JP2004361291A - Droplet state measuring device and state measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、3次元空間に存在する液滴や気泡等の小滴の状態を計測するための装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
3次元空間に存在する液滴や気泡等の小滴の状態を計測するための装置が多くの分野において求められている。
【0003】
例えば、内燃機関の燃焼によって排出される排気ガスに含まれるCO2 やNoxの低減のためには燃焼状態を制御する必要がある。噴霧された燃料の分布あるいは拡散状態の適正な評価は、内燃機関用の燃料噴射ノズルの開発に大きく貢献する。そのほか、ネブライザ、加湿器等の噴霧特性の評価や、特定の薬品等から立ち昇る蒸気の分布や径の計測、ビールやワインの気泡の挙動の観察など、3次元空間に存在する小滴の分布や径を精度よく測定したいというニーズは大きい。
【0004】
特許文献1(特開平10−90157号公報)には、レーザ回折法を用いた測定装置の例が開示されている。この装置の測定原理は、噴霧空間内にレーザ発信部とその受光部とを臨ませ、噴霧空間を透過したレーザビームを受光部で受け取ることにより噴霧空間における散乱強度分布や透過率を検出するというものである。一般的には、散乱強度分布を噴霧の粒径分布のモデルに適応させ、噴霧の粒径分布と代表粒径を算出する。粒径分布が算出されると、粒子群の減衰断面積が演算され、測定された透過率から光束中の体積濃度の平均値が推定される。
【0005】
また、従来、LDV(レーザドップラー流速法)、位相法LDV、PDPA(位相ドップラ粒子分析法)等と呼ばれる方法により、3次元空間中の位置を特定して複数の粒子を同時に測定する手法が提案されている。この測定法の基本原理は、空中に2本のレーザビームを「交差させて」空間的な干渉縞を形成すると共に、その干渉縞を横切る小滴から散乱される光を異なる複数の点から同じ測定体積を観測し、測定信号の位相差から小滴の径を測定するというものである。
【0006】
なお、面的に速度場を得る測定法としては、PIV(粒子画像流速測定法)が知られている。この測定法は、ある大きさの観測領域に分布する小滴群が作る配置パターンが一定時間流れの方向に変わらないという仮定に基づき、複数の小滴群の作るパターンについて相関の強い点を探索することによって移動距離の算出を行うものである。これを3次元化したSPIV(ステレオ粒子画像流速測定法)も知られている。
【0007】
一方、近年、測定空間にシート状の平行なレーザビーム(放射シート光)を照射し、そのレーザビームが当たった小滴に関し、液滴表面での反射光と一次屈折光との干渉によって焦点外れ像内に発生する干渉縞を解析する測定法が開発された。レーザ干渉画像法と称されるこの測定法は、各小滴に対応する円形の焦点外れ像中に干渉縞が存在し、その干渉縞の数と小滴の径との間に一定の関係があることに着目したもので、当該干渉縞の数を測定することにより小滴の径を高精度に測定できる(非特許文献1:SAE Paper No.950457等)。
【0008】
しかしながら、この測定法は、焦点外れ像自体が円形で大きい領域を占めるため、空間内の小滴の分布濃度が高いと焦点外れ像が相互に重なってしまい、各小滴を分離して各々の径を測定することが困難になるという問題があった。
【0009】
この点に関して、特許文献2(特開2002−181515号公報)においては、光学系に工夫を加えることにより、小滴に対応する円形の焦点外れ像間の干渉を抑制し、焦点外れ像の分析を容易化した技術を開示している。この技術は、各小滴に対応する円形の焦点外れ像を、その一方向において圧縮し、他の方向のみの線状画像とすることにより、空間中の小滴の分布濃度が高い場合においても、それぞれの焦点外れ像を相互に分離可能とし、且つ該焦点外れ像中の干渉縞の数を精度よく数えることができるようにしたものである。
【0010】
なお、この特許文献2においては、このほかに、当該線状の焦点外れ像の中心を求めることにより、小滴の中心位置を求める方法や、線状の焦点外れ像をフーリエ変換して周波数を求め、求めた周波数にその焦点外れ像の長さを掛けることにより焦点外れ像中の干渉縞の数を求め、その干渉縞の数に基づいて小滴の径を求めるというより具体的な方法も併せて開示されている。更には、微小間隔をおいて2セットの2次元凍結画像を撮影し、特定の線状の焦点外れ像自体がその2セットの2次元凍結画像間で移動した方向及び距離を相互相関演算により求める方法も開示されている。
【0011】
【特許文献1】
特開平10−90157号公報
【非特許文献1】
SAE Paper No.950457
【特許文献2】
特開2002−181515号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献1に係る測定法は、液滴径の分布は測定できるものの、当該液滴の位置に関する情報を得ることができないという問題がある。そのため、噴霧された液滴がどのような軌跡、あるいは速度にて空間に拡散していくかという情報を得ることはできない。又、噴霧空間内にレーザの発信部と受光部とを臨ませているため、このレーザ発信部及び受光部の存在により噴霧の本来の流れが乱されてしまうという大きな問題も有している。
【0013】
また、前記LDV、位相法LDV、PDPA等と呼ばれる測定法は、レーザビームが交差する(点に近い)極狭い領域の小滴の径を測定するものであるため、その領域外の周囲の空間中の測定を同時に行うことができず、小滴の挙動の空間的な相互関係の把握や乱流のような非定常的な噴霧場の解析が困難だった。また、測定精度も必ずしも十分なものではなかった。
【0014】
一方、前記PIVの範疇に属する測定法は3次元的な速度の分布を知ることができるが、個々の小滴の粒径を計測することができていない。また、もともと個々の小滴の粒径の挙動に着目したものではないため、個々の粒子速度が大きく異なる流れ場を測定する場合には、粒子群の移動量検出が困難となることが考えられる。粒径については、小滴画像の輝度プロフィールから求めるように試みた改良法も提案されているが、概略的な粒径計測結果しか得られていない。また、輝度プロフィールは、粒径の2乗に比例して強くなるため、測定空間中の大径の粒子の速度分布、あるいは平均化された情報として速度や粒径が得られている可能性が高い。小滴の密度が高いと測定のダイナミックレンジが大きく低下するという問題も残されている。
【0015】
レーザ干渉法を改良した特許文献2(特開2002−181515号公報)に係る技術は、焦点外れ像内に発生する干渉縞の解析により各液滴の粒径を高精度に求めることができるため、近年注目されている技術であるが、小滴の位置情報(分布情報)および速度情報が二次元観測場でしか捉えられないという大きな問題がある。
【0016】
一般に、3次元空間に存在する小滴の粒径あるいは分布について検討する場合、2次元での観測だけでは不十分である。とりわけ、乱流中に浮遊する分散小滴の空間濃度は必ずしも一様ではなく、流れ場の空間構造に応じて疎密の偏りが生じ、局所的に高濃度あるいは低濃度の領域が発生することが知られている。そのため、このレーザ干渉法に係る測定は、ときに空間内のある特定の平面上にたまたま存在した局所的な高密度或いは低密度の小滴分布あるいは速度情報を示しているに過ぎないことがあり、その本来の分布状態あるいは速度情報を必ずしも反映していない可能性があると指摘されていた。しかし、焦点外れ像から干渉縞を得るという手法を用いる限り、得られた画像情報から3次元の分布或いは速度を再構築するのは不可能である。
【0017】
また、たとえ焦点外れ像を光学的に処理して線状化し、重なり合う液滴の画像を分離する手法を採用したとしても、1個1個の液滴の像はかなりの長さを有する像として拡大されており、小滴密度によってはやはり像同士がかなり重なってしまう。即ち、小滴密度が高くなると、分布の解像度は相対的に低くならざるを得ない。
【0018】
このように、従来は、3次元空間に存在する液滴や気泡等の小滴の粒径、3次元分布、3次元速度を正確にかつ同時に測定し得る測定法は、未だ開発されておらず、そのためこれらのすべての要素を正確に測定するには、異なる種類の測定法を用いた別々の測定を並列的に行わざるを得ないというのが実情であった。
【0019】
本発明は、このような従来の小滴の状態計測に関する事情を抜本的に改善するためになされたもので、新しい測定原理に基づき、これらの全ての要素を同時にかつ正確に測定することを可能とする小滴の状態計測装置及び状態計測方法を提供することをその課題としている。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明は、3次元空間に存在する液滴や気泡等の小滴の状態を計測するための小滴の状態計測装置において、計測対象となる小滴が存在する空間に対し、薄幅シート状の放射シート光を照射可能なレーザ照射機構と、前記放射シート光内の被測定領域に存在する各小滴に該放射シート光が照射されることによって各小滴毎にそれぞれ2個得られる点状の光の群を、前記放射シート光が照射されている範囲外から合焦点画像で捉える第1のカメラと、前記点状の光の群を、前記放射シート光が照射されている範囲外であって且つ前記第1のカメラと異なる角度から合焦点画像で捉える第2のカメラと、を備え、前記第1、第2のカメラによって捉えられた前記点状の光の群のそれぞれの合焦点画像に基づいて、前記被測定領域内の小滴または小滴群を、それぞれの小滴毎に2個得られる点状の光で構成される輝点対または輝点対群の態様で3次元空間内で同定可能に構成したしたことにより、上記課題を解決したものである。
【0021】
図2に、液滴や気泡等の小滴Pに平行レーザ光LSoが照射されたときの光線軌跡の焦点面P1に対する関係を示す。透明球形の小滴Pに平行レーザ光LSoを照射すると、小滴Pの0次反射および1次屈折(或いは2次屈折)により、焦点面上に輝点の二重像(2個得られる点状の光:輝点対GP)が形成される。図中θはにらみ角(散乱角:後述)である。この輝点対GPは小滴Pの粒径の情報を有している。しかし、実際に測定空間に存在する多数の液滴を撮像した場合、生の画像の状態のままではこれら多数の輝点対GPが撮像面全体に散らばることになり、1個1個の小滴Pの識別は不可能である(図4、図7(a)等参照)。
【0022】
本発明では、(特許文献2に係る技術のようにこの輝点対を敢えて焦点外れ面で撮像して干渉縞を得るという手法ではなく)この輝点対を合焦点像のまま捉えるようにすると共に、各小滴を第1、第2カメラにより異なる角度から捉え、そのステレオ画像(2枚の画像)の比較により、1個1個の小滴を「探索・同定する」という手法を採用した。即ち、本発明では1個1個の小滴自体を探索・同定するための手段としてステレオ画像を利用する。
【0023】
本発明では、ばらばらの状態で無数に散らばる点状の光を、ペア化された2つの点状の光点、即ち「輝点対」という概念の下で同定する。そのため、1個1個の小滴を個別に同定できる。しかも、同定された1個1個の小滴は、それぞれ合焦された輝点対という態様で描写されているため、本来的に粒径の情報を含み、(粒径の大小の如何に関わらず)当該粒径を光学的に正しく反映している。
【0024】
また、合焦された輝点対はほとんど面積を有しないため、たとえ小滴が被測定領域に密に存在していたとしても各小滴同士の描写干渉はほとんど生じない。そのため、カメラ、或いはレンズの解像度次第で、従来測定し得なかったような小径の小滴が高密度に存在するような空間であっても、1個1個の小滴を確実に同定できる。
【0025】
加えて、本発明が優れているのは、この第1、第2カメラによって異なる角度から捉えられた2枚の合焦点画像は、1個1個の小滴の同定作業に寄与するだけでなく、当該同定の時点で各小滴の被測定領域内での3次元分布(3次元における位置)に関する情報をも同時に含んでいるということである。即ち、本発明に係る2つの画像面上に存在する各小滴の輝点対に関する解析は、被測定領域内における各小滴の3次元分布状態の把握を同時に可能にする。
【0026】
また、本発明では、1個1個の小滴が輝点対という態様で特定できるため、第1、第2カメラによって特定の時刻の状態と、それから微小時間経過後の状態とをそれぞれ撮像することにより、第1、第2カメラによって捉えられる各々の画像面上における各小滴の移動情報を得ることができる。したがって両者の相互関係により、1個1個の小滴の3次元の移動軌跡や速度情報を算出することも可能となる。
【0027】
即ち、本発明では、従来は不可能だった各小滴の粒径、3次元分布(3次元位置情報)、及び3次元移動軌跡や3次元速度(3次元ベクトル情報)の同時取得が可能である。
【0028】
ところで、本発明は、このように原理的に被測定領域に存在する全ての小滴を同定し得る「可能性」を有しており、結果として全小滴について粒径、3次元における分布(3次元での位置情報)、さらには3次元における速度分布の測定ができる。しかしながら、本発明は実際の測定に当たって必ずしも被測定領域に存在する全ての小滴を個々の小滴単位で同定することを要求するものではなく、目的に応じた数あるいは態様の同定を行うだけで十分な場合もある。
【0029】
例えば、粒径を求めたいときには、もとより被測定領域中の全ての小滴を同定する必要はない。この場合は、演算範囲や同定の処置数を限定したり、輝点対が特に鮮明に撮影されているもののみ同定する等の条件を付して必要と思われる程度の数のみの同定を行い、当該条件の下で同定された液滴のみについて粒径計測を行うようにすれば足りる。
【0030】
また、3次元分布の測定、あるいは3次元速度分布の測定においても、第1、第2カメラの解像度、あるいはコンピュータの処理能力等の関係で全ての液滴について同定を行うのが困難な場合には、例えば、複数の液滴群によって形成される輝点対群を一つの塊として探索・同定するようにしてもよい。この場合でも、複数の小滴群は3次元での位置が同一で且つ同一の挙動を行うと推定されるグループレベルの小滴群として同定できるため(即ち、本来の位置は異なるが2次元情報として見たが故にたまたま同一の位置に存在すると捉えられたものではないため)位置情報や挙動追跡情報の信頼性が高い。したがって、速度情報を得るために所定時間経過した後の画像を得る場合においても、追跡が容易であり、用途によっては充分な情報が得られる。
【0031】
小滴を一個単位で同定するか、あるいは複数単位で同定するかは、主にカメラの解像度やコンピュータの演算能力、あるいは処理時間やコストとの関係で選択されるべきものであり、本発明はこの点でも目的に応じて柔軟に対応できる。
【0032】
なお、本発明では、小滴の粒径、3次元分布、あるいは3次元移動軌跡や3次元速度等のいずれをも同時に測定し得る「可能性」を有しているが、実際の実施に当たっては、必ずしもこれらの測定を全て同時に行う必要はなく、目的に応じ、このうちいずれかの測定項目のみを演算し、不要な演算を省略してもよいのは言うまでもない。
【0033】
本発明にはさまざまなバリエーションが考えられる。
【0034】
例えば、前記放射シート光が小滴に照射されて得られる2個の点状の光としては、当該小滴の0次反射光と一次屈折光を選択するようにすると、各小滴において明るく明快な輝点対を得ることができる。換言するならば、本発明は、例えば小滴の2次屈折光を輝点対を構成する対象として選択することもできる。
【0035】
また、前記小滴の径を計測する場合には、前記輝点対の間隔を自己相関法によって算出するようにするとよい。2点間の距離を自己相関法によって算出する方法自体は公知である。この演算は、例えば干渉縞をフーリエ変換を用いて解析する手法に比べ、演算負担が軽い。
【0036】
また、前記放射シート光の幅方向の深さ(厚さ)が可変とされていると、測定目的に合致した大きさの被測定領域を得ることができる。すなわち、放射シート光の幅方向の深さが深い(厚い)と、測定可能な3次元空間の深さを大きくとることができるため、特に動きの速い乱流など、3次元方向の移動量の大きな小滴を確実に追跡できる。一方、小滴の存在密度が高い場合などでは、撮像される小滴の数(輝点対の数)が多くなり、各輝点対を同定する演算処理の負担が大きくなるだけでなく、誤った同定が行われてしまう確率がそれだけ高くなる。このようなときには放射シート光の幅方向の深さを浅くすると、撮像される輝点対の数を減少できる。放射シート光の幅方向の深さが可変とされていると、目的に応じたこのような調整を簡易に行うことができる。
【0037】
また、前記第1、第2カメラのそれぞれの光軸が前記放射シート光のシート平面と直角以外の交差角度(にらみ角とステレオ角:後に詳述)で交差するように配置するとよい。
【0038】
一般に、0次反射光、一次屈折光、あるいは二次屈折光は、その得られる輝度が異なる。カメラの光軸が放射シート光のシート平面と直角以外の角度で交差するように「にらみ角」を有して第1、第2のカメラを配置すると、その差を縮小できる。その結果小滴の同定をより確実に行うことができるようになる。
【0039】
なお、この場合に、当該にらみ角が可変とされていると、被測定対象の透明度や屈折率などの特性に応じて、最も鮮明に輝点対が得られるようなカメラ配置に容易に調整することができるようになり、設定の自由度を高めることができる。
【0040】
また、前記第1、第2カメラのそれぞれの光軸同士のなす角(ステレオ角)が可変とされていると、被測定領域の3次元空間における放射シート面方向の解像度と深さ(幅)方向の解像度の調整を容易に行うことができるようになる。
【0041】
また、前記第1、第2カメラの前記被測定領域に対する距離が可変とされていると、被測定対象の動き等を勘案して撮像可能空間の大きさを容易に変更することができるようになる。
【0042】
また、前記第1、第2カメラによって撮像される被測定領域が小滴が存在する空間内の任意の位置に設定可能とされていると、被測定領域をトレースすることにより、小滴の存在する全3次元空間の測定を行うことができる。
【0043】
ところで、本発明においては、第1、第2のカメラによってそれぞれ撮影された合焦点画像に基づいて被測定領域内の各小滴を同定することをその基本構成としているが、本発明は、これらの2つのカメラ以外のカメラの設置を禁止するものではなく、用途、あるいは目的に応じて適宜他のカメラを併設するようにしてもよい。
【0044】
例えば、前記第1、第2のカメラのほかに、更に、前記点状の光の群を、放射シート光が照射されている範囲外であって且つ第1、第2のカメラのいずれとも異なる角度から合焦点画像で捉えるチェックカメラを備え、第1、第2のカメラに加え、このチェックカメラによって捉えられた合焦点画像をも参照して、被測定領域内の小滴(または小滴群)を同定できるようにした場合には、各小滴の同定を一層正確に行うことができるようになり、また、3次元空間における小滴の位置の把握もそれだけ正確に行うことができるようになる。
【0045】
なお、このチェックカメラは、当該チェックカメラによって撮像された合焦点画像を第1、第2のカメラによって撮像された合焦点画像と対等に扱い、3つのカメラによって得られた数値を平均化するような態様で利用してもよく、また、第1、第2カメラの相関に疑問が生じたときにのみ参照するような態様で利用してもよい。
【0046】
このチェックカメラは、第1、第2のカメラの光軸を含むカメラ平面内に自身の光軸を有し、且つ、第1、第2カメラの中央に相当する位置に設置されるようにすると一層良好である。一般に、輝点対を明確に捉えるという機能のみに着目した場合、放射シート光に対してステレオ角0度に相当する位置でカメラを設置するのが最も好ましい。そのため、ステレオ角0度における小滴の合焦点画像が別途存在すると、誤った同定が行われる確率を低減できるだけでなく、輝点対が明確に捉えられている分、例えばその間隔を求めるための自己相関法による演算においてもそのピークが判明しやすくなるため、より正確に小滴の粒径を演算することができる場合がある。
【0047】
更に、前記第1、第2のカメラのほかに、該第1、第2のカメラのセットと同様の構成を有する一対、あるいは2対以上のカメラセットを併設するようにしてもよい。例えば、同一のにらみ角で、ステレオ角の小さな第1、第2のカメラのセットと、ステレオ角の大きな第3、第4のカメラのセットを組み合わせると、第1、第2カメラのセットによって、特に放射シート光のシート面に平行な方向において高い解像度を有する輝点対画像が得られ、第3、第4のカメラのセットによって放射シート光の幅方向において高い解像度を有する輝点対画像が得られる。この結果、一対のみのカメラセットを備える場合に比べ、3次元のあらゆる方向について、非常に高い精度で小滴の同定及び位置分布の確定が行えるようになる。
【0048】
また、例えば、第1、第2のカメラセットの被測定領域と第3、第4のカメラセットの被測定領域が連続するように設定しておくと、1回の測定で広範囲の小滴の分布あるいは動きを、精度の高い合焦状態で連続して測定あるいは追跡できるようになる。
【0049】
こうした3台以上のカメラによる連携測定は、本発明が輝点対の合焦点画像に基づいた同定解析を行っているが故に、その発展形として想定し得るものであり、本発明の有する大きな潜在的可能性を示すものと言える。
【0050】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0051】
図1は本発明の測定の基本原理を説明するための概念構成図である。
【0052】
この実施形態における計測対象は、スワールノズルNより下方に向けて噴霧される液滴(小滴)である。便宜上、放射シート光LSが放射されていく水平方向をX方向、鉛直方向(スワールノズルNの中心軸の延在する方向)をY方向、X方向及びY方向の双方と垂直な水平方向(放射シート光LSの幅方向)をZ方向と定義する。各方向の原点はスワールノズルNの噴射口である。
【0053】
図1を参照して、状態計測装置10は、レーザ照射機構12、第1カメラ14、第2カメラ16、及びコンピュータ(演算手段:図示略)を主な構成要素として備える。
【0054】
前記レーザ照射機構12は、液滴が存在する3次元空間に対し、光源12Aから薄幅(厚さW)のシート状の放射シート光LSを照射するもので、これ自体は公知のものである。
【0055】
放射シート光LSは、レーザ照射機構12の光源12Aを基点とし、X方向の水平線x0を中心に鉛直面内(X−Y面内)において上下対称に拡開する扇状の光である。この放射シート光LSのZ方向の厚さWがそのままこの実施形態における被測定領域Sの実質的なZ方向の深さとなる。即ち、この厚さWを大きく設定すると、被測定領域SのZ方向の深さを大きくできる。逆に、この厚さWを小さく設定すると、放射シート光LSの照射される液滴の数が少なくなるため、各液滴同士の干渉の少ない(同定のし易い)画像を得ることができる。従って、定性的には液滴の動きが大きい場合は、厚さWを大きく取って深い被測定領域Sを確保し、液滴の存在密度が高い場合には、放射シート光LSの厚さWを小さめにして撮像される液滴数を抑えるようにするとより望ましい測定結果が得られる。
【0056】
なお、被測定領域SのX方向及びY方向の境界は、第1、第2カメラのそれぞれの撮影領域の重なった部分として確定される。
【0057】
被測定領域Sに存在する各液滴に放射シート光が照射されると、前述したように、各液滴毎にそれぞれ0次反射光、及び1次屈折光の2個の点状の光(輝点対)が得られる(図2参照)。
【0058】
第1カメラ14は、各液滴に該放射シート光LSが照射されることによって各液滴毎にそれぞれ得られる輝点対の群を、合焦点画像で捉えられるように、放射シート光LSが照射されている範囲外に配置される。一方、第2カメラ16は、同じこの輝点対の群を、放射シート光LSが照射されている範囲外であって且つ第1カメラと異なる角度から合焦点画像で捉えるように配置される。2台のカメラ14、16はCCDカメラであり、いわゆるステレオPIV配列にて配置される。
【0059】
より具体的に説明すると、第1、第2カメラ14、16のそれぞれの光軸14A、16Aは、それぞれX−Z平面内において放射シート光LSのシート平面と直角以外の角度θで交差している。この交差角度θをここでは「にらみ角」と称す。にらみ角θが90度以外の角度に設定されているのは、0次反射光と一次屈折光の輝度の差をできるだけ縮小し、両者がほぼ同等の輝度を有するようにするためである。にらみ角θは、液滴の透明度や屈折率などの特性に応じて、最適値が異なってくるため、可変とされているのが望ましい。
【0060】
また、前記第1、第2カメラ14、16のそれぞれの光軸14A、16Aのなす角αも可変である。この角αをここでは「ステレオ角」と称す。ステレオ角αの設定(より具体的にはその1/2に相当する水平面からの傾斜角α/2の設定)は、被測定領域Sの3次元空間での液滴の同定に関し、放射シート光LSのシート面方向(X−Y方向)の解像度と深さ方向(Z方向)の解像度の調整に影響する。ステレオ角αを小さく設定すると、シート面方向の解像度を高めることができ、ステレオ角αを大きく設定すると、深さ方向(Z方向)の解像度を高めることができる。
【0061】
第1、第2カメラ14、16の被測定領域Sに対する距離d1、d2(d1=d2)も可変とされている。これは被測定対象の動き等を勘案して撮像可能空間の大きさを容易に変更することができるようにするためである。
【0062】
なお、第1、第2カメラ14、16のそれぞれの光軸14A、16Aを含むカメラ平面は、放射シート光LSが広がっている方向に対応する座標軸(この実施形態ではY方向の座標軸)とは平行である。第1、第2カメラ14、16は、放射シート光LSに対して対称に対峙しており、それぞれ同一のにらみ角θ及び同一の水平面からの傾斜角(ステレオ角αの1/2に相当)を有し、被測定領域Sに対する距離d1、d2もそれぞれ同一である。
【0063】
以上の構成より、第1、第2カメラ14、16は、その被測定領域Sが放射シート光LS内の任意の位置に設定可能である。従って、例えば後述するように液滴の存在する空間に対する放射シート光LSの照射方向自体を可変とすると共に、当該被測定領域Sをトレースするように測定を繰り返すことにより、結果として液滴の存在する全3次元空間において小滴の状態を測定できる。
【0064】
図3に、ノズルから噴出する噴霧の瞬間画像及び被測定領域S(A、B)の例を示す。被測定領域A、Bの中心は、スワールノズルNの噴射口Naの中心から見て、それぞれX方向に20mm、Y方向に50mm、及び、X方向に35mm、Y方向に70mmの位置にある。
【0065】
図4(a)(b)に、被測定領域Bの焦点面における噴霧を視覚化した画像および液滴の輝点対のサンプルを示す。これらの画像は、被測定領域Bについて立体構成した第1、第2カメラ14、16で記録されたものである。
【0066】
図5(a)(b)に、ある輝点対およびその画像の自己相関関数パターンを示す。相関値の0次ピークと1次ピークとの間隔は、輝点対の間隔Lに相当する。輝点対の間隔が分かると公知の(1)式に基づいて液滴の粒径を算出することができる。
【0067】
【数1】
【0068】
ここで、θはにらみ角、mは液滴の屈折率である。
【0069】
実際にこの液滴の粒径を、(1)式から求めたところ153.5[μm]であった。
【0070】
被測定領域A内において同定された個々の液滴の粒径を測定した結果の分析例を図6に示す。図6では、被測定領域A内の個々の液滴の粒径に対する液滴数のヒストグラムが示されている。この図6から、被測定領域Aにおいては、液滴の直径が増加するとともに液滴数が減少することが分かる。最大液滴数は、液滴直径=60[μm]において記録されている。
【0071】
同様な測定及び分析を被測定領域B以内の液滴についても行えば、被測定領域A、B間の液滴の粒径に対する液滴数の違いが明確化される。
【0072】
一方、被測定領域A、B内において同定された個々の液滴は、本実施形態の構成上そのまま3次元の位置情報を内在している。この位置情報は、噴射口から噴霧された液滴の3次元分布(個々の液滴の3次元の位置情報)にほかならない。もちろん、得られた3次元分布の情報を、更にどのように分析するかは、もとより限定されるものではなく、さまざまな手法の分析が可能である。上記分析例もその一例と言える。
【0073】
更に、第1、第2カメラ14、16によって撮影された映像を、所定の時間間隔で2セット以上入手した場合、各々の時点における各液滴の3次元空間における動きに関する情報を得ることができ、個々の液滴の移動軌跡を把握することができる。また、撮影の時間間隔と移動距離との関係から個々の液滴の3次元の速度分布を得ることもできる。
【0074】
図7(a)に、被測定領域Aにおける生の画像を、図7(b)に速度分布に関する分析を行った後のパターン例をそれぞれ示す。この例では、被測定領域Aにおいて複数個の液滴をまとめて同定し、当該複数個の液滴群に対応する輝点対群の速度分布を求めている。なお、ここでは、X−Y方向の速度分布のみが示されており、Z方向の速度分布は描かれていない。実際の測定ではZ方向の速度分布は、カラーのレイヤー表示で表現される。
【0075】
前述したように、本発明は、第1、第2カメラ14、16によって撮像された二枚の画像を基にして一個一個の液滴を個別に同定できるが、このように複数の液滴群をまとめて同定しても、相応の効果が得られる。どの程度の大きさの液滴群を纏めて捉えるかは、コスト、処理時間等を考慮して設定すればよい。
【0076】
ところで、本発明では、被測定領域S内の各液滴を異なる角度から撮影した画像に基づいて同定する。そのため、撮影するカメラの台数を増やすことによって、様々な付加的な効果を得ることができるようになる。
【0077】
図8に第1、第2カメラ14、16のほかに更に別のカメラを併設した実施形態の例を示す。図8の(a)においては、前記第1、第2のカメラ14、16のほかに、更に、センタカメラ(チェックカメラ)30を備えた例が示されている。このセンタカメラ30は、第1、第2のカメラ14、16のカメラ平面上において第1、第2カメラ14、16が放射シート光LSに対して有しているそれぞれの角度の中間に相当する角度、すなわちステレオ角0度に相当する角度に設置されている。
【0078】
この構成により、第1、第2のカメラに加え、センタカメラ30によって捉えられた合焦点画像をも参照して、被測定領域S内の各小滴を輝点対の態様で同定できるようになる。その結果、各小滴の同定を一層誤りなく正確に行うことができるようになり、粒径測定も3次元空間における小滴の位置の把握もそれだけ正確に行うことができるようになる。
【0079】
例えば粒径測定の場合に、第1、第2カメラ14、16によって特定の小滴が存在すると推定された空間に、センタカメラ30も同一の輝点対画像をとらえていた場合に限り、その点状の2個の光点が確かに存在するある小滴の輝点対であるとして、粒径測定に利用できるようにソフトを構成すれば、誤って同定された輝点対をベースに粒径測定を行ってしまうのを防止できる。
【0080】
このセンタカメラ30は、当該センタカメラ30によって撮像された合焦点画像を第1、第2のカメラによって撮像された合焦点画像と対等に扱い、3つのカメラによって得られた数値を平均化するような態様で利用してもよく、また、第1、第2カメラ14、16の相関に疑問が生じたときにのみ参照するような態様で利用してもよい。
【0081】
また、前述したように、センタカメラ30によって捉えられ合焦点画像は、ステレオ角0度における画像であるため、輝点対がより明確に捉えられている可能性が高いため、粒径測定に関しては、このセンタカメラ30によって捉えられた輝点対をベースに測定するように構成してもよい。
【0082】
一方、図8(b)には、第1、第2のカメラ14、16のほかに、該第1、第2のカメラセットと同様の構成を有する第3、第4のカメラ26、28からなるカメラセットを同一のカメラ平面に併設するようにしている。この例では、同一のにらみ角θで、第1、第2カメラ14、16セットのステレオ角α1を小さめ(より零に近い値)に設定し、一方第3、第4カメラ26、28のセットのステレオ角α2を大きめ(より180°に近い値)に設定している。この結果、第1、第2カメラ14、16のセットによって、特に放射シート光LSのシート面に平行な方向(X−Y方向)において高い解像度を有する輝点対画像が得られ、第3、第4のカメラ26、28のセットによって放射シート光LSの幅方向(Z方向)において高い解像度を有する輝点対画像が得られる。この結果、一対のみのカメラセットを備える場合に比べ、3次元のあらゆる方向について、非常に高い精度で小滴の同定及び位置分布の確定が行えるようになる。
【0083】
なお、このように、第3、第4のカメラセットを併設する場合、第1、第2のカメラセットの被測定領域と第3、第4のカメラセットの被測定領域が連続するように設置することも可能である。このように設置すると、動きの速い液滴でも1回の測定で画面から外れることなく連続して測定あるいは追跡できるようになる。
【0084】
こうした3台以上のカメラによる連携測定の例は多々考えられる。追加するカメラの使用例は上記例に限定されない。
【0085】
最後に、本発明を実際に実施する際に使用する具体的な装置の構成例について簡単に説明する。
【0086】
図9は本状態計測装置10の全体概略正面図、図10はその斜視図、図11はカメラ設置機構の全体概略図斜視図、図12はその要部拡大斜視図である。なお、理解を容易にするために、これまで説明してきた部材と同様の機能を有する部材については、同一の符号をそのまま使用している。
【0087】
この状態計測装置10は、スワールノズルNから噴霧される液滴の拡散状態を計測するためのもので、レーザ照射機構12、第1カメラ14、第2カメラ16、及びコンピュータ(演算手段)18a、18bを主な構成要素として備える。
【0088】
前記レーザ照射機構12は、液滴が存在する3次元空間に対し、薄幅(厚さW)のシート状の放射シート光LSを照射するもので、この実施形態では、ダブルパルスNd:YAGレーザ(λ=532nm、最大出力50mJ/パルス)が使用されている。
【0089】
放射シート光LSの厚さWは、この実施形態では1mmに設定されている。
【0090】
図11、図12を参照して、第1、第2カメラ14、16設置するためのカメラ設置機構CSは、レーザ照射機構12ごと水平面内(X−Z面内)で回転可能なターンテーブル31上に配置されており、ベース体32、L字アングル34、および支持アーム36、37から主に構成される。ターンテーブル31は、上下動も可能である。
【0091】
ベース体32は、放射シート光LSが照射される方向(X方向)に沿ってターンテーブル31上に固定されており、回転台40の固定位置をX方向においてMの範囲で可変とするための溝部42を有する。
【0092】
L字アングル34はこの回転台40上においてX−Z平面内で回転してにらみ角θを調整・設定可能とする。また、L字アングル34はこの回転台40自体がベース体32の溝部42に沿って摺動可能とされていることにより、結果として被測定領域SをX方向に可変とする機能も有する。L字アングル34の立柱34Aには、第1、第2カメラ14、16を支持するための支持アーム36、37がカメラ平面内で回転可能に取付けられている。支持アーム36、37は、これ自体が放射シート光LS(被測定領域S)に対して進退動自在とされており(または第1、第2カメラ14、16が支持アームに対して相対的に摺動可能とされており)、結果として第1、第2カメラ14、16の被測定領域Sに対する距離d1、d2が可変とされ、被測定対象の動き等を勘案して撮像可能空間の大きさを容易に変更することができるようになっている。
【0093】
L字アングル34及び支持アーム36、37の回転角は、それぞれエンコーダ44、45、46によって検出され、現時点でのにらみ角θ及びステレオ角α(傾斜角α/2)が確認できるようになっている。また、必要ならば、この検出値に基づいて図示せぬリニヤモータを用いてにらみ角θ及びステレオ角αの自動設定を行うように構成することもできる。
【0094】
図11から明らかなように、この状態計測装置10においては、光学系の配置関係をそのままに維持しながら、ターンテーブル31を回転或いは上下動させることにより、カメラ支持機構CS全体をスワールノズルNの中心軸(Y軸)を基準にして360度回転させることができ、全方向の状態測定ができるようになっている。
【0095】
なお、手動設定、あるいは自動設定のための初期設定の際には、図13に示されるように、スワールノズルNの装着ヘッド50に取り付けた位置決めバー52に、レーザポインタ53を当て、指定された位置にマーカーが来るように画像を見ながら、被測定領域Sの調整を行う。
【0096】
また、図14に示されるように、回転台40の回転・位置決めは、レーザ光源12Aからレーザポインタ55を放ち、ノズル装着ヘッド50に取り付け角度を調整したミラー57を装着し、照度計56により光度が最も高くなるように調整することにより行う。
【0097】
なお、図9及び図10において、符号74は作業デスク、76は試験流体供給機構をそれぞれ示している。試験流体供給機構76は、流体を送り出すスクリュースピンドルポンプ80、圧力を制御する水圧制御盤82、試験流体回収タンク84、配管86等からなる。また、90符号はレーザ光源12Aに信号を送るパルスジェネレータ、92はレーザ光源12Aに付設されたシリンドリカルレンズをそれぞれ示している。また、符号94は噴霧場の液滴の下方からの影響(巻き返し)の影響を抑制するためのハニカム整流ボードである。
【0098】
第1、第2カメラ14、16は、1008×1016ピクセルのCCDカメラであり、焦点深さはこの例では12.3mm、絞りはf=16である。これにより放射シート光LSの厚さW内において両カメラが合焦点画像を記録するのに十分な被写界深度を得ている。
【0099】
この実施形態ではこのにらみ角θは70度に設定されている。可変範囲は50度〜80度である。実用上は65度〜75度程度がにらみ角θの最適範囲となることが多い。
【0100】
また、ステレオ角αは、この例では50度(水平線を境に上下25度の傾斜)とされているが、20度〜60度(水平線を境に上下10度〜30度の傾斜)の範囲で可変である。
【0101】
以上の構成より、第1、第2カメラ14、16は、その被測定領域Sが放射シート光LS内の任意の位置に設定可能である。更に、液滴の存在する空間に対する放射シート光LSの照射方向もターンテーブル31の回転及び上下動により可変とされているため、液滴の存在する空間をトレースするようにして測定を繰り返すことにより、結果として液滴の存在する全範囲における3次元状態を液滴の粒径の測定を含めて実施できる。
【0102】
なお、第1、第2カメラ14、16のほかに別途のカメラを増設する場合においても、同様の構成の支持機構を採用することができる。
【0103】
尤も、本発明においては、第1、第2カメラ支持機構を含めて、具体的にどのような支持機構によって各カメラを支持・設置するかについては、特に限定されない。
【0104】
【発明の効果】
本発明によれば、3次元空間に存在する液滴や気泡等の小滴の粒径、3次元における分布状態、及び3次元における速度分布を同時にかつ正確に測定することができるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の測定の基本原理を説明するための概念構成図
【図2】液滴の結像における光線軌跡の焦点面に対する関係を示す光学特性図
【図3】ノズルから噴出する噴霧の瞬間画像に被測定領域の表示を挿入した合成図
【図4】被測定領域Bの焦点面における噴霧を視覚化した画像および液滴の輝点対のサンプルを示す撮影図
【図5】ある輝点対およびその画像の自己相関関数のパターン図
【図6】被測定領域A内において同定された個々の液滴粒径を測定した結果の分析例を示すヒストグラム
【図7】(a)は被測定領域Saにおける生の撮影図、(b)は速度分布に関する分析を行った後の速度パターン図
【図8】第1、第2カメラのほかに更に別のカメラを併設した実施形態の例を示す概略斜視図
【図9】本発明の実施形態に係る状態計測装置の具体的構成を示す全体概略正面図
【図10】同斜視図
【図11】カメラ設置機構の全体概略図斜視図
【図12】同要部拡大斜視図
【図13】位置決めバーを用いてカメラ設置機構により被測定領域の設定を行うときの説明図
【図14】にらみ角を調整するときの具体的手法の例の説明図
【符号の説明】
10…状態計測装置
12…レーザ照射機構
14…第1カメラ
16…第2カメラ
18a、18b…コンピュータ(演算手段)
26…第3カメラ
28…第4カメラ
30…センタカメラ
LS…放射シート光
W…放射シート光の厚さ
S(A、B)…被測定領域
θ…にらみ角
α…ステレオ角[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus and a method for measuring a state of a small droplet such as a droplet or a bubble existing in a three-dimensional space.
[0002]
[Prior art]
Devices for measuring the state of small droplets such as liquid droplets and bubbles existing in a three-dimensional space are required in many fields.
[0003]
For example, it is necessary to control the combustion state in order to reduce CO2 and Nox contained in exhaust gas discharged by combustion of an internal combustion engine. Proper evaluation of the distribution or diffusion state of the sprayed fuel greatly contributes to the development of a fuel injection nozzle for an internal combustion engine. In addition, distribution of small droplets existing in three-dimensional space, such as evaluation of spray characteristics of nebulizers, humidifiers, etc., measurement of distribution and diameter of steam rising from specific chemicals, etc., and observation of bubble behavior of beer and wine There is a great need for accurate measurement of diameter and diameter.
[0004]
Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-90157) discloses an example of a measuring apparatus using a laser diffraction method. The measurement principle of this device is that the laser emitting unit and its light receiving unit face the spray space, and the laser beam transmitted through the spray space is received by the light receiving unit to detect the scattering intensity distribution and transmittance in the spray space. Things. Generally, the scattering intensity distribution is adapted to a model of the particle size distribution of the spray, and the particle size distribution and the representative particle size of the spray are calculated. When the particle size distribution is calculated, the attenuation cross section of the particle group is calculated, and the average value of the volume concentration in the luminous flux is estimated from the measured transmittance.
[0005]
Conventionally, a method of specifying a position in a three-dimensional space and simultaneously measuring a plurality of particles by a method called LDV (laser Doppler flow velocity method), phase method LDV, PDPA (phase Doppler particle analysis method) or the like is proposed. Have been. The basic principle of this measurement method is that two laser beams are "crossed" in the air to form a spatial interference fringe, and the light scattered from a droplet traversing the interference fringe is observed at different points. The measurement volume is observed, and the diameter of the droplet is measured from the phase difference of the measurement signal.
[0006]
As a measuring method for obtaining a velocity field in a plane, PIV (particle image flow velocity measuring method) is known. This measurement method is based on the assumption that the arrangement pattern of droplets distributed in an observation area of a certain size does not change in the direction of flow for a certain period of time. By doing so, the movement distance is calculated. A three-dimensional SPIV (stereo particle image flow velocity measurement method) is also known.
[0007]
On the other hand, in recent years, a sheet-shaped parallel laser beam (radiation sheet light) is irradiated to the measurement space, and a small droplet hit by the laser beam is defocused due to interference between reflected light on the droplet surface and primary refracted light. A measurement method has been developed to analyze the interference fringes that occur in the image. This method, called laser interference imaging, involves the presence of interference fringes in the circular defocused image corresponding to each droplet, and a fixed relationship between the number of interference fringes and the diameter of the droplet. Focusing on a certain point, the diameter of the droplet can be measured with high accuracy by measuring the number of the interference fringes (Non-Patent Document 1: SAE Paper No. 950457, etc.).
[0008]
However, in this measurement method, since the out-of-focus image itself occupies a large area in a circular shape, if the distribution density of the droplets in the space is high, the out-of-focus images overlap with each other. There is a problem that it is difficult to measure the diameter.
[0009]
In this regard, in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-181515), by devising an optical system, interference between circular out-of-focus images corresponding to small droplets is suppressed, and the out-of-focus image is analyzed. A technology that facilitates the above is disclosed. This technique compresses the circular defocused image corresponding to each droplet in one direction and makes it a linear image only in the other direction, so that even if the distribution density of droplets in space is high, The out-of-focus images can be separated from each other, and the number of interference fringes in the out-of-focus images can be counted accurately.
[0010]
In addition, in this
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-10-90157
[Non-patent document 1]
SAE Paper No. 950457
[Patent Document 2]
JP-A-2002-181515
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the measuring method according to Patent Document 1 has a problem that although the distribution of the droplet diameter can be measured, information on the position of the droplet cannot be obtained. For this reason, it is not possible to obtain information on what trajectory or speed of the sprayed droplet spreads in space. In addition, since the laser transmitting unit and the light receiving unit are exposed in the spray space, there is a serious problem that the original flow of the spray is disturbed by the presence of the laser transmitting unit and the light receiving unit.
[0013]
Also, since the measuring method called the LDV, the phase method LDV, the PDPA or the like measures the diameter of a small droplet in an extremely narrow region where laser beams intersect (close to a point), a surrounding space outside the region is measured. It was difficult to measure the inside of the droplet at the same time, and it was difficult to understand the spatial relationship between the behavior of the droplets and to analyze the unsteady spray field such as turbulence. Also, the measurement accuracy was not always sufficient.
[0014]
On the other hand, the measuring method belonging to the category of the PIV can know the three-dimensional velocity distribution, but cannot measure the particle size of each droplet. In addition, since it is not originally focused on the behavior of the particle size of individual droplets, it is considered that when measuring a flow field in which individual particle velocities differ greatly, it is difficult to detect the movement amount of the particle group. . With respect to the particle size, an improved method that attempts to obtain the particle size from the brightness profile of the droplet image has been proposed, but only a rough particle size measurement result has been obtained. In addition, since the brightness profile increases in proportion to the square of the particle diameter, there is a possibility that the velocity and the particle diameter are obtained as velocity distribution of large-diameter particles in the measurement space or averaged information. high. The problem still remains that the dynamic range of the measurement is greatly reduced when the density of the droplets is high.
[0015]
The technique according to Patent Literature 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-181515) in which the laser interferometry is improved can accurately determine the particle diameter of each droplet by analyzing interference fringes generated in an out-of-focus image. However, although it is a technique that has been attracting attention in recent years, there is a major problem that positional information (distribution information) and velocity information of a droplet can be captured only in a two-dimensional observation field.
[0016]
Generally, when examining the particle size or distribution of droplets existing in a three-dimensional space, two-dimensional observation alone is not sufficient. In particular, the spatial concentration of dispersed droplets floating in a turbulent flow is not always uniform, and the density of the droplets may be uneven depending on the spatial structure of the flow field, and high or low concentration regions may occur locally. Are known. As a result, measurements based on this laser interferometry sometimes only show local high-density or low-density droplet distribution or velocity information that happened to be on a particular plane in space. It has been pointed out that the original distribution state or speed information may not always be reflected. However, it is impossible to reconstruct a three-dimensional distribution or speed from the obtained image information as long as a technique of obtaining interference fringes from an out-of-focus image is used.
[0017]
Even if an out-of-focus image is optically processed to be linearized and a method of separating overlapping droplet images is adopted, each individual droplet image is considered to be an image having a considerable length. The images are magnified and, depending on the density of the droplets, the images also overlap considerably. That is, as the droplet density increases, the resolution of the distribution must be relatively low.
[0018]
As described above, conventionally, a measurement method capable of accurately and simultaneously measuring the particle diameter, the three-dimensional distribution, and the three-dimensional velocity of small droplets such as droplets and bubbles existing in a three-dimensional space has not yet been developed. Therefore, in order to accurately measure all of these factors, it was a fact that separate measurements using different kinds of measurement methods had to be performed in parallel.
[0019]
The present invention has been made to drastically improve the situation concerning the state measurement of the conventional droplets, and it is possible to simultaneously and accurately measure all of these elements based on a new measurement principle. It is an object of the present invention to provide a droplet state measuring device and a state measuring method.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a droplet state measuring device for measuring the state of a droplet such as a droplet or a bubble existing in a three-dimensional space. A laser irradiation mechanism capable of irradiating the radiation sheet light, and a point that two droplets are obtained for each droplet by irradiating each droplet present in an area to be measured in the radiation sheet light with the radiation sheet light. A first camera that captures a group of light beams in a focused image from outside the range irradiated with the radiation sheet light, and a group of point-like lights outside the range irradiated with the radiation sheet light. And a second camera that captures an in-focus image from a different angle from the first camera, wherein each of the point-like light groups captured by the first and second cameras is combined. Based on the focus image, a droplet or small droplet in the measured area The above problem is solved by configuring the group to be identifiable in a three-dimensional space in the form of a bright point pair or a bright point pair group composed of two point-like lights obtained for each droplet. It was done.
[0021]
FIG. 2 shows the relationship of the ray trajectory to the focal plane P1 when the parallel laser light LSo is irradiated on the small droplet P such as a droplet or a bubble. When the transparent spherical droplet P is irradiated with the parallel laser beam LSo, a double image of a bright spot (two points obtained on the focal plane) is generated on the focal plane due to the zero-order reflection and the first-order refraction (or the second-order refraction) of the droplet P. Light (bright point pair GP) is formed. In the figure, θ is a glare angle (scattering angle: described later). The bright spot pair GP has information on the particle size of the droplet P. However, when a large number of droplets actually present in the measurement space are imaged, the large number of bright spot pairs GP are scattered over the entire imaging surface in the state of a raw image, so that each small droplet is one by one. It is impossible to identify P (see FIGS. 4 and 7A).
[0022]
In the present invention, this bright point pair is captured as an in-focus image (rather than the technique of obtaining an interference fringe by imaging this bright point pair on an out-of-focus surface as in the technique according to Patent Document 2). At the same time, a method of “searching and identifying” each droplet by adopting a method in which each droplet is captured from different angles by the first and second cameras and each stereoscopic image (two images) is compared is adopted. . That is, in the present invention, a stereo image is used as a means for searching for and identifying each individual droplet itself.
[0023]
In the present invention, point-like lights scattered countlessly in a discrete state are identified under the concept of two paired point-like light points, that is, a “bright point pair”. Therefore, each droplet can be individually identified. In addition, since each of the identified small droplets is described in the form of a focused bright spot pair, the droplets inherently contain information on the particle size, and the information (regardless of the size of the particle size). Sr) Optically correctly reflects the particle size.
[0024]
Further, since the focused bright spot pair has almost no area, even if the droplets are densely present in the measured area, the drawing interference between the droplets hardly occurs. Therefore, depending on the resolution of the camera or the lens, even in a space in which small-diameter droplets that cannot be measured conventionally exist in high density, individual droplets can be reliably identified.
[0025]
In addition, the present invention is superior in that the two focused images captured from different angles by the first and second cameras not only contribute to the identification of individual droplets, but also That is, at the time of the identification, information on the three-dimensional distribution (the position in three dimensions) of each droplet in the measured area is also included at the same time. That is, the analysis relating to the bright spot pairs of the respective droplets present on the two image planes according to the present invention enables the three-dimensional distribution state of the respective droplets in the measured area to be simultaneously grasped.
[0026]
Further, in the present invention, since each individual droplet can be specified in the form of a bright point pair, the state at a specific time and the state after a lapse of a short time from the first and second cameras are respectively imaged. Thereby, it is possible to obtain the movement information of each droplet on each image plane captured by the first and second cameras. Therefore, it is also possible to calculate the three-dimensional movement trajectory and speed information of each small droplet by their mutual relationship.
[0027]
That is, according to the present invention, it is possible to simultaneously acquire the particle diameter of each droplet, the three-dimensional distribution (three-dimensional position information), the three-dimensional movement trajectory, and the three-dimensional velocity (three-dimensional vector information), which were conventionally impossible. is there.
[0028]
By the way, the present invention has the “possibility” of being able to identify all the droplets present in the measurement area in principle, and as a result, the particle size and the three-dimensional distribution ( (3D positional information), and further, 3D velocity distribution can be measured. However, the present invention does not necessarily require that all droplets present in the measurement area be identified in individual droplet units in the actual measurement, but merely identifies the number or mode according to the purpose. It may be enough.
[0029]
For example, when it is desired to determine the particle size, it is not necessary to identify all the droplets in the measurement area. In this case, the number of steps that need to be calculated and the number of steps for identification are limited. It suffices to measure the particle size only for the droplets identified under the conditions.
[0030]
Also, in the measurement of the three-dimensional distribution or the three-dimensional velocity distribution, when it is difficult to identify all the droplets due to the resolution of the first and second cameras or the processing capability of the computer. For example, a group of bright spot pairs formed by a plurality of droplet groups may be searched and identified as one lump. Even in this case, the plurality of droplet groups can be identified as a group-level droplet group which is assumed to have the same three-dimensional position and perform the same behavior (that is, the original position is different but the two-dimensional information is different). (It is not considered that they happen to be at the same position because they were viewed as), and the reliability of the position information and the behavior tracking information is high. Therefore, even when an image is obtained after a lapse of a predetermined time in order to obtain speed information, tracking is easy, and sufficient information can be obtained depending on the application.
[0031]
Whether to identify a single droplet or a plurality of droplets is to be selected mainly in relation to the resolution of the camera, the computing power of the computer, or the processing time and cost. In this respect, it is possible to flexibly cope with the purpose.
[0032]
In the present invention, there is a “possibility” that can simultaneously measure any of the droplet diameter, the three-dimensional distribution, the three-dimensional movement trajectory, the three-dimensional velocity, and the like. Needless to say, it is not always necessary to perform all of these measurements at the same time, and only one of the measurement items may be calculated according to the purpose, and unnecessary calculation may be omitted.
[0033]
Various variations are conceivable for the present invention.
[0034]
For example, as the two dot-like lights obtained by irradiating the droplets with the radiation sheet light, the 0-order reflected light and the primary refracted light of the droplet are selected, so that each droplet is bright and clear. Luminescent spot pairs can be obtained. In other words, the present invention can also select, for example, the secondary refracted light of a droplet as an object forming a bright spot pair.
[0035]
When measuring the diameter of the droplet, the interval between the bright spot pairs may be calculated by an autocorrelation method. The method of calculating the distance between two points by the autocorrelation method itself is known. This calculation has a lighter calculation load than a method of analyzing interference fringes using Fourier transform, for example.
[0036]
Further, when the depth (thickness) of the radiation sheet light in the width direction is variable, it is possible to obtain a measurement area having a size that matches the measurement purpose. That is, when the depth of the radiation sheet light in the width direction is deep (thick), the depth of the three-dimensional space that can be measured can be increased. Large droplets can be reliably tracked. On the other hand, when the existence density of droplets is high, the number of droplets to be imaged (the number of pairs of bright spots) increases, which not only increases the load of arithmetic processing for identifying each bright spot pair, but also increases The probability that identification will be performed will increase accordingly. In such a case, if the depth of the radiation sheet light in the width direction is reduced, the number of imaged bright spot pairs can be reduced. If the depth in the width direction of the radiation sheet light is variable, such adjustment according to the purpose can be easily performed.
[0037]
The first and second cameras may be arranged so that their respective optical axes intersect with the sheet plane of the radiation sheet light at an intersection angle other than a right angle (glare angle and stereo angle: detailed later).
[0038]
In general, the 0-order reflected light, the first-order refracted light, or the second-order refracted light has different luminances. If the first and second cameras are arranged with a “glare angle” such that the optical axis of the camera intersects the sheet plane of the radiation sheet light at an angle other than a right angle, the difference can be reduced. As a result, the identification of the droplet can be performed more reliably.
[0039]
In this case, if the glare angle is variable, the camera arrangement is easily adjusted to obtain the clearest bright spot pair according to the characteristics of the measured object, such as the transparency and the refractive index. And the degree of freedom of setting can be increased.
[0040]
If the angle (stereo angle) between the optical axes of the first and second cameras is variable, the resolution and the depth (width) of the measured area in the three-dimensional space in the direction of the radiation sheet surface. It is possible to easily adjust the resolution in the direction.
[0041]
In addition, when the distance between the first and second cameras with respect to the measurement area is variable, the size of the imageable space can be easily changed in consideration of the movement of the measurement object and the like. Become.
[0042]
Further, if the measured area imaged by the first and second cameras can be set at an arbitrary position in the space where the small droplet exists, by tracing the measured area, the existence of the small droplet can be determined. Measurement of the entire three-dimensional space can be performed.
[0043]
By the way, in the present invention, the basic configuration is to identify each droplet in the measured area based on the in-focus images captured by the first and second cameras, respectively. The installation of a camera other than the two cameras is not prohibited, and another camera may be provided as appropriate according to the application or purpose.
[0044]
For example, in addition to the first and second cameras, the point-like light group is further outside the range irradiated with the radiation sheet light and is different from any of the first and second cameras. A check camera that captures an in-focus image from an angle is provided. In addition to the first and second cameras, a reference is made to the in-focus image captured by the check camera, and a droplet (or droplet group) in the measurement area is referred to. ) Can be identified so that each droplet can be more accurately identified, and the position of the droplet in the three-dimensional space can be grasped more accurately. Become.
[0045]
Note that this check camera treats the focused image captured by the check camera as equal to the focused image captured by the first and second cameras, and averages the numerical values obtained by the three cameras. It may be used in such a manner that it is referred to only when a question arises in the correlation between the first and second cameras.
[0046]
This check camera has its own optical axis in a camera plane including the optical axes of the first and second cameras, and is installed at a position corresponding to the center of the first and second cameras. It is even better. In general, when focusing only on the function of clearly capturing a bright point pair, it is most preferable to install a camera at a position corresponding to a stereo angle of 0 degree with respect to the radiation sheet light. Therefore, if a focused image of a small droplet at a stereo angle of 0 degree is separately present, not only can the probability of erroneous identification being reduced be reduced, but also because the bright spot pair is clearly captured, for example, to determine the interval thereof In the calculation by the autocorrelation method, the peak can be easily found, so that the droplet diameter of the droplet can be calculated more accurately in some cases.
[0047]
Further, in addition to the first and second cameras, one or two or more camera sets having the same configuration as the first and second camera sets may be provided. For example, when a set of first and second cameras having the same glancing angle and a small stereo angle and a set of the third and fourth cameras having a large stereo angle are combined, the set of the first and second cameras can be used as follows. In particular, a bright point pair image having a high resolution in the direction parallel to the sheet surface of the radiation sheet light is obtained, and a bright point pair image having a high resolution in the width direction of the radiation sheet light is obtained by the third and fourth sets of cameras. can get. As a result, the identification of the droplet and the determination of the position distribution can be performed with extremely high accuracy in all three-dimensional directions as compared with the case where only a pair of camera sets are provided.
[0048]
In addition, for example, if the measurement area of the first and second camera sets and the measurement area of the third and fourth camera sets are set to be continuous, a wide range of droplets can be measured in one measurement. The distribution or movement can be continuously measured or tracked in a highly accurate focused state.
[0049]
Such linked measurement by three or more cameras can be assumed as an advanced form of the present invention because the present invention performs the identification analysis based on the focused image of the bright spot pair. It can be said that it shows the target possibility.
[0050]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0051]
FIG. 1 is a conceptual configuration diagram for explaining the basic principle of measurement according to the present invention.
[0052]
The measurement target in this embodiment is a droplet (small droplet) sprayed downward from the swirl nozzle N. For convenience, the horizontal direction in which the radiation sheet light LS is emitted is the X direction, the vertical direction (the direction in which the central axis of the swirl nozzle N extends) is the Y direction, and the horizontal direction (radiation) is perpendicular to both the X and Y directions. The width direction of the sheet light LS) is defined as a Z direction. The origin of each direction is the injection port of the swirl nozzle N.
[0053]
With reference to FIG. 1, a
[0054]
The
[0055]
The radiation sheet light LS is a fan-shaped light that expands vertically symmetrically in a vertical plane (within the XY plane) around a horizontal line x0 in the X direction with the
[0056]
Note that the boundaries in the X direction and the Y direction of the measured area S are determined as overlapping portions of the respective imaging areas of the first and second cameras.
[0057]
When the radiation sheet light is applied to each droplet existing in the measurement target area S, as described above, two dot-like lights (0-order reflection light and primary refraction light) are provided for each droplet, respectively. (A bright spot pair) is obtained (see FIG. 2).
[0058]
The
[0059]
More specifically, the
[0060]
The angle α between the
[0061]
The distances d1 and d2 (d1 = d2) of the first and
[0062]
Note that the camera plane including the
[0063]
With the above configuration, the measurement target area S of each of the first and
[0064]
FIG. 3 shows an example of the instantaneous image of the spray ejected from the nozzle and the measured area S (A, B). The centers of the measured areas A and B are located at positions of 20 mm in the X direction, 50 mm in the Y direction, 35 mm in the X direction, and 70 mm in the Y direction, respectively, as viewed from the center of the injection port Na of the swirl nozzle N.
[0065]
FIGS. 4A and 4B show an image in which the spray on the focal plane of the measurement area B is visualized and a sample of the bright spot pair of the droplet. These images are recorded by the first and
[0066]
FIGS. 5A and 5B show a certain bright spot pair and an autocorrelation function pattern of the image. The interval between the 0th-order peak and the 1st-order peak of the correlation value corresponds to the interval L between the bright spot pairs. Knowing the distance between the luminescent spot pairs, the particle diameter of the droplet can be calculated based on the known equation (1).
[0067]
(Equation 1)
[0068]
Here, θ is the glancing angle, and m is the refractive index of the droplet.
[0069]
When the particle diameter of the droplet was actually calculated from the equation (1), it was 153.5 [μm].
[0070]
FIG. 6 shows an analysis example of the result of measuring the particle size of each droplet identified in the measurement target area A. FIG. 6 shows a histogram of the number of droplets with respect to the particle size of each droplet in the measurement target area A. From FIG. 6, it can be seen that in the measurement target area A, the diameter of the droplet increases and the number of droplets decreases. The maximum number of droplets is recorded at a droplet diameter of 60 [μm].
[0071]
If the same measurement and analysis are performed on the droplets within the measurement region B, the difference in the number of droplets with respect to the droplet diameter between the measurement regions A and B is clarified.
[0072]
On the other hand, each of the droplets identified in the measurement areas A and B has three-dimensional position information as it is in the configuration of the present embodiment. This position information is nothing less than the three-dimensional distribution of the droplets sprayed from the ejection port (the three-dimensional position information of each droplet). Of course, how to further analyze the obtained three-dimensional distribution information is not limited to a particular one, and various methods can be analyzed. The above analysis example can be said as one example.
[0073]
Further, when two or more sets of images captured by the first and
[0074]
FIG. 7A shows a raw image in the measurement target area A, and FIG. 7B shows an example of a pattern after the velocity distribution is analyzed. In this example, a plurality of droplets are collectively identified in the measurement target area A, and a velocity distribution of a bright spot pair group corresponding to the plurality of droplet groups is obtained. Here, only the velocity distribution in the X-Y direction is shown, and the velocity distribution in the Z direction is not drawn. In the actual measurement, the velocity distribution in the Z direction is represented by a color layer display.
[0075]
As described above, according to the present invention, each droplet can be individually identified based on two images captured by the first and
[0076]
In the present invention, each droplet in the measurement target area S is identified based on images captured from different angles. Therefore, various additional effects can be obtained by increasing the number of cameras that shoot images.
[0077]
FIG. 8 shows an example of an embodiment in which another camera is provided in addition to the first and
[0078]
With this configuration, each droplet in the measured area S can be identified in the form of a bright point pair with reference to the in-focus image captured by the
[0079]
For example, in the case of particle size measurement, only when the
[0080]
The
[0081]
In addition, as described above, the focused image captured by the
[0082]
On the other hand, in FIG. 8B, in addition to the first and
[0083]
In the case where the third and fourth camera sets are installed side by side, the measurement areas of the first and second camera sets and the measurement areas of the third and fourth camera sets are connected so as to be continuous. It is also possible. With this arrangement, even a fast-moving droplet can be continuously measured or tracked without going off the screen in one measurement.
[0084]
Many examples of such cooperative measurement with three or more cameras are conceivable. The usage example of the camera to be added is not limited to the above example.
[0085]
Finally, a brief description will be given of an example of the configuration of a specific device used when actually implementing the present invention.
[0086]
9 is an overall schematic front view of the present
[0087]
This
[0088]
The
[0089]
The thickness W of the radiation sheet light LS is set to 1 mm in this embodiment.
[0090]
Referring to FIGS. 11 and 12, a camera installation mechanism CS for installing the first and
[0091]
The
[0092]
The L-shaped
[0093]
The rotation angles of the L-shaped
[0094]
As is clear from FIG. 11, in the
[0095]
At the time of initial setting for manual setting or automatic setting, as shown in FIG. 13, a
[0096]
Further, as shown in FIG. 14, the rotation and positioning of the
[0097]
9 and 10,
[0098]
The first and
[0099]
In this embodiment, the glare angle θ is set to 70 degrees. The variable range is 50 degrees to 80 degrees. In practice, about 65 to 75 degrees is often the optimal range of the glare angle θ.
[0100]
In this example, the stereo angle α is set to 50 degrees (inclination of 25 degrees vertically with respect to the horizontal line), but in a range of 20 degrees to 60 degrees (inclination of 10 degrees to 30 degrees with respect to the horizontal line) Is variable.
[0101]
With the above configuration, the measurement target area S of each of the first and
[0102]
It should be noted that a support mechanism having the same configuration can be employed when an additional camera is added in addition to the first and
[0103]
However, in the present invention, there is no particular limitation on what kind of support mechanism, including the first and second camera support mechanisms, specifically supports and installs each camera.
[0104]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to simultaneously and accurately measure the particle size of a small droplet such as a droplet or a bubble existing in a three-dimensional space, a three-dimensional distribution state, and a three-dimensional velocity distribution. Excellent effects can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual configuration diagram for explaining a basic principle of measurement according to the present invention.
FIG. 2 is an optical characteristic diagram showing a relationship between a ray trajectory and a focal plane in image formation of a droplet.
FIG. 3 is a composite diagram in which a display of a measurement target region is inserted into an instantaneous image of a spray ejected from a nozzle.
FIG. 4 is a photograph showing an image visualizing the spray on a focal plane of a measurement area B and a sample of a bright spot pair of a droplet.
FIG. 5 is a pattern diagram of a certain bright spot pair and an autocorrelation function of the image.
FIG. 6 is a histogram showing an analysis example of the result of measuring the particle diameter of each droplet identified in the measurement area A;
7A is a raw photographed image in a measurement target area Sa, and FIG. 7B is a speed pattern diagram after an analysis on a speed distribution is performed;
FIG. 8 is a schematic perspective view showing an example of an embodiment in which another camera is provided in addition to the first and second cameras.
FIG. 9 is an overall schematic front view showing a specific configuration of the state measuring device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view of the same.
FIG. 11 is a schematic perspective view of the entire camera installation mechanism.
FIG. 12 is an enlarged perspective view of the main part.
FIG. 13 is an explanatory diagram when a measurement target area is set by a camera installation mechanism using a positioning bar.
FIG. 14 is an explanatory diagram of an example of a specific method for adjusting a glare angle;
[Explanation of symbols]
10. State measurement device
12 ... Laser irradiation mechanism
14 ... First camera
16 Second camera
18a, 18b ... computer (arithmetic means)
26: Third camera
28: Fourth camera
30 ... Center camera
LS: radiation sheet light
W: Thickness of radiation sheet light
S (A, B) ... area to be measured
θ ... glancing angle
α ... Stereo angle
Claims (14)
計測対象となる小滴が存在する空間に対し、薄幅シート状の放射シート光を照射可能なレーザ照射機構と、
前記放射シート光内の被測定領域に存在する各小滴に該放射シート光が照射されることによって各小滴毎にそれぞれ2個得られる点状の光の群を、前記放射シート光が照射されている範囲外から合焦点画像で捉える第1のカメラと、
前記点状の光の群を、前記放射シート光が照射されている範囲外であって且つ前記第1のカメラと異なる角度から合焦点画像で捉える第2のカメラと、を備え、
前記第1、第2のカメラによって捉えられた前記点状の光の群のそれぞれの合焦点画像に基づいて、前記被測定領域内の小滴または小滴群を、それぞれの小滴毎に2個得られる点状の光で構成される輝点対または輝点対群の態様で3次元空間内で同定可能に構成した
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In a droplet state measuring device for measuring the state of a droplet such as a droplet or a bubble existing in a three-dimensional space,
A laser irradiation mechanism capable of irradiating a thin sheet-shaped radiation sheet light to a space where a droplet to be measured exists;
The radiation sheet light irradiates a group of two point-like lights obtained for each of the droplets by irradiating the radiation sheet light to each droplet present in the measurement area in the radiation sheet light. A first camera that captures in-focus images from outside the range
A second camera that captures the group of point-like lights in a focused image outside a range where the radiation sheet light is irradiated and from a different angle from the first camera,
On the basis of the respective focused images of the point-like light groups captured by the first and second cameras, the droplets or droplet groups in the measurement target area are divided by 2 for each droplet. An apparatus for measuring the state of a small droplet, characterized in that it can be identified in a three-dimensional space in the form of a bright spot pair or a bright spot pair group composed of obtained point lights.
前記第1、第2のカメラによる点状の光の群の撮像画像を、所定の時間間隔で2セット以上取得可能に構成した
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In claim 1,
2. An apparatus for measuring the state of a droplet, wherein two or more sets of images of a group of point lights obtained by the first and second cameras can be acquired at predetermined time intervals.
前記放射シート光が小滴に照射されて得られる2個の点状の光として、当該小滴の0次反射光と一次屈折光が選択されている
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In claim 1 or 2,
A droplet state measuring device, wherein 0-order reflected light and primary refraction light of the droplet are selected as two point-like lights obtained by irradiating the radiation sheet light to the droplet. .
前記輝点対の間隔を自己相関法によって解析することにより前記小滴の径を計測する
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In any one of claims 1 to 3,
An apparatus for measuring a state of a droplet, wherein a diameter of the droplet is measured by analyzing an interval between the bright spot pairs by an autocorrelation method.
前記放射シート光の幅方向の深さが可変とされている
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In any one of claims 1 to 4,
An apparatus for measuring a state of a droplet, wherein a depth of the radiation sheet light in a width direction is variable.
前記第1、第2カメラのそれぞれの光軸が、前記放射シート光のシート平面と直角以外の角度で交差している
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In any one of claims 1 to 5,
An optical axis of each of the first and second cameras intersects the sheet plane of the radiation sheet light at an angle other than a right angle.
前記第1、第2カメラのそれぞれの光軸と放射シート光のシート平面との交差角度が可変とされている
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In claim 6,
The state measuring device for small droplets, wherein an intersection angle between each optical axis of the first and second cameras and a sheet plane of the radiation sheet light is variable.
前記第1、第2カメラのそれぞれの光軸同士のなす角が可変とされている
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In any one of claims 1 to 7,
An apparatus for measuring a state of a droplet, wherein an angle between optical axes of the first and second cameras is variable.
前記第1、第2カメラの前記被測定領域に対する距離が可変とされている
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In any one of claims 1 to 8,
A distance measuring apparatus for measuring the state of a droplet, wherein a distance between the first and second cameras with respect to the area to be measured is variable.
前記第1、第2カメラによって撮影される前記被測定領域が、小滴の存在する空間内の任意の位置に設定可能とされている
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In any one of claims 1 to 9,
The state measurement apparatus for a droplet, wherein the measurement area captured by the first and second cameras can be set at an arbitrary position in a space where the droplet is present.
前記第1、第2のカメラのほかに、更に、前記点状の光の群を、前記放射シート光が照射されている範囲外であって且つ前記第1、第2のカメラのいずれとも異なる角度から合焦点画像で捉えるチェックカメラを備え、
前記第1、第2のカメラに加え、該チェックカメラによって捉えられた合焦点画像をも参照して、前記被測定領域内の小滴または小滴群を3次元空間内で同定可能とした
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In any one of claims 1 to 10,
In addition to the first and second cameras, the group of point-like lights is further out of the range in which the radiation sheet light is irradiated and different from any of the first and second cameras. Equipped with a check camera that captures a focused image from an angle,
In addition to the first and second cameras, a droplet or a group of droplets in the measured area can be identified in a three-dimensional space with reference to a focused image captured by the check camera. A droplet state measuring device characterized by the following.
前記チェックカメラが、前記第1、第2のカメラの光軸を含むカメラ平面内に自身の光軸を有し、且つ、第1、第2カメラの中央に相当する位置に設置される
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In claim 11,
The check camera has its own optical axis in a camera plane including the optical axes of the first and second cameras, and is installed at a position corresponding to the center of the first and second cameras. Characteristic measuring device for droplets.
前記第1、第2のカメラのほかに、該第1、第2のカメラのセットと同様の構成を有する少なくとも一対のカメラセットを併設した
ことを特徴とする小滴の状態計測装置。In any one of claims 1 to 12,
An apparatus for measuring the state of a droplet, comprising at least a pair of camera sets having the same configuration as the first and second cameras, in addition to the first and second cameras.
計測対象となる小滴が存在する空間に対し、薄幅シート状の放射シート光をレーザ照射機構にて照射する手順と、
前記放射シート光内の被測定領域に存在する各小滴に該放射シート光が照射されることによって各小滴毎にそれぞれ2個得られる点状の光の群を、前記放射シート光に対して互いに異なる角度から可視化した2枚の合焦点画像として同時に捉える手順と、
該2枚の合焦点画像に基づいて、前記被測定領域内の各小滴または小滴群を、それぞれの小滴毎に2個得られる点状の光で構成される輝点対または輝点対群の態様で同定する手順と、
を含むことを特徴とする小滴の状態計測方法。In a droplet state measurement method for measuring the state of a droplet such as a droplet or a bubble existing in a three-dimensional space,
Irradiating a thin sheet-shaped radiation sheet light with a laser irradiation mechanism to a space where a droplet to be measured exists, and
By irradiating the radiation sheet light to each droplet present in the measured area in the radiation sheet light, a group of two point-like lights obtained for each droplet is obtained for the radiation sheet light. Simultaneously capturing as two in-focus images visualized from different angles
On the basis of the two focused images, each of the small droplets or small droplet groups in the measured area is formed into a pair of luminescent spots or luminescent spots composed of two point-like lights obtained for each of the small droplets. Identifying in a pairwise manner;
A method for measuring the state of a droplet, comprising:
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---|---|---|---|---|
JP2007263876A (en) * | 2006-03-29 | 2007-10-11 | Miyazaki Prefecture | Calibration method in laser diffraction/scattering type particle size distribution measurement method, and measuring method of volume concentration of bubble in liquid |
JP2007298327A (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Saitama Univ | Particle measuring device and method |
JP2009074835A (en) * | 2007-09-19 | 2009-04-09 | Doshisha | System and method for imaging and analyzing liquid droplet particle |
JP2011509075A (en) * | 2007-12-21 | 2011-03-24 | プレジデント アンド フェロウズ オブ ハーバード カレッジ | Systems and methods for nucleic acid sequencing |
JP2013210270A (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-10 | Sony Corp | Microparticle fractionation device and raceway direction determination method in microparticle fractionation device |
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CN110823758A (en) * | 2019-10-29 | 2020-02-21 | 西安交通大学 | Observation device for powder density distribution and image processing and nozzle optimization method |
JP2020060579A (en) * | 2014-04-08 | 2020-04-16 | ユニバーシティ オブ ワシントン スルー イッツ センター フォー コマーシャリゼーション | Method and device for performing digital assay using polydisperse droplets |
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Cited By (32)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007263876A (en) * | 2006-03-29 | 2007-10-11 | Miyazaki Prefecture | Calibration method in laser diffraction/scattering type particle size distribution measurement method, and measuring method of volume concentration of bubble in liquid |
JP2007298327A (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Saitama Univ | Particle measuring device and method |
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