JP2002131015A - Position measuring apparatus of three-dimensional particle and speed measuring apparatus thereof - Google Patents

Position measuring apparatus of three-dimensional particle and speed measuring apparatus thereof

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JP2002131015A
JP2002131015A JP2000319092A JP2000319092A JP2002131015A JP 2002131015 A JP2002131015 A JP 2002131015A JP 2000319092 A JP2000319092 A JP 2000319092A JP 2000319092 A JP2000319092 A JP 2000319092A JP 2002131015 A JP2002131015 A JP 2002131015A
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JP
Japan
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dimensional
axis
light
particle
axis direction
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Application number
JP2000319092A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Hirahara
裕行 平原
Hiroshi Monno
博史 門野
Masaaki Kawahashi
正昭 川橋
Yukinari Sato
行成 佐藤
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Kanomax Japan Inc
Original Assignee
Kanomax Japan Inc
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To measure position and speed of three-dimensional particle in an measured area in a three-dimensional way by using single imaging means. SOLUTION: In a position measuring apparatus of three-dimensional particle, He-Ne laser 1 and Ar-ion laser 2 are used to change continuously the intensity of the laser 1, 2 in the z-axial direction by ND filters 8, 9 respectively. The laser 1, 2 are synthesized by a miller 10 and a beam-splitter 11 to radiate into a measured area 12. In the area 12, a CCD camera 13 is arranged in the direction. Scattered light from a micro particle responds to an output level ratio of two colors, so that a position in the direction is obtained based on the ratio and a three-dimensional coordinate is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は測定領域にある粒子
の位置や粒子の速度を3次元的に測定する測定装置に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a measuring device for three-dimensionally measuring the position and velocity of particles in a measurement area.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来微粒子の3次元の位置や速度を測定
するためには、複数のCCDカメラを立体的に配置して
異なる角度から測定領域の画像を計測し、これに基づい
て微粒子の位置や速度を測定する装置が用いられてい
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, in order to measure the three-dimensional position and velocity of fine particles, a plurality of CCD cameras are three-dimensionally arranged and images of a measurement area are measured from different angles. And devices for measuring speed are used.

【0003】このような従来の測定装置では、複雑な光
学系を必要とし、複数のCCDカメラからの出力画像を
3次元画像に変換するための画像処理が必要となる。
[0003] Such a conventional measuring apparatus requires a complicated optical system, and requires image processing for converting output images from a plurality of CCD cameras into a three-dimensional image.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は1つの画像撮
像装置を用いて3次元で測定領域の微粒子の位置や速度
を測定するようにした測定装置を提供することを目的と
する。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a measuring apparatus which measures the position and velocity of a fine particle in a measuring area three-dimensionally using one image pickup device.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本願の請求項1の発明
は、互いに垂直なx,y,z軸上の座標で表される測定
領域の3次元位置を測定する3次元粒子位置測定装置で
あって、互いに異なった第1,第2の色彩の光を出射す
る第1,第2の光源と、前記第1,第2の光源の光を前
記z軸に沿って互いに異なった光強度分布を有し、その
比が単調に変化するように調整する光強度調整手段と、
前記光強度調整手段を通過した第1,第2の光源からの
光を重ね合わせて前記y軸及びz軸方向に合成した光を
前記測定領域に向けてx軸方向に出射する光学手段と、
前記x軸及びy軸方向と一致しない任意の方向から前記
測定領域に向けられ、前記測定領域からのx軸及びy軸
座標の2次元画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段
から得られる各画素の出力レベルと、前記各画素の前記
第1,第2の色彩の出力比とに基づいて測定領域にある
粒子のz軸方向の位置情報を得るz軸位置算出手段と、
前記z軸位置算出手段より得られるz軸方向の位置情報
及び前記撮像手段より得られるx,y方向の位置情報に
基づいて、測定領域内の粒子の3次元座標位置を出力す
る3次元位置出力手段と、を有することを特徴とするも
のである。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a three-dimensional particle position measuring apparatus for measuring a three-dimensional position of a measurement area represented by coordinates on x, y, and z axes perpendicular to each other. And a first and second light source for emitting light of different first and second colors, and a light intensity distribution different from each other along the z-axis. Light intensity adjusting means for adjusting the ratio so as to monotonously change,
Optical means for superimposing light from the first and second light sources passing through the light intensity adjusting means and emitting light synthesized in the y-axis and z-axis directions in the x-axis direction toward the measurement region;
An imaging unit that is directed to the measurement region from an arbitrary direction that does not coincide with the x-axis and y-axis directions, and captures a two-dimensional image of x-axis and y-axis coordinates from the measurement region; Z-axis position calculation means for obtaining position information in the z-axis direction of particles in the measurement area based on the output level of the pixel and the output ratio of the first and second colors of each pixel;
A three-dimensional position output for outputting a three-dimensional coordinate position of the particle in the measurement area based on the position information in the z-axis direction obtained by the z-axis position calculating means and the position information in the x and y directions obtained by the imaging means; And means.

【0006】本願の請求項2の発明は、請求項1の3次
元粒子位置測定装置において、前記光強度調整手段は、
z軸方向に連続して互いに異なった強度分布を有するN
Dフィルタであることを特徴とするものである。
According to a second aspect of the present invention, in the three-dimensional particle position measuring apparatus according to the first aspect, the light intensity adjusting means includes:
N having different intensity distributions continuously in the z-axis direction
It is a D filter.

【0007】本願の請求項3の発明は、請求項2の3次
元粒子位置測定装置において、前記NDフィルタは、z
軸方向にその厚みが変化する三角柱状のケース内に前記
第1,第2の光源の第1,第2の色彩に夫々相当する染
料を挿入したことを特徴とするものである。
According to a third aspect of the present invention, in the three-dimensional particle position measuring apparatus according to the second aspect, the ND filter includes
Dyes respectively corresponding to the first and second colors of the first and second light sources are inserted into a triangular prism-shaped case whose thickness changes in the axial direction.

【0008】本願の請求項4の発明は、請求項1の3次
元粒子位置測定装置において、前記撮像手段は、z軸方
向に向けられ、x,y座標の2次元画像を撮像すること
を特徴とするものである。
According to a fourth aspect of the present invention, in the three-dimensional particle position measuring device according to the first aspect, the imaging means is oriented in the z-axis direction and takes a two-dimensional image of x and y coordinates. It is assumed that.

【0009】本願の請求項5の発明は、互いに垂直な
x,y,z軸上の座標で表される測定領域内の粒子の3
次元速度を測定する3次元粒子速度測定装置であって、
互いに異なった第1,第2の色彩の光を出射する第1,
第2の光源と、前記第1,第2の光源の光を前記z軸に
沿って互いに異なった光強度分布を有し、その比が単調
に変化するように調整する光強度調整手段と、前記光強
度調整手段を通過した第1,第2の光源からの光を重ね
合わせて前記y軸及びz軸方向に合成した光を前記測定
領域に向けてx軸方向に出射する光学手段と、前記x軸
及びy軸方向と一致しない任意の方向から前記測定領域
に向けられ、前記測定領域からのx軸及びy軸座標の2
次元画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段から得ら
れる各画素の出力レベルと、前記各画素の前記第1,第
2の色彩の出力比とに基づいて測定領域にある粒子のz
軸方向の位置情報を得るz軸位置算出手段と、前記z軸
位置算出手段より得られるz軸方向の位置情報及び前記
撮像手段より得られるx,y方向の位置情報に基づい
て、測定領域内の粒子の3次元座標位置を出力する3次
元位置出力手段と、前記3次元位置出力手段より得られ
る3次元位置情報の時系列データに基づいて夫々同一の
粒子を追跡し、追跡した粒子の位置の変化に基づいて3
次元の粒子速度を測定する速度測定手段と、を有するこ
とを特徴とするものである。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for measuring the number of particles in a measurement area represented by coordinates on x, y, and z axes perpendicular to each other.
A three-dimensional particle velocity measuring device for measuring a three-dimensional velocity,
First and second light emitting first and second colors different from each other
A second light source, and light intensity adjusting means for adjusting the light of the first and second light sources to have different light intensity distributions along the z-axis and to change the ratio monotonically; Optical means for superimposing light from the first and second light sources passing through the light intensity adjusting means and emitting light synthesized in the y-axis and z-axis directions in the x-axis direction toward the measurement region; It is directed to the measurement region from an arbitrary direction that does not coincide with the x-axis and y-axis directions.
Imaging means for imaging a two-dimensional image, z of particles in a measurement area based on an output level of each pixel obtained from the imaging means, and an output ratio of the first and second colors of each pixel.
A z-axis position calculator for obtaining position information in the axial direction; and a position in the measurement area based on position information in the z-axis direction obtained from the z-axis position calculator and position information in the x and y directions obtained from the imaging unit. A three-dimensional position output unit for outputting the three-dimensional coordinate position of the particle, and the same particle based on the time-series data of the three-dimensional position information obtained from the three-dimensional position output unit. 3 based on changes in
Velocity measuring means for measuring a three-dimensional particle velocity.

【0010】本願の請求項6の発明は、請求項5の3次
元粒子速度測定装置において、前記光強度調整手段は、
z軸方向に連続して互いに異なった強度分布を有するN
Dフィルタであることを特徴とするものである。
According to a sixth aspect of the present invention, in the three-dimensional particle velocity measuring apparatus of the fifth aspect, the light intensity adjusting means comprises:
N having different intensity distributions continuously in the z-axis direction
It is a D filter.

【0011】本願の請求項7の発明は、請求項6の3次
元粒子速度測定装置において、前記NDフィルタは、z
軸方向にその厚みが変化する三角柱状のケース内に前記
第1,第2の光源の第1,第2の色彩に夫々相当する染
料を挿入したことを特徴とするものである。
According to a seventh aspect of the present invention, in the three-dimensional particle velocity measuring apparatus according to the sixth aspect, the ND filter includes
Dyes respectively corresponding to the first and second colors of the first and second light sources are inserted into a triangular prism-shaped case whose thickness changes in the axial direction.

【0012】本願の請求項8の発明は、請求項5の3次
元粒子速度測定装置において、前記撮像手段は、z軸方
向に向けられ、x,y座標の2次元画像を撮像すること
を特徴とするものである。
According to an eighth aspect of the present invention, in the three-dimensional particle velocity measuring apparatus of the fifth aspect, the imaging means is oriented in the z-axis direction and takes a two-dimensional image of x, y coordinates. It is assumed that.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】図1は本発明の第1の実施の形態
による粒子位置測定装置の光学系部分の全体構成を示す
ブロック図である。本図においてヘリウムネオンレーザ
(He−Neレーザ)1は、633nmの赤色光を発光
する第1の光源である。アルゴンイオンレーザ(Ar+
レーザ)2は、488nm(青)及び514nm(緑)
の2色の光を出射する第2の光源である。アルゴンイオ
ンレーザ2からの出射光のうち緑の出射光をカラーフィ
ルタ3によってカットし、青色の光のみを出力とする。
ヘリウムネオンレーザ1とアルゴンイオンレーザ2との
出力光の強度を等しくするため、アルゴンイオンレーザ
2の光強度をあらかじめ調整しておく。又これらのレー
ザ光源の出射方向(紙面右向方向)をx軸方向、紙面に
垂直な方向をy軸方向、紙面の下向きの方向をz軸方向
とする。レーザ光源の出射側には図示のように、夫々ス
リット4,5、コリメートレンズ6,7及び連続NDフ
ィルタ8,9が設けられる。コリメートレンズ6及び7
の径は夫々等しく、例えば直径50mmとする。NDフ
ィルタ8,9は第1,第2の光源の光をz軸に沿って連
続的に互いに異なった光強度分布を有し、重ね合わせた
ときの比が単調に変化するように調整する光強度調整手
段を構成している。NDフィルタ8,9は、例えば2枚
のガラスプレートを一定の角度をもって断面が鋭角三角
柱状になるように配置し、その内部を空間とし、この中
には染料を含む水を満たしておくことで構成することが
できる。NDフィルタ8には光源の色に対応した赤色に
着色された染料水を満たしておき、NDフィルタ9には
青色に着色された染料水を満たしておく。NDフィルタ
8,9は夫々図示のようにz軸方向に沿って光の減衰率
が異なるように対称に配置する。そして図示のようにア
ルゴンイオンレーザ2側の光軸上にミラー10を光軸
(x軸)から45°傾けて配置し、その光をビームスプ
リッタ11に向けて反射する。ビームスプリッタ11は
ヘリウムネオンレーザ1からの光を透過する光軸に沿っ
て45°の角度で分離面が配置されたビームスプリッタ
であり、互いに直角なy軸及びz軸方向に合成して光源
の光とするものである。ビームスプリッタ11の出射側
を測定領域12とする。ここでミラー10及びビームス
プリッタ11は、2つの光源からの光を重ね合わせてy
軸及びz軸方向に合成した光を測定領域12に向けてx
軸方向に出射する光学手段を構成している。
FIG. 1 is a block diagram showing an entire configuration of an optical system of a particle position measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. In the figure, a helium neon laser (He-Ne laser) 1 is a first light source that emits 633 nm red light. Argon ion laser (Ar +
Laser) 2 is 488 nm (blue) and 514 nm (green)
A second light source that emits the two colors of light. The green emission light among the emission light from the argon ion laser 2 is cut by the color filter 3, and only the blue light is output.
In order to make the intensity of the output light of the helium neon laser 1 and that of the argon ion laser 2 equal, the light intensity of the argon ion laser 2 is adjusted in advance. The emission direction (rightward direction on the paper) of these laser light sources is defined as the x-axis direction, the direction perpendicular to the paper surface is defined as the y-axis direction, and the downward direction on the paper surface is defined as the z-axis direction. As shown, slits 4 and 5, collimating lenses 6 and 7, and continuous ND filters 8 and 9 are provided on the emission side of the laser light source, respectively. Collimating lenses 6 and 7
Have the same diameter, for example, 50 mm in diameter. The ND filters 8 and 9 adjust the light of the first and second light sources so as to have different light intensity distributions continuously along the z-axis and to change the ratio when superimposed monotonously. It constitutes strength adjusting means. The ND filters 8 and 9 are formed, for example, by arranging two glass plates at a fixed angle so that the cross section becomes an acute triangular prism shape, and making the inside thereof a space, which is filled with water containing a dye. Can be configured. The ND filter 8 is filled with dye water colored red corresponding to the color of the light source, and the ND filter 9 is filled with dye water colored blue. As shown, the ND filters 8 and 9 are symmetrically arranged along the z-axis direction so that the light attenuation rates are different. As shown in the figure, the mirror 10 is arranged on the optical axis on the side of the argon ion laser 2 at an angle of 45 ° from the optical axis (x-axis), and the light is reflected toward the beam splitter 11. The beam splitter 11 is a beam splitter in which a separation surface is disposed at an angle of 45 ° along an optical axis that transmits light from the helium neon laser 1, and combines the light in the y-axis and z-axis directions perpendicular to each other to form a light source It is light. The emission side of the beam splitter 11 is a measurement area 12. Here, the mirror 10 and the beam splitter 11 superimpose the light from the two light sources and make y
The light combined in the x-axis and z-axis directions is directed toward the measurement region 12 by x
Optical means for emitting light in the axial direction is configured.

【0014】さて測定領域12に向けて2次元のCCD
カメラ13をxy方向の画像が得られるように配置す
る。CCDカメラ13としては通常のカラー画像を得る
ためのビデオカメラとし、少なくとも青色,赤色用のC
CDを含むCCDカメラを用いることが好ましい。図2
に示すように、CCDカメラ13からの出力端にVTR
14を接続し、画像を一旦VTR14に保持する。そし
てVTR14で再生した画像信号を画像取込ボード15
を介してパーソナルコンピュータ16に入力する。パー
ソナルコンピュータ16には表示部17及び入力部18
が接続されている。パーソナルコンピュータ16は、後
述するように画像取込ボード15から得られる連続した
画像信号を各画面毎にR,Bの2原色に分解し、その比
に基づいてz軸方向の座標に変換するものである。尚C
CDカメラ13はz軸から傾けて配置することもできる
が、x軸又はy軸と一致させないようにすることが必要
である。
Now, a two-dimensional CCD toward the measurement area 12
The camera 13 is arranged so that an image in the xy directions can be obtained. The CCD camera 13 is a video camera for obtaining a normal color image.
It is preferable to use a CCD camera including a CD. FIG.
As shown in FIG.
14 is connected, and the image is temporarily stored in the VTR 14. Then, the image signal reproduced by the VTR 14 is transferred to the image capture board 15.
Is input to the personal computer 16 via. The personal computer 16 has a display unit 17 and an input unit 18.
Is connected. The personal computer 16 separates a continuous image signal obtained from the image capturing board 15 into two primary colors of R and B for each screen as described later and converts it into coordinates in the z-axis direction based on the ratio. It is. Note C
The CD camera 13 can be arranged at an angle from the z-axis, but it is necessary that the CD camera 13 does not coincide with the x-axis or the y-axis.

【0015】次に本実施の形態の動作原理について説明
する。図3はビームスプリッタ11より測定領域12に
出射される赤色(R)及び青色(B)の光強度とz軸の
位置との関係とを示すグラフである。前述したように3
次元位置測定装置の光学系部分を構成し、光軸方向をx
軸、紙面に垂直な方向をy軸、紙面に下向きの方向をz
軸とすると、図3に示すように、赤色の光はz軸方向の
値が大きくなるにつれて大きくなる。逆に青色の強度は
z軸方向に値が大きくなるにつれてそのレベルが低下す
る。
Next, the operation principle of this embodiment will be described. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the light intensity of red (R) and blue (B) emitted from the beam splitter 11 to the measurement region 12 and the position on the z-axis. 3 as mentioned above
The optical system of the three-dimensional position measuring device
Axis, the direction perpendicular to the paper surface is the y-axis, and the downward direction to the paper surface is z.
With respect to the axis, as shown in FIG. 3, the red light increases as the value in the z-axis direction increases. Conversely, the level of blue intensity decreases as the value increases in the z-axis direction.

【0016】そしてこのヘリウムネオンレーザ1からの
出射光に基づく測定領域12の任意の点の強度分布をI
R =IR (x,y,z)とし、アルゴンイオンレーザ2
からの出射光に基づく測定領域の任意の点の強度分布を
B =IB (x,y,z)とすると、これらは既知の値
となる。同一位置での強度比ηをIR /IB とすると、
この強度比ηはx,yの座標とは無関係にz軸上の位置
によって決まる値となる。測定領域の粒子からの散乱光
もこの強度比を保っている。従ってこの散乱光から赤
色,青色の2色の成分を抽出し、その強度を夫々ΓR
ΓB とすると、その値はIR ,IB に対応しており、そ
の比ΓR /ΓB はηに等しい。従ってこの値から粒子の
z方向の位置を検出することができる。
The intensity distribution at an arbitrary point in the measurement area 12 based on the light emitted from the helium neon laser 1 is represented by I
R = I R (x, y, z), and argon ion laser 2
The intensity distribution of an arbitrary point of the measurement region based on the light emitted from the I B = I B (x, y, z) When they become known values. Assuming that the intensity ratio η at the same position is I R / I B ,
The intensity ratio η is a value determined by the position on the z-axis regardless of the coordinates of x and y. The scattered light from the particles in the measurement area also maintains this intensity ratio. Accordingly, two components of red and blue are extracted from the scattered light, and the intensities thereof are denoted by Γ R ,
When gamma B, its value I R, corresponds to I B, the ratio gamma R / gamma B is equal to eta. Therefore, the position of the particle in the z direction can be detected from this value.

【0017】次にパーソナルコンピュータ16での処理
について図5のフローチャートを参照しつつ説明する。
動作を開始すると、まずステップS1においてCCDカ
メラ13から画像データを取込む。CCDカメラ13か
らは前述したように、x,y方向の2次元の画像が得ら
れる。これを一旦VTR14に記録し、順次読出して
R,G,Bの3色に分割する。次いでステップS4にお
いて、輝度値が所定の閾値以下であるデータを除いて、
所定の輝度値以上の信号が得られる粒子に対して以下の
処理を行う。ここでは光源としてヘリウムネオンレーザ
1及びアルゴンイオンレーザ2を用いているため、赤
(R)及び青(B)の2色の画像データのみを用いて各
座標毎に次式により比η(x,y)を算出する(ステッ
プS3)。 η(x,y)=IR (x,y)/IB (x,y)
Next, the processing in the personal computer 16 will be described with reference to the flowchart of FIG.
When the operation is started, first, image data is taken from the CCD camera 13 in step S1. As described above, a two-dimensional image in the x and y directions is obtained from the CCD camera 13. This is temporarily recorded on the VTR 14, read out sequentially, and divided into three colors of R, G, and B. Next, in step S4, except for data whose luminance value is equal to or less than a predetermined threshold,
The following processing is performed on particles from which a signal having a predetermined luminance value or more is obtained. Here, since the helium neon laser 1 and the argon ion laser 2 are used as the light sources, the ratio η (x, x, x) is calculated for each coordinate by using only two color image data of red (R) and blue (B). y) is calculated (step S3). η (x, y) = I R (x, y) / I B (x, y)

【0018】さて図4に示すように強度比はz軸方向に
対して一価関数であるため、この強度比からz軸の座標
が算出できる。実際にはあらかじめ使用する粒子をガラ
スプレート等に張り付け、平行移動台に設置し、これを
z軸方向に移動させる。そしてそのとき得られる2色の
画像の比とそのときの平行移動台上のz軸の値とから、
校正曲線を作成しておく。こうすれば微粒子の色彩を補
償して正確なz座標が算出できることとなる。この校正
は、あらかじめx軸及びy軸上の複数の座標点で行って
おくことが好ましい。そしてこうして得られた出力の比
をz軸に換算する(ステップS4)。そしてステップS
5において3次元表示を行う。次いでルーチンS6にお
いて速度情報変換処理を行う。こうして得られた3次元
速度情報データをステップS7で表示部17に表示す
る。そしてステップS1に戻って次の画像の取込処理を
行って同様の処理を繰り返す。
Since the intensity ratio is a monovalent function in the z-axis direction as shown in FIG. 4, the coordinates of the z-axis can be calculated from the intensity ratio. Actually, particles to be used are attached to a glass plate or the like in advance, installed on a parallel moving table, and moved in the z-axis direction. Then, from the ratio of the two-color images obtained at that time and the value of the z-axis on the translation table at that time,
Prepare a calibration curve. In this way, it is possible to calculate the accurate z coordinate by compensating the color of the fine particles. This calibration is preferably performed in advance at a plurality of coordinate points on the x-axis and the y-axis. Then, the output ratio thus obtained is converted into a z-axis (step S4). And step S
At 5, a three-dimensional display is performed. Next, speed information conversion processing is performed in a routine S6. The three-dimensional speed information data thus obtained is displayed on the display unit 17 in step S7. Then, the process returns to step S1, where the next image is fetched, and the same process is repeated.

【0019】ルーチンS6の速度情報変換処理は、例え
ば、西尾茂、可視化情報学会講習会1998年6月、9
月、及び1999年1月テキスト、「ここが違うPIV
の原理」、P15〜P18や、日本機械学会論文集、第
55巻509号、P107〜P114、小林敏雄他、
「二次元流れ場の実時間デジタル画像計測システムの開
発」に示されているように、周知の粒子追跡法や相関法
を用いて行うことができる。粒子追跡法は可視化画像上
の粒子の移動を順次追跡し、その移動量から流速を求め
るものである。粒子追跡法では画像を取得した後粒子像
を認識し、粒子の番号付け(ラベリング)、粒子の追
跡、速度ベクトルの算出を行い、速度情報を得る。粒子
追跡法では例えば4時刻追跡法が広く知られており、4
枚の連続する画像を用いて粒子の4時刻の位置変化が最
も直線に近い組み合わせを正しい移動経路として選択す
るものである。この方法では粒子の単独の位置情報を用
いるため、時刻が進むにつれて移動先の粒子候補を絞っ
ておき、最終的に粒子の移動経路を決定する。又相関法
では、注目する領域とほぼ等しい画像が得られる領域を
相関係数を用いて決定し、この領域から対応する粒子を
決定することによって粒子を追跡することができる。
The speed information conversion processing of the routine S6 is performed, for example, by Shigeru Nishio, Workshop of the Visualization Information Society, June 1998, 9
Month and January 1999 text, "Here is a different PIV
Principles ", P15-P18, JSME Transactions, Vol. 55, No. 509, P107-P114, Toshio Kobayashi, etc.
As shown in "Development of a real-time digital image measurement system for a two-dimensional flow field", it can be performed by using a well-known particle tracking method or a correlation method. In the particle tracking method, the movement of particles on a visualized image is sequentially tracked, and the flow velocity is obtained from the movement amount. In the particle tracking method, after acquiring an image, a particle image is recognized, particle numbering (labeling), particle tracking, and velocity vector calculation are performed to obtain velocity information. In the particle tracking method, for example, a four-time tracking method is widely known.
A combination in which the position change of the particle at four times is closest to a straight line is selected as a correct moving route using a series of images. In this method, since only the position information of the particles is used, as the time advances, the particle candidates of the movement destination are narrowed down, and finally, the movement path of the particles is determined. In the correlation method, a region where an image substantially equal to the region of interest can be obtained is determined using the correlation coefficient, and particles can be tracked by determining a corresponding particle from this region.

【0020】このように本実施の形態によれば、1つの
2次元CCDカメラを用いて3次元の粒子の位置を計測
することができる。又この位置データに基づいて速度情
報を検出することができ、光学系の構成を極めて簡単に
することができる。ここでパーソナルコンピュータ16
はステップS2〜S4において、撮像手段から得られる
各画素の出力レベルと、各画素の第1,第2の色彩の出
力比とに基づいて測定領域にある粒子のz軸方向の位置
情報を得るz軸位置算出手段を構成しており、ステップ
S5においてz軸位置算出手段より得られるz軸方向の
位置情報及び撮像手段より得られるx,y方向の位置情
報に基づいて測定領域内の3次元座標位置を判別して出
力する3次元位置出力手段の機能を達成している。又ル
ーチンS6は3次元位置出力手段より得られる時系列デ
ータに基づいて同一の粒子を追跡し、その粒子速度を測
定する速度測定手段を構成している。図6及び図7はこ
うして得られた粒子の異なった方向から見た速度ベクト
ルの一例を示す図である。
As described above, according to the present embodiment, three-dimensional particle positions can be measured using one two-dimensional CCD camera. Also, speed information can be detected based on this position data, and the configuration of the optical system can be extremely simplified. Here, the personal computer 16
In steps S2 to S4, position information of particles in the measurement area in the z-axis direction is obtained based on the output level of each pixel obtained from the imaging unit and the output ratio of the first and second colors of each pixel. The z-axis position calculation means is configured, and in step S5, a three-dimensional position in the measurement area is determined based on the position information in the z-axis direction obtained by the z-axis position calculation means and the position information in the x and y directions obtained by the imaging means. The function of the three-dimensional position output means for determining and outputting the coordinate position is achieved. The routine S6 constitutes velocity measuring means for tracking the same particle based on the time series data obtained from the three-dimensional position output means and measuring the velocity of the particle. FIG. 6 and FIG. 7 are diagrams showing an example of the velocity vectors of the particles thus obtained as viewed from different directions.

【0021】尚、この実施の形態ではヘリウムネオンレ
ーザとアルゴンイオンレーザとを用いているが、アルゴ
ンイオンレーザは488nm(青)及び514nm
(緑)の2色を出射するため、これをカラーフィルタで
分解し、これを2色の光源として用いることによってヘ
リウムネオンレーザを省略し、アルゴンイオンレーザの
みで第1,第2の光源とすることができる。この場合も
NDフィルタは夫々の色彩に対応した染料水を用いるも
のとし、CCDカメラ13の出力のうち青色(B),緑
色(G)の2色を用いる。こうすれば他は図1,図2と
同様の構成で2次元座標をz軸方向に互いに強度分布を
異ならせた光を出射して3次元位置情報を得ることがで
きる。
In this embodiment, a helium neon laser and an argon ion laser are used, but the argon ion laser is 488 nm (blue) and 514 nm.
In order to emit two colors of (green), this is decomposed by a color filter and used as a light source of two colors, thereby omitting the helium neon laser, and using only an argon ion laser as the first and second light sources. be able to. Also in this case, the ND filter uses dye water corresponding to each color, and uses two colors of blue (B) and green (G) among the outputs of the CCD camera 13. In this way, three-dimensional position information can be obtained by emitting light with two-dimensional coordinates having different intensity distributions in the z-axis direction with the same configuration as in FIGS.

【0022】[0022]

【発明の効果】以上詳細に説明したように本願の請求項
1〜4の発明によれば、2次元の画像を撮像する撮像手
段を用いて粒子の3次元位置情報を得ることができる。
又請求項5〜8の発明によれば、この3次元座標データ
に基づいて3次元の速度情報を得ることができ、いずれ
も光学系の構成を極めて簡略化することができるという
優れた効果が得られる。
As described above in detail, according to the first to fourth aspects of the present invention, three-dimensional position information of particles can be obtained by using an imaging means for imaging a two-dimensional image.
Further, according to the invention of claims 5 to 8, three-dimensional velocity information can be obtained based on the three-dimensional coordinate data, and in any case, an excellent effect that the configuration of the optical system can be extremely simplified. can get.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態による3次元粒子位置及び
粒子速度測定装置の光学系部分を示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an optical system portion of a three-dimensional particle position and particle velocity measuring device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本実施の形態の信号処理系の構成を示すブロッ
ク図である。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a signal processing system according to the present embodiment.

【図3】本実施の形態のz軸に対する相対光強度の変化
を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a change in relative light intensity with respect to the z-axis in the present embodiment.

【図4】本実施の形態のz軸に対する強度比の変化を示
すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a change in intensity ratio with respect to the z-axis in the present embodiment.

【図5】本実施の形態の動作を示すフローチャートであ
る。
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the present embodiment.

【図6】本実施の形態の3次元粒子速度測定装置によっ
て得られる3次元速度測定結果の一例を示すグラフ(そ
の1)である。
FIG. 6 is a graph (part 1) showing an example of a three-dimensional velocity measurement result obtained by the three-dimensional particle velocity measuring device of the present embodiment.

【図7】本実施の形態の3次元粒子速度測定装置によっ
て得られる3次元速度測定結果の一例を示すグラフ(そ
の2)である。
FIG. 7 is a graph (part 2) showing an example of a three-dimensional velocity measurement result obtained by the three-dimensional particle velocity measuring device of the present embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ヘリウムネオンレーザ 2 アルゴンイオンレーザ 3 カラーフィルタ 4,5 スリット 6,7 コリメートレンズ 8,9 NDフィルタ 10 ミラー 11 ビームスプリッタ 12 測定領域 13 CCDカメラ 14 VTR 15 画像取込ボード 16 パーソナルコンピュータ 17 表示部 18 入力部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Helium neon laser 2 Argon ion laser 3 Color filter 4,5 Slit 6,7 Collimating lens 8,9 ND filter 10 Mirror 11 Beam splitter 12 Measurement area 13 CCD camera 14 VTR 15 Image capture board 16 Personal computer 17 Display part 18 Input section

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川橋 正昭 埼玉県与野市鈴谷5丁目11番地25 (72)発明者 佐藤 行成 大阪府吹田市清水2番1号 日本カノマッ クス株式会社内 Fターム(参考) 2F065 AA04 BB15 FF42 GG05 HH01 JJ03 JJ26 LL21 LL22 LL28 LL46 MM02 QQ23 QQ26 5L096 AA02 AA09 BA08 CA04 CA17 CA18 FA15 FA39 FA69 HA05 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Masaaki Kawabashi 5-11-11 Suzuya, Yono-shi, Saitama (72) Inventor Yukinari Sato 2-1 Shimizu, Suita-shi, Osaka F-term in Nippon Kanomax Co., Ltd. Reference) 2F065 AA04 BB15 FF42 GG05 HH01 JJ03 JJ26 LL21 LL22 LL28 LL46 MM02 QQ23 QQ26 5L096 AA02 AA09 BA08 CA04 CA17 CA18 FA15 FA39 FA69 HA05

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 互いに垂直なx,y,z軸上の座標で表
される測定領域の3次元位置を測定する3次元粒子位置
測定装置であって、 互いに異なった第1,第2の色彩の光を出射する第1,
第2の光源と、 前記第1,第2の光源の光を前記z軸に沿って互いに異
なった光強度分布を有し、その比が単調に変化するよう
に調整する光強度調整手段と、 前記光強度調整手段を通過した第1,第2の光源からの
光を重ね合わせて前記y軸及びz軸方向に合成した光を
前記測定領域に向けてx軸方向に出射する光学手段と、 前記x軸及びy軸方向と一致しない任意の方向から前記
測定領域に向けられ、前記測定領域からのx軸及びy軸
座標の2次元画像を撮像する撮像手段と、 前記撮像手段から得られる各画素の出力レベルと、前記
各画素の前記第1,第2の色彩の出力比とに基づいて測
定領域にある粒子のz軸方向の位置情報を得るz軸位置
算出手段と、 前記z軸位置算出手段より得られるz軸方向の位置情報
及び前記撮像手段より得られるx,y方向の位置情報に
基づいて、測定領域内の粒子の3次元座標位置を出力す
る3次元位置出力手段と、を有することを特徴とする3
次元粒子位置測定装置。
1. A three-dimensional particle position measuring device for measuring a three-dimensional position of a measurement area represented by coordinates on x, y, and z axes perpendicular to each other, wherein the first and second colors are different from each other. First, which emits light of
A second light source, and light intensity adjusting means for adjusting the light of the first and second light sources so as to have different light intensity distributions along the z-axis and to change the ratio monotonically; Optical means for superimposing light from the first and second light sources passing through the light intensity adjusting means and emitting light synthesized in the y-axis and z-axis directions in the x-axis direction toward the measurement region; An imaging unit that is directed to the measurement region from an arbitrary direction that does not match the x-axis and y-axis directions and captures a two-dimensional image of x-axis and y-axis coordinates from the measurement region; Z-axis position calculating means for obtaining position information of particles in the measurement region in the z-axis direction based on an output level of a pixel and an output ratio of the first and second colors of each pixel; The position information in the z-axis direction obtained by the calculation means and the imaging means It is x, based on the position information in the y-direction, 3, characterized in that it has a, a three-dimensional position output means for outputting the three-dimensional coordinate position of the particle in the measurement region
Dimensional particle position measurement device.
【請求項2】 前記光強度調整手段は、z軸方向に連続
して互いに異なった強度分布を有するNDフィルタであ
ることを特徴とする請求項1記載の3次元粒子位置測定
装置。
2. The three-dimensional particle position measuring apparatus according to claim 1, wherein said light intensity adjusting means is an ND filter having different intensity distributions continuously in the z-axis direction.
【請求項3】 前記NDフィルタは、z軸方向にその厚
みが変化する三角柱状のケース内に前記第1,第2の光
源の第1,第2の色彩に夫々相当する染料を挿入したも
のであることを特徴とする請求項2記載の3次元粒子位
置測定装置。
3. The ND filter in which dyes respectively corresponding to the first and second colors of the first and second light sources are inserted in a triangular prism-shaped case whose thickness changes in the z-axis direction. The three-dimensional particle position measuring device according to claim 2, wherein:
【請求項4】 前記撮像手段は、z軸方向に向けられ、
x,y座標の2次元画像を撮像するものであることを特
徴とする請求項1記載の3次元粒子位置測定装置。
4. The imaging means is directed in a z-axis direction,
2. The three-dimensional particle position measuring device according to claim 1, wherein the three-dimensional particle position measuring device captures a two-dimensional image of x and y coordinates.
【請求項5】 互いに垂直なx,y,z軸上の座標で表
される測定領域内の粒子の3次元速度を測定する3次元
粒子速度測定装置であって、 互いに異なった第1,第2の色彩の光を出射する第1,
第2の光源と、 前記第1,第2の光源の光を前記z軸に沿って互いに異
なった光強度分布を有し、その比が単調に変化するよう
に調整する光強度調整手段と、 前記光強度調整手段を通過した第1,第2の光源からの
光を重ね合わせて前記y軸及びz軸方向に合成した光を
前記測定領域に向けてx軸方向に出射する光学手段と、 前記x軸及びy軸方向と一致しない任意の方向から前記
測定領域に向けられ、前記測定領域からのx軸及びy軸
座標の2次元画像を撮像する撮像手段と、 前記撮像手段から得られる各画素の出力レベルと、前記
各画素の前記第1,第2の色彩の出力比とに基づいて測
定領域にある粒子のz軸方向の位置情報を得るz軸位置
算出手段と、 前記z軸位置算出手段より得られるz軸方向の位置情報
及び前記撮像手段より得られるx,y方向の位置情報に
基づいて、測定領域内の粒子の3次元座標位置を出力す
る3次元位置出力手段と、 前記3次元位置出力手段より得られる3次元位置情報の
時系列データに基づいて夫々同一の粒子を追跡し、追跡
した粒子の位置の変化に基づいて3次元の粒子速度を測
定する速度測定手段と、を有することを特徴とする3次
元粒子速度測定装置。
5. A three-dimensional particle velocity measuring device for measuring a three-dimensional velocity of a particle in a measurement area represented by coordinates on x, y, and z axes perpendicular to each other, comprising: The first one that emits light of two colors
A second light source, and light intensity adjusting means for adjusting the light of the first and second light sources so as to have different light intensity distributions along the z-axis and to change the ratio monotonically; Optical means for superimposing light from the first and second light sources passing through the light intensity adjusting means and emitting light synthesized in the y-axis and z-axis directions in the x-axis direction toward the measurement region; An imaging unit that is directed to the measurement region from an arbitrary direction that does not match the x-axis and y-axis directions and captures a two-dimensional image of x-axis and y-axis coordinates from the measurement region; Z-axis position calculating means for obtaining position information of particles in the measurement region in the z-axis direction based on an output level of a pixel and an output ratio of the first and second colors of each pixel; The position information in the z-axis direction obtained by the calculation means and the imaging means Three-dimensional position output means for outputting a three-dimensional coordinate position of the particle in the measurement area based on the obtained position information in the x and y directions, and time-series data of the three-dimensional position information obtained from the three-dimensional position output means. A three-dimensional particle velocity measuring device, comprising: a velocity measuring unit that traces the same particles based on the position of the traced particles based on a change in the position of the traced particles.
【請求項6】 前記光強度調整手段は、z軸方向に連続
して互いに異なった強度分布を有するNDフィルタであ
ることを特徴とする請求項5記載の3次元粒子速度測定
装置。
6. The three-dimensional particle velocity measuring apparatus according to claim 5, wherein said light intensity adjusting means is an ND filter having different intensity distributions continuously in the z-axis direction.
【請求項7】 前記NDフィルタは、z軸方向にその厚
みが変化する三角柱状のケース内に前記第1,第2の光
源の第1,第2の色彩に夫々相当する染料を挿入したも
のであることを特徴とする請求項6記載の3次元粒子速
度測定装置。
7. The ND filter in which dyes respectively corresponding to the first and second colors of the first and second light sources are inserted into a triangular prism-shaped case whose thickness changes in the z-axis direction. The three-dimensional particle velocity measuring device according to claim 6, wherein
【請求項8】 前記撮像手段は、z軸方向に向けられ、
x,y座標の2次元画像を撮像するものであることを特
徴とする請求項5記載の3次元粒子速度測定装置。
8. The imaging means is oriented in a z-axis direction,
6. The three-dimensional particle velocity measuring apparatus according to claim 5, wherein the three-dimensional particle velocity measuring apparatus captures a two-dimensional image of x and y coordinates.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007140322A (en) * 2005-11-22 2007-06-07 Tohoku Univ Optical apparatus
US7640142B2 (en) 2005-07-28 2009-12-29 Nuflare Technology, Inc. Position measurement apparatus and method and pattern forming apparatus and writing method
US10473681B2 (en) 2017-12-28 2019-11-12 Toshiba Memory Corporation Measuring apparatus and measuring method

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