(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
管路内を流れる流体の流動状態を観測する流動状態観測装置であって、
透光管路と、
投影光を照射する投影光照射手段と、
同透光管路における軸芯部位に対して長さ方向に沿って上記投影光を集光させる投影光集光手段と、
上記透光管路における軸芯部位からの散乱反射光を長さ方向にわたって所定位置に造影しつつ周期的に撮像する軸芯撮像手段とを具備することを特徴とする流動状態観測装置。
【請求項２】
複数の時刻における上記撮像画像に基づいて上記流体の流速を算出する演算手段を具備することを特徴とする請求項１に記載の流動状態観測装置。
【請求項３】
上記流体は上記管路内を流れる飽和流体であり、上記流速と同管路の断面積とに基づいて同飽和流体の流量を算出することを特徴とする請求項２に記載の流動状態観測装置。
【請求項４】
上記流体は上記管路内を流れる不飽和流体であり、上記流速と上記透光管路を透過する透過光の減衰量とに基づいて同不飽和流体の流量を算出することを特徴とする請求項２に記載の流動状態観測装置。
【請求項５】
上記流体は上記管路内を流れる不飽和流体であり、上記流速と上記透光管路にて散乱された散乱光量とに基づいて同不飽和流体の流量を算出することを特徴とする請求項２に記載の流動状態観測装置。
【請求項６】
上記投影光照射手段は、半導体レーザと、同半導体レーザの出力を制御するＰＷＭ制御回路とを具備することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の流動状態観測装置。
【請求項７】
上記軸芯撮像手段は、ＣＣＤラインセンサを具備することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の流動状態観測装置。
【請求項８】
上記演算手段は、上記ＣＣＤラインセンサによる撮像画像に空間周波数フィルタを適用することを特徴とする請求項７に記載の流動状態観測装置。
【請求項９】
上記演算手段は、上記ＣＣＤラインセンサにおける各撮像素子の出力に所定の重み付け関数を適用することを特徴とする請求項７または請求項８のいずれかに記載の流動状態観測装置。
【請求項１０】
上記演算手段は、上記重み付け関数としてサイン関数を適用することを特徴とする請求項９に記載の流動状態観測装置。
【請求項１１】
上記演算手段は、上記重み付け関数として矩形波関数を適用することを特徴とする請求項９に記載の流動状態観測装置。
【請求項１２】
上記投影光の反射光を増大させる光学的異質粒子を上記流体に混入して撮像させることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の流動状態観測装置。
【請求項１３】
上記軸芯撮像手段は、上記透光管路からの反射光成分が大きい方向に配置されることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載の流動状態観測装置。
【請求項１４】
上記軸芯撮像手段による時間周期ごとの撮像画像を対比可能に画像出力する出力手段を具備することを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれかに記載の流動状態観測装置。
【請求項１５】
上記演算手段は、
異なる時刻に撮像された上記ＣＣＤラインセンサによる撮像画像を取得するとともに、これらの撮像画像を軸芯方向に相対移動させつつ同撮像画像の軸芯方向に関する空間周波数スペクトルを取得する空間周波数解析手段と、
同撮像画像の上記空間周波数スペクトルの相関が強くなるときの同撮像画像の相対移動量に基づいて上記流体の流速を算出する流速算出手段とを具備することを特徴とする請求項２から請求項１４のいずれかに記載の流動状態観測装置。
【請求項１６】
上記空間周波数解析手段は、上記撮像画像に対して軸芯方向の相対位置をずらした窓関数を積算することを特徴とする請求項１５に記載の流動状態観測装置。
【請求項１７】
上記空間周波数解析手段は、上記窓関数としてサイン関数を適用することを特徴とする請求項１６に記載の流動状態観測装置。
【請求項１８】
上記流体は上記管路内を流れる不飽和流体であり、上記空間周波数スペクトルの強度と空間周波数に関して積分した値と上記流速を積算した指標値に基づいて上記不飽和流体の流量を推定することを特徴とする請求項１５から請求項１７のいずれかに記載の流動状態観測装置。
【請求項１９】
管路内を流れる流体の流動状態を観測する流動状態観測方法であって、
透光管路の軸芯に投影光を集光させ、
同軸芯部位を長さ方向にわたって周期的に撮像することを特徴とする流動状態観測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動状態観測装置および流動状態観測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、機械加工工場におけるゼロエミション活動のテーマとして潤滑油の過剰供給が指摘され、潤滑油量を定量的に把握管理するために１０μＬ（リットル）／ｈ程度の分解能を持つ堅牢な測定機器の要望がある。
この種の要求に対する対応は流路を微細化して流速の増加を図り管路抵抗を差圧で測ることは可能であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上述した従来の手法においては、温度に対して大幅に変動する流体粘度の補正が必要になること、流路閉塞の危険性があることから実験用機器の段階にとどまり、ＦＡ現場用の測定器としての要望には添えない。また、ポンプ等におけるダイヤフラムや弁等の駆動素子を間欠的に駆動させることによって微少流量の供給が一般的に実現されており、微少流量の流体の流動状態は複雑であり、その観測は困難であるという問題もあった。
本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、ＦＡ現場での測定器としての要望に添えることが可能な流動状態観測装置および流動状態観測方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる発明は、管路内を流れる流体の流動状態を観測する流動状態観測装置であって、透光管路と、投影光を照射する投影光照射手段と、同透光管路における軸芯部位に対して長さ方向に沿って上記投影光を集光させる投影光集光手段と、上記透光管路における軸芯部位からの散乱反射光を長さ方向にわたって所定位置に造影しつつ周期的に撮像する軸芯撮像手段とを具備する構成としてある。【０００５】
上記のように構成した請求項１にかかる発明においては、透光管路に対して投影光照射手段が投影光を照射すると、投影光集光手段は同透光管路における軸芯部位に対して長さ方向に沿って上記投影光を集光させる。被測定対象が潤滑油などの透明な液体であっても全く光学的異質粒子が含まれていないことは現実にはなく、上記軸芯部位に対して投影光が集光されることによって軸芯部位を潤滑油と共に流れる光学的異質粒子が同投影光を散乱させる。また、気体に混合されたミストのような不飽和流体においては、同不飽和流体そのものが気体における光学的異質粒子に相当し、上記投影光を散乱させることができる。【０００６】
このように光学的異質粒子によって散乱光が反射されることにより、撮像する軸芯撮像手段が同透光管路における軸芯部位からの反射光を長さ方向にわたって所定位置に造影しつつ周期的に撮影する。このようにすることにより、流体の流動にともなって変位する光学的異質粒子の位置を上記撮像画像における散乱光の写像の位置として把握することができる。従って、上記撮像画像に基づいて上記流体の流動状態を把握することができる。間欠的に上記流体が流動され、同流体の動きが複雑となる場合においても、上記撮像画像を撮像する時間周期を細かく設定することにより、緻密に流動状態を把握することができる。従って、ポンプ等の各駆動素子の駆動タイミングに応じて上記流体がどのような流動状態となるのかを容易に把握することができ、同駆動素子の駆動タイミングの最適化等も行うことが可能となる。【０００７】
また、請求項２にかかる発明では、上記投影光照射手段は、上記軸芯撮像手段による撮像画像に基づいて上記流体の流速を算出する演算手段を具備する構成としてある。
上記のように構成した請求項２の発明においては、演算手段が備えられ、同演算手段が上記軸芯撮像手段によって撮像された複数の時刻における撮像画像に基づいて上記流体の流速を算出する。複数の時刻における上記撮像画像によれば、各時刻間における上記光学的異質粒子の変位を把握することができ、同変位を時間で除算することにより、同光学的異質粒子の速度を特定することができる。上記光学的異質粒子と上記流体との間の摩擦抵抗が大きい場合、上記光学的異質粒子の速度が上記流体の流速と一致すると考えることができる。従って、上記流体の流速を算出することができる。また、気体に混合されたミストのような不飽和流体においては、同不飽和流体そのものが気体における光学的異質粒子に相当するため、同不飽和流体の流速を得ることができる。【０００８】
また、請求項３にかかる発明では、上記流体は上記管路内を流れる飽和流体であり、上記流速と同管路の断面積とに基づいて同飽和流体の流量を算出する構成としてある。
上記のように構成した請求項３の発明においては、上記管路内を流れる流体が飽和流体である場合には、上記管路内が同流体によって満たされるため、同管路の断面積と上記流速を乗算することにより単位時間当たりの体積流量を算出することができる。【０００９】
さらに、請求項４にかかる発明では、上記流体は上記管路内を流れる不飽和流体であり、上記流速と上記透光管路を透過する透過光の減衰量とに基づいて同不飽和流体の流量を算出する構成としてある。
上記のように構成した請求項４にかかる発明においては、上記管路内を流れる流体が不飽和流体である場合には、上記管路内が同流体によって満たされない。従って、流量を算出するには上記管路内における上記不飽和流体の密度を考慮に入れる必要がある。上記管路内における上記不飽和流体の密度が高ければ高いほど、上記透光管路を透過する透過光の減衰量が大きくなるため、同減衰量から同不飽和流体の密度を推定することができる。このように推定された密度と上記流速とに基づいて上記不飽和流体の単位時間当たりの体積流量を算出することができる。【００１０】
また、請求項５にかかる発明では、上記流体は上記管路内を流れる不飽和流体であり、上記流速と上記透光管路にて散乱された散乱光量とに基づいて同不飽和流体の流量を算出する構成としてある。
上記のように構成した請求項５の発明においては、上記管路内における上記不飽和流体の密度が高ければ高いほど、上記透光管路にて散乱される散乱光量が大きくなるため、同散乱光量から同不飽和流体の密度を推定することができる。このように推定された密度と上記流速とに基づいて上記不飽和流体の単位時間当たりの体積流量を算出することができる。【００１１】
また、請求項６にかかる発明では、上記投影光照射手段は、半導体レーザと、同半導体レーザの出力を制御するＰＷＭ制御回路とを具備する構成としてある。
光学的異質粒子によって散乱度合いは異なる。むろん、被測定対象物の透光率も異なる。従って、光学的異質粒子を撮像するに足る光量は自ずとその環境において異なる。さらに、周期的に撮像するときに周波数によっては光量が過不足になる。この意味でも高速応答性および光量の調整可能な手段が必要である。
上記のように構成した請求項６にかかる発明においては、ＰＷＭ制御回路を備えた半導体レーザによって投影光照射手段を実現しており、管路内の流速測定において必要となる応答性および光量を確保できる。【００１２】
さらに、請求項７にかかる発明では、上記軸芯撮像手段は、ＣＣＤラインセンサを具備する構成としてある。
空間周波数フィルタを適用するにあたり、撮像画像を画像処理することで測定対象を幅広くすることができる。空間周波数フィルタには演算要素として格子ピッチがあり、この格子ピッチが固定的であるか可変的であるかによってその演算能力に差が生じるからである。この意味で、格子ピッチを仮想的に可変できる前提として画像処理可能なデータを取得できるか否かによって演算能力の幅を広げられることになる。【００１３】
また、請求項８にかかる発明では、上記演算手段は、上記ＣＣＤラインセンサによる撮像画像に空間周波数フィルタを適用する構成としてある。
上記のように構成した請求項８にかかる発明においては、ＣＣＤラインセンサによって撮像するが、ＣＣＤラインセンサによれば軸芯方向に沿って撮像できると共に、それ以外の成分がないので演算は簡素化でき、かつ、各撮像素子（ピクセル）ごとに階調値を持てるので以上のような画像処理を前提とするデータの提供に好適である。【００１４】
さらに、請求項９にかかる発明では、上記演算手段は、上記ＣＣＤラインセンサにおける各撮像素子の出力に所定の重み付け関数を適用する構成としてある。
上記のように構成した請求項９にかかる発明においては、ＣＣＤラインセンサにおける各撮像素子の出力に所定の重み付け関数を適用することにより、空間フィルタとしての格子ピッチを仮想的に変更することが可能となる。【００１５】
さらに、請求項１０にかかる発明では、上記演算手段は、上記重み付け関数としてサイン関数を適用する構成としてある。
また、請求項１１にかかる発明では、上記演算手段は、上記重み付け関数として矩形波関数を適用する構成としてある。
上記のように構成した請求項１０または請求項１１にかかる発明においては、重み付け関数を適用することで特徴周波数を抽出する際の安定度を向上させることができる。【００１６】
さらに、請求項１２にかかる発明では、上記投影光の反射光を増大させる光学的異質粒子を上記流体に混入して撮像させる構成としてある。
光学的異質粒子が皆無の被測定対象自体は自然界においてありえないが、光学的異質粒子の撮像が必須である以上、撮像をより簡易にすることにメリットはある。上記のように構成した請求項１２にかかる発明においては、上記流体に投影光の反射光を増大させる光学的異質粒子を混入しているので、光学的異質粒子の撮像がより確実となる。このような光学的異質粒子としては、例えば微細気泡（マイクロバブル）などが好適である。【００１７】
さらに、請求項１３にかかる発明は、上記軸芯撮像手段は、上記透光管路からの反射光成分が大きい方向に配置される構成としてある。
管路等や液体の性質などにより、透光管路からの反射光には方向依存性が発生する場合もある。このため、上記のように構成した請求項１３にかかる発明においては、上記透光管路からの反射光成分が大きい方向に上記軸芯撮像手段を配置することでより確実に光学的異質粒子の撮影が可能となる。【００１８】
また、請求項１４にかかる発明は、上記軸芯撮像手段による時間周期ごとの撮像画像を対比可能に画像出力する出力手段を具備する構成としてある。
上記のように構成した請求項１４の発明においては、出力手段が備えられ、同出力手段が上記軸芯撮像手段による時間周期ごとの撮像画像を対比可能に画像出力する。このようにすることにより、例えばモニターや印刷用紙上において上記光学的異質粒子が変位する経過を視覚的に把握することができる。また、時間周期的に撮像された上記撮像画像が対比可能に出力されるため、経時変位を容易に認識することができる。【００１９】
さらに、請求項１５にかかる発明は、上記演算手段は、異なる時刻に撮像された上記ＣＣＤラインセンサによる撮像画像を取得するとともに、これらの撮像画像を軸芯方向に相対移動させつつ同撮像画像の軸芯方向に関する空間周波数スペクトルを取得する空間周波数解析手段と、同撮像画像の上記空間周波数スペクトルの相関が強くなるときの同撮像画像の相対移動量に基づいて上記流体の流速を算出する流速算出手段とを具備する構成としてある。【００２０】
上記のように構成した請求項１５の発明においては、上記演算手段に空間周波数解析手段が備えられ、同空間周波数解析手段が異なる時刻に撮像された上記ＣＣＤラインセンサによる撮像画像を取得する。そして、上記空間周波数解析手段は、異なる時刻に撮像された撮像画像を軸芯方向に相対移動させつつ同撮像画像の軸芯方向に関する空間周波数スペクトルを取得する。さらに、流速算出手段は異なる時刻に撮像された上記撮像画像についての上記空間周波数スペクトルの相関を求め、同相関が強くなるような上記撮像画像の上記軸芯方向についての相対移動量を特定する。そして、上記流速算出手段は、その相対移動量に基づいて上記流体の流速を算出する。【００２１】
上記流体において上記光学的異質粒子は、互いの相対位置を変動させることなく並進すると考えることができる。従って、異なる時刻において撮像された上記撮像画像は、上記軸芯方向に関して位置がずれているものの、互いの空間周波数特性は近似していると考えることができる。異なる時刻の間に上記光学異質粒子が移動した量を相殺するように上記撮像画像を互いに相対移動させることにより、互いの空間周波数特性の相関は非常に高くなる。従って、上記撮像画像を相対移動させた上で上記空間周波数スペクトルを算出し、その相関を求め、この相関が高くなる相対移動量を特定することにより、異なる時刻の間に上記光学異質粒子が移動した量を特定することができる。【００２２】
また、請求項１６にかかる発明では、上記空間周波数解析手段は、上記撮像画像に対して軸芯方向の相対位置をずらした窓関数を積算する構成としてある。
上記のように構成した請求項１６の発明において、上記撮像画像に対して軸芯方向の相対位置をずらした窓関数を積算することにより、軸芯方向の相対位置をずらした上記空間周波数スペクトルを算出することができる。【００２３】
さらに、請求項１７にかかる発明では、上記空間周波数解析手段は、上記窓関数としてサイン関数を適用する構成としてある。
上記のように構成した請求項１７の発明において、上記窓関数としてサイン関数を適用することができる。【００２４】
また、請求項１８にかかる発明では、上記流体は上記管路内を流れる不飽和流体であり、上記空間周波数スペクトルの強度と空間周波数に関して積分した値と上記流速を積算した指標値に基づいて上記不飽和流体の流量を推定する構成としてある。【００２５】
上記のように構成した請求項１８の発明においては、上記空間周波数スペクトルの強度を全空間周波数に関して積分することにより、上記ラインセンサにて感知した反射光の総和を算出することができる。上記反射光の総和が大きいほど上記管路内における上記光学異質粒子としての上記不飽和流体の密度が高いといえるため、この総和に上記流速を割き算することにより同不飽和流体の流量を推定するための指標を得ることができる。【００２６】
このように、透光管路の軸芯に照明光を集光させ、同軸芯部位を長さ方向にわたって周期的に撮像して流動状態を観測する手法は必ずしも実体のある装置に限られる必要はなく、その方法としても機能することは容易に理解できる。このため、請求項１９にかかる発明は、管路内を流れる流体の流動状態を観測する流動状態観測方法であって、透光管路の軸芯に投影光を集光させ、同軸芯部位を長さ方向にわたって周期的に撮像する構成としてある。【００２７】
すなわち、必ずしも実体のある装置に限らず、その方法としても有効であることに相違はない。
ところで、このような流動状態観測装置は単独で存在する場合もあるし、ある機器に組み込まれた状態で利用されることもあるなど、発明の思想としてはこれに限らず、各種の態様を含むものである。従って、ソフトウェアであったりハードウェアであったりするなど、適宜、変更可能である。【００２８】
発明の思想の具現化例として流動状態観測装置のソフトウェアとなる場合には、かかるソフトウェアを記録した記録媒体上においても当然に存在し、利用されるといわざるをえない。
むろん、その記録媒体は、磁気記録媒体であってもよいし光磁気記録媒体であってもよいし、今後開発されるいかなる記録媒体においても全く同様に考えることができる。また、一次複製品、二次複製品などの複製段階については全く問う余地無く同等である。その他、供給方法として通信回線を利用して行なう場合でも本発明が利用されていることにはかわりない。【００２９】
さらに、一部がソフトウェアであって、一部がハードウェアで実現されている場合においても発明の思想において全く異なるものではなく、一部を記録媒体上に記憶しておいて必要に応じて適宜読み込まれるような形態のものとしてあってもよい。
本発明をソフトウェアで実現する場合、ハードウェアやオペレーティングシステムを利用する構成とすることも可能であるし、これらと切り離して実現することもできる。例えば、各種の演算処理といっても、その実現方法はオペレーティングシステムにおける所定の関数を呼び出して処理することも可能であれば、このような関数を呼び出すことなくハードウェアから入力することも可能である。そして、実際にはオペレーティングシステムの介在のもとで実現するとしても、プログラムが媒体に記録されて流通される過程においては、このプログラムだけで本発明を実施できるものと理解することができる。【００３０】
また、本発明をソフトウェアで実施する場合、発明がプログラムを記録した媒体として実現されるのみならず、本発明がプログラム自体として実現されるのは当然であり、プログラム自体も本発明に含まれる。【００３１】
以上説明したように本発明は、微少流量が間欠流であっても流動状態を観測可能な流動状態観測装置を提供することができる。
請求項２にかかる発明によれば、流体の流速を得ることができる。
請求項３にかかる発明によれば、飽和流体の流量を得ることができる。
請求項４および請求項５にかかる発明によれば、不飽和流れである霧化粒子などの微粒子の空気輸送管路における流量を得ることができる。【００３２】
請求項６にかかる発明によれば、必要な強度と高速応答性によって精度良く計測することが可能な流動状態観測装置を提供することができる。
請求項７にかかる発明によれば、ラインセンサによってハード的な空間フィルタを実現することができる。
請求項８から請求項１１にかかる発明によれば、仮想的に空間周波数フィルタの格子ピッチを変化させて精度良く計測することが可能な流動状態観測装置を提供することができる。【００３３】
請求項１２および請求項１３にかかる発明によれば、光学的異質粒子の撮影を確実にして精度良く計測することが可能な流動状態観測装置を提供することができる。
請求項１４にかかる発明によれば、視覚的に流動状態を評価することができる。
請求項１５にかかる発明によれば、正確に流速を特定することができる。【００３４】
請求項１６および請求項１７にかかる発明によれば、位置ごとの撮像画像の相関を正確に判定することができる。
請求項１８にかかる発明によれば、不飽和流れである霧化粒子などの微粒子の空気輸送管路における流量を得ることができる。
請求項１９にかかる発明によれば、同様の効果を奏する流動状態観測方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかる流動状態観測装置の概略図である。
【図２】図２は、流動状態観測装置を視点を変えて見たときの概略図である。
【図３】図３は、透光管路内における座標軸の配置を示す図である。
【図４】図４は、透光管路内における層流の速度分布を示す図である。
【図５】図５は、ＣＣＤラインセンサの出力信号に対する重み付け関数の適用を示す図である。
【図６】図６は、第３の実施形態にかかる流動状態観測装置の概略構成図である。
【図７】図７は、対比可能に配列された撮像画像の出力例を示す図である。
【図８】図８は、第４の実施形態にかかる流動状態観測装置の要部構成図である。
【図９】図９は、撮像画像を移動する様子を示す図である。
【図１０】図１０は、空間周波数スペクトルを示すグラフである。
【図１１】図１１は、相関係数を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１０…透光管路
２０…投影光照射手段
３０…投影光集光手段（第一の光学系）
４０…軸芯撮像手段
５０…空間フィルタ演算手段
５４…画像出力回路
５５…モニター
５６…プリンタ
６０…透過光量検出手段
１５１…演算回路
１５１ａ…移動部
１５１ｂ…窓関数適用部
１５１ｃ…空間周波数解析部
１５１ｄ…相関判定部
１５１ｅ…流速算出部
１５１ｆ…流量算出部
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）第１の実施形態：
（２）第２の実施形態：
（３）第３の実施形態：
（３）第４の実施形態：
（４）まとめ：【００３８】
（１）第１の実施形態：
以下、図面にもとづいて本発明の一実施形態を説明する。図１と図２は、本発明の一実施形態にかかる流動状態観測装置を概略図により示している。図１は管路の軸芯方向から見た配置状況を示しており、管路の軸芯との直交方向から見た配置状況を示している。透光管路１０は透明のガラス製であり、透光性を有する。従って、透光管路を構成する。透光性は投射光の性質、波長に対応しており、必ずしも肉眼視で透光性を有する必要はない。また、必要な光路を確保した上で全体を被覆していても構わない。【００３９】
半導体レーザ２１は、ＰＷＭ制御回路２２から駆動電源を供給されて所定の強度のレーザ光を投影する。従って、半導体レーザ２１とＰＷＭ制御回路２２とによって投影光照射手段２０を構成する。半導体レーザ２１は、ダイオードレーザにて構成されており、発光期間と消光期間との構成比を制御するＰＷＭ制御回路２２によって高速応答性を備えつつ任意の光量とすることができる。なお、半導体レーザ２１のレーザに対して上記透光管路１０が透光性能を有する。【００４０】
第一の光学系３０は、シリンダレンズ３１と凹レンズ３２と図示しない凸レンズなどからなる。この第一の光学系３０は、半導体レーザ２１から照射される投影光を透光管路１０に対して軸芯方向に沿って広げつつ、軸芯に集光させるように光路を形成する。すなわち、透光管路１０の一定長にわたり、レーザが軸芯に集光して通過することになる。この意味で、第一の光学系３０は投影光集光手段を構成する。ここでいう軸芯とは次に説明するように直径の約１０％を指している。この軸芯の意図について説明する。【００４１】
図３は透光管路１０内の流速と部位の関係を示しており、図４は透光管路１０内の部位の計測方法を示している。今、図４に示すように半径ｒの透光管路１０の中心を通過するように一方の内壁（０）から反対側の内壁（２ｒ）まで到達する座標軸を形成した場合、透光管路１０内が層流となっていれば各座標位置での流速は図３に示すように０〜２Ｖ（Ｖは平均流速）となる。流速が２Ｖから１．９８Ｖ、すなわち１％に収まる範囲は軸径（直径）に対して約１０％の範囲である（直径２ｒ／１００の範囲）。この約１０％の範囲の軸芯位置での流速を計測することで平均流速Ｖを実用的な精度で求められる。従って、第一の光学系３０で集光すべき軸芯の範囲は層流において流速が安定している軸芯中央を含む約１０％の範囲となる。むろん、求められる精度に応じて集光すべき範囲を変化させうる。【００４２】
一方、軸芯方向に沿って広げる長さ（Ｗ）は、各種のパラメータによって変化する。パラメータとしては、流速と、撮像手段の分解能などである。第二の光学系４１は、レーザが透光管路１０を透過する際、上記軸芯部位で光学的異質粒子によって散乱される様子を撮像素子であるＣＣＤラインセンサ４２に結像させて撮影するための光学系である。むろん、第一の光学系３０による投影光の光軸と第二の光学系４１の光軸とは一致しておらず、散乱光がない限り第二の光学系４１にて結像される対象は存在しない。【００４３】
ＣＣＤラインセンサ４２は所定範囲に一列にＣＣＤセルを配置したラインセンサであり、照射される光量に対応する電荷を出力する。この第二の光学系４１によって透光管路１０の軸芯部位の像がＣＣＤラインセンサ４２の各セル上に結像され、ＣＣＤラインセンサ４２の出力信号に基づいて光量を得ると同軸芯部位の像を再現可能となる。軸芯部位の像は空間周波数フィルタに基づいて速度成分を得るために利用される。従って、この目的を達する他の撮像素子を用いることは可能である。なお、第二の光学系４１とＣＣＤラインセンサ４２とにより透光管路１０における軸芯部位からの反射光を長さ方向にわたって所定位置に造影しつつ周期的に撮像する軸芯撮像手段４０を構成する。【００４４】
ＣＣＤラインセンサ４２の出力信号は空間フィルタ演算回路５１に入力されている。一般的に空間フィルタを用いた速度成分の演算は次式を用いて行われる。
Ｆ＝ｍＶ１／ｐ１
Ｖ１＝ｐ１・Ｆ／ｍ
（ここにおいて、
Ｖ１：速度
ｐ１：空間フィルタのピッチ
ｍ：光学的結像倍率である。）
空間フィルタは空間周波数選択特性を提供するものであり、所定のピッチをもつ受光セルを有するＣＣＤラインセンサ４２は狭帯域空間フィルタの成立条件を満足する。よって、ＣＣＤラインセンサ４２のピッチと周波数信号とに基づいて相対速度Ｖ１を求めることができる。【００４５】
ＣＣＤラインセンサ４２は、ピッチは固定されているものの、その出力信号が各セル毎に独立して光量に対応しているため、図５に示すような重み付け関数を出力信号に重畳することにより、空間フィルタとしての特性を変更することが可能である。従って、重み付け関数回路５２において測定対象や測定環境に適応した重み付け関数を発生させることにより、測定対象の範囲を自在に広げることが可能となる。むろん、この他にもハニング関数などを適用してその状況に応じた空間周波数選択特性を付与することが可能である。【００４６】
空間フィルタ演算回路５１では、所定の撮影周期を設定し、逐次ＣＣＤラインセンサ４２の出力信号を得る。各タイミングでの出力信号の値を数列として演算元データとするとともに、演算元データに予め設定された荷重関数として重畳する（掛け合わせる）。次に、それぞれの積を所定区間積分した値を時間列に沿って演算後データとする。演算後データは所定の周期で増減を繰り返す関数値となっているので、その周波数にピッチと結像倍率の逆数を乗算して速度成分を求める。【００４７】
本発明が対象とするような微少流量ないし超低速の流れにおいては、前記の説明における周波数は非常に低いものになる。従って、単にゼロクロス点を一定時間に亘って積算するような従来の手法では、非常に長い積算時間を必要とし実用的ではない。そこで本願では、位相を等分シフトした複数の荷重関数を設定し、ＣＣＤセルの出力に対して各荷重関数ごとに演算した値を各荷重関数ごとに時系列して多重の関数群に対するゼロクロス点を一定時間に亘って積算することによって積算時間の短縮を実現できる。或いはそのようにして求めたゼロクロス点の周期を測定する事によって実用的な時間ごとに周波数値を得る事が出来る。
空間フィル演算回路５１で求められた速度成分は平均速度の二倍（２Ｖ）であり、流量表示計５３は予め求められている透光管路１０の断面積に対して平均速度Ｖを乗算し、単位時間あたりの流量を求めて表示する。
このようにＣＣＤラインセンサ４２の出力信号に対して演算処理を実行する空間フィルタ演算回路５１と、重み付け関数回路５２と、流量表示計５３とにより、空間フィルタ演算手段５０を構成する。むろん、速度成分だけを求めるという意味では流量表示計５３は不要である。【００４８】
次に、上記構成からなる本実施形態の動作を説明する。
流量を計測したい液体、例えば機械潤滑油が所定の管路を流れているものとする。透光管路１０を同管路に介在させることにより、同機械潤滑油は当該透光管路１０を通過する。本来、機械潤滑油は均一な透光性のある成分からなり、粒子は存在しない。従って、一見したところでは無色あるいは薄い有色の透明の液体にしかすぎない。【００４９】
半導体レーザ２１はＰＷＭ制御回路２２に設定したオン期間とオフ期間とでオンオフを繰り返し、全体としては所定の光量となるようにレーザ光を発光する。レーザ光は第一の光学系３０に入射し、透光管路１０の軸方向に幅Ｗとなるように延長されつつ、当該幅において透光管路１０の中心を通過するように集光されて出射される。【００５０】
レーザ光は透光管路１０の内部を流れる機械潤滑油内を通過する。通常は均一に透明であるはずの機械潤滑油をレーザ光が通過しても散乱光を生じないと思われがちであるが、全く光学的異質粒子が存在しないことは逆に希であり、わずかな光学的異質粒子によって散乱光が発生する。散乱光の方向成分はランダムであるが、平均的にはレーザ光の発光源側の方がレーザ光の透過方向よりも散乱光の光量が大きい場合も多い。従って、光量によっては第一の光学系３０の光軸に対して第二の光学系４１の光軸を狭角側（９０度未満）に設定しても良い。【００５１】
透光管路１０内に存在する光学的異質粒子によって生じた散乱光は第二の光学系４１にも入射し、この第二の光学系４１によって透光管路１０における軸芯部分の映像がＣＣＤラインセンサ４２上に結像される。
ＣＣＤラインセンサ４２に結像される光量に応じて各セルには電荷が蓄積する。この際、各セルの配置に応じて空間フィルタは狭帯域空間フィルタとして成立する。空間フィルタ演算回路５１は、所定のタイミングごとにＣＣＤラインセンサ４２の出力信号を取得する。ＣＣＤラインセンサ４２の出力信号はこのようにして空間フィルタが適用された映像に対応したもので演算元データとなる。このままその周波数を得ても良いが、流速が遅いのでので得られる周波数を逓倍すべく、逓倍しようとする倍率に応じたサイン関数を空間的に位相差を与えて荷重関数として乗算する。【００５２】
そして、時系列的に入力される出力信号に応じた信号値に対して所定範囲で順次積分を行うことにより、各時系列における代表値を求める。この代表値は演算後データであり、この演算後データに表れている周波数は逓倍数に相当する重ね合わせの信号となる。このようにして求めた空間周波数を逓倍数で割ることにより、空間フィルタ演算回路５１は平均速度Ｖを求める。むろん、空間フィルタ演算回路５１は、時系列の演算後データ列に対して、公知のＦＦＴ等の周波数分析手法によって周波数を求める事も出来る。【００５３】
そして、流量表示計５３は平均速度Ｖに対して透光管路１０の断面積を乗算し、単位時間あたりの流量を表示する。以上の実施例形態では、計測する対象である機械潤滑油に光学的異質粒子を混入しなくても、自然に存在する光学的異質粒子だけによって計測を行っている。この光学的異質粒子により必要な散乱光は得られるものの、半導体レーザ２１の光量が不足する場合であるとか、機械潤滑油による透光性が低い場合には散乱光が不足する。また、光量の不足によってノイズ成分が大きくなり、測定精度が必要な精度に満たないこともありえる。このような場合には、機械潤滑油に対して本来の性能を低下させることのない光学的異質粒子を混入するようにしても良い。このような光学的異質粒子の好適な一例として微細気泡があげられる。微細気泡は、異なる成分を追加するものではなく、残存時間が長い点で散乱反射光を必要とする本発明に好適である。【００５４】
すなわち、光学的異質粒子の量を擬似的に増やすことで散乱光を生じやすくし、軸芯撮像手段による撮像を容易にしたり、映像のＳＮ比を上げるということが可能となる。このように、均一で散乱光を生じそうにない液体であっても真に均質で光学的異質粒子の存在しないものはないという現実に基づき、透光管路を通過させるとともに、通過経路における所定の範囲の軸芯部分に長さ方向にわたってレーザ光を集光させると、同軸芯部分における光学的異質粒子によって散乱光が生じてＣＣＤラインセンサ４２により撮像が可能となり、所定の演算を施して空間フィルタを利用した速度成分を演算できるので、透光管路１０内が層流であることに基づいて平均流速や流量を求めることが可能となる。【００５５】
以上においては、管内を流体が満たしている飽和流れに対して流量を算出するものであり、求められた平均流速に断面積を乗ずることによって流量が求まる。これに対して、気体中において霧化した油粒子の流れの様な不飽和流体の流量を特定する場合には、断面積のみで単位長さあたりの流体体積を特定することができない。【００５６】
しかし、別途、単位長さあたりの密度を求めておくことにより、不飽和流体についても平均流速と流体の密度を乗算すれば流量を得ることができる。例えば、気体中に霧化した油粒子の密度を測定する場合、透光管路１０を流れる不飽和流体を所定時間トラップし、トラップされた油の重量や体積を計測することにより、油粒子の密度を測定することができる。また、気体中に油粒子を霧化させる際の霧化率が判明している場合、この霧化率から油粒子の密度を特定することも可能である。以上のようにして得られた不飽和流体の密度に平均流速を乗算することにより、透光管路１０を流れる不飽和流体の流量を算出することができる。【００５７】
（２）第２の実施形態：
上述した実施形態において透光管路１０を流れる不飽和流体をトラップする時点と、流速を測定する時点とでは密度が変動する可能性があるため、不飽和流体の密度が不安定な場合、正確な流量を測定することができない。また、霧化率も安定しない場合が多く、霧化率から正確な流速を測定する時点の正確な密度を推定することは難しいという問題があった。そこで、第２の実施形態においては、透光管路１０を流れる不飽和流体の流速を測定すると同時に不飽和流体の密度を測定することにより上記の問題を解決している。【００５８】
本発明においては、透光管路１０に対して半導体レーザ２１からレーザ光を照射しており、同レーザ光を利用してリアルタイムに不飽和流体の密度を測定することができる。例えば、空気中に霧化された油粒子が不飽和流体である場合には、空気と油粒子とでは光学的性質が異なるため、透光管路１０を経由したレーザ光を観察することにより密度を測定することができる。空気は光をほぼ反射させることなく透過させると考えることができるため、油粒子の密度が低い場合にレーザ光の透過光量が増加するといえる。一方、油粒子は不透明であるため、油粒子の密度が高い場合にレーザ光の透過光量が減衰するといえる。さらに、油粒子は空気よりも屈折率が高いため、油粒子の密度が高い場合にレーザ光が油粒子にて反射した散乱光量が増加するといえる。【００５９】
すなわち、レーザ光の透過光量（減衰量）と散乱光量と、油粒子の密度との間には一義的な対応関係があるということができるため、この対応関係を予め調査しておくことにより、流速測定時におけるレーザ光の透過光量または散乱光量から対応する油粒子の密度を得ることができる。なお、透過光量を検出するにあたっては、透光管路１０を貫通したレーザ光が受光できるように半導体レーザ２１の光軸上にＣＣＤラインセンサ４２と同様の光量センサを設置しておけばよい。透過光量が得られれば、本来のレーザ光の出力量から透光管路１０におけるレーザ光の減衰量を得ることができる。また、ＣＣＤラインセンサ４２は半導体レーザ２１の光軸からずれているため、ＣＣＤラインセンサ４２の出力信号そのものを利用して散乱光量を検出することができ、新たな装置を追加する必要はない。いずれの手法においても、流速を測定するタイミングと同じタイミングで密度を特定することができるため、霧化率や密度が不安定な場合でも、正確な流量を測定することができる。【００６０】
（３）第３の実施形態：
一般的に、微少流量を生成する場合、連続的にアクチュエータを駆動させると差圧が過多となるため、アクチュエータを間欠的に動作させることが行われている。このような場合、各アクチュエータの駆動タイミングに応じて流体の流れは非常に複雑なものとなる。すなわち、流速が経時的に変動したりするほか、場合によっては逆流したりする場合もある。このような場合、流速や流量といった数値だけではなく、流動状態を視覚的に把握できれば、微少流量の流体の流動状態を的確に捉えることができる。【００６１】
図６は、第３の実施形態にかかる流動状態観測装置の概略構成を示している。同図において、ＣＣＤラインセンサ４２に対して画像出力回路５４が追加して接続されており、同画像出力回路５４が本発明の出力手段に相当するモニター５５とプリンタ５６と接続されている。上述したとおりＣＣＤラインセンサ４２の出力信号は、透光管路１０の軸芯部位の撮像画像を意味しており、線状に配列された各画素が、それぞれ対応する位置に存在する光学的異質粒子にて反射された反射光量に応じた輝度を有する一次元の画像データである。ＣＣＤラインセンサ４２は各撮像タイミングにおいて画像出力回路５４に一次元の撮像画像データを出力する。画像出力回路５４は図示しないメモリを有しており、この画像データを順次記憶していく。そして、順次記憶した撮像画像データに基づいてモニター５５とプリンタ５６にそれぞれ画像データを出力する。【００６２】
図７は、モニター５５とプリンタ５６にて出力される画像の一例を簡略的に示している。同図において、矩形状の画像Ａが表示されており、同画像Ａの縦軸が時刻を表し、横軸が画素の軸芯方向の位置（ｘ）を表している。また、画素の色が淡いほど対応するアドレスのＣＣＤ素子における受光量が大きいことを意味し、画素の色が濃いほど対応するアドレスのＣＣＤ素子における受光量が小さいことを意味している。図７は、画像Ａを簡略化して示したものであり実際にはＣＣＤラインセンサ４２の画素数に対応した解像度の画像が表示される。【００６３】
画像Ａにおいては、ＣＣＤラインセンサ４２から順次出力された各時刻の一次元画像が時刻を追って連続的に配列させられている。このような画像Ａにおいて、一の時刻に注目すると、透光管路１０の軸芯部位におけるどの位置に光学的異質粒子が分布しているということを視覚的に捉えることができる。さらに、複数の時刻にわたって淡い画素を追跡することにより、光学的異質粒子が経時的にどのような変位をしたかを視覚的に把握することができる。【００６４】
画像Ａによれば時間が経つにつれ光学的異質粒子が軸芯方向左側に移動していることがわかる。例えば、淡い画素の軌跡が右肩上がりである場合には、その時刻において光学的異質粒子が右から左に進行し、その傾きが小さいほど流速が早いということができる。反対に、淡い画素の軌跡が右肩下がりである場合には、その時刻において光学的異質粒子が左から右に逆流しているということができる。図７においては、一時的に流体が逆流する様子が示されている。【００６５】
なお、一般的に光学的異質粒子と流媒との間の摩擦抵抗が大きいため、複数の光学的異質粒子は互いに相対位置を変えることなく並進している。このように、複数の時刻の撮像画像が対比可能に表示された画像Ａによれば、透光管路１０における流体の流動状態を視覚的に捉えることができ、複雑な流動状態であっても把握が容易となる。従って、アクチュエータの制御タイミング等の最適化も容易に行うことができる。なお、画像ＡではＣＣＤ素子における受光量を多階調で表現してもよいし、画像出力回路５４が所定の閾値を適用して２値化を行うようにしてもよい。【００６６】
（３）第４の実施形態：
第一の実施形態においては応答性よく流速や流量を測定することができ、各時刻における瞬間的な流速や流量を特定することが可能であった。しかしながら、図７の画像Ａに示すように間欠流の場合には、流速が不安定となり、瞬間的な流速や流量ではリップルの影響をそのまま受けてしまうという問題があった。すなわち、流速が不安定となる間欠流においては、流動状態を捉えるにあたり、長期間における平均的な流速や流量を算出する方が好ましい。例えば、図７の画像Ａにおける時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間の流速よりも、時刻ｔ１から時刻ｔ５までの平均的な流速を得る方が、流体の全体的な供給量を考える上では重要であるといえる。【００６７】
時刻ｔ１から時刻ｔ５までの平均的な流速を得るにあたっては、光学的異質粒子が時刻ｔ１から時刻ｔ５までの間に動いた距離（画素数）を時刻ｔ１から時刻ｔ５までの時間で除算し、ＣＣＤラインセンサ４２における光学的結像倍率を適用することによって得ることができる。光学的異質粒子が時刻ｔ１から時刻ｔ５までの間に動いた距離（画素数）を特定するにあたっては、光学的異質粒子の並進性を利用する。以下、光学的異質粒子が時刻ｔ１から時刻ｔ５までの間に動いた距離を算出する手法について説明する。【００６８】
図８は、ＣＣＤラインセンサ４２にて撮像された撮像画像から流速を算出するための構成を示している。同図において、演算回路５１がＣＣＤラインセンサ４２から撮像画像を取得する。演算回路１５１は、第１の実施形態における空間フィルタ演算回路５１と置き換えられるものであり、移動部１５１ａと窓関数適用部１５１ｂと空間周波数解析部１５１ｃと相関判定部１５１ｄと流速算出部１５１ｅと流量算出部１５１ｆとから構成されている。移動部１５１ａと窓関数適用部１５１ｂと空間周波数解析部１５１ｃが本発明の空間周波数解析手段に相当し、相関判定部１５１ｄと流速算出部１５１ｅとが本発明の流速算出手段に相当する。まず、演算回路５１は異なる時刻に撮像された撮像画像およびその撮像時刻を取得する。例えば、図７の画像Ａにおける時刻ｔ１と時刻ｔ５の撮像画像をそれぞれ取得する。【００６９】
移動部１５１ａは、時刻ｔ５にて撮像された撮像画像を軸芯方向にシフトさせる。図９は、移動部１５１ａが時刻ｔ５にて撮像された撮像画像を軸芯方向にシフトさせる様子を模式的に示している。同図において、時刻ｔ５にて撮像された撮像画像が紙面右方向に移動させられている。図９においては移動量が０〜６画素とされた移動後の撮像画像がそれぞれ図示されている。すなわち、移動量がｎ画素である場合には、横軸の軸芯方向の位置ｘが（ｘ−ｎ）にシフトされている。【００７０】
窓関数適用部１５１ｂは、窓関数としてサイン関数を撮像画像に乗算する。図１０は、窓関数と各撮像画像とを対比して示している。同図に示した窓関数Ｍ（ｘ）は下記式によって表すことができる。
0004538497.tif 000002
すなわち、窓関数Ｍ（ｘ）は８画素周期の正弦波である。なお、上記の窓関数Ｍ（ｘ）は一例に過ぎず、ＣＣＤラインセンサ４２の解像度等に応じて適宜変更することができる。窓関数適用部１５１ｂは各画素の輝度Ｂ（ｘ）に対して窓関数Ｍ（ｘ）を乗算する。これにより、各画素の輝度Ｂ（ｘ）は窓関数Ｍ（ｘ）によって周期的に強調されることとなる。【００７１】
時刻ｔ５にて撮像された撮像画像に対して窓関数Ｍ（ｘ）が乗算され、窓関数Ｍ（ｘ）によって強調させられた撮像画像が得られる。同様に、移動部１５１ａによって移動させられた時刻ｔ５にて撮像された撮像画像についてもそれぞれ窓関数Ｍ（ｘ）が乗算され、それぞれ強調後の撮像画像が得られる。ただし、時刻ｔ５にて撮像された撮像画像は、移動部１５１ａによって移動させられているため、各画素の輝度Ｂ（ｘ）と窓関数Ｍ（ｘ）との軸芯方向の相対位相がずらされて乗算されたこととなる。なお、時刻ｔ５に関して撮像画像と窓関数Ｍ（ｘ）とが相対的に軸芯方向に移動させることができればよく、初期位相角をずらした窓関数Ｍ（ｘ）を複数用意しておき、時刻ｔ５における各画素の輝度Ｂ（ｘ）に乗算するようにしてもよい。また、時刻ｔ１と時刻ｔ５の撮像画像が軸芯方向に関して相対移動すればよく時刻ｔ５の撮像画像を固定し、時刻ｔ１の撮像画像を移動させるようにしてもよい。【００７２】
空間周波数解析部１５１ｃは、時刻ｔ１に撮像され窓関数Ｍ（ｘ）によって強調された撮像画像に対して高速フーリエ変換（以下、ＦＦＴと表記する。）を行う。図１１は、ＦＦＴ変換によって得られた時刻ｔ１における撮像画像の空間周波数スペクトルを示している。同図において、横軸は空間周波数ｆを示しており、縦軸は強度（各輝度波の振幅の積算値に相当）を示している。なお、図８〜図１０は撮像画像を簡略化して示しているものであり、実際のＣＣＤラインセンサ４２の解像度においては図１１に示すように多様な輝度波を検知することができる。【００７３】
次に、空間周波数解析部１５１ｃは、時刻ｔ５に撮像され位相をずらした窓関数Ｍ（ｘ）によって強調された各撮像画素に対してそれぞれＦＦＴ変換を行う。これにより、時刻ｔ５に撮像され０〜６画素だけ移動した各撮像画像について空間周波数スペクトルを得ることができる。相関判定部１５１ｄは、時刻ｔ１の撮像画像に関する空間周波数スペクトルと、時刻ｔ５の各撮像画像（移動量０〜６画素）に関する空間周波数スペクトルとの相関を評価する。具体的には、下記式によって相関係数Ｗ（ＸＹ）を算出する。
0004538497.tif 000003
【００７４】
なお、上記式においてｆは空間周波数であり、＊は複素積を示している。また、Ｘ（ｆ）は時刻ｔ１に撮像された撮像画像の空間周波数スペクトルの強度であり、Ｙ（ｆ）*は時刻ｔ５に撮像された撮像画像の空間周波数スペクトルの強度の共役を示している。上記式によって相関係数Ｗ（ＸＹ）は移動量０〜６画素に対応して７通り算出されることとなる。図１２は、移動量０〜６画素と相関係数Ｗ（ＸＹ）との関係をグラフにして示している。同図において、時刻ｔ５にて撮像された撮像画像を４画素移動させたときの空間周波数スペクトルが最も時刻ｔ１にて撮像された撮像画像の空間周波数スペクトルと相関が強いことがわかる。相関判定部１５１ｄは、最も相関係数Ｗ（ＸＹ）が大きい移動量を検出し、その移動量を流速算出部１５１ｅに出力する。【００７５】
ここで、時刻ｔ５に撮像された撮像画像については、移動部１５１ａが移動させた量に応じて窓関数Ｍ（ｘ）との相対位置が変動するため、その移動量に応じて異なる傾向の空間周波数スペクトルが得られることとなる。また、異なる時刻に撮像された撮像画像についても光学的異質粒子が経時的に異なる位置に移動しているため、窓関数Ｍ（ｘ）との相対的なずれが生じ、原則的には異なる傾向の空間周波数スペクトルが得られることとなる。従って、時刻ｔ１と時刻ｔ５において撮像された撮像画像から得られた空間周波数スペクトルも原則的には異なる傾向を示すこととなる。【００７６】
しかしながら、時刻ｔ１から時刻ｔ５までの間に光学的異質粒子が移動した距離を相殺するように移動部１５１ａが時刻ｔ５の撮像画像を移動させた場合に限り、時刻ｔ１と時刻ｔ５の撮像画像の軸芯方向の位置が一致し、その結果、両者ともに窓関数Ｍ（ｘ）との軸芯方向の相対位置も一致することとなる。この場合、時刻ｔ１と時刻ｔ５の撮像画像から得られた空間周波数スペクトルは同様の傾向し、高い相関係数Ｗ（ＸＹ）を示すこととなる。図１０においては時刻ｔ５に撮像された撮像画像を４画素移動させたとき、時刻ｔ１から時刻ｔ５までの間に光学的異質粒子が移動した距離を相殺するような移動が行われ、窓関数Ｍ（ｘ）によって各画素の輝度Ｂ（ｘ）が同様に強調されることが示されている。以上説明したように最も相関係数Ｗ（ＸＹ）が高くなる相対移動量は、時刻ｔ１と時刻ｔ５までの間に光学的異質粒子が移動した距離に相当するということができる。【００７７】
異なる時刻に撮像された撮像画像の空間周波数スペクトル間の相関係数Ｗ（ＸＹ）を最も高くする移動量を特定すると、同移動量を取得した流速算出部１５１ｅが同移動量に基づいて流速を算出する。上述したとおり相関係数Ｗ（ＸＹ）が高くなる移動量は、時刻ｔ１と時刻ｔ５までの間に光学的異質粒子が移動した距離に相当するため、この距離を時間（ｔ５−ｔ１）によって除算することにより、単位時間あたりの画素移動量が特定できる。最後に、単位時間あたりの画素移動量を光学的結像倍率ｍによって除算することにより、実際の軸芯における流速を得ることができる。軸芯の流速が得られれば、平均流速を第１の実施形態と同様の手法によって算出することができる。【００７８】
流速算出部１５１ｅが算出した平均流速は流量算出部１５１ｆに出力される。流量算出部１５１ｆは空間周波数解析部１５１ｃから時刻ｔ１における撮像画像の空間周波数スペクトルを入力しており、同空間周波数スペクトルの強度を空間周波数に関して積和（積分）する。上述したとおり空間周波数スペクトルにおける強度は各輝度波の振幅の積算値に相当しているため、強度の積算値は、ＣＣＤラインセンサ４２に入射した散乱光量に相応した値となる。すなわち、空間周波数スペクトルにおける強度を積算することにより、ＣＣＤラインセンサ４２に入射した散乱光量の総和量を得ることができる。【００７９】
第２の実施形態で述べたように、透光管路１０内にて散乱した散乱光量と透光管路１０内を流れる不飽和流体の密度との間には一義的な関係があるため、空間周波数スペクトルにおける強度の積分値を指標値として、流量算出部１５１ｆが透光管路１０内を流れる不飽和流体の密度を推定することができる。例えば、予め実験により強度の積分値と不飽和流体の密度との対応関係を調査しておき、テーブル等に記憶し、同テーブルを参照することにより不飽和流体の密度を推定することができる。不飽和流体の密度が推定できれば、同密度に平均流速を乗算することにより、時刻ｔ１から時刻ｔ５までの平均的な流量を特定することができる。【００８０】
（４）まとめ：
以上説明したように、本発明では均一で散乱光を生じそうにない流体であっても真に均質で異質粒子の存在しないものはないという現実に基づき、透光管路を通過させるとともに、通過経路における所定の範囲の軸芯部分に長さ方向にわたってレーザ光を集光させると、同軸芯部分における異質粒子によって散乱光が生じてＣＣＤラインセンサ４２により撮像が可能となり、流体の流動状態を観測することができる。さらに、透光管路１０内が層流であることに基づいて平均流速や流量を求めることが可能となった。
【図１】
0004538497.tif 000004
【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８】
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【図１１】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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