JP2002365023A - Apparatus and method for measurement of liquid level - Google Patents
Apparatus and method for measurement of liquid levelInfo
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- G01B11/2513—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object with several lines being projected in more than one direction, e.g. grids, patterns
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、液体の表面の形
状を計測するための液面計測装置及び方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a liquid level measuring apparatus and method for measuring the shape of a liquid surface.
【０００２】[0002]
【従来の技術】液面の定量的な情報を得る場合、現状で
はレーザーフォーカス変移計や静電容量式の液位計など
が用いられている。これらの測定装置は高い精度で波高
を測定できる反面、点計測にとどまるという制約があ
る。液面についての大域的な情報得ようとする場合に
は、液面の２次元的な形状を測定する手法が必要とな
る。2. Description of the Related Art To obtain quantitative information on a liquid surface, a laser focus displacement meter, a capacitance type liquid level meter, and the like are currently used. While these measuring devices can measure the wave height with high accuracy, they have a limitation that they are limited to point measurement. In order to obtain global information on the liquid surface, a method for measuring the two-dimensional shape of the liquid surface is required.
【０００３】光学的手法を用いることで界面の２次元的
な形状を求めることができる。例えば、色分けされた光
を液面にあて、液面での反射光を撮影し、この反射光の
色情報を用いて反射の法則からその色の光源位置を判定
し、液面での傾きを算出することができる。The two-dimensional shape of the interface can be obtained by using an optical method. For example, the color-coded light is applied to the liquid surface, the reflected light at the liquid surface is photographed, the light source position of the color is determined from the law of reflection using the color information of the reflected light, and the inclination at the liquid surface is determined. Can be calculated.
【０００４】また、液面に対して２方向から光をあて、
これらの反射光の強度分布を測定することで液面の傾き
を算出することができる。Further, light is applied to the liquid surface from two directions,
By measuring the intensity distribution of the reflected light, the inclination of the liquid surface can be calculated.
【０００５】しかしながら、これらの手法は液面での反
射を利用しているため、精度の高い計測のためには、光
源の位置を正確に設置する必要がある。そのため測定系
は非常に複雑になり、精度の高い計測は事実上困難であ
る。However, since these methods use reflection at the liquid surface, it is necessary to accurately set the position of the light source for highly accurate measurement. Therefore, the measurement system becomes very complicated, and highly accurate measurement is practically difficult.
【０００６】自由液面の２次元的な形状を測定する手法
としては、前述のような手法などが存在するが、定量的
な評価をするには至っていない。これら従来の手法には
大きく分けて、界面での光の反射を用いる方法と屈折を
利用する方法がある。反射を利用する場合には、光源と
その反射光を撮影するカメラなどの位置を正確に決めて
設置する必要があり、簡単な測定には向いていない。屈
折を利用する場合には液面形状のレンズ効果を利用した
り、屈折による画像のゆがみを利用する方法が提案され
ている。点光源を利用する場合には、反射の場合と同様
にその位置の精度が重要になる。一方、拡散光を利用し
た場合には、液面の角度情報や曲率情報を画像情報とし
て得るため、相対的な液面は再構築できるが、絶対液位
を求めることはできない。As a method for measuring the two-dimensional shape of the free liquid surface, the above-described method and the like exist, but no quantitative evaluation has been achieved. These conventional methods can be roughly divided into a method using light reflection at an interface and a method using refraction. In the case of using reflection, it is necessary to accurately determine and install the position of a light source and a camera for capturing the reflected light, which is not suitable for simple measurement. In the case of using refraction, a method of using a lens effect of a liquid surface shape or a method of using image distortion due to refraction has been proposed. When a point light source is used, the accuracy of its position becomes important as in the case of reflection. On the other hand, when the diffused light is used, since the angle information and the curvature information of the liquid surface are obtained as image information, the relative liquid surface can be reconstructed, but the absolute liquid level cannot be obtained.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、係る課題を
解決するためになされたもので、簡易な計測方式であり
ながら液面の形状変化を定量的に精度良く取得すること
ができる液面計測装置及び液面計測方法を提供すること
を目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and has a simple measuring method which can quantitatively and accurately obtain a change in the shape of a liquid surface. It is an object to provide a measuring device and a liquid level measuring method.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】この発明に係る液面計測
装置は、干渉性の高い波動を発生する波源と、前記波源
からの波動を拡散して前記波動の強度分布が粒状に分布
するスペックルパターンを発生させる拡散手段と、前記
拡散手段からの波動を平行波動に変換するとともに、前
記平行波動を測定対象である液面に導くパラボラ反射手
段と、前記液面を透過した前記並行波動が投影されるス
クリーンと、前記スクリーン上のスペックルパターンを
撮影する撮像手段と、前記撮像手段からの前記スペック
ルパターンを処理して前記液面の形状を計測する液面形
状再構築部とを備え、前記液面形状再構築部は、第１の
液面状態における第１スペックルパターンを第２の液面
状態における第２スペックルパターンと比較することに
より、これらに含まれる粒状のスペックルの一部あるい
は全部の移動ベクトルを求め、前記移動ベクトルに基づ
き液面の局所的な傾きを求め、これらの傾きに基づき前
記液面の形状を再構築する。According to the present invention, there is provided a liquid level measuring apparatus comprising: a wave source for generating a wave having a high coherence; and a spectrometer for diffusing the wave from the wave source to distribute the intensity distribution of the wave in a granular manner. Diffusion means for generating a parallel pattern, while converting the waves from the diffusion means into parallel waves, parabolic reflection means for guiding the parallel waves to the liquid surface to be measured, and the parallel waves transmitted through the liquid surface. A screen to be projected, imaging means for photographing a speckle pattern on the screen, and a liquid surface shape reconstruction unit for processing the speckle pattern from the imaging means and measuring the shape of the liquid surface The liquid level shape reconstruction unit compares the first speckle pattern in the first liquid level state with the second speckle pattern in the second liquid level state to include the first speckle pattern in the first liquid level state. Seek movement vector of part or all of the particulate speckles, it obtains a local tilt of the liquid surface based on the movement vector, to reconstruct the shape of the liquid surface based on these slopes.
【０００９】この発明に係る液面計測装置は、干渉性の
高い波動を発生する波源と、前記波源からの波動を拡散
して前記波動の強度分布が粒状に分布するスペックルパ
ターンを発生させるとともに、拡散された前記波動を測
定対象である液面に導く拡散手段と、前記液面を透過し
た波動が投影されるスクリーンと、前記スクリーン上の
スペックルパターンを撮影する撮像手段と、前記撮像手
段からの前記スペックルパターンを処理して前記液面の
形状を計測する液面形状再構築部とを備え、前記液面形
状再構築部は、第１の液面状態における第１スペックル
パターンを第２の液面状態における第２スペックルパタ
ーンと比較することにより、これらに含まれる粒状のス
ペックルの一部あるいは全部の移動ベクトルを求め、拡
散された前記波動の拡散角を参照しつつ前記移動ベクト
ルに基づき液面の局所的な傾きを求め、これらの傾きに
基づき前記液面の形状を再構築する。The liquid level measuring apparatus according to the present invention generates a wave source that generates a wave having high coherence, and generates a speckle pattern in which the wave from the wave source is diffused to distribute the intensity distribution of the wave in a granular manner. A diffusing unit for guiding the diffused wave to a liquid surface to be measured, a screen on which the wave transmitted through the liquid surface is projected, an imaging unit for imaging a speckle pattern on the screen, and the imaging unit And a liquid surface shape reconstruction unit that processes the speckle pattern from and measures the shape of the liquid surface. The liquid surface shape reconstruction unit converts the first speckle pattern in the first liquid surface state. By comparing with the second speckle pattern in the second liquid surface state, the movement vector of a part or all of the granular speckles contained therein is obtained, and the diffused wave With reference to the diffusion angle determined local slope of the liquid surface based on the movement vector, to reconstruct the shape of the liquid surface based on these slopes.
【００１０】前記波源は、例えば、レーザー発振器、Ｘ
線発生器、中性子線発生器、超音波発生器である。前記
拡散手段は、例えば、光ファイバであり、あるいは表面
が粗いすりガラスのようなものである。前記スクリーン
はスペックルパターンを投影できれば足り、前記撮像手
段と別個に設けられても一体に設けられても、どちらで
もよい。The wave source is, for example, a laser oscillator, X
A ray generator, a neutron generator and an ultrasonic generator. The diffusing means is, for example, an optical fiber or a frosted glass having a rough surface. It is sufficient that the screen can project a speckle pattern, and the screen may be provided separately or integrally with the imaging means.
【００１１】この発明に係る液面計測方法は、干渉性の
高い波動を発生するステップと、前記波動を拡散して前
記波動の強度分布が粒状に分布するスペックルパターン
を発生させるステップと、拡散された前記波動を測定対
象である液面に導くステップと、前記液面を透過した前
記波動を投影してスペックルパターンを表示するステッ
プと、第１の液面状態における第１スペックルパターン
を観測するステップと、第２の液面状態における第２ス
ペックルパターンを観測するステップと、前記第１スペ
ックルパターンに含まれる粒状のスペックルの一部ある
いは全部を、前記第２スペックルパターンに含まれるス
ペックルと比較して、前記スペックルの移動ベクトルを
求めるステップと、拡散された前記波動の拡散角を参照
しつつ前記移動ベクトルを液面の局所的な傾きに変換す
るステップと、前記傾きに基づき前記液面の形状を再構
築するステップとを備えるものである。In the liquid level measuring method according to the present invention, a step of generating a wave having a high coherence, a step of diffusing the wave to generate a speckle pattern in which the intensity distribution of the wave is distributed in a granular manner, Guiding the generated wave to a liquid surface to be measured, projecting the wave transmitted through the liquid surface to display a speckle pattern, and forming a first speckle pattern in a first liquid surface state. The step of observing, the step of observing the second speckle pattern in the second liquid level state, and a part or all of the granular speckles included in the first speckle pattern is converted to the second speckle pattern. Determining a movement vector of the speckles in comparison with the included speckles; and Converting the torque into the local slope of the liquid surface, in which and a step of reconstructing the shape of the liquid surface based on the inclination.
【００１２】好ましくは、前記移動ベクトルを液面の局
所的な傾きに変換するステップは、前記波動の拡散点か
ら前記液面までの距離をＬw、前記液面から前記投影さ
れたスペックルパターンまでの距離をＬs、投影された
前記波動の中心点からスペックルまでの第１の液面状態
における距離をδ1、同じく第２の液面状態における距
離をδ2、前記波動の拡散角をφ、前記液面の内部と外
部の境界における屈折率をｎとしたとき、前記液面の局
所的な勾配θを φ＝δ1／（ｎＬs＋Ｌw） θ＝（δ2−ｎＬsφ＋Ｌw）／（１−ｎ）Ｌs に基づき求めるステップを含む。Preferably, the step of converting the movement vector into a local inclination of a liquid surface includes: a distance from a diffusion point of the wave to the liquid surface being Lw, and a distance from the liquid surface to the projected speckle pattern. Ls, the distance from the center point of the projected wave to the speckle in the first liquid state is δ1, the distance in the second liquid state is δ2, the diffusion angle of the wave is φ, Assuming that the refractive index at the boundary between the inside and the outside of the liquid surface is n, the local gradient θ of the liquid surface is based on φ = δ1 / (nLs + Lw) θ = (δ2-nLsφ + Lw) / (1-n) Ls Including the step of seeking.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】発明の実施の形態１．本発明の実
施の形態に係る液面計測装置／方法は、固体の微小変動
を計測する手法として用いられているスペックル法を自
由液面計測に応用したものである。以下、詳細に説明す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiment 1 of the Invention The liquid level measurement device / method according to the embodiment of the present invention is an application of the speckle method used as a technique for measuring minute fluctuations of a solid to free liquid level measurement. The details will be described below.
【００１４】図１は、本発明の実施の形態に係る液面計
測装置／方法の動作原理の説明図である。１はレーザー
発振器（Ar-ion laser）、２はレーザー発振器からの出
射光を広げスペックルパターンを発生させるためのディ
フューザー（diffuser）、３はディフューザー２からの
光を平行光線に変換する円筒形レンズ（cylindricallen
se）、４はレーザー光を受けるスクリーン、５はスクリ
ーン４上のスペックルパターンを撮影するカメラ、６は
スペックルパターンの移動ベクトルを求め、これに基づ
き液面の形状を再構成する液面形状再構築部、７は再構
成の結果を表示する表示装置である。また、Ｓは観測対
象である液体の表面（液面）、Ａは円筒形レンズ３を出
射したレーザー光が照射される液面の領域、ＬＳはスク
リーン４に投影されたレーザースペックルパターン（la
ser specklegram）を示す。FIG. 1 is an explanatory diagram of the operation principle of a liquid level measuring device / method according to an embodiment of the present invention. 1 is a laser oscillator (Ar-ion laser), 2 is a diffuser for expanding the light emitted from the laser oscillator and generating a speckle pattern, and 3 is a cylindrical lens for converting the light from the diffuser 2 into parallel rays. (Cylindricallen
se), 4 is a screen that receives a laser beam, 5 is a camera that captures a speckle pattern on the screen 4, 6 is a liquid surface shape that determines the movement vector of the speckle pattern and reconstructs the liquid surface shape based on this. The reconstructing unit 7 is a display device that displays the result of the reconstruction. S is the surface of the liquid to be observed (liquid level), A is the area of the liquid surface irradiated with the laser light emitted from the cylindrical lens 3, and LS is the laser speckle pattern (la) projected on the screen 4.
ser specklegram).
【００１５】レーザー発振器１であるアルゴンイオンレ
ーザー源（Ar-ion laser）は５１５ｎｍのレーザー光を
連続発振することができる。このレーザー光を、光ファ
イバーなどのディフューザー２及び円筒形レンズ３を通
して測定対象の液面下部より照射する。An argon ion laser source (Ar-ion laser) as the laser oscillator 1 can continuously oscillate a laser beam of 515 nm. The laser light is emitted from the lower part of the liquid surface of the measurement object through a diffuser 2 such as an optical fiber and a cylindrical lens 3.
【００１６】ディフューザー２を通過したレーザー光は
内部の多重散乱や微小欠陥によりランダムなスペックル
ノイズを含んだレーザー光となる。スペックル（speckl
e）とは、あらい表面や不均質な媒質をレーザーのよう
な非常に干渉性のよい光で照射してその散乱光を観測す
るとき，光の強度分布がランダムになり表面や媒質が粒
状の外見を呈する現象である。ディフューザー２とし
て、光ファイバを用いることができる。The laser beam that has passed through the diffuser 2 becomes a laser beam containing random speckle noise due to internal multiple scattering and minute defects. Speckl
e) When irradiating a rough surface or an inhomogeneous medium with very coherent light such as a laser and observing the scattered light, the light intensity distribution becomes random and the surface or medium becomes granular. It is a phenomenon that has the appearance. An optical fiber can be used as the diffuser 2.
【００１７】ディフューザー２から照射されたレーザー
光は円錐状に広がっていくため、円筒形レンズ３により
直径１００ｍｍ程度の円筒形レーザー光に変換し、液面
上部に設置した半透明のスクリーン４に投影する。ここ
で、円筒形レンズ３を通して平行光線に変換するのは、
後述するスペックルパターンの移動量を局所的な液面へ
の傾きへと変換する処理（式）が簡単になるからであ
る。Since the laser light emitted from the diffuser 2 spreads conically, it is converted into a cylindrical laser light having a diameter of about 100 mm by the cylindrical lens 3 and projected on a translucent screen 4 installed above the liquid surface. I do. Here, the conversion into parallel rays through the cylindrical lens 3 is as follows.
This is because a process (formula) for converting a movement amount of a speckle pattern described later into a local inclination to a liquid surface is simplified.
【００１８】スクリーン４にはレーザーのスペックルパ
ターン（ＬＳ）が映し出され、これをスクリーン上部に
設置したデジタルビデオカメラや写真機５により撮影す
る。A laser speckle pattern (LS) is projected on the screen 4 and photographed by a digital video camera or a camera 5 installed on the upper part of the screen.
【００１９】スペックルパターン（ＬＳ）について簡単
に説明する。液面が静止した状態でのスペックルパター
ンには、通常のスペックルパターンと同様に白い斑点が
全域にわたりランダムに存在する。これに対して液面が
波立っているとき、スペックルパターン（斑点）が液面
の状態に応じて変異し、全域にわたり一様に存在するの
ではなく、粗い部分と密の部分が存在するようになる。
これら２つの画像のスペックルパターン（斑点）の変移
を追うことによって、液面の傾きを局所的に算出するこ
とができる。The speckle pattern (LS) will be described briefly. In a speckle pattern in a state where the liquid surface is at rest, white spots are present at random over the entire area as in a normal speckle pattern. On the other hand, when the liquid surface is wavy, the speckle pattern (speckles) varies according to the state of the liquid surface, and there is not a uniform part over the whole area but a rough part and a dense part. Become like
By following the transition of the speckle pattern (spot) of these two images, the inclination of the liquid level can be locally calculated.
【００２０】上記したスペックルパターンの移動量は簡
単な線形解析により局所的な液面への傾きへと変換する
ことができる。図２はこのスペックルの移動量δと液面
の傾きθの関係を簡単に示したものである。液面Ｓとス
クリーン４との距離をＬ、液体の屈折率をｎ、スペック
ルの移動量をδ、その点での液面の傾きをθとすると、
次式のような関係式が導かれる。 θ＝δ／（ｎ−１）ＬThe movement amount of the speckle pattern described above can be converted into a local inclination to the liquid surface by a simple linear analysis. FIG. 2 simply shows the relationship between the movement amount δ of the speckle and the inclination θ of the liquid surface. When the distance between the liquid surface S and the screen 4 is L, the refractive index of the liquid is n, the moving amount of speckle is δ, and the inclination of the liquid surface at that point is θ,
The following relational expression is derived. θ = δ / (n−1) L
【００２１】スペックルパターンの移動量の算出には、
ＰＩＶ（粒子画像流速測定法）で良く用いられている相
互相関法を適用する。相互相関法とは、2枚の画像間の
パターンマッチングを行う手法のひとつ。具体的には、
画像Aと画像Bがあると仮定したとき、画像Aの一部を切
り出して、それと似たパターンが画像Bのどこにあるか
を探す手法である。切り出した画像Aの一部と、画像Bの
任意の同サイズの画像との相互相関係数を算出し、この
相関係数が最大となる位置を取得することで、パターン
マッチングを行う手法である。To calculate the movement amount of the speckle pattern,
The cross-correlation method often used in PIV (particle image flow velocity measurement method) is applied. The cross-correlation method is a method of performing pattern matching between two images. In particular,
Assuming that there is an image A and an image B, this is a method of extracting a part of the image A and searching for a similar pattern in the image B. This is a method of performing a pattern matching by calculating a cross-correlation coefficient between a part of the extracted image A and an image of the same size of the image B and obtaining a position where the correlation coefficient is maximum. .
【００２２】静止画像、液面が乱れているときの画像と
の間で相互相関法ＰＩＶを適用することで、両画像間の
スペックルノイズのパターンマッチングを行い、スペッ
クルの移動量を算出することができる。なお、相互相関
値を補間することにより、サブピクセル精度の移動量
（ベクトル）を算出している。図３は相互相関ＰＩＶに
よって得られたスペックルの移動ベクトルの観測例であ
る。図中、多数の矢印（移動ベクトル）が存在するが、
これらのそれぞれがその位置のスペックルの移動量及び
その方向を示す。By applying the cross-correlation method PIV to a still image and an image when the liquid level is disturbed, pattern matching of speckle noise between the two images is performed, and the movement amount of the speckle is calculated. be able to. The movement amount (vector) with sub-pixel accuracy is calculated by interpolating the cross-correlation value. FIG. 3 is an example of observation of a speckle movement vector obtained by the cross-correlation PIV. In the figure, there are many arrows (movement vectors),
Each of these indicates the amount of speckle movement at that position and its direction.
【００２３】図３の多数の２次元ベクトルδそれぞれに
ついて、上記式 θ＝δ／（ｎ−１）Ｌ を適用するこ
とで、液面上の任意の点での傾きを求めることができ
る。次に、ここで算出された液面での局所的な傾きの分
布を用いて、液面形状を再構築する。これら局所的な液
面の傾きは液面の微分値に対応しているため、単純に積
分を行うことによっても液面形状を逆算することができ
る。しかし、計測領域が有限であるために積分に境界値
を与えなければならず、実際の計測においては液面形状
を求めることができない。そこで、ランダム収束法を用
いて液面形状の再構築を行う。ランダム収束法とは次の
ような手法である。任意の曲面の微分値が既知の場合、
積分することで曲面を復元することが可能である。しか
しながら、積分を行う方向によって誤差の積算が終端に
近いほど大きく影響してくるため、正しい曲面を再構築
できない。そこで、まず曲面を平坦な平面と仮定し、乱
数によって任意に選ばれた点での曲面の微分値に合致す
るように、平面を傾ける。これを曲面の変形が収束する
まで繰り返し、曲面の形状を算出する手法である。この
手法はモンテカルロ積分と言える。By applying the above equation θ = δ / (n−1) L to each of the large number of two-dimensional vectors δ in FIG. 3, the inclination at an arbitrary point on the liquid surface can be obtained. Next, the liquid surface shape is reconstructed using the distribution of the local inclination on the liquid surface calculated here. Since these local inclinations of the liquid surface correspond to the differential values of the liquid surface, the liquid surface shape can be calculated backward by simple integration. However, since the measurement area is finite, a boundary value must be given to the integration, and the liquid level shape cannot be obtained in actual measurement. Therefore, the liquid surface shape is reconstructed using the random convergence method. The random convergence method is as follows. If the derivative of any surface is known,
It is possible to restore the surface by integration. However, depending on the direction in which the integration is performed, the error integration has a greater effect as it approaches the end, so that a correct curved surface cannot be reconstructed. Therefore, the curved surface is first assumed to be a flat plane, and the plane is inclined so as to match the differential value of the curved surface at a point arbitrarily selected by random numbers. This is a method of calculating the shape of the curved surface by repeating this until the deformation of the curved surface converges. This method can be called Monte Carlo integration.
【００２４】まず、初期値として液面を液位０の平面と
おく。次に乱数によって任意の点を選択し、この点にお
ける傾きが計測値と一致するように平面の高さを修正す
る。この計測値は、本手法により得られた計測値を意味
する。この計測値は図のθ（液面の勾配）を指す。詳述
すると、スペックルの移動量を算出し、先に示している
θとδとの変換式に従って算出した液面の局所的な傾き
θを指す。First, the liquid level is set to a plane of liquid level 0 as an initial value. Next, an arbitrary point is selected by a random number, and the height of the plane is corrected so that the inclination at this point matches the measured value. This measurement value means a measurement value obtained by the present method. This measurement value indicates θ (gradient of the liquid surface) in the figure. More specifically, it indicates the local tilt θ of the liquid surface calculated by calculating the movement amount of the speckle and calculating according to the above-described conversion equation between θ and δ.
【００２５】このプロセスを繰り返すことによって液面
の高さの分布が正しい値に収束していく。乱数によって
計測領域内の全ての点を同等の確率で修正していくこと
から誤差の累積を少なくすることが可能である。また、
高さの修正は平均高さが０となるように実施することか
ら、得られるデータは領域全体の平均水位からの相対高
さとなる。領域の大きさが波の波長に比べて十分大きい
場合には、領域全体の平均水位は時間によって一定とみ
なすことができるため、得られた相対位高さは絶対高さ
とみなすことができる。By repeating this process, the distribution of the liquid surface height converges to a correct value. Since all points in the measurement area are corrected with equal probability using random numbers, it is possible to reduce the accumulation of errors. Also,
Since the height correction is performed so that the average height becomes 0, the obtained data is a relative height from the average water level of the entire area. When the size of the region is sufficiently larger than the wavelength of the wave, the average water level of the entire region can be regarded as constant with time, and thus the obtained relative height can be regarded as the absolute height.
【００２６】液面形状再構築部６は以上の処理、すなわ
ち（１）スペックルの移動ベクトルを求め、（２）液面
の局所的な傾きを求め、（３）これらから液面形状の再
構築を行う処理を実行する。以上の処理により得られた
液面の再構成例を図４に示す。The liquid surface shape reconstruction unit 6 performs the above processing, that is, (1) obtains a speckle movement vector, (2) obtains a local inclination of the liquid surface, and (3) reconstructs the liquid surface shape from these. Execute the process to perform construction. FIG. 4 shows an example of liquid surface reconstruction obtained by the above processing.
【００２７】図５は本発明の実施の形態１に係る液面計
測装置の構成を示す図である。図１の装置の円筒形レン
ズ３に代えてパラボラミラー８を使用している。円筒形
レンズ３と同様に、パラボラミラー８も、ディフューザ
ー２から照射された円錐状のレーザー光を直径１００ｍ
ｍ程度の円筒形レーザー光に変換し、液面上部に設置し
た半透明のスクリーン４に投影する。この装置は、図１
の装置に比べ液体の深さ方向の大きさを抑えることがで
きる。また、レーザー発振器１及びディフューザー２を
容器の中（液体の中）に入れることも容易である。した
がって、液体の容器が透明でなくレーザー光を透過させ
ないときでも、本発明を適用できる。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of the liquid level measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. A parabolic mirror 8 is used in place of the cylindrical lens 3 of the apparatus shown in FIG. Similarly to the cylindrical lens 3, the parabolic mirror 8 also converts the conical laser beam emitted from the diffuser 2 to a diameter of 100 m.
The laser light is converted into a cylindrical laser light of about m and projected on a translucent screen 4 installed above the liquid surface. This device is shown in FIG.
The size of the liquid in the depth direction can be suppressed as compared with the apparatus of (1). Further, it is easy to put the laser oscillator 1 and the diffuser 2 in a container (in a liquid). Therefore, the present invention can be applied even when the liquid container is not transparent and does not transmit laser light.
【００２８】図５の装置における液面形状再構成の処理
手順は、上述の場合と同様である。図６のフローチャー
トを用いて説明する。 Ｓ１：レーザー光を液面下部より照射し、カメラ５でス
ペックルパターンＬＳを観測する。 Ｓ２：相互相関法により、液面変動を伴う屈折の変化に
よるスペックルパターンの変異を計測し、スペックルの
移動ベクトルを求める。なお、相互相関法は一例であ
り、他の方法を用いて移動ベクトルを求めてもよい。 Ｓ３：スペックルの移動ベクトルに基づき液面の傾きを
求める。具体的には、移動ベクトルそれぞれについて、
式 θ＝δ／（ｎ−１）Ｌ を適用することで、液面上
の任意の点での傾きを求める。 Ｓ４：ランダム収束法により、得られた局所的な液面の
傾きから２次元的な液面形状を求める。なお、ランダム
収束法は一例であり、他の方法を用いて移動ベクトルを
求めてもよい。The procedure for reconstructing the liquid surface shape in the apparatus shown in FIG. 5 is the same as that in the above-described case. This will be described with reference to the flowchart of FIG. S1: A laser beam is irradiated from below the liquid surface, and the speckle pattern LS is observed by the camera 5. S2: The variation of the speckle pattern due to the change in refraction accompanied by the liquid level fluctuation is measured by the cross-correlation method to obtain the speckle movement vector. Note that the cross-correlation method is an example, and the movement vector may be obtained using another method. S3: The inclination of the liquid surface is obtained based on the movement vector of the speckle. Specifically, for each movement vector,
By applying the equation θ = δ / (n−1) L, the inclination at an arbitrary point on the liquid surface is obtained. S4: A two-dimensional liquid surface shape is obtained from the obtained local liquid surface inclination by a random convergence method. Note that the random convergence method is an example, and the movement vector may be obtained using another method.
【００２９】この発明の実施の形態１に係る装置／方法
によれば、定量的な液面の形状変化を精度良く取得する
ことが可能である。この装置／方法は、従来の装置／方
法に比べて簡易な計測手法である。According to the apparatus / method according to the first embodiment of the present invention, it is possible to accurately obtain a quantitative change in the liquid surface shape. This device / method is a simpler measurement method than the conventional device / method.
【００３０】発明の実施の形態２．上記発明の実施の形
態１では、液面下部から平行光を照射していた。これに
対し、発明の実施の形態２では、拡散光を照射する。Embodiment 2 of the Invention In the first embodiment of the present invention, the parallel light is irradiated from below the liquid surface. On the other hand, in Embodiment 2 of the invention, diffused light is applied.
【００３１】図７にこの発明の実施の形態２に係る液面
計測装置の構成を示す。この装置は円筒形レンズ３やパ
ラボラミラー８を備えず、ディフューザー２からの出射
光は直接液面に照射される。この出射光は拡散光である
から、液面の照射領域Ａは、スクリーン４上のスペック
ルパターンＬＳよりも小さい。FIG. 7 shows a configuration of a liquid level measuring apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. This device does not include the cylindrical lens 3 or the parabolic mirror 8, and the light emitted from the diffuser 2 is directly applied to the liquid surface. Since the emitted light is diffuse light, the irradiation area A on the liquid surface is smaller than the speckle pattern LS on the screen 4.
【００３２】この場合、図２の説明図及び前述の傾きを
求める式を利用することができない。以下、この発明の
実施の形態２で用いられる傾きを求める式について図８
を参照しつつ説明する。In this case, it is not possible to use the explanatory diagram of FIG. FIG. 8 shows a formula for calculating the inclination used in the second embodiment of the present invention.
This will be described with reference to FIG.
【００３３】図８（ａ）は液面に傾きがないときの状態
の説明図、図８（ｂ）は液面がθだけ傾いているときの
状態の説明図である。ここで、ディフューザー２から液
面Ｓまでの距離をLw、液面Ｓからスクリーン４までの距
離をLs、照射光の中心（光軸）とスクリーン４が交差す
る点からスペックルまでの距離をδ1、δ2とする（δ1
は液面が静かで平面状態のときの距離、δ2は液面が傾
いたときの距離）。また、ディフューザー２によるレー
ザー光の拡散角をφ、液面の局所的な勾配をθとおき、
気液界面の屈折率をnとおく。ここで、Lw、Ls、nは既知
の値とする。また、拡散角φは画像データの解析から得
られる。以上の場合、図８より幾何学的に液面の勾配量
θを以下のように定式化することができる。 φ＝δ1／（ｎＬs＋Ｌw） θ＝（δ2−ｎＬsφ＋Ｌw）／（１−ｎ）ＬsFIG. 8A is an explanatory view of a state where the liquid level is not inclined, and FIG. 8B is an explanatory view of a state where the liquid level is inclined by θ. Here, the distance from the diffuser 2 to the liquid surface S is Lw, the distance from the liquid surface S to the screen 4 is Ls, and the distance from the point where the center of the irradiation light (optical axis) and the screen 4 intersect to the speckle is δ1. , Δ2 (δ1
Is the distance when the liquid surface is quiet and flat, and δ2 is the distance when the liquid surface is tilted). Also, let φ be the diffusion angle of the laser beam by the diffuser 2 and θ be the local gradient of the liquid surface,
Let n be the refractive index of the gas-liquid interface. Here, Lw, Ls, and n are known values. The diffusion angle φ is obtained from the analysis of the image data. In the above case, the gradient θ of the liquid surface can be geometrically formulated as follows from FIG. φ = δ1 / (nLs + Lw) θ = (δ2-nLsφ + Lw) / (1-n) Ls
【００３４】本発明の実施の形態２では、まず、得られ
た画像からスペックルパターンの距離δ1、δ２を求め
る。得られたδ1を用いて上式より、レーザーの拡散角
φを求めることができる。以下、最終的に液面の局所勾
配量θが計算できる。In the second embodiment of the present invention, first, the distances δ1 and δ2 of the speckle pattern are obtained from the obtained image. Using the obtained δ1, the diffusion angle φ of the laser can be obtained from the above equation. Hereinafter, the local gradient amount θ of the liquid surface can be finally calculated.
【００３５】なお、以上の説明においてもっぱらレーザ
ー光源を用いた場合を示した。しかし、この発明はこれ
に限定されない。例えば、Ｘ線、中性子線、超音波など
も用いることができる。要するに、本発明に用いられる
光源（波源）は、干渉性のよい波動であってスペックル
を生じさせるものであればよい。なお、以上の説明にお
いてスクリーン４を液面の上側、光源１を液面の下側に
設けたが、これらの配置は上下逆でもよい。In the above description, the case where a laser light source is used is shown. However, the present invention is not limited to this. For example, X-rays, neutron beams, ultrasonic waves, and the like can be used. In short, the light source (wave source) used in the present invention may be any wave that has good coherence and generates speckle. In the above description, the screen 4 is provided above the liquid surface and the light source 1 is provided below the liquid surface. However, these arrangements may be reversed.
【００３６】本発明は、以上の実施の形態に限定される
ことなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内
で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内
に包含されるものであることは言うまでもない。The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the appended claims, which are also included in the scope of the present invention. Needless to say, this is done.
【図１】 本発明の実施の形態に係る液面計測装置／方
法の動作原理の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of an operation principle of a liquid level measuring device / method according to an embodiment of the present invention.
【図２】 スペックルの移動量δと液面の傾きθの関係
を簡単に示したものである。FIG. 2 simply shows a relationship between a speckle movement amount δ and a liquid surface inclination θ.
【図３】 スペックルの移動ベクトルの観測例である。FIG. 3 is an example of observation of a speckle movement vector.
【図４】 本発明の実施の形態に係る液面計測装置／方
法により得られた液面の再構成例である。FIG. 4 is an example of a liquid surface reconstruction obtained by the liquid surface measuring device / method according to the embodiment of the present invention.
【図５】 本発明の実施の形態１に係る液面計測装置の
構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of a liquid level measurement device according to the first embodiment of the present invention.
【図６】 本発明の実施の形態に係る液面計測方法の処
理フローチャートである。FIG. 6 is a processing flowchart of a liquid level measuring method according to the embodiment of the present invention.
【図７】 本発明の実施の形態２に係る液面計測装置の
構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram of a liquid level measurement device according to a second embodiment of the present invention.
【図８】 本発明の実施の形態２に係る液面計測装置に
よる、スペックルの移動量δと液面の傾きθの関係を簡
単に示したものである。FIG. 8 simply shows the relationship between the speckle movement amount δ and the liquid surface inclination θ by the liquid level measurement device according to the second embodiment of the present invention.
１ レーザー発振器 ２ ディフューザー ３ 円筒形レンズ ４ スクリーン ５ カメラ ６ 液面形状再構築部 ７ 表示装置 ８ パラボラミラー Ｓ 観測対象である液体の表面（液面） Ａ レーザー光が照射される液面の領域 ＬＳ レーザースペックルパターン Reference Signs List 1 laser oscillator 2 diffuser 3 cylindrical lens 4 screen 5 camera 6 liquid surface shape reconstruction unit 7 display device 8 parabolic mirror S surface of liquid to be observed (liquid surface) A area of liquid surface irradiated with laser light LS Laser speckle pattern
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 班目 春樹 東京都文京区小日向１−16−３ Ｆターム(参考） 2F014 FA02 2F065 AA35 AA54 BB01 BB22 CC00 FF56 GG04 GG05 HH13 HH15 JJ03 JJ09 JJ14 JJ26 LL02 LL08 LL19 QQ14 QQ26 QQ32 QQ38 QQ41 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Haruki Harume 1-16-3 Kohinata Bunkyo-ku, Tokyo F-term (reference) 2F014 FA02 2F065 AA35 AA54 BB01 BB22 CC00 FF56 GG04 GG05 HH13 HH15 JJ03 JJ09 JJ14 JJ26 LL02 LL08 LL08 LL19 QQ14 QQ26 QQ32 QQ38 QQ41
Claims (4)
状に分布するスペックルパターンを発生させる拡散手段
と、 前記拡散手段からの波動を平行波動に変換するととも
に、前記平行波動を測定対象である液面に導くパラボラ
反射手段と、 前記液面を透過した前記並行波動が投影されるスクリー
ンと、 前記スクリーン上のスペックルパターンを撮影する撮像
手段と、 前記撮像手段からの前記スペックルパターンを処理して
前記液面の形状を計測する液面形状再構築部とを備え、 前記液面形状再構築部は、第１の液面状態における第１
スペックルパターンを第２の液面状態における第２スペ
ックルパターンと比較することにより、これらに含まれ
る粒状のスペックルの一部あるいは全部の移動ベクトル
を求め、前記移動ベクトルに基づき液面の局所的な傾き
を求め、これらの傾きに基づき前記液面の形状を再構築
することを特徴とする液面計測装置。1. A wave source for generating a wave with high coherence, a diffusing unit for diffusing a wave from the wave source to generate a speckle pattern in which the intensity distribution of the wave is distributed in a granular manner, A parabolic reflection unit that converts the waves into parallel waves and guides the parallel waves to a liquid surface to be measured, a screen on which the parallel waves transmitted through the liquid surface are projected, and a speckle pattern on the screen. An imaging unit that captures an image, and a liquid surface shape reconstruction unit that processes the speckle pattern from the imaging unit and measures the shape of the liquid surface, wherein the liquid surface shape reconstruction unit includes a first liquid 1st in plane state
By comparing the speckle pattern with the second speckle pattern in the second liquid surface state, a movement vector of some or all of the granular speckles contained therein is obtained, and the localization of the liquid surface is determined based on the movement vector. A liquid level measuring device for determining a characteristic inclination and reconstructing the shape of the liquid level based on the inclinations.
状に分布するスペックルパターンを発生させるととも
に、拡散された前記波動を測定対象である液面に導く拡
散手段と、 前記液面を透過した波動が投影されるスクリーンと、 前記スクリーン上のスペックルパターンを撮影する撮像
手段と、 前記撮像手段からの前記スペックルパターンを処理して
前記液面の形状を計測する液面形状再構築部とを備え、 前記液面形状再構築部は、第１の液面状態における第１
スペックルパターンを第２の液面状態における第２スペ
ックルパターンと比較することにより、これらに含まれ
る粒状のスペックルの一部あるいは全部の移動ベクトル
を求め、拡散された前記波動の拡散角を参照しつつ前記
移動ベクトルに基づき液面の局所的な傾きを求め、これ
らの傾きに基づき前記液面の形状を再構築することを特
徴とする液面計測装置。2. A wave source for generating a wave with high coherence, and a wave from the wave source is diffused to generate a speckle pattern in which the intensity distribution of the wave is distributed in a granular manner, and the diffused wave is measured. A diffusing unit for guiding the liquid surface as an object; a screen on which the wave transmitted through the liquid surface is projected; an imaging unit for photographing a speckle pattern on the screen; and processing the speckle pattern from the imaging unit And a liquid surface shape reconstructing unit for measuring the shape of the liquid surface, wherein the liquid surface shape reconstructing unit comprises a first liquid surface state in a first liquid surface state.
By comparing the speckle pattern with the second speckle pattern in the second liquid surface state, a movement vector of a part or all of the granular speckles contained therein is obtained, and the diffusion angle of the diffused wave is calculated. A liquid level measuring device, wherein a local inclination of a liquid surface is obtained based on the movement vector while referring to the liquid surface, and the shape of the liquid surface is reconstructed based on these inclinations.
と、 前記波動を拡散して前記波動の強度分布が粒状に分布す
るスペックルパターンを発生させるステップと、 拡散された前記波動を測定対象である液面に導くステッ
プと、 前記液面を透過した前記波動を投影してスペックルパタ
ーンを表示するステップと、 第１の液面状態における第１スペックルパターンを観測
するステップと、 第２の液面状態における第２スペックルパターンを観測
するステップと、 前記第１スペックルパターンに含まれる粒状のスペック
ルの一部あるいは全部を、前記第２スペックルパターン
に含まれるスペックルと比較して、前記スペックルの移
動ベクトルを求めるステップと、 拡散された前記波動の拡散角を参照しつつ前記移動ベク
トルを液面の局所的な傾きに変換するステップと、 前記傾きに基づき前記液面の形状を再構築するステップ
とを備える液面計測方法。3. A step of generating a wave having high coherence; a step of generating a speckle pattern in which the intensity of the wave is distributed in a granular manner by diffusing the wave; and a step of measuring the diffused wave by a measurement target. Leading to a certain liquid level; projecting the wave transmitted through the liquid level to display a speckle pattern; observing a first speckle pattern in a first liquid level state; Observing a second speckle pattern in a liquid state, and comparing a part or all of the granular speckles included in the first speckle pattern with speckles included in the second speckle pattern. Obtaining a movement vector of the speckle, and referencing the diffusion angle of the diffused wave to tilt the movement vector locally to the liquid surface. Liquid level measuring method comprising the steps of converting, a step of reconstructing the shape of the liquid surface based on the inclination to.
に変換するステップは、前記波動の拡散点から前記液面
までの距離をＬw、前記液面から前記投影されたスペッ
クルパターンまでの距離をＬs、投影された前記波動の
中心点からスペックルまでの第１の液面状態における距
離をδ1、同じく第２の液面状態における距離をδ2、前
記波動の拡散角をφ、前記液面の内部と外部の境界にお
ける屈折率をｎとしたとき、前記液面の局所的な勾配θ
を φ＝δ1／（ｎＬs＋Ｌw） θ＝（δ2−ｎＬsφ＋Ｌw）／（１−ｎ）Ｌs に基づき求めるステップを含むことを特徴とする請求項
３記載の液面計測方法。4. The method according to claim 1, wherein the step of converting the movement vector into a local inclination of a liquid surface comprises: a distance from a diffusion point of the wave to the liquid surface being Lw, and a distance from the liquid surface to the projected speckle pattern. The distance is Ls, the distance from the center point of the projected wave to the speckle in the first liquid surface state is δ1, the distance in the second liquid surface state is δ2, the diffusion angle of the wave is φ, Assuming that the refractive index at the boundary between the inside and the outside of the surface is n, the local gradient θ of the liquid surface
4. The liquid level measuring method according to claim 3, further comprising the step of obtaining the following equation: φ = δ1 / (nLs + Lw) θ = (δ2-nLsφ + Lw) / (1-n) Ls.
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