JP2016180714A - 雲粒子観測用顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
Description
Imaging Probe)で構成される。しかし、CASは前方散乱強度で粒径分別を行うため水/氷の粒形判別はできない。
本装置による観測は、雲粒子を直接、画像として撮影することにより、雲粒子の相状態を把握し、混合相雲の動態を明らかにすることを目的としている。
図1に本発明のCPMの概要図を示す。ハーフミラーを備え、落射照明が可能な工業用顕微鏡の照射光導入部へフラッシュランプのパルス光を照射する。導入されたパルス光は対物レンズを通して、装置下部に設けた観測窓より外部へ照射される。雲粒子によりパルス光は反射し、再び対物レンズを通して顕微鏡に入射する。顕微鏡に取付けられたCCDカメラにより観察像を撮影し、PCに取り込む。連続した2枚の画像の差分を取ることによりバックグランドレベルを減少させ、S/N比を向上させる。照射光を連続光ではなく、パルス光にすることにより、動いている雲粒子をブレること無く撮影する。そのため、パルス光の発光時間は、想定される雲粒子の移動速度に対して、十分に高速でなければならない。キセノンフラッシュランプを用いることで、発光時間1μs以下で十分な強度のパルス光を得ることができる。顕微鏡の被写界深度外の像も取り込まれてしまうため(いわゆるピンぼけ)、得られた雲粒子の像を画像処理することでピンぼけを判定する。顕微鏡の被写界深度は理論値が示されているが、実際には理論値より広い範囲で実用的な像が得られる。そこでピントが合う範囲(撮影深度)を実験的に決定し、観測対象体積(サンプリングボリューム)を推定した。
顕微鏡:ニコン CM-10L
CCDカメラ:Sentech
STC-MC202USB(1628 x 1236pixels)
フラッシュランプ:浜松フォトニクス L12336
PC:Compulab
Fit-PC2
汎用I/O:コンテック AIO-160802AY-USB
電源:パナソニックニッケル水素電池 エネループ(ハイエンドモデル)
制御ソフトウェア:National Instruments LabVIEW
フラッシュランプ 64Hz
CCDシャッタースピード 1/16s、フレームレート 10fps
消費電流 1.4A(エネループ10本、2350mAh)
係留気球(浮力5〜10kg程度)と地上のウィンチとは専用ロープにて結ばれている。係留気球から数m下のロープに気象ゾンデを取付け、更に数m下にCPMを取付けた。気象ゾンデのデータはリアルタイムに地上で監視することができ、気圧高度と相対湿度から雲の構造を推定することができる。CPMの単位時間あたりのサンプリングボリュームと雲粒子の濃度の兼ね合いから、ある高度での測定は30分から1時間程度実施した。
解析はCPM内での処理とCPMからデータを回収した後の処理と2つの工程を経て実施した。
連続した2枚の画像から差分の絶対値を取った画像を作成する。
画像内の最大値を検出し、設定したしきい値を超えていた場合、画像を制御PC内部の記録装置に保存する。
設定した時間(今回は1分間)に測定した回数をカウントし、記録する。この値は粒子濃度を算出する際に使用する。
電源内の電池の電圧をチェックし、設定した値以下に低下した場合、PCを保護するため、自動的に測定を終了し、PCをシャットダウンさせる。
画像の一部を抽出し、輝度値のヒストグラムからバックグランドレベルを決定する。
決定したバックグランドレベルを画像から引き算する。
設定したしきい値で二値化を行う。
基本的な画像処理(平滑化等)を行った後、粒子の検出(粒子の画像内での位置)を実施する。
検出した粒子の画像(二値化前)を個別に切り抜き、それぞれ別ファイルとして保存する。
個別粒子の画像の抽出が終わった後、次の処理工程(別プログラム)に移る。
ピンぼけ画像を除去するため、2つの設定したしきい値で二値化し、その面積の変動を算出する。ピンぼけの場合、粒子の縁付近の輝度変化がゆるやかであり、面積の変動が大きくなる。よって面積の変動が一定値以下の画像のみ、次の処理に進む。
二値化した画像から粒子の検出を行い、円相当径、長径、短径等の粒子の形状に関するパラメータを取得する。
これらをテキストファイルに保存する。
標準粒子(粒径20μm、ガラスビーズ製)を楊枝の先に付着させ、マイクロメータを取付けたステージに装着し、高さを10μmずつ変えながら、顕微鏡で撮影した。撮影した画像を図2に示す。これより撮影深度を40μmとし、サンプリングボリュームを決定した。
Sampling volume 0.700mm×0.525mm×0.04mm×10fps×4 = 0.588 mm3/s
ゾンデの下部(ケース外)は開放空間になっており、特にポンプなどを使用せず、空間に浮かんだ状態の雲粒子をそのまま観察した。フラッシュランプの点灯時間(半値幅)は0.3 μs、点灯周期は64Hz、CCDカメラの露出時間は、1/16 sとし、多重露光とすることでサンプリングボリュームを向上させた。CCD カメラの画素数は1628×1236 ピクセルである。バックグランドノイズを低減させるため、連続した2 枚の画像の絶対差を算出した結果をゾンデ内の小型PC に保存し、地上で回収した後、画像処理を行った。標準粒子(d = 20μm)を距離を変えながら撮影し、ピントが合う範囲を決定し、サンプリングボリュームを決定した。今回の設定では0.588mm3/s となった。
2 顕微鏡筒
3 ハーフミラー
4 対物レンズ
5 レンズ(非球面)
6 発光装置(フラッシュランプ)
7 制御用PC
8 電源
9 I/O
10 対象物(雲粒子)
11 観察窓付きケース
12 気球
Claims (2)
- 画像撮影装置と、対物レンズを備えた顕微鏡筒と、パルス光を発光する発光装置と、パルス光の発光間隔を制御する制御装置と、パルス光の発光に合わせ画像を撮影する制御装置を備え、対物レンズ面の直近に浮遊する雲粒子を撮影する雲粒子観測用顕微鏡
- 画像撮影装置と、対物レンズを備えた顕微鏡筒と、パルス光を発光する発光装置と、パルス光の発光間隔を制御する制御装置と、パルス光の発光に合わせ画像を撮影する制御装置を備えた雲粒子観測用顕微鏡を用いて、連続した2枚の画像の差分を取ることによりバックグランドレベルを減少させる雲粒子の観測方法
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