JP2007315976A - 微小液滴・気泡・粒子の位置・粒径・速度測定の方法と装置 - Google Patents

微小液滴・気泡・粒子の位置・粒径・速度測定の方法と装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、粒子の位置・粒径・３成分速度を同時に、且つ全ての量を正確に計測することができる計測法を提示することにある。特にレーザシートに垂直方向の位置、速度成分と粒径を同時に正確に測定することができる計測法を提示することにある。
【解決手段】本発明の粒径・３次元位置測定方法は、レーザ干渉画像法において、複数の焦点外れ撮影を行うための撮影光学系を利用し、これらを異なる睨み角の位置に配置して撮影し、それぞれの撮影光学系により得られた画像中の複数の粒子像の中から、それぞれの画像から得られる同一粒子に関する複数の粒径情報あるいは粒径情報を含む干渉縞信号を元に同一の粒子を特定し、その粒径を計測、さらには立体視の原理から、個々の粒子の３次元位置を上記の粒径と同時に計測するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、微小気泡、液滴などの粒子の位置、粒径、速度の計測装置に関し、特にレーザ干渉画像法により空間に分布した粒子についての同時測定方法と装置に関するものである。
微小粒子の粒子径や速度の計測は、水質浄化・発泡酒・炭酸飲料などのプロセス等で重要な気泡、燃料噴霧内の液滴、粉体輸送関連のさまざまな分野での効率向上のために、工業的な観点から重要である。
気泡、液滴、粉体等の微小粒子（ここでは数ミクロン〜１ｍｍ程度までを想定）の測定方法は多種多様であり、特に空間に浮遊する粒子の計測法として、粒径計測法の主なものとしてはフラウンフォーファ回折法、位相ドップラ法（Phase Doppler Anemometer, Anemometry, Interferometry, Interferometer:PDA, PDI, PDPA；以下これをPDAと呼ぶ）、シャドウドップラ法、影写真法、ホログラフィ法等がある。一方、粒子の速度を計測する方法として主なものは、レーザドップラ法(Laser Doppler Anemometry, Anemometer, Velocimetry: LDA, LDV)、位相ドップラ法、粒子画像流速計(Particle Image Velocimetry)、粒子追跡速度計（Particle Tracking Velocimetry: PTV），ホログラフィ法の拡張でダブルパルスホログラフィ法等などがある。
これらの中で、粒子１個１個の粒径と速度が同時にわかる方法は原則的にはPDA法と、ホログラフィ法および影写真法と組み合わせた粒子追跡速度計である。このうち、最も頻繁に用いられるのはPDA法である。しかしこの方法は空間の１点を時々刻々通過する粒子を時間的にサンプルする方法であるため、空間情報を取得するためには計測点を逐次移動する必要があり、計測にかかる手間が膨大となる。また、瞬時瞬時における空間的な情報がわからないため、間欠噴霧など瞬時の空間構造が重要な意味を持つ現象の解明には適していなかった。さらに、粒子の運動を完全に把握するためには速度の３成分全てを同時計測する必要があるが、PDA法で計測可能な粒子の速度成分は通常１もしくは２成分（たとえばｘ軸、ｙ軸成分）である。同方法を拡張することで３成分目（たとえばｚ軸成分）の計測も可能ではあるが、３色・計６本のレーザービームを１点で交差するように測定点（慣例により測定体積と呼ぶ）を構成する必要があり、光学系の調整に熟練と時間を要する等の問題があった。また、装置の構成にかかる費用も比較的高額である。
一方、粒径計測は不可であるが、PIV、PTV法はパルスレーザー光をシート状に広げた平面内に存在する粒子、または粒子群の速度２成分の計測が可能である。PIVは粒子群の速度を計測し、PTVは１個１個の粒子を追跡する方法であり、いずれも微小時間間隔を置いて撮影された計２枚の画像（画像１，画像２）から粒子像の移動距離を求め、速度に換算する方法である。２つのカメラを利用して立体視する方法（以下ステレオ法）により、シート状の平行なレーザビームの厚み方向の移動速度成分も可能となり、即ち速度の３成分全てを計測することも可能である。これらはStereo-PIV，Stereo-PTVなどと呼ばれる。しかし、PIV法は１個１個の粒子の速度は計測できず、またPTV法では通常各粒子の像が類似しているため、画像１と画像２で粒子像同士の対応づけ（ペアリング）が難しく、ペアリングを誤ると全く誤った速度を算出する問題がある。
一方、ダブルパルスホログラフィ法、影絵写真とPTVを組み合わせた方法では粒子の直接画像から形状・粒径がわかり、また非球形粒子にも適用可能であることが特徴である。前者は３次元位置がわかるので速度３成分すべて算出可能であり、後者はステレオ法により３成分速度の算出が可能である。しかし、概してこれらの方法は粒子の濃度が薄い場合しか適用できない場合が多く、実用的な燃料噴霧等への適用は困難である。
一方、レーザ干渉画像法（ILIDS:Intereferometric Laser Imaging for Droplet Sizing, IPI: Intereferometric Particle Imaging, IMI: Intereferometric Mie Imaging, Out-of-focus Technique,etc）は1980年代に考案された方法であり、例えば非特許文献１に開示された計測方法がこれである。図８乃至図１０に示されるようにシート状の平行なレーザビーム内（以下レーザシートと略称する。）の球形粒子からの散乱光をある適当な睨み角θ（レーザシートと撮影系光軸のなす角）から非焦点撮像（いわゆる“ピンボケ撮影”）すると、干渉縞のパターンが現れ、この縞数と粒径が比例関係にあることに基づいて粒径を求める方法である。この縞数から粒径を求める方法は、他の方法と比べて粒径を正確に求めることができるという利点がある。さらに、PTV法と同様の原理により、微小時間間隔で２枚画像を撮影することで、平面内の速度２成分を求めることができる。瞬間の空間場（平面内の粒子位置・粒径・速度の空間分布）を捉えられる方法として本方法は重要な意味を持ち、以下に示すように本方法の変形・拡張である様々な技術が提案されている。
（ａ）通常の粒径測定の干渉画像法による粒径、平面内位置（２次元）＋PTV法による速度測定技術（平面、２成分）：非特許文献１
（ａ’）上述（ａ）に加えて、粒子画像の大きさ（ピンボケ度）からレーザシート内の厚み方向位置（３次元位置）＋レーザシート内の厚み方向速度（３次元速度）の測定
（ｂ）上述（ａ）に加えて、光学的圧縮法（optical compression）により高濃度場への適用を可能とする技術：特許文献１
（ｂ’）上述（ｂ）に加えて、粒子画像の大きさ（ピンボケ度）からレーザシート内の厚み方向位置（３次元位置）＋レーザシート内の厚み方向速度（３次元速度）の測定
（ｃ）上述（ａ）に加えて、受光レンズに矩形スリットのみを加えて高濃度場への適用を可能とする技術：非特許文献２
（ｃ’）上述（ｃ）に加えて、粒子画像の大きさ（ピンボケ度）からレーザシート内の厚み方向位置（３次元位置）＋レーザシート内の厚み方向速度（３次元速度）の測定
（ｄ）上述（ａ）の技術に基礎をおき、２つのカメラを用いて，睨み角90degから２つのカメラで撮影、一方は焦点撮影、他方は非焦点撮影により撮影し、平面内速度計測の速度精度を上げる技術：非特許文献３
（ｄ’）上述（ｄ）に加えて、粒子画像の大きさ（ピンボケ度）からレーザシート内の厚み方向位置（３次元位置）＋レーザシート内の厚み方向速度（３次元速度）の測定：非特許文献３
（ｅ）上述（ａ）の技術に基礎をおき、２つのカメラを用い、異なる方向から撮影し、２つのカメラで撮影、一方は焦点撮影、他方は非焦点撮影により撮影し、立体視（ステレオ視）によってレーザシート内の厚み方向位置（３次元位置）＋レーザシート内の厚み方向速度（３次元速度）を測定する技術：非特許文献４
（ｂ）について特に説明すると、レーザ干渉画像法は、非焦点撮像により画面上の粒子像が大きくなり（丸に縞の形態）、粒子濃度の濃い場合などには粒子像の重なりによって干渉縞の数を計測するのが難しくなるため、適用範囲が限られていたが、矩形スリットとアナモルフィックな光学系を利用した方法により、粒子像を点線形状とすることで、重なり合いを防ぎ、高濃度場への適用を可能とした。
本発明で利用する手法に関する現状の問題点は、このように、レーザ干渉画像法は流動場中の粒子（気泡，液滴等）の個々の粒子の位置・粒径・速度同時計測に有効であり、その拡張手法についても上記のように様々な方法が提案されているが、レーザ干渉画像法を適用する際、「平面に垂直な方向の速度成分を含めた全ての速度成分（３成分）」を粒径と同時に精度よく測定することが困難であった。特に平面に垂直な方向の位置と速度成分を正確に測定し、しかも同時に正確に粒径測定することが困難であった。
また、非常に正確な粒度分布が必要な場合には、粒子の３次元的な位置の情報が必要になり、この問題は特にレーザシートの厚み方向に光強度分布が一様でない場合に問題になる。したがって、粒子の３次元的な位置の正確な測定は、正確な粒度分布の決定には重要であるが、やはりこれを正確に測定することが困難であった。
さらに、同方法において計測器を測定対象から十分離して設置する必要がある場合、例えば窓のある高圧容器等の中の噴霧を、噴霧に濡れないように噴霧から十分距離を保った窓越しに計測する場合、レーザ干渉画像法の原理上、精度よく小さい粒径を計測するには、実用的に著しく高価な（特別注文レベルの）大口径かつ収差の少ない光学レンズが必要になる等の問題があった。
より具体的には、従来のレーザ干渉画像法及びならびにその拡張例（ａ）〜（ｅ）について、それぞれ以下の課題があった。
ａ）速度がレーザシート平面内の２成分しかわからない。粒子濃度が濃い場合に適用できない。
ｂ）速度がレーザシート平面内の２成分しかわからない。
ｃ）速度がレーザシート平面内の２成分しかわからない。比較的高出力のレーザが必要になる。回折による縞（ゴーストのようなもの）ができやすい。
ｄ）粒子濃度が濃い場合に適用できない。焦点撮影と非焦点撮影の２つのカメラに撮影された同じ粒子の対応付が困難。特に焦点撮影では粒径の計測精度が低い。
ｅ）粒子濃度が濃い場合に適用できない。焦点撮影と非焦点撮影の２つのカメラに撮影された同じ粒子の対応付が困難。特に焦点撮影では粒径の計測精度が低い。
なお、２つの焦点撮影を用いた方法で粒径及び３成分の速度を計測する方法も特許文献２に示されているが、同じく粒径の計測精度が低い。
(ａ’)〜(ｄ’) ダッシュ付きのものについては、原理的には速度３成分計測が可能であるが、一般にはシート厚み方向速度の速度分解能・速度精度が悪い。同様にシート厚み方向の位置計測の分解能・精度が悪い。したがって実用的にはあまり広く用いられていない。
その他、全般としての問題点は、(ｆ)チャンバー内の噴霧計測等、光学装置と測定領域の距離（以下作動距離）が必要な場合、原理上、十分な計測可能最小粒径及び粒径の分解能を確保するためには著しく大きく、しかも収差の小さいレンズが必要になる。それは本方法の原理に基づけば、レンズの口径を作動距離で除した値が小さくなると、集光角が小さくなり、小さい粒径の計測が困難になるためである。特に高濃度場計測のために（ｂ）の技術を利用した場合には収差の問題が顕著になる。
（ｇ）一部の他の方法（PDA法等）にも共通して言えることであるが、通常レーザシート（あるいはレーザビーム）が厚み方向に強度分布をもつため、粒子の大きさにより有効な測定体積が異なり、これが計測された粒度分布をゆがめる可能性がある。例えばシートの端に粒子がかかった場合、大きい粒子は散乱信号が強いので有効データとなるが、小さい粒子は散乱信号が弱くカウントされない、あるいはシートの端では大きな粒子の場合干渉縞信号が鮮明でなくなったり、あるいは現れない等の問題が生じる。
特許第３２１１８２５号公報 「微小気泡及び微小液滴の径及び分布等の測定方法と装置」 平成１３年７月１９日登録 平成１３年９月２５日発行 特開２００４−３６１２９１号公報 「小滴の状態計測装置、及び状態計測方法」 平成１６年１２月２４日公開 G.Konig, K.Anders and A.Frohn, "A new light-scattering technique to measure the diameter of periodically generated moving droplets", J.Aerosol Sci. Vol.17, No.2, pp.157-167(1986). G. Pan, J. Shakal, W.Lai, R. Calabria, and P. Massoli, "Simultaneous global size and velocity measurement of droplets and sprays", Proc. 20th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, ILASS-Europe 2005, pp.91-96 (2005)． N. Damaschke, H. Nobach, N. Semidetnov and C. Tropea ,Size and velocity measurement with the global phase doppler technique , 11th International Symposia on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics(2002) Y. Zama, M. Kawahashi and H. Hirahara, Simultaneous Measurement Method of Size and 3D Velocity Components of Droplets in a Spray Field Illuminated with a Thin Laser-Light Sheet, Meas. Sci. Technol.Vol. 16, pp. 1977-1986 (2005).
本発明が解決しようとする課題は、前述したようにレーザ干渉画像法を含む全ての従来法では、粒子の位置・粒径・３成分速度を同時に、且つ“全ての量を正確”に計測することが困難であったという問題を解決すること、即ち粒子の位置・粒径・３成分速度を同時に、且つ全ての量を正確に計測することができる計測法を提示することにある。特にレーザシートに垂直方向の位置、速度成分と粒径を同時に正確に測定することができる計測法を提示することにある。
また、レーザ干渉画像法を利用した本発明の課題は、作動距離を十分保つことが必要な計測対象について、小さい粒径の粒子を計測する場合、非常に口径の大きく収差の小さい高価なレンズが必要となる問題を解決すること、すなわち、作動距離が長い場合に通常の計測系配置では、小さい粒径の粒子を計測するのに伴う困難性を解決することにある。
本発明の粒径・３次元位置測定方法は、「微小気泡あるいは微小液滴等の粒子が浮いた空間にシート状の平行なレーザビームを照射し、そのレーザビームが当たった微小気泡あるいは微小液滴をレーザビーム進行方向に対して所定の角度（以下睨み角という。）をなす側面方向から、焦点外れ像を撮影光学系により撮影し、その焦点外れ像の中心を求めることにより、微小気泡あるいは微小液滴の中心位置を求め、焦点外れ像が示す干渉縞パターンの干渉縞の数を求めることにより粒径を求めることを特徴とする微小気泡及び微小液滴等の粒子の径及び分布等の測定方法」であるレーザ干渉画像法において、複数の焦点外れ撮影を行うための撮影光学系を利用し、これらを異なる睨み角の位置に配置して撮影し、それぞれの撮影光学系により得られた画像中の複数の粒子像の中から、それぞれの画像から得られる同一粒子に関する複数の粒径情報あるいは粒径情報を含む干渉縞信号を元に同一の粒子を特定し、その粒径を計測、さらには立体視の原理から、個々の粒子の３次元位置を上記の粒径と同時に計測するようにした。但し図２のようにレーザシートをまたぐように配置した場合、｜θ1|＝｜θ2|であっても“異なる”睨み角と解釈する。
本発明の粒径・３次元位置測定方法は、複数の焦点外れ撮影光学系を利用するレーザ干渉画像法において、請求項１に記載の方法により得られた３次元位置情報に基づいてレーザシート厚み方向の測定領域範囲を正確に規定し、粒度分布計測の精度を向上させるようにした。
本発明の粒径・３次元位置／３方向速度成分測定方法は、請求項１に記載の粒径・３次元位置測定原理を利用し、微小時間間隔をもつ２時刻における撮影を行い、その間の粒子の移動量を検出することで、上記の粒径・３次元位置に加えて個々の粒子の３方向速度成分を同時に計測するようにした。
本発明の粒径・３次元位置／３方向速度成分測定方法では、得られた同一粒子に関する複数の焦点外れ撮影光学系による撮影像からの複数の粒径情報、あるいは粒径情報を含む干渉縞信号に関する情報を相互比較することにより、粒径測定の精度と信頼性を向上させるようにした。
本発明の粒径・３次元位置／３方向速度成分測定方法では、複数の焦点外れ撮影光学系により得られた同一粒子の干渉縞信号の複数情報を総合して縞数を増加させ、小粒径への計測範囲を拡大するようにした。
本発明の粒径・３次元位置／３方向速度成分測定方法では、特に複数の焦点外れ撮影光学系の粒径計測感度が意図的に異なるように設置することにより、粒径計測範囲（ダイナミックレンジ）を拡大するようにした。
本発明の粒径・３次元位置測定装置は、微小粒子が浮いた空間にシート状の平行なレーザビームを照射するレーザビーム照射手段と、前記レーザビーム照射手段によって照射されたレーザビームが当たった前記微小粒子をレーザビーム進行方向に対して異なる睨み角から撮像する複数の撮影手段と、その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微小気泡あるいは微小液滴の直径を求める直径測定手段と、前記複数の撮影手段で得られた複数枚の撮影画面に基づき立体視の原理から個々の粒子の３次元位置を演算する手段とを備えるようにした。
本発明の粒径・３次元位置／３方向速度成分測定装置は、請求項７に記載の装置に加えて微小時間間隔をもつ２時刻における撮影した２画像から、その間の粒子の移動量を検出すると共に時間で除して個々の粒子の３方向速度成分を算出する手段を備えるものとした。
本発明の粒径・３次元位置測定方法はレーザ干渉画像法において、複数の焦点外れ撮影を行うための撮影光学系を利用し、これらを異なる睨み角の位置に配置して撮影し、それぞれの撮影光学系により得られた画像中の複数の粒子像を用いるため、粒径や位置計測の信頼性が増すと共に、その中から、それぞれの画像から得られる同一粒子に関する複数の粒径情報あるいは粒径情報を含む干渉縞信号を元に同一の粒子を特定するものであるから、画像内の粒子を誤って特定する危険性が低くなり、立体視の原理から、個々の粒子の３次元位置を上記の粒径と同時に精度良く測定することができる。
本発明の粒径・３次元位置測定方法は、複数の焦点外れ撮影光学系を利用するレーザ干渉画像法において、請求項１に記載の方法により得られた３次元位置情報を利用するものであるから、粒径に左右されない測定領域範囲を正確に規定することができ、その結果として粒度分布計測の精度を向上させることができた。
本発明の粒径・３次元位置／３方向速度成分測定方法は、請求項１に記載の粒径・３次元位置測定原理を利用して微小時間間隔をもつ２時刻における撮影を行うものであるから、その間の粒子の移動量を撮影画像から検出することができ、上記の粒径・３次元位置に加えて個々の粒子の３方向速度成分を同時に計測することが可能となった。
本発明の粒径・３次元位置／３方向速度成分測定方法では、得られた同一粒子に関する複数の焦点外れ撮影光学系による撮影像を用いるものであるから、複数の粒径情報、あるいは粒径情報を含む干渉縞信号に関する情報を相互比較することにより、他のデータと合わないものは排除したり、許容誤差範囲内のものは平均したりして粒径測定の精度と信頼性を向上させるようにした。
本発明の粒径・３次元位置／３方向速度成分測定方法では、複数の焦点外れ撮影光学系により得られた同一粒子の干渉縞信号の複数情報を採用するものであるから、小粒径への計測範囲を拡大することができるものとなった。
本発明の粒径・３次元位置／３方向速度成分測定方法では、特に複数の焦点外れ撮影光学系の粒径計測感度が意図的に異なるように設置するようにしたので、粒径計測範囲（ダイナミックレンジ）を拡大することができるものとなった。
本発明の粒径・３次元位置測定装置は、微小粒子が浮いた空間にシート状の平行なレーザビームを照射するレーザビーム照射手段と、前記レーザビーム照射手段によって照射されたレーザビームが当たった前記微小粒子をレーザビーム進行方向に対して所定の睨み角から撮像する撮影手段と、その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微小気泡あるいは微小液滴の直径を求める直径測定手段とを備えたレーザ干渉画像法による従来の微小気泡及び微小液滴の径及び分布等の測定装置に、異なる睨み角から撮像する他の撮影手段と前記複数の撮影手段で得られた複数枚の撮影画面に基づき立体視の原理から個々の粒子の３次元位置を演算する手段とを加えただけで、精度の良い粒径及び粒度分布等の測定と３次元位置測定を実現することができた。
また、本発明の粒径・３次元位置／３方向速度成分測定装置は、請求項７に記載の装置に加えて微小時間間隔をもつ２時刻における撮影した２画像から、その間の粒子の移動量を検出すると共に時間で除して個々の粒子の３方向速度成分を算出する手段を備えるものであるから、前記複数の撮影手段によって微小時間間隔をもつ２時刻における撮影を行うだけで３方向速度成分測定を可能とする装置となる。
本発明の多様な実施形態を詳細に説明する前に、その前提となる背景技術について少し説明をしておく。図８に示すような基本構成のレーザ干渉画像法では、微小気泡あるいは微小液滴等の粒子Ａ，Ｂ，Ｃ‥‥が浮いた空間にシート状の平行なレーザビーム（レーザシート３）を照射し、そのレーザビームが当たった微小気泡あるいは微小液滴粒子Ａ，Ｂ，Ｃをレーザビーム進行方向に対して所定の角度θをなす側面方向から、焦点外れ像を撮影光学系により撮影し、その焦点外れ像の中心を求めることにより、微小気泡あるいは微小液滴Ａ，Ｂ，Ｃの中心位置を求め、焦点外れ像が示す干渉縞パターンの干渉縞の数を求めることにより粒径を求めることができる。これにより、レーザシート３内の粒子（正確には粒子をとりまく相に対する粒子相の相対屈折率ｍが既知の球形・光透過性粒子）は、焦点外れ像を捉えるように配置された撮影光学系により、図９に示すような形態で撮像される。これらの粒子像の中心位置から粒子の空間中の２次元的な位置、さらにはその粒子像の干渉縞の個数を数えることにより粒径が求められる（特許文献１参照）。粒径と縞数の関係は計測対象や光学系の配置によるが、例えば、空気中の水などでｍ＞１かつθが70度付近の場合には、 以下の関係により粒径が求まる。
Figure 2007315976
 ここで、ｄは粒径、λはレーザ光の波長、Ｎは粒子像内の干渉縞の数、睨み角θはレーザー光の進行方向と撮影光学系の光軸とのなす角、α(＞０)は以下に示す集光角である。より一般的にも、同じ粒径についてαが大きくなるとＮも増加するという関係がある。集光角αは図８に示される通りであり、レンズの有効開口径Ｗと粒子・レンズ先端間距離Ｌにより以下のように求められる。
α＝２tan−１（Ｗ／２Ｌ） ‥‥‥‥（２）
なお、縞数の計算については様々な方法が考えられるが、例えば特許文献１に提案されているように、粒子像の画面上における大きさ（図９中のＬｐ）を画像処理により求め、さらに縞の画面上での空間周波数を離散フーリエ変換による周波数解析を行いもとめ、これらから縞数を小数点以下まで精度よく求める方法が利用できる。
また、速度についていは、微小時間間隔ｄｔで時刻ｔ及びｔ＋ｄｔにおける２時刻で撮影を行い、それぞれの時刻において画像を保存する。画像内の移動距離からレーザシート３内の２方向速度成分を以下によって求める。すなわち、図１０において、粒子Ｂに着目し、画像上においてｘ方向にｌｘ、ｙ方向にｌｙ変位していたとすれば、速度成分Ｖｘ，Ｖｙは次式で示される。
Ｖｘ＝ｄx／ｄt， Ｖｙ＝ ｄy／ｄt ‥‥‥‥（３）
ここで、ｄｘ,ｄｙは画面内の移動量（ｌｘ、ｌｙ）と撮影倍率から換算した実空間におけるレーザシート面内の時間ｄｔ間における粒子の移動量である。画面内には複数の粒子が撮影されているため、時刻ｔにおける画像のどの粒子が時刻ｔ＋ｄtにおける画像中のどの粒子と同一なのか、対応付けを正確に行う必要がある。これは、特許文献１に示されるように、粒子像の輝度分布の相互相関量を計算することで正確に行うことができ、同時にこの相互相関量の最大値を見出すことで、正確な粒子の対応付けと１ピクセル以下の正確な移動量計測が実現できる。
なお、本方法において撮影睨み角θが90degでない撮影を行う場合、画面上の位置によって撮影倍率が異なることになる。これについては、例えば図１１に示すように既知の位置に点が打たれた較正板をレーザシート面と一致するように設置し、計測前にあらかじめ撮影しておき、画面上の点と実空間の位置の対応付けをあらかじめ既知のものとしておくことで解決できる。あるいは、光線追跡などの光学理論により、この対応付けを理論的に求めることも可能である。
本発明においては、撮影光学系を特許文献１に説明されるアナモルフィックな光学系（例えば図１２−右）を採用することで、粒子濃度が濃い場合の撮影像中の粒子像の重なり合いを防ぐことができるため、より実用的な高濃度の噴霧を計測することができるようになる。以下に示す本発明の各技術についても、このアナモルフィックな光学系を用いることでより実用的な効果（即ち高濃度場の計測）を発揮するが、ここではより一般的に説明するために、より一般的な図１２−左に示した光学系を採用したものとして話を進める。
複数の焦点外れ撮影光学系を利用したレーザ干渉画像法により粒径・３次元位置を同時計測する本発明の技術について説明する。
本発明においては、複数の焦点外れ撮影光学系を利用することで、精度よく粒径・３次元位置を同時計測する技術を提供する（３成分速度については後述する）。ここで、本発明は複数個の撮影系の利用により精度や信頼性の向上が実現できるのでその数は限定されないが、本質的には２つの焦点外れ撮影光学系の利用によりその利点が十分発揮されるため、以下では２つの焦点外れ撮影光学系を利用した場合について説明する。これらを撮影光学系１，２とする。レーザビーム進行方向に対して異なる角度をなす側面方向に配置し、粒子像を撮影する。この際、シート状の平行なレーザビームに対して２つの撮影光学系は同じ側（図１の形態）、あるいは異なる側（図２の形態）のどちらにあってもよい。但し、図２については、たとえ｜θ1｜＝｜θ2｜であっても、θ1とθ2の符号は異なると解釈し、この場合も「レーザビーム進行方向に対して異なる角度をなす側面方向に配置」したと見なす。
θ1、θ2の値については、測定対象により異なるが、例えば空気中の水滴の場合には、両方ともその絶対値が70deg付近に配置するのがよい。また、３次元位置、３方向速度成分を計測する場合、通常の立体視と同様に、撮影光学系１，２の光軸のなす角の絶対値が90deg方向に近い方が測定精度が高くなるため、測定対象にも依存するが、測定対象への光学的なアクセスの制限があるなど他の制約条件がなければ、一般的には図１よりも図２配置の方が測定精度が高い。
本方法においては、事前に、撮像倍率と幾何光学的な関係より、あるいは既知の位置に設置した物体の２つの撮影光学系による撮影像の画面上位置により、撮影される任意の空間位置とその２つの撮影光学系による像の画像上位置の関係を既知のものとしておく必要がある。後者の方法をとる場合、先述の通り図１１に示すような較正板を利用できるが、図２のような配置の場合には、例えば板の両面に点などが描画された較正板或いは透明板に点が描かれたものを用いる必要がある。この較正板をレーザシート３のシート面に垂直な方向（ｚ方向）に移動させて、逐次撮影しておけば、実空間の物体座標(ｘ,ｙ,ｚ)と、それが撮影された撮影光学系１上の画面上の座標（ｐx1,ｐy1）と及び撮影光学系２上の画面上の座標（ｐx2,ｐy2）との関係式を求めることができる。この立体視の原理を応用した方法により、２つの撮影光学系による計２つの同時撮影像から、撮影された粒子の３次元位置がわかる。この際、撮影光学系１における粒子画像が、同時刻における撮影光学系２における撮影画像中のどの粒子画像と対応するのかを探し出す、対応付けのプロセスをより正確に行うことが必要であるが、その手段は後述する。この方法によれば、シート状の平行レーザビームの厚み方向の位置（ｚ）の計測精度は、粒子像の大きさ（即ちいわゆる“ピンボケ度”）からこれを計測する従来の手段と比較して向上する。というのは、粒子画像の大きさは焦点外れの度合いに関係するため、図３中のｚ’座標の情報が得られることになり、さらに画面上の座標からｘ’方向、及びｙ方向の座標の情報が得られるため、最終的に粒子画像の大きさと位置からも粒子の３次元位置ｘ,ｙ,ｚを求めることができるが、レーザシート内に存在する粒子のｚ’位置の違いによる粒子画像の大きさの違いは小さく、この従来方法による位置計測は一般的に精度が低い。
次に、複数の焦点外れ撮影光学系を利用したレーザ干渉画像法により粒径・３次元位置を同時計測し、これによる３次元位置情報から粒度分布の精度を向上させる本発明の技術について説明する。
従来法では干渉縞の数から画面内の粒子の粒径が計測でき、同時に２次元位置と個数が計測できるので、原理的には視野とレーザシートの厚みで規定される測定体積中の粒子の粒度分布、さらには平均粒径等の統計量をもとめることができる。しかし、実際にはレーザシートは厚み方向に光強度分布を持ち、通常は図４中の左側位置に示すようなガウシアン分布に近い形をしている。したがって、今、測定体積内に小さい粒Ｓと大きい粒Ｌがそれぞれレーザシート３の端及び中心付近にそれぞれ１つづつ計４個（Ｓ1,Ｓ2,Ｌ1,Ｌ2）存在する場合を考え、粒子の存在の有無の判別を画像上の粒子像の輝度により判定する場合を考えると、図４の下段に示すように光の弱いレーザシートの端領域に存在する小さい粒子Ｓ1からの信号は微弱となり、計４個の粒子中この１つのみ（Ｓ1）が計測されない場合がおこり得る。小さい粒子Ｓの場合はレーザシートの厚みの中心付近の領域のみの粒子しかカウントされていないのに対し、大きい粒子Ｌは全領域に渡りカウントされており、有効な測定領域が粒径で異なっていることがわかる。このように粒子が大きさに依存して選択的にカウントされてしまうため、実際の粒度分布をゆがめた計測結果が得られ、正確な粒度分布を得ることができない。そこで、本発明では粒径に左右されない中心付近の領域に存在する粒子のみをピックアップするようにした。すなわち、本発明のように粒子の３次元位置、特にレーザシートに垂直な方向の位置ｚの計測が行われている場合、粒径ごとに計測された粒子のｚ位置の範囲を描かせることができるからである。そこで、図５に示すように新たに測定範囲をＲＳの領域に限定して設定すれば、小さい粒子が検出できない領域を排除することになるため、小さい粒子と大きい粒子が平等にカウントされることになる。即ち、上の例ではＳ1,Ｌ1ともにカウントされず、Ｓ2,Ｌ2のみがカウントされるが、小さい粒子と大きい粒子の個数の比は正しい値を反映しており、粒度分布が正確に求められる。以上のように、３次元位置が計測できると、粒度分布が正確に計測できる。この効果により、本発明の方式では当然平均粒径などの各種統計量もあわせて正確に計測できることになる。
また、粒子がレーザシートの端に存在する場合には、大きい粒子の場合干渉縞信号が鮮明でなくなったり、現れないという現象に伴う問題が生じる。これは、干渉縞を発生させる反射光と屈折光の入射点の距離が離れるため、レーザシート厚み方向に強度分布がある場合、両者の強度の違いが大きくなり、干渉縞の鮮明度が悪化するからである。極端な場合には、どちらか一方の入射点がレーザシートの外にはみ出して干渉縞があらわれなくなる。図６は，この極端な場合の例を示す図である。図に示すように、小粒子(Ｓ)と大粒子(Ｌ)の厚み方向位置が同じでも、大粒子の方が反射光と屈折光の入射位置が離れるため、小さい粒子では反射光と屈折光の入射点が双方ともレーザシート内に存在するが、大きい粒子では、図の破線で示されるように、屈折光(正確には１次屈折光)の入射点となるべき点がレーザシートからはみ出しているので、屈折光は現れず、結果として反射光しか撮影光学系に捉えられず、干渉縞が現れなくなるという現象が生じる。同様に、シートの反対側の端においても、今度は反射光が現れず、結果として屈折光しか撮影光学系に捉えられず、やはり干渉縞が現れなくなるという現象が生じる。このような問題も、上記の通り測定体積を中心付近の領域に限定して設定すれば、同様に解決することができる。
次に、複数の焦点外れ撮影光学系を利用したレーザ干渉画像法により、粒径・３次元位置・３方向速度成分を同時計測する本発明の技術について説明する。
粒径・３次元位置の同時計測については上記の通りである。速度の計測が必要な場合には以下のようにする。上記と同様の撮影を微小時間間隔で２回行う（時刻ｔ及びｔ＋ｄｔとする）。このとき、上記の方法により時刻ｔ及びｔ＋ｄｔにおける粒子の３次元位置がわかるので、粒子の３方向の移動量をそれぞれｄｔで除すれば、粒子の３方向の速度成分が同時に計測可能となる。なお、２方向成分の粒径速度計測については特許文献１などに示されるように公知の技術である。ここにおいて、速度計測の精度を向上させるために、相互相関による方法で速度を算出することが有望であり、この手法を採用する。即ち、本発明では複数の撮影光学系を配置するので、撮影光学系１の各時刻ｔとｔ＋ｄｔにおける粒子画像の相互相関を取ることで、撮影光学系１からみた画面上の移動量を正確に算出し、同様の処理を撮影光学系２による画像についても施し、それぞれの画面の移動量から３次元の移動量ｄｘ,ｄｙ,ｄｚを算出し、これをｄｔで除することで速度を算出する方法をとることができる。この方法によれば、シート状の平行レーザビームの厚み方向の速度の計測精度は、３次元位置計測の場合と同様、粒子像の大きさ（即ちいわゆる“ピンボケ度”）からこれを計測する従来の手段と比較して向上させることができる。
複数の焦点外れ撮影光学系を利用したレーザ干渉画像法において、粒径の情報を利用して、粒子の対応付けの信頼性を向上させる本発明の技術について説明する。
上記の過程において重要なことは、撮影光学系１（または２）における時刻ｔにおける撮影画像中のある粒子画像が、時刻ｔ＋ｄｔにおける撮影画像中のどの粒子画像と対応するのかを探し出す、対応付けのプロセスをより正確に行うことである。同時に時刻ｔ（あるいはｔ＋ｄｔ）における撮影光学系１における粒子画像が、同時刻における撮影光学系２における撮影画像中のどの粒子画像と対応するのかを探し出す、対応付けのプロセスをより正確に行うことが必要である。そうでなければ、全く現実と異なる位置と速度を算出する結果となるからである。本手法では２つの撮影光学系とも焦点外れ撮影を行い、粒子像を干渉縞の形で撮影しているため、撮影光学系１，２、さらには時刻ｔ及びｔ＋ｄｔにおいて、画像から正確に粒径が計測されている。したがって、この正確な粒径情報をもとに、同じ、あるいは非常に近い粒径の粒子を探すことで、対応付けのプロセスをより正確に行うことができる。ここで、粒径の情報を利用して同一撮影光学系の２時刻における粒子像の対応付けを正確に行う方法は既存であるが、複数の撮影光学系を配置する構成を採用した本発明は、同時刻における２つの撮影光学系による同一粒子の撮影像の対応付けを行う際に粒径情報を利用して精度を向上させるところが特徴である。具体的なプロセスとしては、撮影光学系１に撮影されたある粒子画像について、これと同一粒子の撮影光学系２における粒子像を特定する場合、(ａ)双方の粒径計測値が同じ（あるいは非常に近い）条件、(ｂ)最終的に求められた粒子位置がレーザシート内部に存在する条件、(ｃ)粒子の３次元位置（計３つの独立変数）と、その粒子像の撮影光学系１による画像中の縦横位置（計２つの従属変数）、及び同様に撮影光学系２による位置（同じく計２つの従属変数）が満たすべき関係式を満足する条件の３つを満たすように対応付けを行うが、特にプロセス(ａ)を導入することで対応付けがより正確となる。結果として、位置、速度の計測の精度と信頼性の向上が可能である。なお、上記で述べた粒子対応付けの方法は３次元位置の計測・あるいは３方向速度成分計測の意図の有無に関わらず、一般に複数の焦点外れ撮影光学系を利用したレーザ干渉画像法に適用できる。また、粒径情報により対応付けを向上させる際、上記は粒径そのものを用いたが、これを用いなくても、干渉縞の信号が粒径を反映していることを前提に、対応付けの精度と信頼性を向上させる様々な手法を採用することができる。
複数の焦点外れ撮影光学系を利用したレーザ干渉画像法により、粒径の計測精度と信頼性を向上させる本発明の技術について説明する。
上記で述べた方法では、３次元位置の計測・あるいは３方向速度成分計測の意図の有無に関わらず、同一粒子の粒径が複数の焦点外れ光学系によりなされるため、同一粒子の粒径情報を複数得ることができる。例えば、２つの撮影光学系を利用する場合、速度計測を行わない場合には時刻ｔにおいて計２つの粒径測定情報が、速度を計測する際には時刻ｔ及びｔ＋ｄｔにおける撮像光学系１，２の計４つの粒径測定情報が得られる。これらが十分近い値を示すものを信頼性の高いデータとして有効とする。これにより、個々の粒子の粒径計測自体の精度と信頼性の向上を図ることができる。尚、複数の粒径情報により精度を向上させる際、粒径そのものを用いなくても、干渉縞の信号が粒径を反映していることを前提に、粒径測定の精度と信頼性を向上させる様々な方法を採用することができる。
複数の焦点外れ撮影光学系を利用したレーザ干渉画像法により、得られた同一粒子の干渉縞信号の情報から、（例えばこれらの信号を接続合成して処理することで）、小粒径への計測範囲を拡大する本発明の技術について説明する。
複数の焦点外れ撮影光学系から同一粒子の干渉縞信号の情報から、（例えばこれらの信号を接続合成して処理することで）、小粒径への計測範囲を拡大することができる。実施例の１つを図７に示す。撮影光学系１から得られたある粒子の画像は、θ１−α1/２からθ１＋α1/２までの方向の粒子の散乱信号に応じた干渉縞のパターンとなる。しかし、粒子が小さい場合、干渉縞の数も減少し、図の例では縞が２つしか含まれない。周波数解析を用いて縞数を計測する場合、粒子信号は本質的に低周波数の信号を含んでいるため、縞数が小さい場合には粒径に対応した周波数とそれ以外の成分が重なり合い、その分離が難しくなる。結果として、このような小粒子の粒径計測を可能とするには、集光角α１を増大させ、縞数を増やす必要があるが、作動距離Ｌ（図８における）を短くすることができない測定対象に対しては、大口径かつ収差の小さい撮影レンズが必要となり、非常に高価な光学系が必要となる。ここでは、２つの撮影光学系の睨み角や集光角を適切に選び、それぞれの撮影光学系で得られた同一の粒子に対する２つの粒子像信号から小さい粒子の粒径の計測も可能とする技術を提供する。このために、まず、θ１とθ２の絶対値｜θ１｜と｜θ２｜が等しくならないようにとる。（粒子の光散乱のパターンはθが負の部分と正の部分に対して対称であるから、ここでは特に断らない限りθの絶対値について議論する）α１とα２は等しくても等しくなくてもよいが、図７の例では等しくとられている。撮影光学系１が捉える散乱信号の方向は、角度の絶対値で表せば｜θ１｜−α１/２から｜θ１｜＋α１/２の領域であり、同様に撮影光学系２が捉える散乱信号の方向は、角度の絶対値で表せば｜θ２｜−α2/２から｜θ２｜＋α2/２の領域である。ここで、両者の領域は重なり合う部分があってもなくても良い。例えば、｜θ２｜−｜θ１｜＝α１＝α２＝αであるとすると、信号をあわせれば２αの領域の干渉縞信号を得られたことになり、レンズ口径を大きくしたのと同様の効果が得られ、図７の例１では２縞が４縞にふえるので、小さい粒径の計測が可能となる。信号処理の方法は様々考えられるが、例えばα１＝α２＝α、｜θ２｜−｜θ１｜＝α/２とした例２では、両信号を足し合わせたものを周波数解析すると、不要な低周波成分はコヒーレンスが低くなり、有効な周波数成分の寄与が大きくなり、しかも縞数も２から３に増えているので、本来の粒径に対応した干渉縞の縞数の計測が容易になる。光散乱理論による数値シミュレーションから得られる情報（例えば干渉縞の周波数のみならず位相等の情報）も含めてデータ解析を行えば、様々な処理のバリエーションが可能である。尚、上記で述べた方法は３次元位置の計測・あるいは３方向速度成分計測の意図の有無に関わらず、一般に複数の焦点外れ撮影光学系を利用したレーザ干渉画像法に適用することができる。本手法は、例えば高圧容器内の燃料噴霧の窓を介した計測など、測定対象から十分離して設置する必要のある計測対象に対して実施する場合、特に重要な利点となる。
複数の焦点外れ撮影光学系を利用したレーザ干渉画像法において、複数の焦点外れ撮影光学系の粒径計測感度が意図的に異なるように設置することで、粒径計測範囲（ダイナミックレンジ）を拡大する本発明の技術について説明する。
複数の焦点外れ撮影光学系の睨み角や集光角（あるいは口径と作動距離の比）をお互いに異なるように選ぶことで、同じ粒径に対する干渉縞の本数（即ち感度）を変更することができる。したがって複数(以下簡単のため２つ)の焦点外れ撮影光学系で粒径の測定可能範囲を異なるように与えることができる。このような光学系の配置により、粒径の測定可能範囲を１つの光学系の場合と比べて拡大することができる。大小さまざまな粒径を含む噴霧などの場合には、当方法は有効である。なお、異なる集光角で撮影を行う場合、ある集光角をもつ撮影光学系において光量が最適であるようにレーザの光強度を設定すると、別の撮影光学系については光量が適切でなくなる場合がある。このような場合には、集光角が小さい撮影光学系に最適になるようにレーザの光強度を調整し、他の撮影光学系については光減衰フィルタをレンズの前に設置するなどしてすべての撮影光学系について光量が最適になるように配慮することが望ましい。
尚、上記で述べた方法は３次元位置の計測・あるいは３方向速度成分計測の意図の有無に関わらず、一般に複数の焦点外れ撮影光学系を利用したレーザ干渉画像法に適用できる。
本発明にかかる複数の焦点外れ撮影を行うための撮影光学系を利用したレーザ干渉画像法において、特許文献１等に開示された光学的圧縮技術との併用による高濃度粒子場への適用範囲の拡大について、これまで述べた上記の方法のすべては、図１２左に示した従来の撮影光学系に基づいて説明してきたが、図１２の右に示した光学的圧縮技術を利用した撮影光学系を組み合わせることが可能である。その場合、重なる粒子の画像情報を分離することができるので、粒子濃度の高い計測場への適用が可能となる。
複数の焦点外れ撮影光学系を第１の形態で配置した本発明のレーザ干渉画像法を説明する図である。 複数の焦点外れ撮影光学系を第２の形態で配置した本発明のレーザ干渉画像法を説明する図である。 粒子像の大きさからレーザ厚み方向の位置を求める方法を説明する図である。 光強度分布が粒度分布測定に及ぼす影響を説明する図である。 ３次元位置情報から粒度分布精度を向上させる方法を説明する図である。 光強度分布が粒度分布測定に及ぼす他の影響を説明する図である。 小径粒子の粒径計測を可能にする方法を説明する図である。 レーザ干渉画像法装置の基本配置を示す図である。 レーザ干渉画像法によって得られる粒子画像の例を示す図である。 レーザ干渉画像法による粒子速度測定原理を説明する図である。 レーザ干渉画像法において位置情報較正用の較正板を示す図である。 光学的圧縮技術を利用したレーザ干渉画像法装置を示す図である。
符号の説明
１，２ 撮像光学系 ３ レーザシート
Ａ,Ｂ,Ｃ 粒子 Ｓ,S1,S2 小粒子
Ｌ,L1,L2 大粒子 θ,θ1,θ2 睨み角度
α, α1, α2 集光角

Claims (8)

  1. レーザ干渉画像法において、複数の焦点外れ撮影を行うための撮影光学系を利用し、これらを異なる睨み角の位置に配置して撮影し、それぞれの撮影光学系により得られた画像中の複数の粒子像の中から、それぞれの画像から得られる同一粒子に関する複数の粒径情報あるいは粒径情報を含む干渉縞信号を元に同一の粒子を特定し、その粒径を計測、さらには立体視の原理から、個々の粒子の３次元位置を上記の粒径と同時に計測する方法。
  2. 複数の焦点外れ撮影光学系を利用するレーザ干渉画像法において、請求項１に記載の方法により得られた３次元位置情報に基づいてレーザシート厚み方向の測定領域範囲を正確に規定し、粒度分布計測の精度を向上させることを特徴とするレーザ干渉画像法による粒径・３次元位置測定方法。
  3. 請求項１に記載の粒径・３次元位置測定原理を利用し、微小時間間隔をもつ２時刻における撮影を複数の光学系で行い、その間の粒子の移動量を検出することで、上記の粒径・３次元位置に加えて個々の粒子の３方向速度成分を同時に計測する方法。
  4. 得られた同一粒子に関する複数の焦点外れ撮影光学系による撮影像からの複数の粒径情報、あるいは粒径情報を含む干渉縞信号に関する情報を相互比較することにより、粒径測定の精度と信頼性を向上させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の測定方法。
  5. 複数の焦点外れ撮影光学系により得られた同一粒子の干渉縞信号の複数情報を総合して縞数を増加させ、小粒径への計測範囲を拡大することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の測定方法。
  6. 複数の焦点外れ撮影光学系の粒径計測感度が意図的に異なるように設置することにより、粒径計測範囲（ダイナミックレンジ）を拡大することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の測定方法。
  7. 微小粒子が浮いた空間にシート状の平行なレーザビームを照射するレーザビーム照射手段と、前記レーザビーム照射手段によって照射されたレーザビームが当たった前記微小粒子をレーザビーム進行方向に対して異なる睨み角から撮像する複数の撮影手段と、その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微小気泡あるいは微小液滴の直径を求める直径測定手段と、前記複数の撮影手段で得られた複数枚の撮影画面に基づき立体視の原理から個々の粒子の３次元位置を演算する手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の粒径・３次元位置測定方法を実施する装置。
  8. 請求項７に記載の装置に微小時間間隔をもつ２時刻における撮影した２画像から、その間の粒子の移動量を検出すると共に時間で除して個々の粒子の３方向速度成分を算出する手段を備えたものである粒径・３次元位置／３方向速度成分測定装置。
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