JP2008298450A

JP2008298450A - 界面形状センサおよび界面形状測定装置

Info

Publication number: JP2008298450A
Application number: JP2007141744A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Misu; 俊彦三須; Nobuyuki Yagi; 伸行八木; Masaki Takahashi; 正樹高橋; Masahide Naemura; 昌秀苗村; Masato Fujii; 真人藤井
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: JP4971035B2

Abstract

【課題】光を透過する広範な種類の媒質に対して適用することが可能であり、その形状や配置の点でも使いやすさを備えた界面形状センサおよび界面形状測定装置を提供する。
【解決手段】界面形状センサ（プローブ１）は、屈折率ｎ１を有する第１の媒質および屈折率ｎ２（ｎ２＞ｎ１）を有する第２の媒質にその一の面（測定面１０４）が接した屈折率ｎｐ（ｎｐ＞ｎ１）を有するプリズム１０１と、測定面１０４を第１および第２の媒質と接している側の反対側から臨むように配置されたカメラ１０３と、を備える。カメラ１０３は、第１の媒質と接している測定面１０４の第１領域に入射した光が全反射してカメラ１０３へ入射するとともに、第２の媒質と接している測定面１０４の領域であって第１領域に隣接する第２領域に入射した光が部分反射してカメラ１０３へ入射するように配置されて、第１領域と第２領域の明暗の差による明暗画像を取得する。
【選択図】図２

Description

本発明は、異なる媒質間の界面形状を計測する界面形状センサおよび界面形状測定装置に関する。

従来、例えば空気と水など異なる媒質間の界面形状を光学的に計測する方法として、透明容器あるいは透明なスリット部を有する容器内にカメラなどの光学センサを設置し、この容器を媒質の界面を跨ぐようにして媒質中に沈め、容器を通して界面の画像等をカメラで撮影する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。こうした光学的な界面形状計測方法では、媒質の色の違いや、媒質の界面での光の屈折を観測する手法が利用されている。
特開平９−１４５４５３号公報

しかしながら、媒質の色の違いに着目する手法では、同色同士あるいは無色同士の媒質の界面を測定することができないという問題がある。また、媒質の界面での光の屈折を観測する場合には、測定対象となる媒質を挟んで光学センサと光源を配置する必要があるため、装置の形状やその配置に制約が生じ、実際の使用上においては非常に使いづらいという問題がある。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光を透過する広範な種類の媒質に対して適用することが可能であり、その形状や配置の点でも使いやすさを備えた界面形状センサおよび界面形状測定装置を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、第１および第２の媒質間の界面形状を計測する界面形状センサであって、屈折率ｎ１を有する前記第１の媒質および屈折率ｎ２（ｎ２＞ｎ１）を有する前記第２の媒質にその一の面が接した屈折率ｎｐ（ｎｐ＞ｎ１）を有する界面測定用媒質と、前記一の面を前記第１および第２の媒質と接している側の反対側から臨むように配置されたカメラと、を備え、前記カメラは、前記第１の媒質と接している前記一の面の第１領域に入射した光が全反射して前記カメラへ入射するとともに、前記第２の媒質と接している前記一の面の領域であって前記第１領域に隣接する第２領域に入射した光が部分反射して前記カメラへ入射するように配置され、前記第１領域と前記第２領域の明暗の差による明暗画像を取得することを特徴とする。

この発明において、カメラが撮影する像は、第１領域の部分が全反射により明るく写る一方、第２領域の部分は全反射でなく部分反射となって暗く写るので、第１領域に対応した第１の媒質と第２領域に対応した第２の媒質との界面を明暗の差によって捉えることができる。
即ち、上記一の面（以下、測定面という）上の各点Ｐで反射されてカメラへ入射される各光線は、当該点Ｐにおける入射角θ_ｃが臨界角より大きければ点Ｐで全反射され、臨界角以下であれば全反射ではなく部分反射となる。臨界角は、界面測定用媒質の屈折率ｎｐと、第１または第２の媒質の屈折率ｎ１，ｎ２によって決まり、測定面のうち第１の媒質と接している部分と第２の媒質と接している部分とでその値（それぞれθ_ｃ１，θ_ｃ２とする。ここで、θ_ｃ１＜θ_ｃ２が成り立っている）は異なる。測定面のうちの第１の媒質と接している部分において、入射角θ_ｃがθ_ｃ＞θ_ｃ１を満たす点Ｐの集合が上記第１領域であり、測定面のうちの第２の媒質と接している部分において、入射角θ_ｃがθ_ｃ≦θ_ｃ２を満たす点Ｐの集合が上記第２領域である。カメラは、このような第１領域と第２領域が同時に存在するように、その向きを配置する。こうして、条件θ_ｃ１＜θ_ｃ≦θ_ｃ２を満足する測定面上の範囲においては、第１の媒質と接している第１領域で全反射が、第２の媒質と接している第２領域で部分反射がそれぞれ起こり、カメラが撮影する画像に明暗が生じることになる。この明暗画像を取得することによって、第１の媒質と第２の媒質の界面を計測することができる。
このように、本発明によれば、第１および第２の媒質の屈折率に応じた全反射の有無を観測することでこれら媒質の界面を計測するので、第１および第２の媒質が光を透過しさえすれば界面の計測が可能であり、広範な範囲の種類の媒質を対象として、界面を計測することができる。また、界面測定用媒質とカメラは第１および第２の媒質に対して同一の側に設けられるので、装置（センサ）の構成がコンパクトとなり、実際の使用上における優れた使いやすさをも備える。

また、本発明は、上記の界面形状センサにおいて、前記一の面を照明する光源を更に備え、前記光源からの光が、前記第１領域で全反射して前記カメラへ入射することを特徴とする。

この発明によれば、カメラに撮影される第１領域の像は光源からの照明光が全反射されたものとなって明るくなるので、第１および第２の媒質の界面を表す明暗画像のコントラストを明瞭にでき、界面の計測精度を向上させることができる。また、外光のない状況下でも界面形状の計測が可能になり、また、外光がある場合でも、当該外光の明暗の空間的あるいは時間的変化に起因する計測誤差を軽減することができる。

また、本発明は、上記の界面形状センサにおいて、前記光源は、その発する光強度、スペクトル、またはその両者が時間変調されていることを特徴とする。

この発明によれば、カメラに撮影される第１領域および第２領域の像を、光源からの光に起因する成分（変調成分）と外光に起因する成分（非変調成分）とに分離することが可能になり、例えば外光が明る過ぎて第２の媒質側から第２領域を透過してくる光が強く、そのままだと第２領域も明るくなってしまうような状況下でも、変調成分に基づき計測を行うことで、界面の計測精度を向上させることができる。

また、本発明は、上記の界面形状センサにおいて、前記第１および第２の媒質内に、前記一の面の前記第２領域を透過して前記カメラに入射する光の光量を減少させる遮光部を更に備えることを特徴とする。

この発明によれば、カメラに撮影される第２領域の像には第２の媒質側からこの第２領域を透過してくる光の成分も含まれているが、この透過光の光量が減少するので、第１および第２の媒質の界面を表す明暗画像のコントラストを明瞭にでき、界面の計測精度を向上させることができる。

また、本発明は、上記の界面形状センサにおいて、前記カメラに入射する所定の偏光成分を減少させる偏光板を更に備えることを特徴とする。

この発明によれば、測定面の第１領域で全反射した光と第２領域で部分反射した光の強度比が拡大されるので、第１および第２の媒質の界面を表す明暗画像のコントラストを明瞭にでき、界面の計測精度を向上させることができる。

また、本発明は、上記の界面形状センサにおいて、前記一の面を前記第１および第２の媒質と接している側の反対側から観測するための観測用空間を更に備えることを特徴とする。

この発明によれば、観測用空間に任意のセンサ（例えば他のカメラ等）や観測者を配置して、測定面を通して第１および第２の媒質側を観測することができる。

また、本発明は、上記の界面形状センサと、前記界面形状センサの前記カメラから出力される前記明暗画像を２値化して２値画像を生成する２値化手段と、前記２値化手段により生成された２値画像を前記一の面上の座標系に基づく画像に変換する画像変換手段と、前記画像変換手段により変換された２値画像から、前記一の面における前記第１および第２の媒質間の界面形状を得る界面判定手段と、を備えることを特徴とする界面形状測定装置である。

この発明によれば、カメラで撮影する際の（測定面を斜め方向から撮影することに起因する）輝度差や幾何的な変形を補正して、測定面上における界面形状を正しく得ることができる。

本発明によれば、界面形状センサおよび界面形状測定装置を、光を透過する広範な種類の媒質に対して適用可能であって、その形状や配置の点でも使いやすさを備えたものとすることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態による界面形状センサであるプローブ１を用いて、２つの媒質間の界面形状を計測する態様を説明した図である。プローブ１は、同図に示すように測定対象４に埋没（若しくは接触）させて使用する。

図１において、測定対象４は第１の媒質４０１と第２の媒質４０２からなっている。第１の媒質４０１と第２の媒質４０２は、界面４０３を形成し、この界面４０３によって互いに接している。プローブ１は本実施形態では三角柱の形状を有するが、その高さ方向の中間部分を界面４０３が横切るようにして、プローブ１は測定対象４内に配置される。このように配置されたプローブ１を用いて、界面４０３の形状（プローブ１の後述する測定面１０４と接している部分の界面４０３の形状）を計測する。

第１の媒質４０１と第２の媒質４０２は、屈折率の異なった２種類の媒質であり、これらは、気相、液相、固相、またはそれらの中間的な相のいずれかの組み合わせからなる。気相の媒質の例として、空気、窒素、酸素、などが挙げられる。液相の媒質の例として、水、アルコール、油、などが挙げられる。固相の媒質の例として、ガラス、氷、プラスチック、アクリル樹脂、などが挙げられる。なお、各媒質は、純物質であっても混合物であってもよい。また、一方の媒質を真空に置き換えてもよい。

以下、本実施形態では、第１の媒質４０１は屈折率ｎ１（＝１．０００３）を有する空気であり、第２の媒質４０２は屈折率ｎ２（＝１．３３３４＞ｎ１）を有する水であるとする。

図２に、プローブ１の構成図を示す。図２において、プローブ１は、第１の媒質４０１と第２の媒質４０２の被測定界面（界面４０３）に接する媒質であるプリズム（界面測定用媒質）１０１と、カメラ１０３と、面光源１０２と、遮光板１０９と、から構成されている。面光源１０２と遮光板１０９は、そのいずれか一方あるいは両方を省略した形態とすることもできる。

プリズム１０１は、三角柱の形状を有し、測定面１０４、観測面１０５、照明面１０６の三面がその側面をなしている。測定面１０４には、第１の媒質４０１と第２の媒質４０２の被測定界面が接するようにされ、この被測定界面に接した測定面１０４を観測面１０５の側から臨むように、カメラ１０３が観測面１０５に取り付けられている。このような配置のカメラ１０３によって、測定面１０４の被測定界面部分を撮影する。本発明に係るプローブ１においては、測定面１０４に対してカメラ１０３がこのような位置関係にあることが必要（カメラ１０３の向きは、後述するように、更に所定の全反射条件等を満たすように定める必要がある）であるが、当該位置関係が満足される限り、プローブ１の形状は任意であり三角柱状でなくてもよい（第２の実施形態を参照）。

プリズム１０１は、固相の媒質単体による形態や、固相の媒質でできた外殻の内部に任意の相の媒質を封入した構造の形態などをとり得る。固相の媒質単体からなる場合、例えば、アクリル樹脂、ガラス、プラスチック、氷、などの媒質を用いることができる。外殻内に他の媒質を封入した構造の場合、外殻としてアクリル樹脂、ガラス、プラスチックなどを用い、封入する媒質として水、アルコール、透明のゲル状物質などを用いることができる。

上記の固相媒質単体の形態の場合は当該媒質自体の屈折率、外殻内に媒質を封入した構造の形態の場合には封入された媒質の屈折率、をプリズム１０１の屈折率とし、この屈折率をｎｐで表す。なお、後者の場合には、外殻の厚さを等厚とすれば、以下に説明する光の反射や透過におけるこの外殻の光学的な振る舞いは無視することができるので、外殻の存在は考慮しなくてよい。

本実施形態では、プリズム１０１はアクリル樹脂（単体の形態）であり、その屈折率はｎｐ＝１．５であるとする。

プリズム１０１の照明面１０６には、その全面ないしはそのほぼ全面に亘って面的な広がりを有する面光源１０２が相対して設置されている。面光源１０２は、例えば、エレクトロルミネセンス素子、蛍光灯、ＬＥＤ（発光ダイオード）、白熱灯、放電管、レーザなどの各種の発光素子により、またはこれらの発光素子をその発光した光を拡散させる拡散板とともに用いることにより、構成された照明装置である。この面光源１０２は、プリズム１０１の測定面１０４を照明面１０６の側から照明し、照明光の一部が測定面１０４で反射してカメラ１０３により捉えられるようにするために用いられるものである。外光（天空光や環境光）が存在する場合には、面光源１０２は省略してもよい。なお、面光源１０２は、図のように照明面１０６だけに対応させて配置するほか、プリズム１０１の観測面１０５、照明面１０６、上面１０７、下面１０８のいずれか１箇所以上に配置するようにしてもよい。

遮光板１０９は、測定面１０４を透過してカメラ１０３へ入射する外光を遮断、若しくは外光の光量を減少させるために設けられる物体であり、測定面１０４を挟んでカメラ１０３と対峙する位置に（即ち測定対象４に埋没させて）設置される。測定面１０４を透過してカメラ１０３へ入射する外光には、遮光板１０９後方（カメラ１０３と反対側）から進行してくる光と、遮光板１０９上で反射される光とがあり、前者を遮断するために、遮光板１０９の素材はカメラ１０３が感度を有する波長帯で不透明なものとし、更に後者を遮断するために、遮光板１０９のカメラ１０３側の面はカメラ１０３が感度を有する波長帯で反射率の小さい素材（例えば、反射率０．１以下の黒色塗料を塗布する）により構成する。

カメラ１０３は、ラインセンサあるいはイメージセンサを備えた撮像装置であり、レンズ、鏡、ピンホール等によってセンサ面に結像させた像を、１次元または２次元の明暗画像として撮影する。明暗画像には、２値画像、グレースケール画像、カラー画像、多バンド画像などがあるが、そのいずれでも構わない。

このカメラ１０３により、上記のとおり測定面１０４の被測定界面部分を撮影する。図３に、カメラ１０３が撮影する画像の例を示す。図３（ａ）は、カメラ１０３で撮影した明暗画像そのものを示しており、画像内には、明暗で区切られたいくつかの領域が現れている。
図３（ｂ）は、この画像の各領域とプリズム１０１の各面との対応を説明した図である。カメラ１０３から見て右側に測定面１０４が存在するような配置（図２参照）となっているため、図３（ｂ）において、画像の右側には測定面１０４の像５１０が写り、その左側には照明面１０６の像５２０が写り、これらに挟まれる形でその上側には上面１０７の像５３０、下側には下面１０８の像５４０が写る。ここで、カメラ１０３の測定面１０４に対する向きは、後述するように全反射条件等を考慮して決定されるが、カメラ１０３の取り付け位置や焦点距離、プリズム１０１の形状などによっては、照明面１０６の像５２０、上面１０７の像５３０、下面１０８の像５４０、のいずれか１ないし複数は、画像に写らない場合もある。

図３（ｃ）は、測定面１０４の像５１０に写り込んでいる各領域を説明した図である。領域５１１は、プリズム１０１の測定面１０４に第１の媒質４０１が接している領域であって、そのうち面光源１０２からの光または外光が全反射して明るく撮影される領域である。領域５１２は、プリズム１０１の測定面１０４に第２の媒質４０２が接している領域であって、そのうち面光源１０２からの光または外光が全反射することなく反射（部分反射）して領域５１１より暗く撮影される領域である。領域５１３は、プリズム１０１の測定面１０４が接しているのが第１の媒質４０１であるか第２の媒質４０２であるかにかかわらず、面光源１０２からの光または外光が部分反射して同様に暗く撮影される領域である。領域５１６は、プリズム１０１の測定面１０４が接しているのが第１の媒質４０１であるか第２の媒質４０２であるかにかかわらず、面光源１０２からの光または外光が全反射して明るく撮影される領域である。

これらの領域５１１，５１２，５１３，５１６は、照明面１０６（面光源１０２）が測定面１０４に鏡像として映り込んでいる部分に対応する。領域５１４（領域５１１の上）と領域５１５（領域５１２の下）は、この鏡像には含まれない部分であり、部分反射が生じている上記の領域５１２，５１３よりも更に暗く撮影される。なお、プリズム１０１の上面１０７に面光源１０２を配置した場合には、この領域５１４においても、当該面光源１０２からの光が上記の領域５１１と同様に全反射するようにすることができる（領域５１４が縮小し、領域５１１が拡大する）。また、プリズム１０１の下面１０８に面光源１０２を配置した場合には、領域５１５においても、当該面光源１０２からの光が上記の領域５１２と同様に部分反射するようにすることができる（領域５１５が縮小し、領域５１２が拡大する）。

図３（ｄ）は、プローブ１により界面４０３の形状を計測し得る領域を示す図である。照明面１０６の鏡像が映り込んでいる部分のうち、第１の媒質か第２の媒質かにかかわらず全反射または部分反射が生じる領域５１３，５１６を除いた領域（即ち領域５１１と領域５１２の和集合）が、界面４０３の形状を計測し得る有効な領域５１８である。上記説明したように、第１の媒質４０１に接している領域５１１が全反射により明るく写り、第２の媒質４０２に接している領域５１２が部分反射により暗く写るので、第１の媒質４０１と第２の媒質４０２の界面４０３の像５１７が、領域５１１と領域５１２の明暗差による境界線として観測されることになる。

次に、図４を参照して、プリズム１０１の測定面１０４において第１の媒質４０１に接している部分と第２の媒質４０２に接している部分とで全反射または部分反射が生じることの物理的な解説を行う。
図４（ａ）はプリズム１０１の測定面１０４と第１の媒質４０１との間で全反射が起きる条件を説明するための図であり、図４（ｂ）はプリズム１０１の測定面１０４と第２の媒質４０２との間で部分反射が起きる条件を説明するための図である。上記のとおり、第１の媒質４０１、第２の媒質４０２、プリズム１０１の屈折率をそれぞれｎ１，ｎ２，ｎｐとしており、測定面１０４上で全反射が起きるためには、式（１）が満たされる必要がある。
ｎｐ＞ｍｉｎ（ｎ１，ｎ２）（１）
上述のように本実施形態では、プリズム１０１の素材は、式（１）が満たされるように屈折率ｎｐ＝１．５のアクリル樹脂を選択した。

図４（ａ）において、面光源１０２を発し、第１の媒質４０１と接している測定面１０４上の点Ｐで反射されてカメラ１０３へ入射する光線を考える。この光線の反射点Ｐにおける入射角をθ_ｃとすると、点Ｐで全反射が起きる条件は、式（２）で与えられる。
θ_ｃ＞Ａｒｃｓｉｎ（ｎ１／ｎｐ）≡θ_ｃ１（２）
ここで、θ_ｃ１は全反射の臨界角である。この式（２）を満たす測定面１０４上の点Ｐからは、面光源１０２からの光が全反射されてカメラ１０３へ入射されることになる。このような点Ｐの集合が、図３（ｃ）における領域５１１（および領域５１６のうち第１の媒質４０１に対応する部分）となる。一方、式（２）を満たさない測定面１０４上の点Ｐからは、面光源１０２からの光が部分反射されてカメラ１０３へ入射される。このような点Ｐの集合が、図３（ｃ）における領域５１３のうちの第１の媒質４０１に対応する部分である。式（２）を満たす全反射の臨界角θ_ｃ１に対応する点をＰ_ｃ１とすると、図４（ａ）において、臨界点Ｐ_ｃ１より右側が領域５１１に対応し、臨界点Ｐ_ｃ１より左側が領域５１３に対応することになる。

具体的な数値例として、本実施形態（ｎ１＝１．０００３，ｎｐ＝１．５）の場合には、θ_ｃ＞θ_ｃ１≒４１．８度となる。

同様に、図４（ｂ）において、面光源１０２を発し、第２の媒質４０２と接している測定面１０４上の点Ｐで反射されてカメラ１０３へ入射する光線を考える。この光線の反射点Ｐにおける入射角をθ_ｃとする。この時、点Ｐで全反射が起きずに部分反射となる条件は、式（３）で与えられる。
θ_ｃ≦Ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎｐ）≡θ_ｃ２（３）
ここで、θ_ｃ２は全反射の臨界角である。この式（３）を満たす測定面１０４上の点Ｐからは、面光源１０２からの光が部分反射されてカメラ１０３へ入射されることになる。部分反射であるため、この反射光の強度は、上述の式（２）を満たし全反射する反射光の強度よりも小さい。このような点Ｐの集合が、図３（ｃ）における領域５１２（および領域５１３のうち第２の媒質４０２に対応する部分）となる。一方、式（３）を満たさない測定面１０４上の点Ｐからは、面光源１０２からの光が全反射されてカメラ１０３へ入射される。このような点Ｐの集合が、図３（ｃ）における領域５１６のうちの第２の媒質４０２に対応する部分である。式（３）を満たす全反射の臨界角θ_ｃ２に対応する点をＰ_ｃ２とすると、図４（ｂ）において、臨界点Ｐ_ｃ２より左側が領域５１２に対応し、臨界点Ｐ_ｃ２より右側が領域５１６に対応することになる。

具体的な数値例として、本実施形態（ｎ２＝１．３３３４，ｎｐ＝１．５）の場合には、θ_ｃ≦θ_ｃ２≒６２．７度となる。

図４（ｂ）ではまた、遮光板１０９の側から測定面１０４へ進み、点Ｐで測定面１０４を透過（屈折）してカメラ１０３へ入射する光線も存在する。この光線の点Ｐにおける入射角をθ_ｔ、屈折角をθ_ｃとすると、入射角θ_ｔは次の式（４）で与えられる。
θ_ｔ＝Ａｒｃｓｉｎ（（ｎｐ／ｎ２）／ｓｉｎθ_ｃ）（４）
図４（ｂ）即ち測定面１０４の第２の媒質４０２と接している部分では、このように、面光源１０２を発し測定面１０４で部分反射される光と、遮光板１０９の側から測定面１０４を透過する光とが存在し、カメラ１０３からは面光源１０２と遮光板１０９の像が同時に観測されることになる。この場合、遮光板１０９によって遮光板１０９側からの光が十分に遮断されていれば、カメラ１０３で観測される像即ち領域５１２はその分だけ暗くなるので、領域５１１との明暗差が大きくなる。

以上により、測定面１０４上に次の式（５）を満たす領域（点Ｐの集合）が存在するように、プリズム１０１の屈折率ｎｐや測定面１０４に対するカメラ１０３の向き、位置を設計することによって、測定面１０４上には図３（ｃ）の各領域が出現し、カメラ１０３で図３（ａ）のような明暗画像を撮影することが可能となる。
Ａｒｃｓｉｎ（ｎ１／ｎｐ）＜θ_ｃ≦Ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎｐ）（５）

図５は、測定面１０４を正面（プリズム１０１の内側）から見て、この測定面１０４内で界面４０３の形状を計測し得る領域を示す図であり、上述した図３（ｃ）または（ｄ）に対応する。カメラ１０３は、この図の右方に存在している。図５において、曲線Ｃ１より左側の領域が上記の式（２）を満足する領域であり、曲線Ｃ２より右側の領域が上記の式（３）を満足する領域である。折れ線Ｃ３より左側はカメラ１０３の視野領域である。カメラ１０３の視野領域の形状は、カメラを設置する位置や向き、画角、レンズの歪み特性などによって変わるが、ピンホールモデルのカメラを用いる場合であって、撮像面が矩形であり、測定面１０４が平面であれば、この視野領域の境界線が図に示すような折れ線Ｃ３となる。台形ａｂｃｄは、面光源１０２の像が映る部分である。この部分の形状は、面光源１０２の配置や形状によって異なり得る。以上の曲線Ｃ１，Ｃ２、折れ線Ｃ３、台形ａｂｃｄの全てによって囲まれた領域が、界面４０３の形状を計測し得る有効な領域５１８（領域５１１と領域５１２の和集合）となる。

図６は、以上説明したプローブ１を用いて構成された、本発明の一実施形態による界面形状測定装置の構成を示すブロック図である。図６において、界面形状測定装置は、プローブ１と、２値化手段２と、画像変換手段３と、界面判定手段９と、を含んで構成される。

２値化手段２は、プローブ１のカメラ１０３から得られる明暗画像を２値化することにより、これを２値画像に変換する。図７は、２値化手段２による２値化の例を示したものである。２値化手段２は、図７（ａ）のように明暗画像５全体を処理対象として、明暗画像５の各ピクセルの輝度値に対して閾値処理を行うことで、２値画像６を得ることができる。この場合は、明暗画像５の上述した有効領域５１８以外の部分も２値化される。２値化手段２はまた、図７（ｂ）のように、明暗画像５のうち上記有効領域５１８の部分のみを処理対象として閾値処理を行い、２値画像６を得るようにしてもよい。図７（ｂ）では閾値処理を行っていない２値画像６の部分を網掛けで示した。

明暗画像５の閾値処理においては、閾値Ｔを用い、明暗画像５の各ピクセルの輝度値がこの閾値Ｔより上か下かで２値化を行う。閾値Ｔは、明暗画像５の領域５１１に想定される輝度と、領域５１２に想定される輝度との間の値とする。このような閾値Ｔにより、領域５１１と領域５１２とを区別する。閾値Ｔは、固定値として予め設定しておいてもよいし、明暗画像５に応じて適宜変更可能としてもよい。変更可能とする場合、例えば、明暗画像５を画像処理することにより閾値Ｔを自動設定することもできる。例えば、必ず部分反射が生じる領域５１３における平均輝度Ｖ０と、必ず全反射が生じる領域５１６における平均輝度Ｖ１とを求め、Ｖ０とＶ１の間の値を閾値Ｔとして設定するという方法をとり得る。この時閾値Ｔは、一例として、Ｖ０とＶ１の平均値Ｔ＝（Ｖ０＋Ｖ１）／２とすることが考えられる。

画像変換手段３は、２値化手段２によって得られる２値画像を、プリズム１０１の測定面１０４上の座標系に変換する。図８は、画像変換手段３による画像変換の例を示したものである。図８において、２値化手段２から出力される２値画像６は、ｘｙ座標系に基づくものであり、例えば、２値画像６の左上を原点（０，０）とし、右方向にｘ軸、下方向にｙ軸がとられている。２値画像６の画像座標（ｘ，ｙ）は、ピクセル単位で表現してもよいし、カメラ１０３で撮影した画像上の距離を単位として表現してもよい。一方、プリズム１０１の測定面１０４上にＸＹ座標系をとる。座標系ＸＹは、例えば、プリズム１０１の測定面１０４をプリズム１０１の内側から見て、測定面１０４の左上角を原点（０，０）とし、右方向にＸ軸、下方向にＹ軸をとったものである。この座標系ＸＹ上の座標（Ｘ，Ｙ）は、例えば測定面１０４上における実際の距離を単位として表現する。画像変換手段３は、上記のように設定した２つの座標系において、２値画像６の各座標点（ｘ，ｙ）をプリズム１０１の測定面１０４上の座標点（Ｘ，Ｙ）に変換（対応付け）することによって、２値画像６を座標系ＸＹに基づく２値画像７に変換する。

具体的に、画像変換手段３は、座標（Ｘ，Ｙ）から座標（ｘ，ｙ）への変換を表す関数ｈを用い、次の式（６）に従って画像の変換を行うことができる。

ここで、関数ｈは、測定面１０４のカメラ１０３への投影と、プリズム１０１の観測面１０５における屈折とを考慮した観測モデルによって決定される。
上記の関数ｈは２つのルックアップテーブルＨｘおよびＨｙで表現することもでき、画像変換手段３は、次の式（７）に従い、座標（Ｘ，Ｙ）に対応する上記ルックアップテーブルの要素を参照することで座標（ｘ，ｙ）を求めるようにしてもよい。
ｘ＝Ｈｘ（Ｘ，Ｙ）（７Ａ）
ｙ＝Ｈｙ（Ｘ，Ｙ）（７Ｂ）

画像変換手段３はまた、座標（ｘ，ｙ）から座標（Ｘ，Ｙ）への変換を表す関数ｇを用い、次の式（８）に従って画像の変換を行うことができる。

ここで、関数ｇは、測定面１０４のカメラ１０３への投影と、プリズム１０１の観測面１０５における屈折とを考慮した上述の観測モデルの逆関数によって決定される。
上記の関数ｇは２つのルックアップテーブルＧｘおよびＧｙで表現することもでき、画像変換手段３は、次の式（９）に従い、座標（ｘ，ｙ）に対応する上記ルックアップテーブルの要素を参照することで座標（Ｘ，Ｙ）を求めるようにしてもよい。
Ｘ＝Ｇｘ（ｘ，ｙ）（９Ａ）
Ｙ＝Ｇｙ（ｘ，ｙ）（９Ｂ）

界面判定手段９は、画像変換手段３によって変換された２値画像７に基づいて、プリズム１０１の測定面１０４における第１の媒質４０１と第２の媒質４０２の界面４０３を判定する。ここで、２値化手段２により得られる２値画像６の画像座標（ｘ，ｙ）における２値画像値をＢ（ｘ，ｙ）とし、明暗画像５の「明」をＢ＝１、「暗」をＢ＝０に対応させたとすると、Ｂ（ｘ，ｙ）＝１なる領域が測定面の領域５１１となり、Ｂ（ｘ，ｙ）＝０なる領域が測定面の領域５１２となる。このとき、プリズム１０１の測定面１０４上の点（Ｘ，Ｙ）において接している媒質が第１の媒質４０１であるか第２の媒質４０２であるかを判定する関数Ｍ（Ｘ，Ｙ）は、例えば上述の式（７）のルックアップテーブルを用いて、次の式（１０）で与えることができる。
Ｍ（Ｘ，Ｙ）＝Ｂ（Ｈｘ（Ｘ，Ｙ），Ｈｙ（Ｘ，Ｙ））（１０）
界面判定手段９は、上記の式（７）の計算を行い、Ｍ（Ｘ，Ｙ）＝０となる領域とＭ（Ｘ，Ｙ）＝１となる領域とを求め、この２つの領域の接する境界線を、界面４０３を示す判定結果として出力する。なお、図７（ｂ）のように有効領域５１８についてのみ２値化を行った場合には、有効領域５１８以外の領域に対して、２値画像値は例えばＢ＝−１と定義しておけばよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による界面形状センサを説明する。図９に、第２の実施形態としてのプローブ１Ａの構成図を示す。図９において、プローブ１Ａは、第１の媒質４０１と第２の媒質４０２の被測定界面（界面４０３）に接する媒質であるプリズム（界面測定用媒質）１０１Ａと、カメラ１０３と、面光源１０２と、観測容器１１０と、から構成されている。

本実施形態のプローブ１Ａは、プリズム１０１Ａが直方体の形状を有する点と、観測容器１１０を備える点と、面光源１０２の配置とが、第１の実施形態のプローブ１と異なっているが、その他の点は第１の実施形態のプローブ１と同じである。なお、プリズム１０１Ａの形状が直方体となっているが、プリズム１０１Ａの測定面１０４とカメラ１０３と照明面１０６（面光源１０２）とは、第１の実施形態で説明した相互の位置関係を有して配置されているものとする。即ち、カメラ１０３でプリズム１０１Ａの測定面１０４を撮影した際に、面光源１０２からの光が、第１の媒質４０１と接する測定面１０４の部分で全反射され、第２の媒質４０２と接する測定面１０４の部分で部分反射されるようになっている。これにより、カメラ１０３で測定面１０４の明暗画像を撮影し、この明暗画像により第１の媒質４０１と第２の媒質４０２の界面４０３を計測することができる。

観測容器（観測用空間）１１０は、プリズム１０１Ａの測定面１０４に相対する面に隣接して配置された箱であり、プリズム１０１Ａを通して第１の媒質４０１および第２の媒質４０２の側を観測するためのものである。観測容器１１０には、光学観測機器や、レーダーなどのセンサ機器を配置したり、あるいは人間の全身や頭部を入れたりし、これらにより観測を行う。光学機器や人間の目によって光学的に観測をする場合には、観測容器１１０のプリズム１０１Ａと接する面は、観測に用いる光の波長帯において透明または半透明な素材で構成する。また、レーダー等のセンサ機器によって非光学的に観測をする場合には、観測容器１１０のプリズム１０１Ａと接する面は、当該センサ機器による観測を妨げない素材で構成する。観測容器１１０自体にはプリズム１０１Ａと接する面を設けず、プリズム１０１Ａの測定面１０４と相対する面を、観測容器１１０の一面に兼用させてもよい。

なお、観測容器１１０の形状は、直方体に限らず、三角柱形状や半円柱形状など、内部に配置するセンサ等の形状を勘案するなどして、適当な形状を採用することができる。また、観測容器１１０は密封構造としてもよいし、上方あるいは下方に窓を開けた構造としてもよい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態による界面形状センサを説明する。図１０に、第３の実施形態としてのプローブ１Ｂの構成図を示す。図１０において、プローブ１Ｂは、第１の媒質４０１と第２の媒質４０２の被測定界面（界面４０３）に接する媒質であるプリズム（界面測定用媒質）１０１と、カメラ１０３と、面光源１０２と、遮光板１０９と、偏光板１１１と、から構成されている。本実施形態のプローブ１Ｂは、偏光板１１１を備える点を除いて、第１の実施形態のプローブ１とその構成・機能は同じである。

偏光板１１１は、面光源１０２と照明面１０６との間に配置される。この偏光板１１１は、プリズム１０１の測定面１０４で部分反射されてカメラ１０３へ入射される光の所定の偏光成分を減少させるように、その偏光面を調整しておく。このような構成とすることで、カメラ１０３で観測される測定面１０４からの全反射光と部分反射光の強度比を増大させることができ、明暗画像５のコントラストが高まり界面４０３が明瞭に測定可能となる。図１１に示すように、偏光板１１１をカメラ１０３（のレンズ）と観測面１０５の間に配置しても、これと同じ効果を得ることができる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

例えば、面光源１０２は、時間的にその発光状態、例えば発光強度や発光色（スペクトル）を変化させる構成としてもよい。具体的には、例えばカメラ１０３の撮像間隔に同期させて面光源１０２を明滅させることが考えられる。このように面光源１０２からの光を時間変調することで、面光源１０２からの変調成分と外光による非変調成分とをカメラ１０３で分離して、界面の計測精度を向上させることができる。

また、プリズム１０１は、屈折率ｎｃの固相の外殻内に屈折率ｎｐの液相等の媒質を封入した構造にすることができるが、このとき、外殻の厚さが等厚であれば、次の条件
ｎｃ＜ｎｐの場合： θ_ｃ≦Ａｒｃｓｉｎ（ｎｃ／ｎｐ）
ｎｃ≧ｎｐの場合： θ_ｃ≦９０度
が満たされる限り、外殻の屈折率ｎｃによらずに上述の式（５）は満足される。例えば、外殻をアクリル樹脂（屈折率ｎｃ＝１．５）とし、この内部に水（ｎｐ＝１．３３３４）を封入したプリズム１０１を用いて、空気（第１の媒質；ｎ１＝１．０００３）と水（第２の媒質；ｎ２＝１．３３３４）の界面を測定する場合、４８．６度＜θ_ｃ≦９０度なる測定面１０４上の領域が、上述した有効領域５１８となる。

本発明の一実施形態による界面形状センサであるプローブを用いて、２つの媒質間の界面形状を計測する態様を説明した図である。第１の実施形態によるプローブの構成図である。カメラにより撮影される画像の例である。プリズムの測定面における全反射と部分反射を説明する図である。測定面を正面から見たときの界面の形状を計測し得る領域を示す図である。本発明の一実施形態による界面形状測定装置の構成を示すブロック図である。２値化手段による２値化の例を示した図である。画像変換手段による画像変換の例を示した図である。第２の実施形態によるプローブの構成図である。第３の実施形態によるプローブの構成図である。第３の実施形態によるプローブの構成図（変形例）である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂプローブ
１０１，１０１Ａプリズム
１０２面光源
１０３カメラ
１０４測定面
１０５観測面
１０６照明面
１０９遮光板
１１０観測容器
１１１偏光板
２２値化手段
３画像変換手段
４測定対象
４０１第１の媒質
４０２第２の媒質
４０３界面
９界面判定手段

Claims

第１および第２の媒質間の界面形状を計測する界面形状センサであって、
屈折率ｎ１を有する前記第１の媒質および屈折率ｎ２（ｎ２＞ｎ１）を有する前記第２の媒質にその一の面が接した屈折率ｎｐ（ｎｐ＞ｎ１）を有する界面測定用媒質と、
前記一の面を前記第１および第２の媒質と接している側の反対側から臨むように配置されたカメラと、を備え、
前記カメラは、前記第１の媒質と接している前記一の面の第１領域に入射した光が全反射して前記カメラへ入射するとともに、前記第２の媒質と接している前記一の面の領域であって前記第１領域に隣接する第２領域に入射した光が部分反射して前記カメラへ入射するように配置され、前記第１領域と前記第２領域の明暗の差による明暗画像を取得する
ことを特徴とする界面形状センサ。
前記一の面を照明する光源を更に備え、
前記光源からの光が、前記第１領域で全反射して前記カメラへ入射する
ことを特徴とする請求項１に記載の界面形状センサ。
前記光源は、その発する光強度、スペクトル、またはその両者が時間変調されている
ことを特徴とする請求項２に記載の界面形状センサ。
前記第１および第２の媒質内に、前記一の面の前記第２領域を透過して前記カメラに入射する光の光量を減少させる遮光部を更に備える
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１の項に記載の界面形状センサ。
前記カメラに入射する所定の偏光成分を減少させる偏光板を更に備える
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１の項に記載の界面形状センサ。
前記一の面を前記第１および第２の媒質と接している側の反対側から観測するための観測用空間を更に備える
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１の項に記載の界面形状センサ。
請求項１から請求項６のいずれか１の項に記載の界面形状センサと、
前記界面形状センサの前記カメラから出力される前記明暗画像を２値化して２値画像を生成する２値化手段と、
前記２値化手段により生成された２値画像を前記一の面上の座標系に基づく画像に変換する画像変換手段と、
前記画像変換手段により変換された２値画像から、前記一の面における前記第１および第２の媒質間の界面形状を得る界面判定手段と、
を備えることを特徴とする界面形状測定装置。