジ像は画像信号に変換され、８ビットのデジタル画像データに変換されて画像メモリに格納される。動作開始後所定時間（例、１秒間）が経過したときに、同期制御回路７によりレーザ装置１の発光動作及び高速度カメラ５の撮像動作を停止させ、画像メモリに格納された画像データをデータ処理装置６へ転送する。
【００１２】
図４はデータ処理装置６の構成例を示す図である。このデータ処理装置６は、第１、第２、第３、第４のパーソナルコンピュータ（以下、パーソナルコンピュータをＰＣという）６１、６２、６３及び６４を備えている。各ＰＣは同一の基本構成を有するので、ここではＰＣ６１のみ内部構成を図示している。ＰＣ６１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１ａと、それぞれＣＰＵ６１ａに接続されたＲＯＭ（Read Only Memory）６１ｂ、ＲＡＭ（Random Access Memory）６１ｃ、ハードディスク装置（以下、ＨＤという）６１ｄ及び通信インターフェース６１ｅを備えている。ＣＰＵ６１ａは、ＰＣ６１の全体の処理及び制御等を行う。ＲＯＭ６１ｂには、ＣＰＵ６１ａが各種処理等を実行するときに使用するプログラム等が予め格納されている。ＲＡＭ６１ｃには、ＣＰＵ６１ａが各種処理を実行するときに各種データが一時的に格納される。ＨＤ６１ｄには、高速度カメラ５から転送されてくるデジタル画像データ、後述するフーリエ変換処理を受けたフリンジ像データ等の大容量のデータが格納される。通信インターフェース６１ｅは、ＩＥＥＥ１３９４等の高速通信インターフェースである。通信インターフェース６１ｅは、通信ケーブル６５を介して、ＰＣ６２、６３及び６４、並びに高速度カメラ５の通信インターフェース（図示せず）と接続されており、互いに各種データの送受信を行うことができる。ＰＣ６２、６３及び６４も同じ構成を有する。ただし、各ＰＣ間では、ＰＣ６１が他の３台のＰＣの動作を管理する関係、即ちＰＣ６１がマスター、ＰＣ６２、６３及び６４がスレーブとして動作する。
【００１３】
次に図５乃至８を参照しながら、データ処理装置６の動作を説明する。ここで、図５は高速度カメラ５で撮像されたトレーサ粒子８のフリンジ像のデジタル画像データ（ホログラム画像データ）から、トレーサ粒子８の三次元位置を確定するまでの処理のフローチャート、図６はホログラム画像データの二次元フーリエ変換を行うことによりトレーサ粒子８の三次元画像データの輝度値を求めるときに、Ｚ軸方向の探索範囲を４個に分割し、４台のＰＣ６１乃至６４が並列処理を行う様子を説明するための図、図７はトレーサ粒子８の三次元画像データの輝度値をＺ軸方向に追跡してトレーサ粒子８の三次元位置を確定するときに、Ｘ軸方向を４個に分割し、４台のＰＣ６１乃至６４が並列処理を行う様子を説明するための図、図８はトレーサ粒子８の三次元画像データの輝度値をＺ軸方向に追跡したときの輝度値の変化の一例を示す図である。なお、以下の説明では、ＰＣ６２乃至６４が備えている図示されていない構成要素に対して、ＰＣ６１と同様、例えばＣＰＵ６２ａ、６３ａ、６４ａのように表記する。
【００１４】
ここで、図５に示されている処理を開始する前に、ＰＣ６１の制御により、４台のＰＣのＨＤには、高速度カメラ５で撮像された所定時間分のホログラム画像データが格納済みとする。また、４台のＰＣが図６のＺ軸方向を１／４ずつ分担して（ＰＣ６１がＺ0 からＺ1 、ＰＣ６２がＺ1 からＺ2 、ＰＣ６３がＺ2 からＺ3 、ＰＣ６３がＺ3 からＺ4 ）二次元フーリエ変換処理を行うこと、及び図７のＸ軸方向を１／４ずつ分担して（ＰＣ６１がＸ0 からＸ1 、ＰＣ６２がＸ1 からＸ2 、ＰＣ６３がＸ2 からＸ3 、ＰＣ６３がＸ3 からＸ4 ）三次元画像データの輝度値をＺ軸方向に追跡することが設定されているものとする。なお、図６、７において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のサイズは、高速度カメラ５のＣＣＤの受光面のサイズに対応しており、例えば２ｃｍ×２ｃｍである。また、Ｚ軸方向はトレーサ粒子８の存在する範囲、即ち流路４の幅に対応しており、例えば４ｃｍである。そして、Ｚ軸方向の探索範囲を例えば２００個に分割し、４台のＰＣが５０個ずつ分担する。
【００１５】
まず、ＣＰＵ６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａは、それぞれのＨＤ６１ｄ、６２ｄ、６３ｄ及び６４ｄから、ある時刻ｔ０に撮像されたホログラム画像データをＲＡＭ６１ｃ、６２ｃ、６３ｃ及び６４ｃに読み込む（ステップＳ１）。
【００１６】
次に、ＣＰＵ６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａは、それぞれ時刻ｔ０に撮像されたホログラム画像データに対して、二次元フーリエ変換を施し、それぞれＺ0 からＺ1 、Ｚ1 からＺ2 、Ｚ2 からＺ3 、Ｚ3 からＺ4 の範囲における三次元画像データを生成する（ステップＳ２）。ホログラム画像データに二次元フーリエ変換を施すと、元の実体像の輝度値データが得られるので、ＣＰＵ６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａは、下記の二次元フーリエ変換の式［１］、［２］におけるＺの値をそれぞれの分担範囲内でインクリメントすることにより、例えば５０枚ずつの輝度値データからなる三次元画像データが得られる。これらの三次元画像データは、それぞれのＨＤ６１ｄ、６２ｄ、６３ｄ及び６４ｄに格納される。
【００１７】
Φ＝ＦI （ｎ，ｍ）×Ｇ（ｎ，ｍ）…式［１］
【００１８】
【数１】
2005315850.tif 000003
【００１９】
なお、式［１］におけるＦI （ｎ，ｍ）はホログラム画像データＩ（Ｘ，Ｙ）の二次元フーリエ変換である。ここで、ｎ、ｍはそれぞれＸ方向、Ｙ方向のピクセルインデックスであり、０から１０２３の値をとる。また、Ｇ（ｎ，ｍ）におけるλはレーザ装置１から放出されるレーザ光の波長、Ｎは高速度カメラ５のＣＣＤの１辺のピクセル数、ΔＰはＣＣＤの１ピクセル当たりの大きさ（サイズが１インチ、１辺のピクセル数が１０２４のＣＣＤであれば約１６ミクロン）である。
【００２０】
次いで、ＣＰＵ６１ａは、ＣＰＵ６２ａ、６３ａ及び６４ａが生成した三次元画像データを通信ケーブル６５経由で受信し、ＨＤ６１ｄに格納する。そして、ＨＤ６１ｄに格納した全ての三次元画像データを図７に示されているようにＸ軸方向に４分割して切り出し、Ｘ0 からＸ1 の部分をＨＤ６１ｄに格納するとともに、それぞれＸ1 からＸ2 、Ｘ2 からＸ3 、及びＸ3 からＸ4 の三次元画像データを通信ケーブル６５経由でＰＣ６２、ＰＣ６３、及びＰＣ６４へ送信する。ＰＣ６２、ＰＣ６３、及びＰＣ６４は、受信した三次元画像データをＨＤ６２ｄ、６３ｄ、及び６４ｄに格納する（ステップＳ３）。ここで、ＨＤ６１ｄ、６２ｄ、６３ｄ、及び６４ｄの各々において、Ｚ軸方向に分割された三次元画像データ（図６に対応）を格納するメモリ空間と、Ｘ軸方向に分割された三次元画像データ（図７に対応）を格納するメモリ空間とは別々に設けてある。
【００２１】
次に、ＣＰＵ６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａは、それぞれＨＤ６１ｄ、６２ｄ、６３ｄ、及び６４ｄに格納された例えば２００枚の画像データのＸ−Ｙ面内の各座標の輝度値を読み出し、Ｚ軸方向における輝度値を追跡することにより、トレーサ粒子８のＺ軸方向の位置を探索する（ステップＳ４）。そして、輝度値がピークとなるＺの値を求めることにより、トレーサ粒子８の三次元位置（Ｘ−Ｙ−Ｚ座標の値）を確定する（ステップＳ５）。
【００２２】
図８に示されているように、Ｘ−Ｙ座標の値が粒子の座標と一致している場合は、Ｚの値が粒子の位置に近づくに従って輝度値が高くなり、粒子の位置でピーク値となる（図８（ｂ））。しかし、Ｘ−Ｙ座標の値が粒子の座標と一致していない場合は、明確な１つのピークが現れない（図８（ｃ））。従って、Ｚ軸方向における輝度値の変化を調べ、輝度値がピークとなるＺの値を求めることにより、トレーサ粒子のＸ−Ｙ−Ｚ座標の値を確定することができる。なお、図８（ａ）の２個の円錐は大小関係を反転した輝度値を示している。また、図６及び７において、点１２ａ乃至１６ａは、それぞれ図３のフリンジ像１２乃至１６に対応するトレーサ粒子の位置を示しており、それらの点を含んで上下に広がる円錐状の曲面は大小関係を反転した輝度値である。
【００２３】
以上の処理により、時刻ｔ０に撮像されたホログラム画像データから、その時刻におけるトレーサ粒子の三次元位置が確定される。この処理を時刻ｔ０＋Δｔについても実行し、その時刻におけるトレーサ粒子の三次元位置を確定した後、三次元位置の差分をΔｔで除算することにより、トレーサ粒子の速度ベクトルを算出することができる。以上のように４台のＰＣによる並列処理を行うことで、三次元位置を確定するための処理速度が３倍に向上することを実験で確認した。
【００２４】
なお、図７においてＸ軸方向に分割する代わりにＹ軸方向に分割してもよい。また、以上の説明では、データ処理装置６として４台のＰＣ６１乃至６４を用いた構成例を説明したが、複数のＣＰＵを備えたＰＣあるいはスーパコンピュータ等を用いて構成してもよい。さらに、処理の一部又は全部を専用プロセッサにより構成してもよい。
【００２５】
図９は図５におけるステップＳ２の処理を実行するフーリエ変換プロセッサのブロック図である。このＦＦＴ（高速フーリエ変換）プロセッサ８１は、例えば図４のＰＣ６１内にロジックボードとして実装されて使用される。以下、ＦＦＴプロセッサ８１について説明する。
【００２６】
このＦＦＴプロセッサ８１において、ある時刻ｔ０におけるホログラム画像データＩ（Ｘ，Ｙ）はＲＡＭ８２に入力される。ＲＡＭ８２に入力されたホログラム画像データＩ（Ｘ，Ｙ）はセレクタ８３を通ってＦＦＴ演算部８６に入力される。また、”０”が設定された定数値レジスタの出力がＦＦＴ演算部８６に入力される。ＦＦＴ演算部８６は、Ｉ（Ｘ，Ｙ）に対してＸ軸方向のＦＦＴ演算を行う。Ｘ軸方向のＦＦＴ演算の結果は中間演算部８７を通り、実部はＲＡＭ８９に格納され、虚部はＲＡＭ９０に格納される。
【００２７】
ＲＡＭ８９に格納された実部のデータは読み出され、セレクタ９１及び８３を通ってＦＦＴ演算部８６に入力される。また、ＲＡＭ９０に格納された虚部のデータはセレクタ８５を通ってＦＦＴ演算部８６に入力される。ＦＦＴ演算部８６はＹ軸方向のＦＦＴ演算を行う。
【００２８】
ＦＦＴ演算部８６におけるＹ軸方向のＦＦＴ演算と並行してＧ演算部８８にはＰＣ６１のＣＰＵ６１ａが予め計算しておいたphase1及びphase2が入力される。ここで、phase1は式［２］で二重下線を付与した１番目の項であり、phase2は２番目の項である。Ｇ演算部８８は、入力されたphase1及びphase2を用いて、式［２］の演算を実行し、中間演算部８７へ送る。このように定数となる部分を予め計算しておくことで、Ｇ（ｎ，ｍ）の演算時間を短縮している。中間演算部８７は、ＦＦＴ演算部８６の出力とＧ演算部８８の出力とを乗算する。中間演算部８７の演算結果のうち、実部はＲＡＭ８９に格納され、虚部はＲＡＭ９０に格納される。
【００２９】
ＲＡＭ８９に格納された実部のデータは読み出され、セレクタ９１及び８３を通ってＦＦＴ演算部８６に入力される。また、ＲＡＭ９０に格納された虚部のデータはセレクタ８５を通ってＦＦＴ演算部８６に入力される。ＦＦＴ演算部８６はＸ軸方向の逆ＦＦＴ演算を行う。Ｘ軸方向の逆ＦＦＴ演算の結果は中間演算部８７を通り、実部はＲＡＭ８９に格納され、虚部はＲＡＭ９０に格納される。
【００３０】
ＲＡＭ８９に格納された実部のデータは読み出され、セレクタ９１及び８３を通ってＦＦＴ演算部８６に入力される。また、ＲＡＭ９０に格納された虚部のデータはセレクタ８５を通ってＦＦＴ演算部８６に入力される。ＦＦＴ演算部８６はＹ軸方向の逆ＦＦＴ演算を行い、中間演算部８７へ出力する。
【００３１】
中間演算部８７は、逆ＦＦＴ演算された結果のデータの実部と虚部の複素数の絶対値を求め、後演算部９２へ出力する。後演算部９２は、入力されたデータを階調化し、しきい値で区切り、必要なデータを選択して出力Φを得る。出力ΦはＣＰＵ６１ａに送られる。ここで、階調化し、しきい値で区切るのは、図８における輝度値が低い部分を除去することでＣＰＵ６１ａに送るデータ量を削減し、データ伝送時間を短縮するためである。
【００３２】
このＦＦＴプロセッサ８１では、ＦＦＴ演算部８６を一次元ＦＦＴ回路としたので、二次元ＦＦＴ回路とした場合に比較して回路規模が小さくなっている。また、phase1及びphase2を予め計算しておくことで、Ｇ（ｎ，ｍ）の演算時間を短縮している。このように図６の処理の一部を専用のＦＦＴプロセッサで実行することにより、演算速度がソフトウェア処理（並列処理を行わない場合）の３０倍に向上することを実験で確認した。
【００３３】
次に、図１に示す三次元流速計測装置に用いて好適なキャリブレーションプレート及びキャリブレーション方法について説明する。図１０は図１に示す三次元流速計測装置に使用されるキャリブレーションプレートの平面図、図１１は図１０のキャリブレーションプレートを用いたキャリブレーション方法を説明するための図、図１２は第１のキャリブレーション方法のフロー図、図１３は図１０のキャリブレーションプレートを用いたキャリブレーション方法の原理を説明するための図、図１４は第２のキャリブレーション方法のフロー図である。
【００３４】
キャリブレーションプレート１０１は、方形のガラス板で構成されており、表面にフリンジ像パターン１０２と実体像パターン１０３とが形成されている。フリンジ像パターン１０２はキャリブレーションプレート１０１の表面にマトリックス状に９個配置されている。実体像パターン１０３はキャリブレーションプレート１０１の表面左上部に５個配置されている。フリンジ像パターン１０２は、そのホログラム像が例えば＋形又は×形になるようなパターンである。実体像パターン１０３は円形である。フリンジ像パターン１０２及び実体像パターン１０３は、エッチングにより形成することができる。
【００３５】
キャリブレーションプレート１０１の大きさは、高速度カメラ５のＣＣＤと同等の約２ｃｍ×２ｃｍである。１つの実体像パターン１０３の直径はトレーサ粒子８の直径と同程度に設定されている。フリンジ像パターン１０２の大きさは、そのホログラム像を撮像し、モニタに表示したときに画面上で識別できるものであればよいので、ＣＣＤの１ピクセルのサイズである１６ミクロンよりも大きくするが、トレーサ粒子８の大きさと同程度以上にすることが好適である。フリンジ像パターン１０２及び実体像パターン１０３の窪みの深さはレーザ装置１のレーザビームの波長と同程度である。なお、フリンジ像パターン１０２及び実体像パターン１０３を突起にしてもよい。さらに、フリンジ像パターン１０２の形状はそのホログラム像の形がゴミと区別できるものであればよい。
【００３６】
次に、このキャリブレーションプレート１０１を用いた高速度カメラ５のキャリブレーション方法を説明する。ここで、キャリブレーション方法には、（１）実体像パターン１０３のみを用いる第１の方法、（２）フリンジ像パターン１０２及び実体像パターン１０３の双方を用いる第２の方法の二つがあり、以下、順に説明する。
【００３７】
〔１〕第１のキャリブレーション方法
まず、図１１に示されているように、予め支持体１１０に固定しておいたキャリブレーションプレート１０１を流路４内においてＸ−Ｙ−Ｚ座標における三次元位置が既知の場所（Ｚ座標の値を０とする）に配置する（図１２のステップＳ１１）。ここで、支持体１１０はＸ−Ｙ−Ｚ軸の各方向に移動可能であり、かつそれらの軸を中心に揺動可能に構成されている。
【００３８】
次に、レーザ装置１を作動させ、放射されたレーザビームを流路４に向けて照射し、キャリブレーションプレート１０１を透過したレーザビームを高速度カメラ５で撮像し、実体像パターン１０３のホログラム像の画像データを取得する。そして、実体像パターン１０３のホログラム画像データをフーリエ変換して、輝度値がピークとなるＺの値（図１１ではＺ0 ）を探索し、Ｚ座標を確定する（ステップＳ１２）。このステップＳ１２の処理は図５と同様な処理である。次いで、複数（図１０では５個）の実体像パターンのホログラム画像データのフーリエ変換データの輝度値がピークとなるＺの値が等しくなるように、高速度カメラ５の仰角及び方位角を調整する（ステップＳ１３）。この仰角及び方位角の調整により、高速度カメラ５の撮像面とキャリブレーションプレート１０１とが平行になる。
【００３９】
次に、キャリブレーションプレート１０１をＺ軸方向に微小距離（例、１００ミクロン）移動させる（ステップＳ１４）。以下、ステップＳ１２乃至Ｓ１４を繰り返し、高速度カメラ５の位置を決める。このとき、１００ミクロン移動毎に各実体像パターンのホログラム画像データのフーリエ変換データの輝度値がピークとなるＺの値の差分値が１００ミクロンであるかどうかを確認する（ステップＳ１５）。図１３に示されているように、ステップＳ５により確定されたＺ座標の差分値が１００ミクロンになっている場合は、図１の三次元流速計測装置で計算したキャリブレーションプレートの位置（計算値）が実際の位置と等しいことになる。実際の位置に対する計算値の誤差を５％以内（不確かさ５％）とすることが試作した装置により実現されている。
【００４０】
〔２〕第２のキャリブレーション方法
まず、図１１に示されているように、予め支持体１１０に固定しておいたキャリブレーションプレート１０１を流路４内においてＸ−Ｙ−Ｚ座標における三次元位置が任意の場所に配置する（図１４のステップＳ２１）。
【００４１】
次に、レーザ装置１を作動させ、放射されたレーザビームを流路４に向けて照射し、キャリブレーションプレート１０１を透過したレーザ光を高速度カメラ５で撮像する。そして、ＣＣＤで生成されたアナログ画像信号を図示されていないモニタに供給した画像を表示する。このとき、モニタの画面には、フリンジ像パターン１０２のホログラム像である＋形又は×形の実体像が表示されている。フリンジ像パターン１０２は、レーザビームの波長、トレーサ粒子８の大きさ、及びキャリブレーションプレート１０１と高速度カメラ５との間の距離に応じて決めてあるので、モニタ画面上の目視でピントが合うように高速度カメラ５をＺ軸方向へ移動させることにより、キャリブレーションプレート１０１に対して高速度カメラ５を所定の距離（Ｚ＝Ｚ０）に設置することができる（ステップＳ２２）。
【００４２】
以後の手順におけるステップＳ２３乃至２６は第１のキャリブレーション方法におけるステップＳ１２乃至１５と同じである。
第２のキャリブレーション方法では、第１のキャリブレーション方法とは異なり、キャリブレーションプレート１０１を任意の位置に配置した状態からキャリブレーションを行うことができる。このため、キャリブレーションプレート１０１を既知の位置に配置するための位置計測作業が不要である。また、キャリブレーションプレート１０１の支持体１１０及びその可動機構、高速度カメラ５の載置台及びパン・チルト機構等、キャリブレーションを行うために必要な機具に高い工作精度が要求されない。
【００４３】
［第２の実施形態］
図１５は本発明の第２の実施形態に係る三次元流速計測装置の構成を示す図、図１６は図１５におけるマイクロチャネルプレート及び対物レンズとそれらの周辺部を示す図、図１７はマイクロチャネルプレートを図１６のＸ−Ｚ面に平行な面で切断した断面図である。図１５及び１６において、図１と同一の構成要素には図１で使用した符号を付した。
【００４４】
図１５に示すように、この三次元流速計測装置は、レーザ装置１と、レーザ装置１の光路上前方に順次配置されるＮＤフィルタ２、マイクロチャネルプレート１９、対物レンズ２０及び高速度カメラ５と、高速度カメラ５に接続されるデータ処理装置６と、レーザ装置１の発光タイミング及び高速度カメラ５の撮像タイミングを同期させる同期制御装置７とを備えている。
【００４５】
第１の実施形態と比較した本実施形態の特徴は、第１の実施形態に係る三次元流速計測装置の計測対象がセンチメートルオーダーの流路幅を有する流路４中の流体であるのに対し、本実施形態に係る三次元流速計測装対象はマイクロチャネルプレート１９内に形成された流路幅（レーザ光の光路方向の長さ：図１６のＺ軸方向の長さ）が１００ミクロンオーダーのマイクロチャネル中の流体であることである。対物レンズ２０は顕微鏡用の対物レンズと同様、入射光であるホログラム像の外径を拡大する機能を持つレンズである。ただし、１００μｍの幅の流路の幅方向（図１６のＺ軸方向）の全範囲に存在する粒子のホログラム像を得るために、被写界深度の深い（ＮＡ値の小さい）レンズを用いることが顕微鏡とは全く異なる。
【００４６】
図１７に示すように、マイクロチャネルプレート１９は、断面形状が幅１００μｍ、高さ４０μｍの矩形である溝からなるマイクロチャネル１９Ａがエッチングにより形成された、縦、横数ｃｍのガラス基板１９Ｂと、その表面に貼り合わされた板状のカバーガラス１９Ｃとからなる。また、図１６に示すように、マイクロチャネルプレート１９のＸ軸方向の側端には、マイクロチャネル１９Ａに連通した流体供給管２１及び流体排出管２２が接続されており、接続部はホルダー２３、２４により保持されている。また、流体供給管２１には注射器状のシリンダポンプ（図示せず）から流体が供給され、マイクロチャネル１９Ａを通って流体排出管２２へ排出され、シリンダポンプへ戻って循環するように構成されている。
【００４７】
マイクロチャネルプレート１９のレーザ照射方向下流側には顕微鏡用の鏡筒２５が配置され、鏡筒２５の基端（光路下流端）には高速度カメラ５の先端が結合されている。鏡筒２５内にはマイクロチャネルプレート１９を透過したレーザビームにより形成される光束の断面積が高速度カメラ５のＣＣＤ５１の受光面のサイズに対応するように拡径するための前述した対物レンズ２０が内蔵されている。図１６において、レーザビームの口径及び高速度カメラ５のＣＣＤの受光面のサイズは、何れも第１の実施形態と同じであり、それぞれφ１〜２ｍｍ、２ｃｍ×２ｃｍである。また、マイクロチャネル１９Ａの高さ（図１６におけるＹ方向の長さ）は４０μｍ、対物レンズ９は倍率が４０倍であり、ＮＡ値は０．５５である。
【００４８】
以上の構成を有する三次元流速計測装置において、レーザ装置１から放射されたパルスレーザビームは、ＮＤフィルタ２により所望の強度に調節され、マイクロチャネルプレート１９に照射される。マイクロチャネルプレート１９に照射されたレーザビームは、マイクロチャネル１９Ａを流れる流体中に存在するトレーサ粒子により散乱され、散乱されなかったレーザビームとともに鏡筒２５内の対物レンズにより拡径され、高速度カメラ５のＣＣＤ５１に入射する。これ以後の動作は図１に示した第１の実施形態と同じである。
【００４９】
本実施形態に係る三次元流速計測装置は下記（１）〜（３）の特徴を有する。
（１）マイクロ流路（流路幅１００μｍオーダーの流路）を流れる粒子径１００ｎｍから１μｍ程度の粒子について、高時間分解能を有する３次元流速計測が可能になった。即ち、現在商品化されているマイクロＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）は、被写界深度の浅い（ＮＡ：１．２程度）対物レンズを使用しているため、二次元計測に限られている。また、対物レンズを光軸方向にピエゾ素子により振動させ、擬似的に三次元計測を行う商品もあるが、これにより時間方向に計測した場合、機械的に焦点を移動させた時間分だけ時間軸方向にずれた三次元像が再生されることになる。これに対し、本実施形態では、三次元再生にホログラムを用い、かつ被写界深度の深い（ＮＡ：０．５程度）レンズを使用して、流路の幅方向全域を被写界深度内とすることで、時間及び奥行き方向のずれのない三次元計測を可能にした。
【００５０】
（２）ホログラムを用いたことで、トレーサ粒子として蛍光粒子以外の粒子を使用することができるので、蛍光粒子を用いる従来装置と比べ、レーザビームの強度を弱くしても撮像できる。また、フラインシュリンプ（海老の幼生）等の微小生物、各種生体構成要素（血液、ガン細胞、精子等）等の三次元流速計測を行うことができる。
【００５１】
（３）データ処理装置６にコンピュータプログラムを追加することで、マイクロ流路の形状を測定できる。即ち、マイクロチャネル１９Ａ内の流体中のトレーサ粒子の三次元位置の分布状態はマイクロチャネル１９Ａの形状に対応しているので、その分布状態のデータを算出することにより、マイクロチャネル１９Ａの形状を測定できる。このとき、正確な測定値を得るため、分布状態のデータを時間軸方向に累積していくことが好適である。図１５〜１７に示す装置により、マイクロチャネル１９Ａ内のトレーサ粒子の分布状態をＹ−Ｚ平面に平行な一つの平面（Ｘの値を一つに固定）で算出することにより、マイクロチャネル１９Ａの断面形状を測定したところ、断面形状に丸みがあることまで確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る三次元流速計測装置の構成を示す図である。
【図２】レーザ装置及び高速度カメラの動作タイミングを示す図である。
【図３】トレーサ粒子のフリンジ像を示す図である。
【図４】データ処理装置の構成例を示す図である。
【図５】トレーサ粒子のフリンジ像から、三次元位置を確定するまでの処理のフローチャートである。
【図６】ホログラム画像データの二次元フーリエ変換を行うときの並列処理を説明するための図である。
【図７】トレーサ粒子の三次元位置を確定するときの並列処理を説明するための図である。
【図８】トレーサ粒子の三次元画像データの輝度値をＺ軸方向に探索したときの輝度値の変化の一例を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態におけるＦＦＴプロセッサのブロック図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る三次元流速計測装置に使用されるキャリブレーションプレートの平面図である。
【図１１】図１０のキャリブレーションプレートを用いたキャリブレーション方法を説明するための図である。
【図１２】第１のキャリブレーション方法のフロー図である。
【図１３】図１０のキャリブレーションプレートを用いたキャリブレーション方法の原理を説明するための図である。
【図１４】第２のキャリブレーション方法のフロー図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る三次元流速計測装置の構成を示す図である。
【図１６】図１５におけるマイクロチャネルプレート及び対物レンズとそれらの周辺部を示す図である。
【図１７】マイクロチャネルプレートを図１６のＸ−Ｚ面に平行な面で切断した断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１・・・レーザ装置、４・・・流路、５・・・高速度カメラ、６・・・データ処理装置、７・・・同期制御装置、１９・・・マイクロチャネルプレート、１９Ａ・・・マイクロチャネル、２０・・・対物レンズ、８１・・・ＦＦＴプロセッサ、１０１・・・キャリブレーションプレート、１０２・・・フリンジ像パターン、１０３・・・実体像パターン。
【図１】
2005315850.tif 000004
【図２】
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【図３】
2005315850.tif 000006
【図４】
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【図５】
2005315850.tif 000008
【図６】
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【図７】
2005315850.tif 000010
【図８】
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【図９】
2005315850.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
2005315850.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
2005315850.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2005315850.tif 000018
【図１６】
2005315850.tif 000019
【図１７】
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