JP2010101879A - Particle visualizing apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform visualizing photographing for accurately measuring the feature quantity of particles in a high density particle group by photographing and illumination from the same direction. <P>SOLUTION: A particle visualizing apparatus constitutes an optical system for measuring the particle feature quantity of the particles of a particle group and has a probe equipped with a light path for supplying photographing illumination light and the piercing flow channel traversing the light path. The probe part is inserted into the flow of a flying particle group and has a first reflecting means for reflecting the illumination light to send background light to the particles in the piercing flow channel, a characteristic converting means for changing or converting characteristics of the illumination light, and a second reflecting means for deflecting or reflecting the background light to the lateral part of the probe part. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、濃密に気体中又は液体中を分散飛翔する微粒子群挙動の計測技術において使用される粒子可視化装置に関するものである。本発明は殊に、気体中又は液体中に濃密に分散飛翔した微粒子群における粒子個々の粒子速度、粒子径、粒子形状等の粒子特徴量を計測する粒子撮影・計測システム用のプローブ形粒子可視化装置に関するものである。   The present invention relates to a particle visualization apparatus used in a measurement technique of behavior of fine particle groups that densely fly in a gas or liquid. In particular, the present invention provides probe-type particle visualization for particle imaging / measurement systems that measure particle characteristics such as particle velocity, particle diameter, and particle shape of individual particles in a group of finely dispersed particles flying in gas or liquid. It relates to the device.

気体中又は液体中を分散飛翔する微粒子群に含まれる粒子個々の粒子速度、粒子径を計測する方法として、位相ドップラ法、シャドウドップラ法、直接撮影法、レーザ干渉画像法等が知られている。   As a method for measuring the particle velocity and particle diameter of each particle contained in a group of fine particles dispersed and flying in a gas or liquid, a phase Doppler method, a shadow Doppler method, a direct imaging method, a laser interference imaging method, and the like are known. .

直接撮影法は、非特許文献1に記載されるように、分散飛翔する粒子群の後方から照明し、照明装置と対向する位置に配置されたCCDカメラ等の撮像装置によって粒子の影写真を撮影し、これにより、個々の粒子の速度及び大きさを計測する手法である。直接撮影法は、比較的安価な装置を用いて計測システムを構成することができ、しかも、複雑な調整や校正等を必要とせずに手軽に計測し得ることから、従来より、様々な分野において利用されてきた。   As described in Non-Patent Document 1, the direct imaging method illuminates from behind the particles flying in a dispersed manner and takes a shadow photograph of the particles with an imaging device such as a CCD camera arranged at a position facing the illumination device. Thus, this is a technique for measuring the speed and size of individual particles. In direct imaging, a measurement system can be configured using a relatively inexpensive device, and it can be easily measured without the need for complicated adjustments and calibrations. Has been used.

直接撮影法においては、撮影された粒子の影写真を画像解析することによって、粒子径や粒子形状等を測定することができる。また、二重露光撮影、高速度カメラ撮影、パルスレーザ及びデジタルCCDカメラを用いたフレームまたぎ撮影等により、飛翔する粒子を短い時間間隔で連続撮影して粒子の飛翔距離を測定し、飛翔距離の測定値を時間間隔で除すことにより、粒子の飛翔速度を測定することができる。   In the direct imaging method, the particle diameter, the particle shape, and the like can be measured by image analysis of a shadow photograph of the captured particle. In addition, by double exposure shooting, high-speed camera shooting, frame laser shooting using a pulse laser and a digital CCD camera, etc., the flying particles are continuously shot at short time intervals to measure the flying distance of the particles. By dividing the measured value by the time interval, the flying speed of the particles can be measured.

直接撮影法は、粒子形状の影響を受けずに測定を実施し得るので、粒子形状が真球であることを仮定する位相ドップラ法やレーザ干渉画像法に比べ、幅広い適用範囲を有する点で有利である。   The direct imaging method can be measured without being affected by the particle shape, and is advantageous in that it has a wider range of application than the phase Doppler method and laser interference imaging method, which assume that the particle shape is a true sphere. It is.

このような直接撮影法においては、微粒子を前方から照明した場合、粒子形状や材質に依存した複雑な光散乱特性を示す。このため、撮影される粒子像は粒子の大きさや粒子形状を反映せず、従って、粒子計測上の要求を満たすことができない。このような事情より、直接撮影法においては、粒子を後方から照らす背景照明を行う必要があり、従って、照明装置及び撮像装置は、特許文献1に示されるように、計測対象の粒子群を挟んで互いに対向した位置に配置される。   In such a direct imaging method, when the fine particles are illuminated from the front, complicated light scattering characteristics depending on the particle shape and material are exhibited. For this reason, the photographed particle image does not reflect the size or shape of the particle, and therefore cannot satisfy the requirements for particle measurement. Under such circumstances, in the direct imaging method, it is necessary to perform background illumination that illuminates particles from the back. Therefore, as shown in Patent Document 1, the illumination device and the imaging device sandwich the particle group to be measured. Are arranged at positions facing each other.

特開2001−74638号公報JP 2001-74638 A

Chigier, N.著, 1983年 "DROP SIZE AND VELOCITY INSTRUMENTATION"(Progress inEnergy and Combustion Science, Vol. 9, pp. 155-177)Chigier, N., 1983 "DROP SIZE AND VELOCITY INSTRUMENTATION" (Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 9, pp. 155-177)

このように照明装置と撮像装置とを対向配置した装置形態においては、撮像装置と照明装置とを分離・離間した状態に配設しなければならず、従って、装置の全体形状及び全体寸法が大型化する。   Thus, in the device configuration in which the illumination device and the imaging device are arranged to face each other, the imaging device and the illumination device must be arranged in a separated / separated state, and therefore the overall shape and overall dimensions of the device are large. Turn into.

また、撮像装置及び照明装置の双方に電源供給線及び制御信号線等を接続する必要があり、このため、両装置の駆動系及び制御系等をコンパクトに一体化することは困難である。   In addition, it is necessary to connect a power supply line, a control signal line, and the like to both the imaging device and the illumination device. For this reason, it is difficult to integrate the drive system and the control system of both devices in a compact manner.

更には、気体中又は液体中を濃密に飛翔する粒子群の内部を計測する場合、粒子群内部の計測箇所の近傍に撮像装置と照明装置とを設置し又は挿入し、手前に存在する粒子群に遮られぬようにする必要が生じるが、撮像装置と照明装置とを分離する結果として外形寸法が大型化していた従来の計測装置では、このような使用形態又はレイアウトは、構造的に採用し難く、仮に採用し得たとしても、粒子群の飛翔状態を変化させてしまうといった問題が生じ、これは、濃密粒子群の内部の正確な測定を困難にする。   Furthermore, when measuring the inside of a particle group that flies densely in a gas or liquid, an image pickup device and an illumination device are installed or inserted in the vicinity of the measurement location inside the particle group, and the particle group existing in the foreground. However, in a conventional measuring device whose outer dimensions have become larger as a result of separating the imaging device and the lighting device, such a usage pattern or layout is structurally adopted. Even if it is difficult to adopt, there is a problem that the flying state of the particle group is changed, which makes it difficult to accurately measure the inside of the dense particle group.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、同一方向からの撮影及び照明を可能にするとともに、撮影系及び照明系をコンパクトなプローブとして一体化することによって濃密粒子群の内部に挿入することができ、これにより、濃密粒子群の内部の粒子特徴量を正確に計測することができる粒子撮影・計測システム用の粒子可視化装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to enable photographing and illumination from the same direction and to integrate the photographing system and the illumination system as a compact probe. The present invention provides a particle visualization device for a particle imaging / measurement system that can be inserted into a dense particle group and thereby can accurately measure the particle feature amount inside the dense particle group. .

本発明は、上記目的を達成すべく、飛翔粒子群を含む流体を撮影して該流体中の粒子の粒子特徴量を測定する光学系に使用され又は組み込まれる粒子可視化装置において、
軸部の基端側から先端部に向かって撮影用の照明光を供給する光路と、該光路を横断するように前記軸部を貫通する貫通流路とを備えており、前記飛翔粒子群の流れの中に挿入されるプローブ部と、
前記プローブ部の先端部に配置されるとともに、前記照明光を反射して、前記貫通流路内を通過する粒子を撮影するための背景光を前記流路に差し向ける第1反射手段と、
前記第1反射手段に入射する前記照明光の特性と、前記背景光の特性とが相違するように前記照明光又は背景光の特性を変化させ又は変換する特性変換手段と、
前記流路を通過した前記背景光を前記プローブの側方に偏向又は変向し、或いは、反射する第2反射手段とを有することを特徴とする粒子可視化装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a particle visualization apparatus that is used or incorporated in an optical system that photographs a fluid including flying particle groups and measures the particle feature amount of particles in the fluid.
An optical path for supplying illumination light for imaging from the proximal end side of the shaft portion toward the distal end portion, and a through channel that penetrates the shaft portion so as to cross the optical path, and the flying particle group A probe part inserted into the flow;
A first reflecting means that is disposed at a distal end of the probe unit, reflects the illumination light, and directs background light to image the particles passing through the through channel;
Characteristic conversion means for changing or converting the characteristics of the illumination light or the background light so that the characteristics of the illumination light incident on the first reflecting means and the characteristics of the background light are different;
There is provided a particle visualizing device comprising: a second reflecting means for deflecting, turning, or reflecting the background light that has passed through the flow path toward a side of the probe.

本発明の粒子可視化装置によれば、濃密に飛翔する粒子群の内部にプローブ部分を挿入することにより、流体中に浮遊した粒子をプローブ部の貫通流路内に流入せしめるとともに、粒子を撮影するための背景光によって粒子の画像データを取得し、これにより、粒子群内部の計測箇所における粒子のサイズ、面積、径、形状、粒子速度等の粒子特徴量を計測することが可能となる。   According to the particle visualization apparatus of the present invention, by inserting the probe portion into the densely flying particle group, the particles suspended in the fluid are allowed to flow into the through channel of the probe portion and the particles are photographed. Therefore, it is possible to acquire particle image data by using background light for measuring particle feature quantities such as particle size, area, diameter, shape, particle velocity, and the like at a measurement location inside the particle group.

また、本発明の粒子可視化装置は、背景照明を供給する光学系と、粒子群を撮影する光学系の二つの光学系が同一の軸部又は筒体に設けられた計測用探子(プローブ)形態のプローブ状装置構成を有する。このようなプローブ形態の粒子可視化装置は、その検知部又は検出部を粒子群内部の所望の位置に容易に挿入することができるので、極めて有利である。   Further, the particle visualization apparatus of the present invention is a measurement probe (probe) configuration in which two optical systems, an optical system for supplying background illumination and an optical system for photographing a particle group, are provided on the same shaft or cylinder. It has a probe-like device configuration. Such a probe-type particle visualization apparatus is extremely advantageous because the detection unit or detection unit can be easily inserted into a desired position inside the particle group.

更に、本発明によれば、粒子群を撮影する光学系の方向から照明光を供給し、これを背景光に変換することにより、撮影と照明とを同一の方向から行う直接撮影法が実現する。   Furthermore, according to the present invention, a direct imaging method in which imaging and illumination are performed from the same direction is realized by supplying illumination light from the direction of the optical system for imaging the particle group and converting it to background light. .

また、本発明の粒子可視化装置は、背景照明を提供する機能を内蔵しているので、撮像装置と照明装置とを分離することなく、限られた計測スペースの範囲内で飛翔粒子の撮影を行うことができる。   In addition, since the particle visualization device of the present invention has a built-in function of providing background illumination, the flying particle is imaged within a limited measurement space without separating the imaging device and the illumination device. be able to.

他の観点より、本発明は、上記構成の粒子可視化装置と、前記背景光の結像面を有する撮像装置とを備え、前記流体内の粒子の特徴を光学的に撮影して該粒子の粒子特徴量を計測するようにしたことを特徴とする粒子撮影・計測システムを提供する。   From another viewpoint, the present invention includes a particle visualization device having the above-described configuration and an imaging device having an imaging surface for the background light, and optically shoots the characteristics of the particles in the fluid. Provided is a particle imaging / measurement system characterized by measuring feature quantities.

本発明の粒子撮影・計測システムによれば、撮影系及び照明系をコンパクトに一体化したプローブ部を濃密粒子群の内部に挿入し、これにより、濃密粒子群の内部の粒子特徴量を正確に計測することができる。   According to the particle imaging / measurement system of the present invention, a probe unit in which the imaging system and the illumination system are integrated in a compact manner is inserted into the dense particle group, thereby accurately determining the particle feature amount inside the dense particle group. It can be measured.

本発明の粒子可視化装置によれば、同一方向からの撮影及び照明を可能にするとともに、撮影系及び照明系をコンパクトなプローブとして一体化することによって濃密粒子群の内部に挿入することができ、これにより、濃密粒子群の内部の粒子特徴量を正確に計測することが可能となる。   According to the particle visualization device of the present invention, it is possible to photograph and illuminate from the same direction, and can be inserted into the dense particle group by integrating the photographing system and the illumination system as a compact probe, This makes it possible to accurately measure the particle feature amount inside the dense particle group.

本発明の好適な実施例に係る粒子可視化装置の構成を示す平面図、側面図及び背面図である。It is the top view, side view, and back view which show the structure of the particle | grain visualization apparatus which concerns on the suitable Example of this invention. 粒子可視化装置を含む粒子撮影・計測システムの装置系構成を全体的に示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the whole apparatus system structure of the particle | grain imaging / measurement system containing a particle | grain visualization apparatus. 本発明の第1実施例に係る粒子可視化装置の内部構成及び機能を概略的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows roughly the internal structure and function of the particle | grain visualization apparatus which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第2実施例に係る粒子可視化装置の内部構成及び機能を概略的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows roughly the internal structure and function of the particle | grain visualization apparatus concerning 2nd Example of this invention. 本発明の第3実施例に係る粒子可視化装置の内部構成及び機能を概略的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows roughly the internal structure and function of the particle | grain visualization apparatus concerning 3rd Example of this invention.

本発明の好適な実施形態においては、特性変換手段によって変化させ又は変換すべき光の特性は、光の波長、位相及び/又は波形である。   In a preferred embodiment of the present invention, the characteristic of the light to be changed or converted by the characteristic converting means is the wavelength, phase and / or waveform of the light.

好ましくは、第2反射手段は、背景光をプローブ部の軸芯と直交する方向に反射する。更に好ましくは、第2反射手段は、入射した直線偏光の光の偏光成分に応じて、透過し又は直角に反射する偏光ビームスプリッタ、或いは、入射した光をその一部(例えば、半分)の光量だけ反射するとともに、残部(例えば、半分)の光量、即ち、非反射分のレーザ光を透過して直進させるビームスプリッタ(例えば、50/50ビームスプリッタ)からなる。好適には、プローブ部は、軸芯部に光路を有する円形断面のボアスコープと、ボアスコープの先端部に着脱可能に連結された円形断面のアダプタとから構成され、第1反射手段は、背景光をプローブ部の軸線方向に反射する。   Preferably, a 2nd reflection means reflects background light in the direction orthogonal to the axial center of a probe part. More preferably, the second reflecting means transmits or reflects at right angles according to the polarization component of the incident linearly polarized light, or a part (for example, half) of the incident light. It consists of a beam splitter (for example, a 50/50 beam splitter) that transmits only the remaining light amount (for example, half), that is, a non-reflective portion of the laser light and travels straight. Preferably, the probe unit includes a borescope having a circular cross section having an optical path in an axial center portion, and an adapter having a circular cross section detachably connected to a distal end portion of the borescope, and the first reflecting means includes a background. Light is reflected in the axial direction of the probe portion.

本発明の好ましい実施形態においては、第2反射手段は、第1反射手段に入射する照明光の特性と実質的に同じ特性を有する光を透過する一方、特性変換手段が特性を変化させ又は変換した光を反射する選択的な光の透過性及び反射性を有する。   In a preferred embodiment of the present invention, the second reflecting means transmits light having substantially the same characteristics as the illumination light incident on the first reflecting means, while the characteristic converting means changes or converts the characteristics. And selectively transmits light and reflects the reflected light.

本発明の他の好ましい実施形態においては、光学フィルタが第2反射手段と撮像装置との間に介装され、光学フィルタは、第1反射手段に入射する照明光の特性と実質的に同じ特性を有する光の透過を阻止する一方、特性変換手段が特性を変化させ又は変換した光を透過させる選択的な光の透過性を有する。   In another preferred embodiment of the present invention, an optical filter is interposed between the second reflecting means and the imaging device, and the optical filter has substantially the same characteristics as the characteristics of the illumination light incident on the first reflecting means. The characteristic conversion means has a selective light transmission property that changes the characteristic or transmits the converted light.

好ましくは、特性変換手段は、以下の構成を有する。   Preferably, the characteristic conversion means has the following configuration.

(1)特性変換手段は、光の偏光方向を変換する偏光素子を有し、偏光素子は、軸部の貫通流路と第1反射手段との間に配置された波長板を構成する。偏光素子を用いて、照明光の偏波方向を変換して背景照明を形成することにより、撮影方向から供給された照明光が粒子によって散乱された成分と、背景照明として供給された背景光とを偏光方向の相違を利用して分離することができ、これにより、直接撮影法に必要な背景照明の成分のみを取り出すことが可能となる。 (1) The characteristic converting means has a polarizing element that converts the polarization direction of light, and the polarizing element constitutes a wave plate disposed between the through channel of the shaft portion and the first reflecting means. A polarization element is used to change the polarization direction of the illumination light to form background illumination, so that a component in which illumination light supplied from the imaging direction is scattered by particles, and background light supplied as background illumination, Can be separated by utilizing the difference in the polarization direction, so that only the background illumination components necessary for the direct photographing method can be extracted.

(2)特性変換手段は、光の波長を変化させる蛍光発光素子を有し、螢光発光素子は、第1反射手段の反射面をも構成する。蛍光発光素子を用いて照明光を波長の異なる光に変換して背景照明を形成することにより、撮影方向から供給された照明光が粒子によって散乱された成分と、背景照明として供給された背景光とを波長の相違を利用して分離することができ、これにより、直接撮影法に必要な背景照明の成分のみを取り出すことが可能となる。 (2) The characteristic converting means has a fluorescent light emitting element that changes the wavelength of light, and the fluorescent light emitting element also constitutes a reflecting surface of the first reflecting means. By using a fluorescent light-emitting element to convert the illumination light into light of different wavelengths to form background illumination, the illumination light supplied from the shooting direction is scattered by particles and the background light supplied as background illumination. Can be separated by utilizing the difference in wavelength, so that only the background illumination components necessary for the direct photographing method can be extracted.

(3)特性変換手段は、光の成分を高調波成分に変換する波長変換素子を有し、波長変換素子は、第1反射手段の反射面をも構成する。照明光の成分を波長変換素子を用いて高調波成分に変換して背景照明を形成することにより、撮影方向から供給された照明光が粒子によって散乱された成分と、背景照明として供給された背景光とを波長の相違を利用して分離することができ、これにより、直接撮影法に必要な背景照明の成分のみを取り出すことが可能となる。 (3) The characteristic conversion means includes a wavelength conversion element that converts a light component into a harmonic component, and the wavelength conversion element also constitutes a reflection surface of the first reflection means. By converting the illumination light component into a harmonic component using a wavelength conversion element to form background illumination, the illumination light supplied from the photographing direction is scattered by particles, and the background supplied as background illumination. The light can be separated by utilizing the difference in wavelength, which makes it possible to extract only the background illumination components necessary for direct imaging.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の好適な実施例に係る粒子可視化装置の構成を示す平面図、側面図及び背面図である。   FIG. 1 is a plan view, a side view, and a rear view showing a configuration of a particle visualization apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

粒子可視化装置1は、粒子撮影のための背景照明機能を有する一体的且つコンパクトな計測プローブ形装置であり、粒子群の流路に挿入可能な円形断面のプローブ部1aを有する。プローブ部1aは、撮影用の光を供給する光路を軸芯部に有するボアスコープ3と、ボアスコープ3の先端部分に同心状且つ一体的に連結されたアダプタ4とから構成される。   The particle visualization device 1 is an integral and compact measurement probe type device having a background illumination function for particle imaging, and includes a probe section 1a having a circular cross section that can be inserted into a flow path of a particle group. The probe unit 1a includes a borescope 3 having an optical path for supplying light for photographing at an axial center portion, and an adapter 4 concentrically and integrally connected to a distal end portion of the borescope 3.

ボアスコープ3の基端部は、台座部2に着脱可能に装着される。例えば、ボアスコープ3の基端部には、台座部2に形成された螺子部に螺合する螺子部が形成されており、ボアスコープ3及び台座部2の相対回転によって螺子部同士を螺合し又は解放せしめ、これにより、ボアスコープ3を台座部2に一体的に取り付け又は台座部2から取り外すことができる。   The base end portion of the borescope 3 is detachably attached to the pedestal portion 2. For example, a screw portion that is screwed into a screw portion formed in the pedestal portion 2 is formed at the base end portion of the borescope 3, and the screw portions are screwed together by relative rotation of the borescope 3 and the pedestal portion 2. Thus, the borescope 3 can be integrally attached to or removed from the pedestal portion 2.

アダプタ4は、ボアスコープ3の先端部分に着脱可能に装着される。例えば、ボアスコープ3及びアダプタ4の接合部分には、互いに螺合する螺子部が形成されており、アダプタ4及びボアスコープ3の相対回転によって螺子部同士を螺合し又は解放せしめ、アダプタ4をボアスコープ3の先端部分に取り付け、或いは、ボアスコープ3の先端部から取り外すことができる。使用において粒子等がアダプタ4に付着してアダプタ4が汚染した場合には、アダプタ4のみを取り外して洗浄することができる。   The adapter 4 is detachably attached to the distal end portion of the borescope 3. For example, a screw part that is screwed to each other is formed at a joint portion between the borescope 3 and the adapter 4, and the screw parts are screwed together or released by relative rotation of the adapter 4 and the borescope 3. It can be attached to the tip of the borescope 3 or removed from the tip of the borescope 3. When particles or the like adhere to the adapter 4 during use and the adapter 4 is contaminated, only the adapter 4 can be removed and cleaned.

アダプタ4には、粒子が通過する貫通流路としてスリット5が形成される。スリット5は、アダプタ4の実質的に全周に亘って開口した間隙であり、接続片部分5aを除いて周囲に開放している。スリット5は、ボアスコープ3の軸芯部から延びる光路を横断する方向にプローブ部1aを貫通する。プローブ部1aは、図1(B)に破線矢印で示す飛翔粒子群の流れPに挿入され、飛翔粒子群の一部は、スリット5によって形成された通過孔又は貫通孔を通過する。スリット5を通過する粒子が、粒子撮影・計測システムの計測対象である。   A slit 5 is formed in the adapter 4 as a through channel through which particles pass. The slit 5 is a gap opened over substantially the entire circumference of the adapter 4 and is open to the periphery except for the connecting piece portion 5a. The slit 5 penetrates the probe portion 1a in a direction crossing the optical path extending from the axial core portion of the borescope 3. The probe portion 1a is inserted into the flow P of flying particle groups indicated by broken line arrows in FIG. 1B, and a part of the flying particle groups passes through the through holes or through holes formed by the slits 5. Particles that pass through the slit 5 are measurement targets of the particle imaging / measurement system.

アダプタ4は、1/4波長板6及び反射板7を内蔵する。反射板7は、プローブ部1aの最先端部に配置され、1/4波長板6は、反射板7とスリット5との間に配置される。1/4波長板6は、特性変換手段を構成し、反射板7は、粒子撮影用の背景光をスリット5内に差し向ける第1反射手段を構成する。   The adapter 4 includes a quarter wavelength plate 6 and a reflection plate 7. The reflection plate 7 is disposed at the most distal end portion of the probe unit 1 a, and the quarter wavelength plate 6 is disposed between the reflection plate 7 and the slit 5. The quarter-wave plate 6 constitutes characteristic conversion means, and the reflection plate 7 constitutes first reflection means for directing background light for particle photography into the slit 5.

台座部2は、ビームスプリッタ8及び1/2波長板9を内蔵する。ビームスプリッタ8は、スリット5を通過した背景光をプローブ部1aの側方に向けて反射する第2反射手段を構成する。   The pedestal unit 2 incorporates a beam splitter 8 and a half-wave plate 9. The beam splitter 8 constitutes a second reflecting means for reflecting the background light that has passed through the slit 5 toward the side of the probe unit 1a.

デジタルCCDカメラ等の撮像装置10が台座部2の側部に連結され又は隣接配置される。ビームスプリッタ8によって側方に反射した光は、撮像装置10の受光部に入射する。撮像装置10は、背景光の結像面を有し、プローブ部1aの軸芯部の光路を介して上記粒子群の粒子を撮影する。   An imaging device 10 such as a digital CCD camera is connected to the side portion of the pedestal portion 2 or arranged adjacent thereto. The light reflected laterally by the beam splitter 8 is incident on the light receiving unit of the imaging device 10. The imaging device 10 has an imaging surface for background light, and images the particles of the particle group through the optical path of the axial core portion of the probe unit 1a.

図2は、粒子可視化装置1を含む粒子撮影・計測システムの装置系構成を全体的に示す概略斜視図である。   FIG. 2 is a schematic perspective view showing the overall configuration of the particle imaging / measurement system including the particle visualization device 1.

粒子撮影・計測システムは、粒子可視化装置1、撮像装置10、光学レンズユニット11、レーザ装置12、PC(パーソナルコンピュータ)13、パルスジェネレータ14及びディレイジェネレータ15を有する。粒子撮影・計測システムを構成する各装置は、仮想線(一点鎖線)で示す制御信号線を介して相互に接続されており、スリット5を通過する粒子を可視化して撮影し、撮影した画像を保存するとともに、粒子画像処理アルゴリズムを用いた粒子特徴量(粒子速度、粒子径、粒子形状等)の計測を実行する。   The particle imaging / measurement system includes a particle visualization device 1, an imaging device 10, an optical lens unit 11, a laser device 12, a PC (personal computer) 13, a pulse generator 14, and a delay generator 15. The individual devices constituting the particle imaging / measurement system are connected to each other via a control signal line indicated by a virtual line (one-dot chain line), visualize the particles passing through the slit 5 and take an image. At the same time, the particle feature amount (particle velocity, particle diameter, particle shape, etc.) is measured using a particle image processing algorithm.

撮像装置10として、例えば、以下のデジタルCCDカメラを好適に使用し得る。
・製品名:JAI社製「jAi CV-M2CL」
・有効画素サイズ:1600(h)×1/200(v)
・CCD素子サイズ:11.84mm(h)×8.88mm(v)
・ビット数:10bit
・撮影速度:30fps/dual channel
For example, the following digital CCD camera can be suitably used as the imaging device 10.
・ Product name: JAI "jAi CV-M2CL"
Effective pixel size: 1600 (h) x 1/200 (v)
・ CCD element size: 11.84mm (h) x 8.88mm (v)
・ Number of bits: 10bit
・ Shooting speed: 30fps / dual channel

撮像装置10は、Cマウントリレーレンズ(図示せず)等を介して、粒子可視化装置1の台座部2に連結される。撮像装置10と粒子可視化装置1との間に介装されるCマウントリレーレンズとして、例えば、町田製作所製「Cマウントリレーレンズ T732RFP」を好適に使用し得る。   The imaging device 10 is connected to the pedestal 2 of the particle visualization device 1 via a C-mount relay lens (not shown) or the like. As the C-mount relay lens interposed between the imaging device 10 and the particle visualization device 1, for example, “C-mount relay lens T732RFP” manufactured by Machida Mfg. Co., Ltd. can be suitably used.

レーザ装置12は、撮影用の照明光を供給するためのものであり、レーザ装置12としてダブルパルスNd:YAGレーザ(ネオジウム・ヤグレーザ)等を使用することができる。例えば、以下のNd:YAGレーザをレーザ装置12として好適に使用し得る。
・製品名:New Wave Research社製「Pegasus
PIV laser」
・最高発光周波数:10KHz
・出力:20mJ/pulse@537nm
・パルス幅:10〜180ns
The laser device 12 supplies illumination light for photographing, and a double pulse Nd: YAG laser (neodymium / yag laser) or the like can be used as the laser device 12. For example, the following Nd: YAG laser can be suitably used as the laser device 12.
-Product name: “Pegasus by New Wave Research
PIV laser "
・ Maximum emission frequency: 10KHz
・ Output: 20mJ / pulse @ 537nm
・ Pulse width: 10 to 180ns

本実施例では、直線偏光レーザ光源、波長532nmのNd:YAGレーザ(1台)がレーザ装置12として使用される。光学レンズユニット11は、レーザ装置12のレーザ光を適当な厚さ、幅及び角度に調整するのに使用される。光学レンズユニット11は、単一のレンズからなり、或いは、複数のレンズを組合せた構成を有する。PC13は、撮像装置10によって撮影された画像の画像データを読込んで記憶し且つ画像データを保存するとともに、ディレイジェネレータ15の微少時間間隔の長さを調整する。パルスジェネレータ14は、同期信号を発生させる。パルスジェネレータ14として、東陽テクニック社製「WAVTEK」を好適に使用し得る。ディレイジェネレータ15は、レーザ装置12のパルス間隔を制御する。ディレイジェネレータ15としてフローテック・リサーチ社製「VSD1000」を好適に使用し得る。   In this embodiment, a linearly polarized laser light source and an Nd: YAG laser (1 unit) having a wavelength of 532 nm are used as the laser device 12. The optical lens unit 11 is used to adjust the laser beam of the laser device 12 to an appropriate thickness, width and angle. The optical lens unit 11 is composed of a single lens or has a configuration in which a plurality of lenses are combined. The PC 13 reads and stores the image data of the image taken by the imaging device 10 and saves the image data, and adjusts the length of the minute time interval of the delay generator 15. The pulse generator 14 generates a synchronization signal. As the pulse generator 14, "WAVTEK" manufactured by Toyo Technique Co., Ltd. can be suitably used. The delay generator 15 controls the pulse interval of the laser device 12. As the delay generator 15, “VSD1000” manufactured by Flowtech Research, Inc. can be suitably used.

パルスジェネレータ14のパルス信号がディレイジェネレータ15に入力される。ディレイジェネレータ15は、パルスジェネレータ14のパルス信号に基づき、所定の時間間隔(微小時間)だけ遅延した信号をトリガ信号としてレーザ装置12及び撮像装置10に出力する。ディレイジェネレータ15のトリガ信号が入力されたレーザ装置12は、シングルパルスのレーザビーム、或いは、所定の遅延時間を設定したダブルパルスのレーザビームを発光する。ディレイジェネレータ15のトリガ信号が入力された撮像装置10は、粒子径の撮影等においては少なくとも1枚の画像を撮影し、粒子速度の計測等においては、微少時間間隔を隔てて少なくとも一組(2枚)の画像を撮影する。実際の計測においては、多数枚又は多数組の画像が撮影される。撮像装置10によって撮影された画像の画像データは、PC13に出力され、PC13に記憶され、データ保存される。   A pulse signal from the pulse generator 14 is input to the delay generator 15. The delay generator 15 outputs a signal delayed by a predetermined time interval (minute time) based on the pulse signal of the pulse generator 14 to the laser device 12 and the imaging device 10 as a trigger signal. The laser device 12 to which the trigger signal of the delay generator 15 is input emits a single pulse laser beam or a double pulse laser beam with a predetermined delay time set. The imaging device 10 to which the trigger signal of the delay generator 15 is input captures at least one image in the particle diameter imaging and the like, and in the particle velocity measurement and the like, at least one set (2) with a minute time interval. Image). In actual measurement, multiple images or multiple sets of images are taken. Image data of an image taken by the imaging device 10 is output to the PC 13, stored in the PC 13, and stored.

このような粒子撮影・計測システムを構成する粒子可視化装置1は、以下に説明するとおり、レーザ光の偏光特性を利用した偏光照明によって、入射したレーザ光を背景照明に変換するように構成される。粒子可視化装置1のプローブ部1aは、例えば、外径8mm、長さ160mm、焦点距離2mm、被写界深度100μmの設計条件で設計することができる。   The particle visualization apparatus 1 constituting such a particle imaging / measurement system is configured to convert incident laser light into background illumination by polarization illumination using the polarization characteristics of laser light, as described below. . The probe unit 1a of the particle visualization apparatus 1 can be designed, for example, under the design conditions of an outer diameter of 8 mm, a length of 160 mm, a focal length of 2 mm, and a depth of field of 100 μm.

図3は、粒子可視化装置1の内部構成及び機能を概略的に示すブロック図である。   FIG. 3 is a block diagram schematically showing the internal configuration and functions of the particle visualization apparatus 1.

偏光照明の原理が図3に示されている。図3を参照して、本発明の粒子可視化装置1の構成及び機能を説明する。   The principle of polarized illumination is shown in FIG. With reference to FIG. 3, the structure and function of the particle | grain visualization apparatus 1 of this invention are demonstrated.

レーザ装置12が出射した直線偏光レーザビームLは光学レンズユニット11によって適切な幅厚及び方向に調節され、照明光として粒子可視化装置1に入射する。粒子可視化装置1に入射したレーザビームLは、その偏光方位角を1/2波長板9によって調整される。粒子可視化装置は、ビームスプリッタ8を有し、ビームスプリッタ8は、入射した直線偏光の偏光成分に応じて、光を透過し又は直角に反射する偏光ビームスプリッタからなる。1/2波長板9を出射したレーザビームは、矢印αで示す如く、その全光量がビームスプリッタ8を透過し、ボアスコープ3に入射する。レーザビームは、ボアスコープ3内の光路を通過して1/4波長板6に入射し、1/4波長板6は、レーザビームの偏光状態を円偏光に変換する。   The linearly polarized laser beam L emitted from the laser device 12 is adjusted to an appropriate width and thickness by the optical lens unit 11 and enters the particle visualization device 1 as illumination light. The polarization azimuth of the laser beam L incident on the particle visualization device 1 is adjusted by the half-wave plate 9. The particle visualization apparatus includes a beam splitter 8, and the beam splitter 8 includes a polarization beam splitter that transmits light or reflects at right angles according to a polarization component of incident linearly polarized light. The laser beam emitted from the half-wave plate 9 passes through the beam splitter 8 and enters the borescope 3 as indicated by an arrow α. The laser beam passes through the optical path in the borescope 3 and enters the quarter wavelength plate 6, and the quarter wavelength plate 6 converts the polarization state of the laser beam into circularly polarized light.

円偏光レーザビームは、矢印βで示す如く、反射板7に入射して反射し、1/4波長板6を再度通過する。1/4波長体6は、レーザビームの偏向状態を直線偏光に変換する。1/4波長体6を通過したレーザビームは、ボアスコープ3を通過してビームスプリッタ8に入射する。ビームスプリッタ8に入射するレーザビームの偏光方位角は、先にビームスプリッタ8を透過した照明光のレーザビーム(矢印α)の偏光方位角に対し、角度90°相違(回転)している。このため、ボアスコープ3からビームスプリッタ8に入射したレーザビームは、矢印γで示す如く、その全光量がビームスプリッタ8の45°面で反射し、撮像装置10の像面に結像する。   The circularly polarized laser beam is incident on and reflected by the reflecting plate 7 as indicated by an arrow β and passes through the quarter-wave plate 6 again. The quarter wave body 6 converts the deflection state of the laser beam into linearly polarized light. The laser beam that has passed through the quarter wave body 6 passes through the borescope 3 and enters the beam splitter 8. The polarization azimuth angle of the laser beam incident on the beam splitter 8 differs (rotates) by an angle of 90 ° with respect to the polarization azimuth angle of the laser beam (arrow α) of the illumination light previously transmitted through the beam splitter 8. For this reason, the laser beam incident on the beam splitter 8 from the borescope 3 is reflected by the 45 ° plane of the beam splitter 8 as shown by an arrow γ, and forms an image on the image plane of the imaging device 10.

スリット5内を通過する測定対象の粒子Qは、ビームスプリッタ8と1/4波長板6との間に存在する粒子であるが、スリット5内に粒子が全く存在しない場合には、レーザ光は背景光として撮像装置10に結像する。   The particle Q to be measured that passes through the slit 5 is a particle that exists between the beam splitter 8 and the quarter-wave plate 6, but when there is no particle in the slit 5, the laser beam is An image is formed on the imaging device 10 as background light.

このように偏光照明を使用した光学系を有する粒子可視化装置1によれば、撮像装置1と離間し且つ対向する位置に背景光用の光源を配設することなく、コンパクトな装置構成によって効率的に撮影用の背景光を確保することができる。なお、粒子Qにレーザビームを効果的に照射するために、ボアスコープ3が、ビームスプリッタ8とスリット5との間に配設されるが、本発明者の実験によれば、ボアスコープ3を取り付けた場合であっても、偏光照明の背景光は、撮像装置10の像面に明るい背景を結像する。   As described above, according to the particle visualization apparatus 1 having an optical system using polarized illumination, the light source for background light is not disposed at a position that is separated from and opposed to the imaging apparatus 1, and is efficient by a compact apparatus configuration. It is possible to secure background light for photographing. In order to effectively irradiate the particle Q with the laser beam, the borescope 3 is disposed between the beam splitter 8 and the slit 5. Even when attached, the background light of the polarized illumination forms a bright background on the image plane of the imaging device 10.

スリット5内の粒子Qは、ボアスコープ3と1/4波長板6との間においてスリット5を通過する粒子であり、粒子Qから反射したレーザ光は、1/4波長板6を通過していないレーザビームの反射光、即ち、ビームスプリッタ8を透過した照明光のレーザビームの反射光であり、その全光量がビームスプリッタ8を透過し得る偏向特性(偏向方位角)を有する。従って、粒子Qからの反射光は、図3(B)に破線矢印δで示す如く、ビームスプリッタ8の45°面で反射せずに全光量がビームスプリッタ8を透過するので、撮像装置10に結像しない。即ち、粒子Qは、撮像装置10の画像中において真っ黒な塊、点又は領域として表出する。この結果、粒子撮影システム(図2)は、粒子及びその背景を容易に識別することができるので、粒子画像処理アルゴリズムを用いて粒子サイズ及び粒子速度等を計測することができる。   The particle Q in the slit 5 is a particle that passes through the slit 5 between the borescope 3 and the quarter-wave plate 6, and the laser light reflected from the particle Q passes through the quarter-wave plate 6. The reflected light of the laser beam, that is, the reflected light of the laser beam of the illumination light that has passed through the beam splitter 8, has a deflection characteristic (deflection azimuth angle) that allows the total amount of light to pass through the beam splitter 8. Accordingly, the reflected light from the particle Q is not reflected by the 45 ° plane of the beam splitter 8 and is transmitted through the beam splitter 8 as indicated by a broken line arrow δ in FIG. Does not image. That is, the particle Q appears as a black block, point, or region in the image of the imaging device 10. As a result, the particle imaging system (FIG. 2) can easily identify the particle and its background, so that the particle size, particle velocity, and the like can be measured using the particle image processing algorithm.

以上説明したとおり、粒子可視化装置1は、プローブ部1aの基端部側からその先端部に向かって撮影用のレーザ光を供給するとともに、プローブ部1aの先端に装着されたアダプタ4の内部でレーザ光を背景光に変換する。従って、粒子可視化装置1によれば、撮影及び照明の双方を実質的に同一の方向から行うことができる。このため、撮像装置に対して粒子群の反対側から背景照明を照射していた従来の構成において必要とされていた背景光照射用光源の設置スペースを省略するとともに、計測条件設定、計測手法設定、計測システム設計等の自由度、利便性、応用性等を大幅に向上することができる。   As described above, the particle visualization device 1 supplies the imaging laser light from the proximal end side of the probe portion 1a toward the distal end portion thereof, and inside the adapter 4 attached to the distal end of the probe portion 1a. Converts laser light into background light. Therefore, according to the particle visualization apparatus 1, both photographing and illumination can be performed from substantially the same direction. For this reason, the installation space for the light source for background light irradiation, which is required in the conventional configuration in which the background illumination is irradiated from the opposite side of the particle group to the imaging device, is omitted, and the measurement condition setting and the measurement method setting are performed. In addition, the degree of freedom, convenience, applicability, etc. of measurement system design can be greatly improved.

図4は、本発明の第2実施例に係る粒子可視化装置の内部構成及び機能を概略的に示すブロック図である。図4において、図1〜図3に示す各構成要素又は構成部品と実質的に同じ構成要素又は構成部品については、同一の参照符号が付されている。   FIG. 4 is a block diagram schematically showing the internal configuration and functions of the particle visualization apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, the same reference numerals are assigned to substantially the same components or components as the components or components shown in FIGS.

本実施例の粒子可視化装置1においては、反射面を蛍光発光素子によって形成した反射板17と、ビームスプリッタ18及び撮像装置10の間に介装された光学フィルタ16とを有する。光学フィルタ16は、波長選択性を有し、反射板17の蛍光発光素子によって反射される前の波長の光を透過させず、カットする一方、反射板17の蛍光発光素子が反射した波長域の光を透過させる。なお、本実施例の粒子可視化装置1は、第1実施例において設けられた1/4波長体6及び1/2波長板9を備えていない。   The particle visualization apparatus 1 according to the present embodiment includes a reflection plate 17 having a reflection surface formed of a fluorescent light emitting element, and an optical filter 16 interposed between the beam splitter 18 and the imaging device 10. The optical filter 16 has wavelength selectivity, does not transmit light having a wavelength before being reflected by the fluorescent light emitting element of the reflecting plate 17, and cuts the light, but has a wavelength range reflected by the fluorescent light emitting element of the reflecting plate 17. Transmit light. In addition, the particle | grain visualization apparatus 1 of a present Example is not provided with the 1/4 wavelength body 6 and the 1/2 wavelength plate 9 which were provided in 1st Example.

本実施例の粒子可視化装置1がレーザ光を背景照明に変換する原理について、図4を参照して説明する。   The principle by which the particle visualization apparatus 1 of the present embodiment converts laser light into background illumination will be described with reference to FIG.

レーザ装置12から出射したレーザビームLは、必要に応じて、光学レンズユニット11によって適切な幅厚及び方向に調節され、粒子可視化装置1に入射する。レーザビームLは、矢印αで示す如く、ビームスプリッタ18に入射する。ビームスプリッタ18は、入射したレーザ光を部分光量(例えば、半分の光量)だけ反射するとともに、残部の光量(例えば、半分の光量)、即ち、非反射分のレーザ光を透過して直進させるビームスプリッタ(例えば、50/50ビームスプリッタ)である。   The laser beam L emitted from the laser device 12 is adjusted to an appropriate width and thickness by the optical lens unit 11 as necessary, and enters the particle visualization device 1. The laser beam L enters the beam splitter 18 as indicated by an arrow α. The beam splitter 18 reflects the incident laser beam by a partial light amount (for example, half light amount), and transmits the remaining light amount (for example, half light amount), that is, a non-reflective laser beam to travel straight. A splitter (eg, a 50/50 beam splitter).

ビームスプリッタ18を透過したレーザビームはボアスコープ3を通過して更に直進し、矢印βで示す如く、反射板17の反射面によって反射される。反射板17の反射面を構成する蛍光発光素子は、反射する光の波長を入射光の波長と異なる波長に変換する。従って、反射板17による反射の前後で光の波長が変化する。光学フィルタ16は、反射板17の螢光発光素子によって波長を変化させた光のみを透過する。   The laser beam that has passed through the beam splitter 18 passes through the borescope 3 and travels further straight, and is reflected by the reflecting surface of the reflecting plate 17 as indicated by an arrow β. The fluorescent light emitting element constituting the reflecting surface of the reflecting plate 17 converts the wavelength of the reflected light into a wavelength different from the wavelength of the incident light. Therefore, the wavelength of light changes before and after reflection by the reflecting plate 17. The optical filter 16 transmits only the light whose wavelength is changed by the fluorescent light emitting element of the reflection plate 17.

反射板17によって反射したレーザビームは、矢印γで示すようにビームスプリッタ18に向かってボアスコープ3の光路を通過し、ビームスプリッタ18は、レーザビームの一部(例えば、50%)を直進させ(矢印δ)、その残部(例えば、50%)を撮像装置10の方向に反射する。撮像装置10の側に反射したレーザビームは、光学フィルタ16を通過して撮像装置10に入射し、撮像装置10の像面に明るい背景を結像する。   The laser beam reflected by the reflecting plate 17 passes through the optical path of the borescope 3 toward the beam splitter 18 as indicated by an arrow γ, and the beam splitter 18 advances a part of the laser beam (for example, 50%) straight. (Arrow δ), and the remaining part (for example, 50%) is reflected in the direction of the imaging device 10. The laser beam reflected toward the imaging device 10 passes through the optical filter 16 and enters the imaging device 10, and forms a bright background on the image plane of the imaging device 10.

他方、スリット5内の粒子Qから反射した光も又、ボアスコープ3を通過し、ビームスプリッタ18は、光の一部(例えば、50%)を直進させ、光の残部(例えば、50%)を撮像装置10の方向に反射する。粒子から反射する光は、粒子可視化装置1に入射するレーザビームL(矢印α)と同じ波長を有する。このため、粒子から反射した光は、光学フィルタ16によってカットされる。即ち、撮像装置10に入射する光は、反射板17で反射して波長が変化した反射光のみであり、反射板17に入射する前の光の波長と同じ波長を有する粒子Qの反射光は、光学フィルタ16によって完全に遮蔽され、撮像装置10に入射しない。従って、粒子は、撮像装置10の画像中に真っ黒な塊、点又は領域として表出するので、粒子とその背景とを容易に識別することができる。   On the other hand, the light reflected from the particles Q in the slit 5 also passes through the borescope 3, and the beam splitter 18 advances a part of the light (for example, 50%) straight, and the remaining part of the light (for example, 50%). Is reflected in the direction of the imaging device 10. The light reflected from the particles has the same wavelength as the laser beam L (arrow α) incident on the particle visualization device 1. For this reason, the light reflected from the particles is cut by the optical filter 16. That is, the light incident on the imaging device 10 is only the reflected light that has been reflected by the reflecting plate 17 and has a changed wavelength, and the reflected light of the particles Q having the same wavelength as the light before entering the reflecting plate 17 is the reflected light. Are completely shielded by the optical filter 16 and do not enter the imaging device 10. Therefore, since the particles are displayed as black masses, points, or regions in the image of the imaging device 10, the particles and their background can be easily identified.

図5は、本発明の第3実施例に係る粒子可視化装置の内部構成及び機能を概略的に示すブロック図である。図5において、図1〜図4に示す各構成要素又は構成部品と実質的に同じ構成要素又は構成部品については、同一の参照符号が付されている。   FIG. 5 is a block diagram schematically showing the internal configuration and functions of the particle visualization apparatus according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same reference numerals are assigned to substantially the same components or components as the components or components shown in FIGS.

本実施例の粒子可視化装置1は、反射面をレーザ波長変換素子によって形成した反射板27と、ビームスプリッタ28と撮像装置10との間に介装された光学フィルタ26とを有する。光学フィルタ26は、波長選択性を有し、反射板27のレーザ波長変換素子によって反射される前の波長の光を透過せず、カットするが、反射板27のレーザ波長変換素子が反射した後の波長の光を透過する。なお、本実施例の粒子可視化装置1も又、第1実施例において設けられた1/4波長体6及び1/2波長板9を備えていない。   The particle visualization apparatus 1 according to the present embodiment includes a reflection plate 27 having a reflection surface formed by a laser wavelength conversion element, and an optical filter 26 interposed between the beam splitter 28 and the imaging device 10. The optical filter 26 has wavelength selectivity and does not transmit the light having the wavelength before being reflected by the laser wavelength conversion element of the reflection plate 27, but cuts the light, but after the laser wavelength conversion element of the reflection plate 27 is reflected. Transmits light of the wavelength. In addition, the particle | grain visualization apparatus 1 of a present Example is not provided with the 1/4 wavelength body 6 and the 1/2 wavelength plate 9 which were provided in 1st Example.

本実施例の粒子可視化装置1がレーザ光を背景照明に変換する原理について、図5を参照して説明する。   The principle by which the particle visualization apparatus 1 of the present embodiment converts laser light into background illumination will be described with reference to FIG.

レーザ装置12から出射したレーザビームLは、必要に応じて、光学レンズユニット11によって適切な幅厚及び方向に調節され、粒子可視化装置1に入射する。レーザビームLは、矢印αで示す如く、ビームスプリッタ28に入射する。ビームスプリッタ28は、入射したレーザ光をその一部(例えば、半分)の光量だけ反射するとともに、残部(例えば、半分)の光量、即ち、非反射分のレーザ光を透過して直進させるビームスプリッタ(例えば、50/50ビームスプリッタ)である。   The laser beam L emitted from the laser device 12 is adjusted to an appropriate width and thickness by the optical lens unit 11 as necessary, and enters the particle visualization device 1. The laser beam L enters the beam splitter 28 as indicated by an arrow α. The beam splitter 28 reflects the incident laser light by a part (for example, half) of the light amount, and transmits the remaining part (for example, half) of the light amount, that is, a non-reflective portion of the laser light, so as to travel straight. (For example, a 50/50 beam splitter).

直進したレーザビームはボアスコープ3を通過して更に直進し、矢印βで示す如く、反射板27の反射面によって反射される。反射板27の反射面を構成するレーザ波長変換素子は、反射する光の波長を入射光の波長と異なる波長に変換するレーザ高調波発生素子からなる。レーザ波長変換素子が反射した光の波長は、反射前の光の波長の1/2又は1/3に変換され、従って、反射板27による反射の前後で光の波長が変化する。光学フィルタ26は、このように波長が変化した光を透過する一方、波長変換前の光を遮蔽し、カットする。   The straight laser beam passes through the borescope 3 and further advances straight, and is reflected by the reflecting surface of the reflecting plate 27 as indicated by an arrow β. The laser wavelength conversion element that constitutes the reflection surface of the reflection plate 27 includes a laser harmonic generation element that converts the wavelength of reflected light to a wavelength different from the wavelength of incident light. The wavelength of the light reflected by the laser wavelength conversion element is converted to ½ or の of the wavelength of the light before reflection, and thus the wavelength of the light changes before and after reflection by the reflection plate 27. The optical filter 26 transmits the light whose wavelength is changed in this way, while shielding and cutting the light before wavelength conversion.

図5に矢印γで示すように、反射板27が反射したレーザビームは、ビームスプリッタ28に向かってボアスコープ3を通過し、矢印δで示す如く、ビームスプリッタ28によって一部(例えば、半分)の光量が直進し、残部(半分)の光量が撮像装置10の方向に反射される。撮像装置10の側に反射したレーザビームは、光学フィルタ26を通過して撮像装置10に入射し、撮像装置10の像面に明るい背景を結像する。   As indicated by an arrow γ in FIG. 5, the laser beam reflected by the reflector 27 passes through the borescope 3 toward the beam splitter 28 and is partially (for example, half) by the beam splitter 28 as indicated by an arrow δ. The remaining amount of light (half) is reflected in the direction of the imaging device 10. The laser beam reflected toward the imaging device 10 passes through the optical filter 26 and enters the imaging device 10, and forms a bright background on the image plane of the imaging device 10.

一方、粒子Qから反射した光は、ボアスコープ3を通過し、ビームスプリッタ28によりその一部(例えば、半分)の光量が直進し、その残部(例えば、半分)の光量が撮像装置10の方向に反射する。粒子から反射する光は、粒子可視化装置1に入射したレーザビームL(矢印α)の波長と同じ波長を有する。   On the other hand, the light reflected from the particle Q passes through the borescope 3, and a part (for example, half) of the light amount travels straight by the beam splitter 28, and the remaining part (for example, half) of the light is directed toward the imaging device 10. Reflect on. The light reflected from the particles has the same wavelength as the wavelength of the laser beam L (arrow α) incident on the particle visualization device 1.

光学フィルタ26は、反射板27に入射する前の光(矢印α)の波長と同じ波長の光をカットし、反射板27によって波長が変化した反射光のみを撮像装置10に入射せしめる。従って、粒子Qから反射した光は、光学フィルタ26によって実質的に完全にカットされるので、粒子Qの反射光は、撮像装置10に映らない。即ち、画像中の粒子は真っ黒な塊、点又は領域として画像に表出するので、粒子とその背景とを容易に識別することができる。   The optical filter 26 cuts light having the same wavelength as that of the light before entering the reflection plate 27 (arrow α), and allows only the reflected light whose wavelength has been changed by the reflection plate 27 to enter the imaging device 10. Accordingly, the light reflected from the particle Q is substantially completely cut by the optical filter 26, so that the reflected light of the particle Q is not reflected on the imaging device 10. That is, the particles in the image appear on the image as black masses, points, or areas, so that the particles and their background can be easily identified.

以上、本発明の好適な実施形態及び実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。   The preferred embodiments and examples of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and is within the scope of the present invention described in the claims. Various modifications or changes are possible.

例えば、プローブ部及び台座部の機械的構成、断面構造及び寸法・形状・形態等は、本発明に従って設計変更することができる。   For example, the mechanical configuration, cross-sectional structure, dimensions, shape, form, and the like of the probe part and the pedestal part can be changed according to the present invention.

また、粒子可視化装置が接続される粒子撮影・計測システムの構成機器等は、本発明の目的の範囲内で任意に設計変更し得るものである。   In addition, the configuration and the like of the particle imaging / measurement system to which the particle visualization apparatus is connected can be arbitrarily changed within the scope of the object of the present invention.

更に、本発明の実施において、ボアスコープの内壁面に塗装を施す等の様々な改良を画像品質向上等のために考慮し又は採用することができる。   Furthermore, in the practice of the present invention, various improvements such as painting on the inner wall surface of the borescope can be considered or adopted for improving the image quality.

本発明は、濃密に気体中又は液体中を分散飛翔する微粒子群挙動の計測技術、例えば、ディーゼル排気、ボイラ排気、微粉炭燃焼、燃料噴霧、洗浄スプレー、噴霧コーティング、噴霧塗装、粉体輸送、農薬散布等の広範な分野に亘る基盤計測技術に適用される。本発明によれば、コンパクトなプローブ部を濃密粒子群の流れの内部に挿入することにより、濃密粒子群の内部の粒子特徴量を正確に計測することが可能となるので、その実用的効果は、顕著である。   The present invention is a technique for measuring the behavior of fine particle groups that fly densely in a gas or liquid, such as diesel exhaust, boiler exhaust, pulverized coal combustion, fuel spray, cleaning spray, spray coating, spray coating, powder transportation, It is applied to basic measurement technology in a wide range of fields such as pesticide application. According to the present invention, by inserting a compact probe portion into the flow of the dense particle group, it becomes possible to accurately measure the particle feature amount inside the dense particle group, and its practical effect is Is remarkable.

1 粒子可視化装置
2 台座部
3 ボアスコープ
4 アダプタ
5 スリット
6 1/4波長板
7 反射板
8、18、28 ビームスプリッタ
9 1/2波長板
10 撮像装置
11 光学レンズユニット
12 レーザ装置
13 PC
14 パルスジェネレータ
15 ディレイジェネレータ
16、26 光学フィルタ
17 反射板(蛍光発光素子)
27 反射板(レーザ波長変換素子)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Particle | grain visualization apparatus 2 Base part 3 Borescope 4 Adapter 5 Slit 6 1/4 wavelength plate 7 Reflection plate 8, 18, 28 Beam splitter 9 1/2 wavelength plate 10 Imaging device 11 Optical lens unit 12 Laser apparatus 13 PC
14 Pulse generator 15 Delay generator 16, 26 Optical filter 17 Reflector (fluorescent light emitting element)
27 Reflector (laser wavelength conversion element)

Claims (8)

飛翔粒子群を含む流体を撮影して該流体中の粒子の粒子特徴量を測定する光学系に使用され又は組み込まれる粒子可視化装置において、
軸部の基端側から先端部に向かって撮影用の照明光を供給する光路と、該光路を横断するように前記軸部を貫通する貫通流路とを備えており、前記飛翔粒子群の流れの中に挿入されるプローブ部と、
前記プローブ部の先端部に配置されるとともに、前記照明光を反射して、前記貫通流路内を通過する粒子を撮影するための背景光を前記流路に差し向ける第1反射手段と、
前記第1反射手段に入射する前記照明光の特性と、前記背景光の特性とが相違するように前記照明光又は背景光の特性を変化させ又は変換する特性変換手段と、
前記流路を通過した前記背景光を前記プローブの側方に偏向又は変向し、或いは、反射する第2反射手段とを有することを特徴とする粒子可視化装置。
In a particle visualization apparatus that is used or incorporated in an optical system that images a fluid including flying particle groups and measures the particle feature amount of particles in the fluid,
An optical path for supplying illumination light for imaging from the proximal end side of the shaft portion toward the distal end portion, and a through channel that penetrates the shaft portion so as to cross the optical path, and the flying particle group A probe part inserted into the flow;
A first reflecting means that is disposed at a distal end of the probe unit, reflects the illumination light, and directs background light to image the particles passing through the through channel;
Characteristic conversion means for changing or converting the characteristics of the illumination light or the background light so that the characteristics of the illumination light incident on the first reflecting means and the characteristics of the background light are different;
A particle visualization apparatus comprising: a second reflecting means for deflecting, turning, or reflecting the background light that has passed through the flow path toward a side of the probe.
前記特性変換手段によって変化させ又は変換すべき光の特性は、光の波長、位相及び/又は波形であることを特徴とする請求項1に記載の粒子可視化装置。   The particle visualization apparatus according to claim 1, wherein the characteristic of the light to be changed or converted by the characteristic conversion unit is a wavelength, a phase, and / or a waveform of the light. 前記第2反射手段は、前記第1反射手段に入射する前記照明光の特性と実質的に同じ特性を有する光を透過する一方、前記特性変換手段が特性を変化させ又は変換した光を反射する選択的な光の透過性及び反射性を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の粒子可視化装置。   The second reflecting means transmits light having substantially the same characteristics as the characteristics of the illumination light incident on the first reflecting means, while reflecting the light whose characteristic has been changed or converted by the characteristic converting means. The particle visualization apparatus according to claim 1, wherein the particle visualization apparatus has selective light transmission and reflection properties. 前記第2反射手段と前記撮像装置との間に介装された光学フィルタを更に有し、該光学フィルタは、前記第1反射手段に入射する前記照明光の特性と実質的に同じ特性を有する光の透過を阻止する一方、前記特性変換手段が特性を変化させ又は変換した光を透過させる選択的な光の透過性を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の粒子可視化装置。   The optical filter further includes an optical filter interposed between the second reflecting means and the imaging device, and the optical filter has substantially the same characteristics as the characteristics of the illumination light incident on the first reflecting means. 3. The particle visualization apparatus according to claim 1, wherein the particle visualization device has a selective light transmission property that prevents the transmission of light while the characteristic conversion unit changes the characteristic or transmits the converted light. 4. 前記特性変換手段は、光の偏光方向を変換する偏光素子を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の粒子可視化装置。   The particle visualization apparatus according to claim 1, wherein the characteristic conversion unit includes a polarizing element that converts a polarization direction of light. 前記特性変換手段は、光の波長を変化させる蛍光発光素子を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の粒子可視化装置。   The particle visualization apparatus according to claim 1, wherein the characteristic conversion unit includes a fluorescent light emitting element that changes a wavelength of light. 前記特性変換手段は、光の成分を高調波成分に変換する波長変換素子を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の粒子可視化装置。   The particle visualization apparatus according to claim 1, wherein the characteristic conversion unit includes a wavelength conversion element that converts a light component into a harmonic component. 請求項1乃至7に記載された粒子可視化装置と、前記背景光の結像面を有する撮像装置とを備え、前記流体内の粒子の特徴を光学的に撮影して該粒子の粒子特徴量を計測するようにしたことを特徴とする粒子撮影・計測システム。   A particle visualization device according to any one of claims 1 to 7, and an imaging device having an imaging surface for the background light, wherein the feature of the particles in the fluid is optically photographed to obtain a particle feature amount of the particles. Particle imaging / measurement system characterized by measurement.
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