JP3211825B1 - 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 - Google Patents
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Info
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Abstract
【要約】
【課題】 焦点外れによって得られる焦点外れ像の直径
とその中の干渉縞の数を測定して微小液滴の径及び空間
分布等を測定する方法を微小気泡に拡張すること、及
び、その方法を微小液滴及び微小気泡の空間的分布濃度
が高い場合にも適用可能にすること。 【解決手段】 微小気泡１０が浮いた液体空間にシート
状の平行なレーザビーム２を照射し、そのレーザビーム
２が当たった微小気泡１０をレーザビーム進行方向に対
して角度θをなす側面方向から対物レンズ６を経てデフ
ォーカス面８で焦点外れで撮影し、微小気泡１０に対応
する焦点外れ像１０”中の干渉縞９の数を計測し、式
（４）に従って微小気泡１０の直径を求める。
とその中の干渉縞の数を測定して微小液滴の径及び空間
分布等を測定する方法を微小気泡に拡張すること、及
び、その方法を微小液滴及び微小気泡の空間的分布濃度
が高い場合にも適用可能にすること。 【解決手段】 微小気泡１０が浮いた液体空間にシート
状の平行なレーザビーム２を照射し、そのレーザビーム
２が当たった微小気泡１０をレーザビーム進行方向に対
して角度θをなす側面方向から対物レンズ６を経てデフ
ォーカス面８で焦点外れで撮影し、微小気泡１０に対応
する焦点外れ像１０”中の干渉縞９の数を計測し、式
（４）に従って微小気泡１０の直径を求める。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微小液滴及び気泡
の径及び分布等の測定方法と装置に関し、特に、干渉法
により空間に分布した微小液滴及び気泡の径と分布の同
時測定方法と装置に関するものである。
の径及び分布等の測定方法と装置に関し、特に、干渉法
により空間に分布した微小液滴及び気泡の径と分布の同
時測定方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば、エンジン内部に噴射された燃料
の微小液滴の分布や径を精度良く測定する方法が求めら
れている。同様に、例えば、スプレードライ法に用いる
ノズルを設計するのに、空中に噴霧された微小液滴の分
布や径を精度良く測定する方法が求められている。さら
に、空気泡中のＣＯ2 の海中への吸収、ビール、ワイン
中の気泡の挙動の研究に気泡の径や分布、及び、その変
化を精度良く測定する方法が求められている。
の微小液滴の分布や径を精度良く測定する方法が求めら
れている。同様に、例えば、スプレードライ法に用いる
ノズルを設計するのに、空中に噴霧された微小液滴の分
布や径を精度良く測定する方法が求められている。さら
に、空気泡中のＣＯ2 の海中への吸収、ビール、ワイン
中の気泡の挙動の研究に気泡の径や分布、及び、その変
化を精度良く測定する方法が求められている。
【０００３】このように、微小液滴や気泡が空間中に存
在した状態のままで、それらの径と分布を精度良く測定
する方法及び装置は、各方面で強く要望されている。
在した状態のままで、それらの径と分布を精度良く測定
する方法及び装置は、各方面で強く要望されている。
【０００４】従来、微小液滴に関しては、空間に分布し
た微小液滴を写真に撮ってその写真を分析する方法があ
った。写真がボケる等して測定精度に問題があった。ま
た、実時間処理ができない問題もある。その写真をＣＣ
Ｄカメラで撮影する方法も知られているが、同様に測定
精度の問題、実時間処理ができない問題等があった。さ
らに、解析に時間がかかる問題がある。その他、ホログ
ラフィックな手法もＣＣＤカメラで撮影する方法も知ら
れているが、同様に測定精度の問題、実時間処理ができ
ない問題、解析に時間がかかる問題がある。さらに、実
時間性を得るために、ＣＣＤカメラで微小液滴の影を直
接撮影する方法も知られているが、粒子が小さいものは
回折の影響で測定が困難であるという問題等があった。
また、限定した３次元位置の微小液滴の径の測定が困難
であるという問題があった。
た微小液滴を写真に撮ってその写真を分析する方法があ
った。写真がボケる等して測定精度に問題があった。ま
た、実時間処理ができない問題もある。その写真をＣＣ
Ｄカメラで撮影する方法も知られているが、同様に測定
精度の問題、実時間処理ができない問題等があった。さ
らに、解析に時間がかかる問題がある。その他、ホログ
ラフィックな手法もＣＣＤカメラで撮影する方法も知ら
れているが、同様に測定精度の問題、実時間処理ができ
ない問題、解析に時間がかかる問題がある。さらに、実
時間性を得るために、ＣＣＤカメラで微小液滴の影を直
接撮影する方法も知られているが、粒子が小さいものは
回折の影響で測定が困難であるという問題等があった。
また、限定した３次元位置の微小液滴の径の測定が困難
であるという問題があった。
【０００５】また、従来、ＬＤＶ、ＰＤＡ、ＰＤＰＡ等
と呼ばれる方法により、３次元空間中の位置を特定して
複数の粒子を同時に測定する方法が知られている。その
方法は、空中に２本のレーザビームを交差させて空間的
な干渉縞を形成し、その干渉縞を横切る液滴から散乱さ
れる光を異なる複数の点から同じ測定体積を観測し、そ
の測定信号の位相差から微小液滴の径を測定する方法で
ある。この場合は、その干渉縞領域を通過する１個１個
の粒子の径を測定する方法であるため、その領域外の周
囲の空間中の測定を同時に行うことができない問題があ
る。また、測定精度も十分なものではなかった。
と呼ばれる方法により、３次元空間中の位置を特定して
複数の粒子を同時に測定する方法が知られている。その
方法は、空中に２本のレーザビームを交差させて空間的
な干渉縞を形成し、その干渉縞を横切る液滴から散乱さ
れる光を異なる複数の点から同じ測定体積を観測し、そ
の測定信号の位相差から微小液滴の径を測定する方法で
ある。この場合は、その干渉縞領域を通過する１個１個
の粒子の径を測定する方法であるため、その領域外の周
囲の空間中の測定を同時に行うことができない問題があ
る。また、測定精度も十分なものではなかった。
【０００６】このような状況において、測定空間にシー
ト状の平行なレーザビームを照射し、そのレーザビーム
が当たった微小液滴を焦点外れで撮影すると、各微小液
滴に対応する焦点外れ像中に干渉縞が存在し、その焦点
外れ像中に存在する干渉縞の数と微小液滴の径との間に
一定の関係があり、その干渉縞の数を測定することによ
り微小液滴の径を測定することが可能であり、また、微
小液滴の空間分布も測定可能である方法が提案されてい
る（ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ｎｏ．９５０４５７，９６０
８３０）。
ト状の平行なレーザビームを照射し、そのレーザビーム
が当たった微小液滴を焦点外れで撮影すると、各微小液
滴に対応する焦点外れ像中に干渉縞が存在し、その焦点
外れ像中に存在する干渉縞の数と微小液滴の径との間に
一定の関係があり、その干渉縞の数を測定することによ
り微小液滴の径を測定することが可能であり、また、微
小液滴の空間分布も測定可能である方法が提案されてい
る（ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ｎｏ．９５０４５７，９６０
８３０）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記の焦点外れ像中の
干渉縞の数を測定して微小液滴の径、及び、その空間分
布を測定する方法の場合、適用分野が微小液滴に限定さ
れ、微小気泡に適用することが行われていなかった。
干渉縞の数を測定して微小液滴の径、及び、その空間分
布を測定する方法の場合、適用分野が微小液滴に限定さ
れ、微小気泡に適用することが行われていなかった。
【０００８】また、その方法には、特に、空間的に微小
液滴の分布濃度が高い場合に、焦点外れ像そのものは円
形で大きい領域を占めるため相互に重なった像となるた
め、各微小液滴を分離して各々の径を測定することが困
難であるという問題があった。
液滴の分布濃度が高い場合に、焦点外れ像そのものは円
形で大きい領域を占めるため相互に重なった像となるた
め、各微小液滴を分離して各々の径を測定することが困
難であるという問題があった。
【０００９】本発明は、従来技術のこのような問題点に
鑑みてなされたものであり、その目的は、焦点外れによ
って得られる焦点外れ像の直径とその中の干渉縞の数を
測定して微小液滴の径及び空間分布を測定する方法を微
小気泡の径及び空間分布の測定方法に拡張すること、及
び、焦点外れ像の解析から微小液滴及び微小気泡の位
置、径、速度を求める方法と装置を提供することであ
る。
鑑みてなされたものであり、その目的は、焦点外れによ
って得られる焦点外れ像の直径とその中の干渉縞の数を
測定して微小液滴の径及び空間分布を測定する方法を微
小気泡の径及び空間分布の測定方法に拡張すること、及
び、焦点外れ像の解析から微小液滴及び微小気泡の位
置、径、速度を求める方法と装置を提供することであ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の微小気泡の径及び分布等の測定方法は、微小気泡あ
るいは微小液滴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
の角度をなす側面方向から、前記レーザビームの進行方
向と撮影光学系の光軸とを含む平面に平行な方向におい
ては焦点外れ状態となり、その平面に垂直な方向におい
ては略合焦状態となる撮影面で、その平面方向に伸びて
微小気泡あるいは微小液滴に対応する線状の焦点外れ像
を撮影し、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ることを特
徴とする方法である。
明の微小気泡の径及び分布等の測定方法は、微小気泡あ
るいは微小液滴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
の角度をなす側面方向から、前記レーザビームの進行方
向と撮影光学系の光軸とを含む平面に平行な方向におい
ては焦点外れ状態となり、その平面に垂直な方向におい
ては略合焦状態となる撮影面で、その平面方向に伸びて
微小気泡あるいは微小液滴に対応する線状の焦点外れ像
を撮影し、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ることを特
徴とする方法である。
【００１１】この場合に、その中心位置は、線状の焦点
外れ像の長さをＬとするとき、長手方向に沿って特定位
置の前後の距離Ｌ／２の範囲で平均をとってその位置の
値とし、その特定位置を順次移動することによって得ら
れる移動平均値のピーク位置から求めることが望まし
い。
外れ像の長さをＬとするとき、長手方向に沿って特定位
置の前後の距離Ｌ／２の範囲で平均をとってその位置の
値とし、その特定位置を順次移動することによって得ら
れる移動平均値のピーク位置から求めることが望まし
い。
【００１２】本発明のもう１つの微小気泡及び微小液滴
の径及び分布等の測定方法は、微小気泡あるいは微小液
滴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をなす
側面方向から、前記レーザビームの進行方向と撮影光学
系の光軸とを含む平面に平行な方向においては焦点外れ
状態となり、その平面に垂直な方向においては略合焦状
態となる撮影面で、その平面方向に伸びて微小気泡ある
いは微小液滴に対応する線状の焦点外れ像を撮影し、そ
の焦点外れ像をフーリエ変換して周波数を求め、求めた
周波数にその焦点外れ像の長さを掛けることにより焦点
外れ像中の干渉縞の数を求め、その干渉縞の数に基づい
て微小気泡あるいは微小液滴の直径を求めることを特徴
とする方法である。
の径及び分布等の測定方法は、微小気泡あるいは微小液
滴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をなす
側面方向から、前記レーザビームの進行方向と撮影光学
系の光軸とを含む平面に平行な方向においては焦点外れ
状態となり、その平面に垂直な方向においては略合焦状
態となる撮影面で、その平面方向に伸びて微小気泡ある
いは微小液滴に対応する線状の焦点外れ像を撮影し、そ
の焦点外れ像をフーリエ変換して周波数を求め、求めた
周波数にその焦点外れ像の長さを掛けることにより焦点
外れ像中の干渉縞の数を求め、その干渉縞の数に基づい
て微小気泡あるいは微小液滴の直径を求めることを特徴
とする方法である。
【００１３】この場合に、フーリエ変換として離散的フ
ーリエ変換を行い、得られた離散的な周波数分布に関数
フィティングを施して微小気泡あるいは微小液滴の直径
を求めるようにすることが望ましい。
ーリエ変換を行い、得られた離散的な周波数分布に関数
フィティングを施して微小気泡あるいは微小液滴の直径
を求めるようにすることが望ましい。
【００１４】本発明のさらにもう１つの微小気泡及び微
小液滴の径及び分布等の測定方法は、微小気泡あるいは
微小液滴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
をなす側面方向から、前記レーザビームの進行方向と撮
影光学系の光軸とを含む平面に平行な方向においては焦
点外れ状態となり、その平面に垂直な方向においては略
合焦状態となる撮影面で、その平面方向に伸びて微小気
泡あるいは微小液滴に対応する線状の焦点外れ像を、微
小時間間隔Δｔをおいて２枚撮影し、得られた２枚の撮
影画面中の線状の焦点外れ像単位でその２枚の撮影画面
間で相互相関を計算することにより各線状の焦点外れ像
の移動量Δｓi を求め、各微小気泡あるいは微小液滴の
速度ｕi を次の関係により求めることを特徴とする方法
である。
小液滴の径及び分布等の測定方法は、微小気泡あるいは
微小液滴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
をなす側面方向から、前記レーザビームの進行方向と撮
影光学系の光軸とを含む平面に平行な方向においては焦
点外れ状態となり、その平面に垂直な方向においては略
合焦状態となる撮影面で、その平面方向に伸びて微小気
泡あるいは微小液滴に対応する線状の焦点外れ像を、微
小時間間隔Δｔをおいて２枚撮影し、得られた２枚の撮
影画面中の線状の焦点外れ像単位でその２枚の撮影画面
間で相互相関を計算することにより各線状の焦点外れ像
の移動量Δｓi を求め、各微小気泡あるいは微小液滴の
速度ｕi を次の関係により求めることを特徴とする方法
である。
【００１５】 ｕi ＝Δｓi ／Δｔ ・・・（６） この場合に、２枚の撮影画面間で相互相関を計算する
際、線状の焦点外れ像中の干渉縞に対応する高周波数成
分を除去して相互相関を計算することが望ましい。
際、線状の焦点外れ像中の干渉縞に対応する高周波数成
分を除去して相互相関を計算することが望ましい。
【００１６】本発明のさらに別の微小気泡及び微小液滴
の径及び分布等の測定方法は、微小気泡あるいは微小液
滴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をなす
側面方向から、前記レーザビームの進行方向と撮影光学
系の光軸とを含む平面に平行な方向においては焦点外れ
状態となり、その平面に垂直な方向においては略合焦状
態となる撮影面で、その平面方向に伸びて微小気泡ある
いは微小液滴に対応する線状の焦点外れ像を撮影し、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、その焦点外れ像をフー
リエ変換して周波数を求め、求めた周波数にその焦点外
れ像の長さを掛けることにより焦点外れ像中の干渉縞の
数を求め、その干渉縞の数に基づいて微小気泡あるいは
微小液滴の直径を求め、また、その焦点外れ像を微小時
間間隔Δｔをおいて２枚撮影し、得られた２枚の撮影画
面中の線状の焦点外れ像単位でその２枚の撮影画面間で
相互相関を計算することにより各線状の焦点外れ像の移
動量Δｓi を求め、各微小気泡あるいは微小液滴の速度
ｕi を次の関係により求めることを特徴とする方法であ
る。
の径及び分布等の測定方法は、微小気泡あるいは微小液
滴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をなす
側面方向から、前記レーザビームの進行方向と撮影光学
系の光軸とを含む平面に平行な方向においては焦点外れ
状態となり、その平面に垂直な方向においては略合焦状
態となる撮影面で、その平面方向に伸びて微小気泡ある
いは微小液滴に対応する線状の焦点外れ像を撮影し、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、その焦点外れ像をフー
リエ変換して周波数を求め、求めた周波数にその焦点外
れ像の長さを掛けることにより焦点外れ像中の干渉縞の
数を求め、その干渉縞の数に基づいて微小気泡あるいは
微小液滴の直径を求め、また、その焦点外れ像を微小時
間間隔Δｔをおいて２枚撮影し、得られた２枚の撮影画
面中の線状の焦点外れ像単位でその２枚の撮影画面間で
相互相関を計算することにより各線状の焦点外れ像の移
動量Δｓi を求め、各微小気泡あるいは微小液滴の速度
ｕi を次の関係により求めることを特徴とする方法であ
る。
【００１７】 ｕi ＝Δｓi ／Δｔ ・・・（６） 本発明の微小気泡及び微小液滴の径及び分布等の測定装
置は、微小気泡あるいは微小液滴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をなす側面方向か
ら、前記レーザビームの進行方向と撮影光学系の光軸と
を含む平面に平行な方向においては焦点外れ状態とな
り、その平面に垂直な方向においては略合焦状態となる
撮影面で、その平面方向に伸びて微小気泡あるいは微小
液滴に対応する線状の焦点外れ像を撮影する撮影手段
と、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る中心位置測定手
段と、その焦点外れ像をフーリエ変換して周波数を求
め、求めた周波数にその焦点外れ像の長さを掛けること
により焦点外れ像中の干渉縞の数を求め、その干渉縞の
数に基づいて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、その焦点外れ像を微小時間間隔Δｔを
おいて２枚撮影し、得られた２枚の撮影画面中の線状の
焦点外れ像単位でその２枚の撮影画面間で相互相関を計
算することにより各線状の焦点外れ像の移動量Δｓi を
求め、各微小気泡あるいは微小液滴の速度ｕi を次の関
係により求める速度測定手段とを備えたことを特徴とす
るものである。
置は、微小気泡あるいは微小液滴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をなす側面方向か
ら、前記レーザビームの進行方向と撮影光学系の光軸と
を含む平面に平行な方向においては焦点外れ状態とな
り、その平面に垂直な方向においては略合焦状態となる
撮影面で、その平面方向に伸びて微小気泡あるいは微小
液滴に対応する線状の焦点外れ像を撮影する撮影手段
と、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る中心位置測定手
段と、その焦点外れ像をフーリエ変換して周波数を求
め、求めた周波数にその焦点外れ像の長さを掛けること
により焦点外れ像中の干渉縞の数を求め、その干渉縞の
数に基づいて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、その焦点外れ像を微小時間間隔Δｔを
おいて２枚撮影し、得られた２枚の撮影画面中の線状の
焦点外れ像単位でその２枚の撮影画面間で相互相関を計
算することにより各線状の焦点外れ像の移動量Δｓi を
求め、各微小気泡あるいは微小液滴の速度ｕi を次の関
係により求める速度測定手段とを備えたことを特徴とす
るものである。
【００１８】 ｕi ＝Δｓi ／Δｔ ・・・（６） 本発明においては、シート状の平行なレーザビームの進
行方向と撮影光学系の光軸とを含む平面に平行な方向に
おいては焦点外れ状態となり、その平面に垂直な方向に
おいては略合焦状態となる撮影面で焦点外れ像を撮影す
るので、各微小気泡又は微小液滴に対応する焦点外れ像
はその平面に垂直な方向に圧縮された１次元像になるた
め、空間的に微小気泡及び微小液滴の分布濃度が高い場
合においても、それぞれの焦点外れ像が相互に分離可能
で、それぞれの焦点外れ像中の干渉縞の数を分離して容
易に数えることができ、また、各焦点外れ像の中心位置
を特定して微小気泡又は微小液滴の分布状況をみること
が容易となり、そのような場合においても、微小気泡及
び微小液滴の位置、直径、速度の分布を同時に精度良く
測定することができる。
行方向と撮影光学系の光軸とを含む平面に平行な方向に
おいては焦点外れ状態となり、その平面に垂直な方向に
おいては略合焦状態となる撮影面で焦点外れ像を撮影す
るので、各微小気泡又は微小液滴に対応する焦点外れ像
はその平面に垂直な方向に圧縮された１次元像になるた
め、空間的に微小気泡及び微小液滴の分布濃度が高い場
合においても、それぞれの焦点外れ像が相互に分離可能
で、それぞれの焦点外れ像中の干渉縞の数を分離して容
易に数えることができ、また、各焦点外れ像の中心位置
を特定して微小気泡又は微小液滴の分布状況をみること
が容易となり、そのような場合においても、微小気泡及
び微小液滴の位置、直径、速度の分布を同時に精度良く
測定することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の微小液滴及び気泡
の径及び分布等の測定方法と装置の原理と実施例の説明
をする。
の径及び分布等の測定方法と装置の原理と実施例の説明
をする。
【００２０】まず、理解を容易にするために、公知の焦
点外れ像中の干渉縞の数を測定して微小液滴の径及び空
間分布を測定する方法の原理から説明する。
点外れ像中の干渉縞の数を測定して微小液滴の径及び空
間分布を測定する方法の原理から説明する。
【００２１】まず、図３に示すように、空中に浮かぶ屈
折率ｎの微小液滴１に平面波２が入射したとき、入射角
（以下、入射角、屈折角はいずれも界面の接平面から測
った角度とする。）τ1 の２回屈折光４と入射角τ0 の
１回反射光３とが平行でそれらの位相差が２ｍπになる
場合と２（ｍ＋１）πになる場合（ｍは整数）の角度差
Δθを求めると、 Δθ＝（２λ／Ｄ）［ｎ sin（θ／２） ÷√｛ｎ2 ＋１−２ｎ cos（θ／２）｝＋cos （θ／２）］-1 ・・・（１） となる。ここで、θは微小液滴１からの散乱光の照明光
２に対する観察角度であり、Ｄは微小液滴１の直径、λ
は照明光２の波長である。
折率ｎの微小液滴１に平面波２が入射したとき、入射角
（以下、入射角、屈折角はいずれも界面の接平面から測
った角度とする。）τ1 の２回屈折光４と入射角τ0 の
１回反射光３とが平行でそれらの位相差が２ｍπになる
場合と２（ｍ＋１）πになる場合（ｍは整数）の角度差
Δθを求めると、 Δθ＝（２λ／Ｄ）［ｎ sin（θ／２） ÷√｛ｎ2 ＋１−２ｎ cos（θ／２）｝＋cos （θ／２）］-1 ・・・（１） となる。ここで、θは微小液滴１からの散乱光の照明光
２に対する観察角度であり、Ｄは微小液滴１の直径、λ
は照明光２の波長である。
【００２２】この意味は、図１（ａ）に示すように、微
小液滴１からの散乱光５中には、照明光２に対して散乱
角θの方向を中心に、微小角度間隔Δθで干渉により強
度の強い部分（干渉縞）が並んでいることであり、その
散乱光５の光路中に対物レンズ（結像レンズ）６を配置
してその散乱光５により像面７上に微小液滴１の像１’
を結像させる場合、像面７から外れた焦点外れ面（デフ
ォーカス面）８では、図１（ｂ）に示したような微小液
滴１の焦点外れ像１”が得られる。図１（ａ）、（ｂ）
で破線で示した範囲は、対物レンズ６に入射する光束の
範囲を示しており、焦点外れ面８で得られる微小液滴１
の焦点外れ像１”の外形の大きさ及び形は、微小液滴１
の大きさに関係なく、対物レンズ６の大きさと像面７に
対する焦点外れ面８の距離に依存し、対物レンズ６の外
形形状が円の場合は、微小液滴１の焦点外れ像１”は円
形になる。そして、その円形の中に形成される干渉縞９
の本数Ｎは、微小液滴１が対物レンズ６を見込む角度α
と上記角度差Δθにより決まる。
小液滴１からの散乱光５中には、照明光２に対して散乱
角θの方向を中心に、微小角度間隔Δθで干渉により強
度の強い部分（干渉縞）が並んでいることであり、その
散乱光５の光路中に対物レンズ（結像レンズ）６を配置
してその散乱光５により像面７上に微小液滴１の像１’
を結像させる場合、像面７から外れた焦点外れ面（デフ
ォーカス面）８では、図１（ｂ）に示したような微小液
滴１の焦点外れ像１”が得られる。図１（ａ）、（ｂ）
で破線で示した範囲は、対物レンズ６に入射する光束の
範囲を示しており、焦点外れ面８で得られる微小液滴１
の焦点外れ像１”の外形の大きさ及び形は、微小液滴１
の大きさに関係なく、対物レンズ６の大きさと像面７に
対する焦点外れ面８の距離に依存し、対物レンズ６の外
形形状が円の場合は、微小液滴１の焦点外れ像１”は円
形になる。そして、その円形の中に形成される干渉縞９
の本数Ｎは、微小液滴１が対物レンズ６を見込む角度α
と上記角度差Δθにより決まる。
【００２３】すなわち、α＝Ｎ×Δθの関係と上記
（１）式から、微小液滴１の直径は、 Ｄ＝（２λＮ／α）［ｎ sin（θ／２） ÷√｛ｎ2 ＋１−２ｎ cos（θ／２）｝＋cos （θ／２）］-1 ・・・（２） となる。この式（２）中に、実際に観察計測した焦点外
れ像１”中の干渉縞９の本数Ｎを代入することにより、
微小液滴１の直径Ｄが求まる。
（１）式から、微小液滴１の直径は、 Ｄ＝（２λＮ／α）［ｎ sin（θ／２） ÷√｛ｎ2 ＋１−２ｎ cos（θ／２）｝＋cos （θ／２）］-1 ・・・（２） となる。この式（２）中に、実際に観察計測した焦点外
れ像１”中の干渉縞９の本数Ｎを代入することにより、
微小液滴１の直径Ｄが求まる。
【００２４】また、図１（ａ）からも明らかなように、
照明光２として図面に垂直な方向に広がるシート状平行
光とし、その光路中に微小液滴１以外の他の微小液滴１
1 、１2 、・・・が存在する場合にも、微小液滴１と同
様な焦点外れ像１1 ”、１2”、・・・が焦点外れ面８
に得られ、同様に直径Ｄが求まる。そして、それらの焦
点外れ像１1 ”、１2 ”、・・・の中心位置は像面７上
でのそれらの微小液滴１、１1 、１2 、・・・の像
１’，１1 ’、１2 ’、・・・の中心位置に略対応する
ので、焦点外れ面８で得られた焦点外れ像１1 ”、
１2 ”、・・・から、微小液滴の分布と各微小液滴の直
径が同時に求まる。
照明光２として図面に垂直な方向に広がるシート状平行
光とし、その光路中に微小液滴１以外の他の微小液滴１
1 、１2 、・・・が存在する場合にも、微小液滴１と同
様な焦点外れ像１1 ”、１2”、・・・が焦点外れ面８
に得られ、同様に直径Ｄが求まる。そして、それらの焦
点外れ像１1 ”、１2 ”、・・・の中心位置は像面７上
でのそれらの微小液滴１、１1 、１2 、・・・の像
１’，１1 ’、１2 ’、・・・の中心位置に略対応する
ので、焦点外れ面８で得られた焦点外れ像１1 ”、
１2 ”、・・・から、微小液滴の分布と各微小液滴の直
径が同時に求まる。
【００２５】以上が、公知の焦点外れ像中の干渉縞の数
を測定して微小液滴の径及び空間分布を測定する方法の
原理であるが、微小液滴の代わりに、液体中に存在する
微小気泡の分布と直径を求めることを考える。
を測定して微小液滴の径及び空間分布を測定する方法の
原理であるが、微小液滴の代わりに、液体中に存在する
微小気泡の分布と直径を求めることを考える。
【００２６】図２は、屈折率ｎの液体中に浮かぶ屈折率
１の微小気泡１０に平面波２が入射したとき、入射角τ
1 の２回屈折光１２と入射角τ0 の１回反射光１１とが
平行でそれらの位相差が２ｍπになる場合と２（ｍ＋
１）πになる場合（ｍは整数）の角度差Δθを求める
と、この場合は、 Δθ＝（２λ／ｎＤ）［cos （θ／２）− sin（θ／２） ÷√｛ｎ2 ＋１−２ｎ cos（θ／２）｝］-1 ・・・（３） となる。ここで、θは微小気泡１０からの散乱光の照明
光２に対する観察角度であり、Ｄは微小気泡１０の直
径、λは照明光２の波長である。
１の微小気泡１０に平面波２が入射したとき、入射角τ
1 の２回屈折光１２と入射角τ0 の１回反射光１１とが
平行でそれらの位相差が２ｍπになる場合と２（ｍ＋
１）πになる場合（ｍは整数）の角度差Δθを求める
と、この場合は、 Δθ＝（２λ／ｎＤ）［cos （θ／２）− sin（θ／２） ÷√｛ｎ2 ＋１−２ｎ cos（θ／２）｝］-1 ・・・（３） となる。ここで、θは微小気泡１０からの散乱光の照明
光２に対する観察角度であり、Ｄは微小気泡１０の直
径、λは照明光２の波長である。
【００２７】この意味は、微小液滴の場合と同様に、図
１（ａ）に示すように、微小気泡１０からの散乱光５中
には、照明光２に対して散乱角θの方向を中心に、微小
角度間隔Δθで干渉により強度の強い部分（干渉縞）が
並んでいることであり、その散乱光５の光路中に対物レ
ンズ６を配置してその散乱光５により像面７上に微小気
泡１０の像１０’を結像させる場合、像面７から外れた
焦点外れ面（デフォーカス面）８では、図１（ｂ）に示
したような微小気泡１０の焦点外れ像１０”が得られ
る。図１（ａ）、（ｂ）で破線で示した範囲は、対物レ
ンズ６に入射する光束の範囲を示しており、焦点外れ面
８で得られる微小気泡１０の焦点外れ像１０”の外形の
大きさ及び形は、微小気泡１０の大きさに関係なく、対
物レンズ６の大きさと像面７に対する焦点外れ面８の距
離に依存し、対物レンズ６の外形形状が円の場合は、微
小気泡１０の焦点外れ像１０”は円形になる。そして、
その円形の中に形成される干渉縞９の本数Ｎは、微小気
泡１０が対物レンズ６を見込む角度αと上記角度差Δθ
により決まる。
１（ａ）に示すように、微小気泡１０からの散乱光５中
には、照明光２に対して散乱角θの方向を中心に、微小
角度間隔Δθで干渉により強度の強い部分（干渉縞）が
並んでいることであり、その散乱光５の光路中に対物レ
ンズ６を配置してその散乱光５により像面７上に微小気
泡１０の像１０’を結像させる場合、像面７から外れた
焦点外れ面（デフォーカス面）８では、図１（ｂ）に示
したような微小気泡１０の焦点外れ像１０”が得られ
る。図１（ａ）、（ｂ）で破線で示した範囲は、対物レ
ンズ６に入射する光束の範囲を示しており、焦点外れ面
８で得られる微小気泡１０の焦点外れ像１０”の外形の
大きさ及び形は、微小気泡１０の大きさに関係なく、対
物レンズ６の大きさと像面７に対する焦点外れ面８の距
離に依存し、対物レンズ６の外形形状が円の場合は、微
小気泡１０の焦点外れ像１０”は円形になる。そして、
その円形の中に形成される干渉縞９の本数Ｎは、微小気
泡１０が対物レンズ６を見込む角度αと上記角度差Δθ
により決まる。
【００２８】すなわち、α＝Ｎ×Δθの関係と上記
（３）式から、微小気泡１０の直径Ｄは、 Ｄ＝（２λＮ／ｎα）［cos （θ／２）− sin（θ／２） ÷√｛ｎ2 ＋１−２ｎ cos（θ／２）｝］-1 ・・・（４） となる。この式（４）中に、実際に観察計測した焦点外
れ像１０”中の干渉縞９の本数Ｎを代入することによ
り、微小気泡１０の直径Ｄが求まる。
（３）式から、微小気泡１０の直径Ｄは、 Ｄ＝（２λＮ／ｎα）［cos （θ／２）− sin（θ／２） ÷√｛ｎ2 ＋１−２ｎ cos（θ／２）｝］-1 ・・・（４） となる。この式（４）中に、実際に観察計測した焦点外
れ像１０”中の干渉縞９の本数Ｎを代入することによ
り、微小気泡１０の直径Ｄが求まる。
【００２９】また、図１（ａ）からも明らかなように、
照明光２として図面に垂直な方向に広がるシート状平行
光とし、その光路中に微小気泡１０以外の他の微小気泡
１０ 1 、１０2 、・・・が存在する場合にも、微小気泡
１０と同様な焦点外れ像１０ 1 ”、１０2 ”、・・・が
焦点外れ面８に得られ、同様に直径Ｄが求まる。そし
て、それらの焦点外れ像１０1 ”、０１2 ”、・・・の
中心位置は像面７上でのそれらの微小気泡１０、１
０1 、１０2 、・・・の像１０’，１０1 ’、１
０2’、・・・の中心位置に略対応するので、焦点外れ
面８で得られた焦点外れ像１０1 ”、１０2 ”、・・・
から、微小気泡の分布と各微小気泡の直径が同時に求ま
る。
照明光２として図面に垂直な方向に広がるシート状平行
光とし、その光路中に微小気泡１０以外の他の微小気泡
１０ 1 、１０2 、・・・が存在する場合にも、微小気泡
１０と同様な焦点外れ像１０ 1 ”、１０2 ”、・・・が
焦点外れ面８に得られ、同様に直径Ｄが求まる。そし
て、それらの焦点外れ像１０1 ”、０１2 ”、・・・の
中心位置は像面７上でのそれらの微小気泡１０、１
０1 、１０2 、・・・の像１０’，１０1 ’、１
０2’、・・・の中心位置に略対応するので、焦点外れ
面８で得られた焦点外れ像１０1 ”、１０2 ”、・・・
から、微小気泡の分布と各微小気泡の直径が同時に求ま
る。
【００３０】以上の検討により、微小気泡の場合も、測
定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を焦点外れで撮影する
と、各微小気泡に対応する焦点外れ像中に干渉縞が存在
し、その焦点外れ像中に存在する干渉縞の数と微小気泡
の径との間に一定の比例関係があり、その干渉縞の数を
測定することにより微小気泡の径を測定することが可能
であり、また、その焦点外れ像の中心位置の分布から微
小気泡の分布が同時に求まることが分かる。
定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を焦点外れで撮影する
と、各微小気泡に対応する焦点外れ像中に干渉縞が存在
し、その焦点外れ像中に存在する干渉縞の数と微小気泡
の径との間に一定の比例関係があり、その干渉縞の数を
測定することにより微小気泡の径を測定することが可能
であり、また、その焦点外れ像の中心位置の分布から微
小気泡の分布が同時に求まることが分かる。
【００３１】ところで、図１（ａ）のような配置で、微
小液滴あるいは微小気泡の空間的分布濃度が高い場合に
撮影した焦点外れ像の１例を、図６に模式的に示す。式
（４）と式（２）の違いを除けば、微小気泡も微小液滴
と同様に取り扱うことができることが分かったので、以
下に代表的に微小液滴について考える。
小液滴あるいは微小気泡の空間的分布濃度が高い場合に
撮影した焦点外れ像の１例を、図６に模式的に示す。式
（４）と式（２）の違いを除けば、微小気泡も微小液滴
と同様に取り扱うことができることが分かったので、以
下に代表的に微小液滴について考える。
【００３２】図６は、図１（ａ）の配置で４つの微小液
滴１が密接してシート状平行光の照明光２の光路内に存
在していた場合の、焦点外れ面８で撮影した焦点外れ像
ａ，ｂ，ｃ，ｄである。４つの微小液滴１が近接してい
るあまり、それらに対応する円形外形の焦点外れ像ａ，
ｂ，ｃ，ｄは相互に重なっており、それぞれの像ａ，
ｂ，ｃ，ｄ内の干渉縞９の数を分離して数えることは容
易でなく、また、各像ａ，ｂ，ｃ，ｄの中心位置を特定
して微小液滴１の分布状況をみることも困難である。
滴１が密接してシート状平行光の照明光２の光路内に存
在していた場合の、焦点外れ面８で撮影した焦点外れ像
ａ，ｂ，ｃ，ｄである。４つの微小液滴１が近接してい
るあまり、それらに対応する円形外形の焦点外れ像ａ，
ｂ，ｃ，ｄは相互に重なっており、それぞれの像ａ，
ｂ，ｃ，ｄ内の干渉縞９の数を分離して数えることは容
易でなく、また、各像ａ，ｂ，ｃ，ｄの中心位置を特定
して微小液滴１の分布状況をみることも困難である。
【００３３】そこで、本発明の微小気泡及び微小液滴の
径及び分布等の測定光学系の第１実施例として、図４に
斜視図を示すような光学系を用いる。まず、座標系を定
義する。微小液滴１、１1 、１2 、・・に照射するシー
ト状平行光の照明光２の進行方向をＳ、測定光学系２０
の光軸をＯとして、光軸Ｏはシート状平行光２の面に垂
直な平面内に設定され、その平面内で光軸Ｏに垂直な方
向をｘ軸方向、光軸Ｏとｘ軸方向に垂直でシート状平行
光の照明光２に平行な方向をｙ軸方向とする。図４の測
定光学系２０は、対物レンズ６と、対物レンズ６と同軸
に配置され、ｘ軸方向にのみ屈折力を有し、ｙ軸方向に
は何ら屈折力を持たないシリンドリカルレンズ２１（図
４の場合は負のシリンドリカルレンズ）とからなり、測
定光学系２０のｙ軸方向の結像面、すなわち、対物レン
ズ６の結像面には、ＣＣＤ等の撮像素子の撮像面２２が
配置されている。これに対して、測定光学系２０のｘ軸
方向の結像面は撮像面２２から外れた位置（図４の場合
は、撮像面２２より背後の位置）に形成される。このよ
うな配置であるので、例えば、光軸Ｏ近傍に位置する微
小液滴１についてみると、円形開口の対物レンズ６から
シリンドリカルレンズ２１に至る光路中では焦点外れ像
の形状は円形であるが、シリンドリカルレンズ２１から
撮像面２２に至るにつれて焦点外れ像は順次偏平度を上
げ撮像面２２上での焦点外れ像は横線になる。ただし、
何れの位置の焦点外れ像中においても、干渉縞９の数は
変化しない。
径及び分布等の測定光学系の第１実施例として、図４に
斜視図を示すような光学系を用いる。まず、座標系を定
義する。微小液滴１、１1 、１2 、・・に照射するシー
ト状平行光の照明光２の進行方向をＳ、測定光学系２０
の光軸をＯとして、光軸Ｏはシート状平行光２の面に垂
直な平面内に設定され、その平面内で光軸Ｏに垂直な方
向をｘ軸方向、光軸Ｏとｘ軸方向に垂直でシート状平行
光の照明光２に平行な方向をｙ軸方向とする。図４の測
定光学系２０は、対物レンズ６と、対物レンズ６と同軸
に配置され、ｘ軸方向にのみ屈折力を有し、ｙ軸方向に
は何ら屈折力を持たないシリンドリカルレンズ２１（図
４の場合は負のシリンドリカルレンズ）とからなり、測
定光学系２０のｙ軸方向の結像面、すなわち、対物レン
ズ６の結像面には、ＣＣＤ等の撮像素子の撮像面２２が
配置されている。これに対して、測定光学系２０のｘ軸
方向の結像面は撮像面２２から外れた位置（図４の場合
は、撮像面２２より背後の位置）に形成される。このよ
うな配置であるので、例えば、光軸Ｏ近傍に位置する微
小液滴１についてみると、円形開口の対物レンズ６から
シリンドリカルレンズ２１に至る光路中では焦点外れ像
の形状は円形であるが、シリンドリカルレンズ２１から
撮像面２２に至るにつれて焦点外れ像は順次偏平度を上
げ撮像面２２上での焦点外れ像は横線になる。ただし、
何れの位置の焦点外れ像中においても、干渉縞９の数は
変化しない。
【００３４】図７は、図４の配置で撮像面２２から得ら
れた４つの微小液滴１等の焦点外れ像ａ，ｂ，ｃ，ｄで
あり、図６に対応するものである。ただし、ｘ軸方向、
ｙ軸方向の倍率は変わらないものとして図示してある
（実際には、ｘ軸方向の焦点距離等が変わるため、焦点
外れ像の倍率も変化し得る。）。図６と図７を比較して
明らかなように、図４の配置で撮影した焦点外れ像ａ，
ｂ，ｃ，ｄは、図１（ａ）の配置で撮影した焦点外れ像
ａ，ｂ，ｃ，ｄ各々の中心位置をそのままにして、その
円形外形を縦方向（ｙ軸方向）に圧縮して１次元方向
（ｘ軸方向）の像に変換したものになっている。そのた
め、４つの焦点外れ像ａ，ｂ，ｃ，ｄには最早ｙ軸方向
の重なりは解消され、それぞれの像ａ，ｂ，ｃ，ｄ内の
干渉縞９の数を分離して容易に数えることができ、ま
た、各像ａ，ｂ，ｃ，ｄの中心位置を特定して微小液滴
１等の分布状況をみることも容易となる（この点は後記
する。）。
れた４つの微小液滴１等の焦点外れ像ａ，ｂ，ｃ，ｄで
あり、図６に対応するものである。ただし、ｘ軸方向、
ｙ軸方向の倍率は変わらないものとして図示してある
（実際には、ｘ軸方向の焦点距離等が変わるため、焦点
外れ像の倍率も変化し得る。）。図６と図７を比較して
明らかなように、図４の配置で撮影した焦点外れ像ａ，
ｂ，ｃ，ｄは、図１（ａ）の配置で撮影した焦点外れ像
ａ，ｂ，ｃ，ｄ各々の中心位置をそのままにして、その
円形外形を縦方向（ｙ軸方向）に圧縮して１次元方向
（ｘ軸方向）の像に変換したものになっている。そのた
め、４つの焦点外れ像ａ，ｂ，ｃ，ｄには最早ｙ軸方向
の重なりは解消され、それぞれの像ａ，ｂ，ｃ，ｄ内の
干渉縞９の数を分離して容易に数えることができ、ま
た、各像ａ，ｂ，ｃ，ｄの中心位置を特定して微小液滴
１等の分布状況をみることも容易となる（この点は後記
する。）。
【００３５】なお、軸対称な測定光学系を用いて撮影し
た図６のような焦点外れ像ａ，ｂ，ｃ，ｄの場合は、そ
れら像の周囲に円形の縁が存在するので、その像の直径
が簡単に分かり、開口中の干渉縞９の数を数えることは
容易であるが、図７のように圧縮された焦点外れ像ａ，
ｂ，ｃ，ｄの場合は、中央部の光量が大きくなるため、
両端近傍の光量は相対的に小さくなり顕著には見えなく
なり、焦点外れ像の長さＬが不鮮明になる。しかしなが
ら、測定光学系が同じ状態で焦点外れ面が同じなら、圧
縮された焦点外れ像の長さＬも全て同じになるので、そ
の同じ状態で予め一度確認しておけばこの点は何ら問題
にはならない。
た図６のような焦点外れ像ａ，ｂ，ｃ，ｄの場合は、そ
れら像の周囲に円形の縁が存在するので、その像の直径
が簡単に分かり、開口中の干渉縞９の数を数えることは
容易であるが、図７のように圧縮された焦点外れ像ａ，
ｂ，ｃ，ｄの場合は、中央部の光量が大きくなるため、
両端近傍の光量は相対的に小さくなり顕著には見えなく
なり、焦点外れ像の長さＬが不鮮明になる。しかしなが
ら、測定光学系が同じ状態で焦点外れ面が同じなら、圧
縮された焦点外れ像の長さＬも全て同じになるので、そ
の同じ状態で予め一度確認しておけばこの点は何ら問題
にはならない。
【００３６】なお、このように、焦点外れ像を縦方向
（ｙ軸方向）に圧縮することにより、撮影される焦点外
れ像のコントラストも向上し、測定感度を上げることが
できるメリットもある。
（ｙ軸方向）に圧縮することにより、撮影される焦点外
れ像のコントラストも向上し、測定感度を上げることが
できるメリットもある。
【００３７】ところで、図４のように、撮像面２２で
は、ｙ軸方向で合焦状態、ｘ軸方向で焦点外れ状態とす
る測定光学系２０のレンズ構成としては、上記のように
軸対称な対物レンズ６とシリンドリカルレンズ２１を組
み合わせてなるアナモルフィック光学系でもよいが、他
に、トーリック面等の面対称なアナモルフィック面を屈
折面に用いてアナモルフィック光学系でもよい。また、
屈折力がｘ軸方向とｙ軸方向で同じであるが、主面がｘ
軸方向とｙ軸方向で異なるため、撮像面２２でｙ軸方向
で合焦状態、ｘ軸方向で焦点外れ状態となる光学系を用
いるようにしてもよい。もちろん、以上のような光学系
を反射面を含めて構成してもよい。
は、ｙ軸方向で合焦状態、ｘ軸方向で焦点外れ状態とす
る測定光学系２０のレンズ構成としては、上記のように
軸対称な対物レンズ６とシリンドリカルレンズ２１を組
み合わせてなるアナモルフィック光学系でもよいが、他
に、トーリック面等の面対称なアナモルフィック面を屈
折面に用いてアナモルフィック光学系でもよい。また、
屈折力がｘ軸方向とｙ軸方向で同じであるが、主面がｘ
軸方向とｙ軸方向で異なるため、撮像面２２でｙ軸方向
で合焦状態、ｘ軸方向で焦点外れ状態となる光学系を用
いるようにしてもよい。もちろん、以上のような光学系
を反射面を含めて構成してもよい。
【００３８】図５は、本発明の第２の実施例の微小気泡
及び微小液滴の径及び分布等の測定光学系の斜視図であ
り、図４の不十分な点をさらに改良したものである。こ
の測定光学系２０’は、対物レンズ６と、対物レンズ６
と同軸に配置され、ｘ軸方向にのみ屈折力を有し、ｙ軸
方向には何ら屈折力を持たない正シリンドリカルレンズ
２１1 と負シリンドリカルレンズ２１2 とからなり、こ
の２枚のシリンドリカルレンズ２１1 と２１2 は光軸Ｏ
に沿ってそれぞれ位置調節可能になっている。そして、
測定光学系２０’のｙ軸方向の結像面である対物レンズ
６の結像面には、撮像素子の撮像面２２が配置されてい
る。
及び微小液滴の径及び分布等の測定光学系の斜視図であ
り、図４の不十分な点をさらに改良したものである。こ
の測定光学系２０’は、対物レンズ６と、対物レンズ６
と同軸に配置され、ｘ軸方向にのみ屈折力を有し、ｙ軸
方向には何ら屈折力を持たない正シリンドリカルレンズ
２１1 と負シリンドリカルレンズ２１2 とからなり、こ
の２枚のシリンドリカルレンズ２１1 と２１2 は光軸Ｏ
に沿ってそれぞれ位置調節可能になっている。そして、
測定光学系２０’のｙ軸方向の結像面である対物レンズ
６の結像面には、撮像素子の撮像面２２が配置されてい
る。
【００３９】このような配置であるので、正シリンドリ
カルレンズ２１1 と負シリンドリカルレンズ２１2 の相
互の位置と対物レンズ６に対する位置を調節することに
より、測定光学系２０’全体のｘ軸方向の結像面を撮像
面２２に対して自由に調節することができる。また、ｘ
軸方向の測定光学系２０’の焦点距離も連続的にある範
囲で自由に調節できる。したがって、図４の場合と同様
に、撮像面２２では、縦方向（ｙ軸方向）に圧縮されて
１次元方向（ｘ軸方向）の像になっている焦点外れ像
（図７）が撮影されると共に、２枚のシリンドリカルレ
ンズ２１1 、２１ 2 の位置を調節することにより、その
ｘ軸方向に伸びる線状の焦点外れ像の長さＬを調節する
ことができる。
カルレンズ２１1 と負シリンドリカルレンズ２１2 の相
互の位置と対物レンズ６に対する位置を調節することに
より、測定光学系２０’全体のｘ軸方向の結像面を撮像
面２２に対して自由に調節することができる。また、ｘ
軸方向の測定光学系２０’の焦点距離も連続的にある範
囲で自由に調節できる。したがって、図４の場合と同様
に、撮像面２２では、縦方向（ｙ軸方向）に圧縮されて
１次元方向（ｘ軸方向）の像になっている焦点外れ像
（図７）が撮影されると共に、２枚のシリンドリカルレ
ンズ２１1 、２１ 2 の位置を調節することにより、その
ｘ軸方向に伸びる線状の焦点外れ像の長さＬを調節する
ことができる。
【００４０】図６に対して図７の場合は、焦点外れ像
ａ，ｂ，ｃ，ｄ間のｙ軸方向の重なりを解消するもので
あったが、同じ高さ（同じｙ座標値）に位置する焦点外
れ像はそのエッジ部で相互に重なる可能性があり、図４
の配置では、ｘ軸方向の部分的重なりは解消できない。
そのような場合に、図５の配置を用いると、焦点外れ像
の長さＬを短く調節することにより、エッジ部での相互
の重なりを除去することができる。この場合にも、前記
したように、１つの焦点外れ像中にける干渉縞９の数は
変化しない。
ａ，ｂ，ｃ，ｄ間のｙ軸方向の重なりを解消するもので
あったが、同じ高さ（同じｙ座標値）に位置する焦点外
れ像はそのエッジ部で相互に重なる可能性があり、図４
の配置では、ｘ軸方向の部分的重なりは解消できない。
そのような場合に、図５の配置を用いると、焦点外れ像
の長さＬを短く調節することにより、エッジ部での相互
の重なりを除去することができる。この場合にも、前記
したように、１つの焦点外れ像中にける干渉縞９の数は
変化しない。
【００４１】さらに、式（２）、（４）の形から明らか
なように、干渉縞の数Ｎと微小液滴（微小気泡）の径Ｄ
との間に比例関係があるので、測定している微小液滴１
の直径Ｄが大きい場合、１つの焦点外れ像中の干渉縞９
の数は多くなり、撮影した画面中の干渉縞９は細かくな
って計数が容易でない場合が生じる。このような場合に
は、上記とは逆に、２枚のシリンドリカルレンズ２
１1 、２１2 の位置を調節して焦点外れ像の長さＬを長
く調節することにより分解能を上げて干渉縞９の計数を
容易にすることができる。
なように、干渉縞の数Ｎと微小液滴（微小気泡）の径Ｄ
との間に比例関係があるので、測定している微小液滴１
の直径Ｄが大きい場合、１つの焦点外れ像中の干渉縞９
の数は多くなり、撮影した画面中の干渉縞９は細かくな
って計数が容易でない場合が生じる。このような場合に
は、上記とは逆に、２枚のシリンドリカルレンズ２
１1 、２１2 の位置を調節して焦点外れ像の長さＬを長
く調節することにより分解能を上げて干渉縞９の計数を
容易にすることができる。
【００４２】ところで、図５の配置では、対物レンズ６
の近傍にｘ軸方向に伸びるスリット状開口２３を配置し
て、ｙ軸方向の開口数の制限を行い、焦点深度（被写界
深度）を深くするようにしている。その結果、シート状
平行光の照明光２に対して測定光学系２０’の光軸Ｏが
９０°以外の斜め方向に位置していても、光軸Ｏからあ
る程度離れた位置の微小液滴１1 等の焦点外れ像を撮影
して測定することができる。なお、スリット状開口２３
が上記のようにｘ軸方向に伸びる形状のため、測定に取
り込める微小角度間隔Δθの干渉縞の数には影響がな
く、撮影された個々の焦点外れ像中の干渉縞の数Ｎには
何ら影響が生じない。
の近傍にｘ軸方向に伸びるスリット状開口２３を配置し
て、ｙ軸方向の開口数の制限を行い、焦点深度（被写界
深度）を深くするようにしている。その結果、シート状
平行光の照明光２に対して測定光学系２０’の光軸Ｏが
９０°以外の斜め方向に位置していても、光軸Ｏからあ
る程度離れた位置の微小液滴１1 等の焦点外れ像を撮影
して測定することができる。なお、スリット状開口２３
が上記のようにｘ軸方向に伸びる形状のため、測定に取
り込める微小角度間隔Δθの干渉縞の数には影響がな
く、撮影された個々の焦点外れ像中の干渉縞の数Ｎには
何ら影響が生じない。
【００４３】ところで、上記で示唆したように、シート
状平行光の照明光２に対する測定光学系２０、２０’の
光軸Ｏのなす角度θは、通常、０°と９０°の間の角度
に設定する。その場合、対物レンズ６の主面、撮像面２
２を光軸Ｏに対して直角に設定すると、上記のようなス
リット状開口２３を用いない限り、斜めの物体面２中の
微小液滴を全て所望の状態で撮影することは困難であ
る。そこで、写真撮影に用いられているシフト、ティル
ト、スイングを組み合わせて対物レンズ６の主面、撮像
面２２を光軸Ｏに対して傾けたり、垂直移動させるアオ
リの手法を採用することにより、斜めの物体面２中の微
小液滴を全て所望の状態で撮影することができる。その
例として、シャインプルフの条件を満たすように、対物
レンズ６の主面と撮像面２２を光軸Ｏに対して傾ける方
法がある。
状平行光の照明光２に対する測定光学系２０、２０’の
光軸Ｏのなす角度θは、通常、０°と９０°の間の角度
に設定する。その場合、対物レンズ６の主面、撮像面２
２を光軸Ｏに対して直角に設定すると、上記のようなス
リット状開口２３を用いない限り、斜めの物体面２中の
微小液滴を全て所望の状態で撮影することは困難であ
る。そこで、写真撮影に用いられているシフト、ティル
ト、スイングを組み合わせて対物レンズ６の主面、撮像
面２２を光軸Ｏに対して傾けたり、垂直移動させるアオ
リの手法を採用することにより、斜めの物体面２中の微
小液滴を全て所望の状態で撮影することができる。その
例として、シャインプルフの条件を満たすように、対物
レンズ６の主面と撮像面２２を光軸Ｏに対して傾ける方
法がある。
【００４４】以上は、測定空間中にシート状平行光の照
明光２を照射し、その照射シート面中に位置する微小液
滴や微小気泡の分布と直径を求めるものとしたが、シー
ト状平行光の照明光２をその面に対して垂直方向に移動
させ、その移動と同期して焦点外れ像を別々に撮像面２
２で撮影することにより、３次元空間中の微小液滴や微
小気泡の分布と直径を求めることができる。この場合に
は、シート状平行光の照明光２の移動に連動して撮像面
２２を光軸方向へ移動させるようにするとよい。
明光２を照射し、その照射シート面中に位置する微小液
滴や微小気泡の分布と直径を求めるものとしたが、シー
ト状平行光の照明光２をその面に対して垂直方向に移動
させ、その移動と同期して焦点外れ像を別々に撮像面２
２で撮影することにより、３次元空間中の微小液滴や微
小気泡の分布と直径を求めることができる。この場合に
は、シート状平行光の照明光２の移動に連動して撮像面
２２を光軸方向へ移動させるようにするとよい。
【００４５】さて、以上のような本発明の測定光学系２
０の撮像面２２で撮影された図７のような焦点外れ像を
用いて、微小液滴や微小気泡の位置、直径、速度を求め
る方法と装置の実施例についてさらに説明する。
０の撮像面２２で撮影された図７のような焦点外れ像を
用いて、微小液滴や微小気泡の位置、直径、速度を求め
る方法と装置の実施例についてさらに説明する。
【００４６】上記の検討から、撮像面２２から得られた
長さＬの線状の焦点外れ像ａ，ｂ，ｃ，ｄの中心位置
は、シート状平行光２中の微小液滴１1 、１2 、・・・
の中心位置に略対応するので、まず、その微小液滴に対
応する焦点外れ像（以下、干渉縞像と呼ぶ。）ａ，ｂ，
ｃ，ｄの中心を求める方法から説明する。図７に示した
ような撮影画面Ａを線状の干渉縞像ａ，ｂ，ｃ，ｄの長
さ方向（ｘ方向に）に沿って主走査し、それと直交する
方向（ｙ方向）に副走査することにより、撮影画面Ａ全
体の画像信号が得られる。この画像信号は、干渉縞像
ａ，ｂ，ｃ，ｄの１個に対応して、例えば図８に例示す
るように、距離に換算して長さＬで、その中に干渉縞の
数Ｎに対応したピークを有する信号が、干渉縞像ａ，
ｂ，ｃ，ｄの位置に対応して存在する信号になる。図８
の横軸は干渉縞像の長手方向の位置（画素数ピクセルで
表現）に対応し、縦軸は信号強度に対応する。図８に示
すような１個の干渉縞像の中心位置を求めるには、その
長手方向に沿って移動平均をとればよい。１個の干渉縞
像の長さＬは測定光学系２０の状態と撮像面２２の位置
から定まるので、特定位置の前後の距離Ｌ／２の範囲で
平均をとってその位置の値とし、その特定位置を順次移
動して行けば移動平均値が得られる。図９に、撮像面２
２で得られた干渉縞像の画像信号と上記の移動平均をと
った結果の１例を示す。移動平均をとると、図示のよう
に略三角波信号が得られ、そのピーク位置（１）が微小
液滴に対応する干渉縞像の中心位置である。なお、図９
中、範囲（３）が干渉縞像の長さＬに対応する。
長さＬの線状の焦点外れ像ａ，ｂ，ｃ，ｄの中心位置
は、シート状平行光２中の微小液滴１1 、１2 、・・・
の中心位置に略対応するので、まず、その微小液滴に対
応する焦点外れ像（以下、干渉縞像と呼ぶ。）ａ，ｂ，
ｃ，ｄの中心を求める方法から説明する。図７に示した
ような撮影画面Ａを線状の干渉縞像ａ，ｂ，ｃ，ｄの長
さ方向（ｘ方向に）に沿って主走査し、それと直交する
方向（ｙ方向）に副走査することにより、撮影画面Ａ全
体の画像信号が得られる。この画像信号は、干渉縞像
ａ，ｂ，ｃ，ｄの１個に対応して、例えば図８に例示す
るように、距離に換算して長さＬで、その中に干渉縞の
数Ｎに対応したピークを有する信号が、干渉縞像ａ，
ｂ，ｃ，ｄの位置に対応して存在する信号になる。図８
の横軸は干渉縞像の長手方向の位置（画素数ピクセルで
表現）に対応し、縦軸は信号強度に対応する。図８に示
すような１個の干渉縞像の中心位置を求めるには、その
長手方向に沿って移動平均をとればよい。１個の干渉縞
像の長さＬは測定光学系２０の状態と撮像面２２の位置
から定まるので、特定位置の前後の距離Ｌ／２の範囲で
平均をとってその位置の値とし、その特定位置を順次移
動して行けば移動平均値が得られる。図９に、撮像面２
２で得られた干渉縞像の画像信号と上記の移動平均をと
った結果の１例を示す。移動平均をとると、図示のよう
に略三角波信号が得られ、そのピーク位置（１）が微小
液滴に対応する干渉縞像の中心位置である。なお、図９
中、範囲（３）が干渉縞像の長さＬに対応する。
【００４７】ところで、同じ主走査方向の信号中に、干
渉縞像の信号の長さＬよりも長い信号が出ることがあ
る。これは、その同じ主走査方向に複数の干渉縞像が相
互に重なって存在する場合であり、稀に起きる。この場
合は、干渉縞像の画像信号の半値幅あるいは移動平均信
号の半値幅が正常の場合より長くなるので、簡単に判定
ができる。その場合に、その干渉縞像の画像信号は取り
除いても問題はない。あるいは、上記半値幅から２つの
干渉縞像の中心を求めるようにすることもできる。
渉縞像の信号の長さＬよりも長い信号が出ることがあ
る。これは、その同じ主走査方向に複数の干渉縞像が相
互に重なって存在する場合であり、稀に起きる。この場
合は、干渉縞像の画像信号の半値幅あるいは移動平均信
号の半値幅が正常の場合より長くなるので、簡単に判定
ができる。その場合に、その干渉縞像の画像信号は取り
除いても問題はない。あるいは、上記半値幅から２つの
干渉縞像の中心を求めるようにすることもできる。
【００４８】なお、画像信号中にノイズが混入している
恐れがあるので、図９の高周波成分の振幅（２）が一定
値以上であると判別されたときにのみ、干渉縞像が存在
すると判定するようにすることが望ましい。
恐れがあるので、図９の高周波成分の振幅（２）が一定
値以上であると判別されたときにのみ、干渉縞像が存在
すると判定するようにすることが望ましい。
【００４９】このようにして、撮影画面Ａにおける各微
小液滴の位置が求められ、その空間における微小液滴分
布、密度が求められる。
小液滴の位置が求められ、その空間における微小液滴分
布、密度が求められる。
【００５０】次に、各微小液滴の直径を求める方法につ
いて説明する。上記のように、撮影画面Ａを走査して得
られた画像信号中の干渉縞像の信号の長さはＬであるの
で、上記で求めた中心位置の前後のＬ／２の範囲が各干
渉縞像の信号である。そこで、求めた干渉縞像の中心の
前後のＬ／２の範囲、すなわち、干渉縞像の中心位置を
中心にして長手方向の長さＬの信号を切り出し、その切
り出した信号のフーリエ変換の絶対値あるいはその２乗
（パワースペクトラム）を求めることにより、干渉縞像
の周波数ｆが求まり、その周波数ｆに干渉縞像の長さＬ
を掛けることにより、焦点外れ像中の干渉縞の数Ｎが求
まる。その後、（２）式あるいは（４）式にそのＮを代
入することにより、微小液滴あるいは微小気泡の直径Ｄ
を求めることができる。
いて説明する。上記のように、撮影画面Ａを走査して得
られた画像信号中の干渉縞像の信号の長さはＬであるの
で、上記で求めた中心位置の前後のＬ／２の範囲が各干
渉縞像の信号である。そこで、求めた干渉縞像の中心の
前後のＬ／２の範囲、すなわち、干渉縞像の中心位置を
中心にして長手方向の長さＬの信号を切り出し、その切
り出した信号のフーリエ変換の絶対値あるいはその２乗
（パワースペクトラム）を求めることにより、干渉縞像
の周波数ｆが求まり、その周波数ｆに干渉縞像の長さＬ
を掛けることにより、焦点外れ像中の干渉縞の数Ｎが求
まる。その後、（２）式あるいは（４）式にそのＮを代
入することにより、微小液滴あるいは微小気泡の直径Ｄ
を求めることができる。
【００５１】ここで、長さＬの信号をフーリエ変換して
そのパワースペクトラムから周波数ｆを求めるには、実
際上、エッジの影響を排除するための窓関数として、例
えばハニング窓（Ｈａｎｎｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ）関数
をその信号に掛けて、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が行
われる。ところで、ＦＦＴは離散的フーリエ変換の一種
であるが、離散的フーリエ変換においては、変換する信
号のサンプリング間隔がΔ、サンプリング数をＭとする
と、得られる周波数間隔は１／ＭΔとなり、離散的な周
波数の位置でしか周波数が得られない。干渉縞像の周波
数がこの周波数間隔１／ＭΔで離散的な周波数の何れか
の１つの周波数に厳密に一致していれば、フーリエ変換
された周波数信号はその周波数位置に１本のピークとし
て表れるが、干渉縞像の周波数がその離散的な周波数の
隣接する２つの周波数の間に存在するときには、隣接す
る２つの周波数のみならずその周囲の離散的な周波数に
も信号が表れてしまう。図１０にその１例を示す。図１
０（ａ）が干渉縞像の信号であり、それにハニング窓関
数を掛けてＦＦＴして求めたパワースペクトラムが図１
０（ｂ）である。図１０（ｂ）から明らかなように、周
波数ｋの位置にピークＰk があり、その両側の離散的な
周波数ｋ−１，ｋ＋１にも信号Ｐk-1 ，Ｐk+ 1 があり、
さらにそれらの両側にも信号がある。このような離散的
なパワースペクトラムから関数フィティングにより元の
信号の周波数を正確に求めるには、種々のフィティング
関数を用いる方法があるが、ガウス関数を当てはめる方
法（Ｒ．Ｊ．Ａｄｒｉａｎ他編「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏ
ｎｓ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｔｏ
Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ５ｔｈ Ｉｎｔｅ
ｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｌｉｓｂｏ
ｎ，Ｐｏｒｔｕｇａｌ，９−１２ Ｊｕｌｙ，１９９
０」ｐｐ．２６８〜２８７（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒ
ｌａｇ））により正確に元の信号の周波数が求まる。す
なわち、図１１に示すように、離散的な周波数ｋの位置
にピークＰk があり、その両側の離散的な周波数ｋ−
１，ｋ＋１にもそれより小さい信号Ｐk-1 ，Ｐk+1 があ
るとき、他の周波数における信号は考えなくとも、元の
信号の周波数ｆは、 ｆ＝ｆk ＋１／２×｛（ｌｏｇＰk-1 −ｌｏｇＰk+1 ） ÷（ｌｏｇＰk-1 −２ｌｏｇＰk ＋ｌｏｇＰk+1 ）｝・・・（５） として求まる。
そのパワースペクトラムから周波数ｆを求めるには、実
際上、エッジの影響を排除するための窓関数として、例
えばハニング窓（Ｈａｎｎｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ）関数
をその信号に掛けて、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が行
われる。ところで、ＦＦＴは離散的フーリエ変換の一種
であるが、離散的フーリエ変換においては、変換する信
号のサンプリング間隔がΔ、サンプリング数をＭとする
と、得られる周波数間隔は１／ＭΔとなり、離散的な周
波数の位置でしか周波数が得られない。干渉縞像の周波
数がこの周波数間隔１／ＭΔで離散的な周波数の何れか
の１つの周波数に厳密に一致していれば、フーリエ変換
された周波数信号はその周波数位置に１本のピークとし
て表れるが、干渉縞像の周波数がその離散的な周波数の
隣接する２つの周波数の間に存在するときには、隣接す
る２つの周波数のみならずその周囲の離散的な周波数に
も信号が表れてしまう。図１０にその１例を示す。図１
０（ａ）が干渉縞像の信号であり、それにハニング窓関
数を掛けてＦＦＴして求めたパワースペクトラムが図１
０（ｂ）である。図１０（ｂ）から明らかなように、周
波数ｋの位置にピークＰk があり、その両側の離散的な
周波数ｋ−１，ｋ＋１にも信号Ｐk-1 ，Ｐk+ 1 があり、
さらにそれらの両側にも信号がある。このような離散的
なパワースペクトラムから関数フィティングにより元の
信号の周波数を正確に求めるには、種々のフィティング
関数を用いる方法があるが、ガウス関数を当てはめる方
法（Ｒ．Ｊ．Ａｄｒｉａｎ他編「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏ
ｎｓ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｔｏ
Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ５ｔｈ Ｉｎｔｅ
ｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｌｉｓｂｏ
ｎ，Ｐｏｒｔｕｇａｌ，９−１２ Ｊｕｌｙ，１９９
０」ｐｐ．２６８〜２８７（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒ
ｌａｇ））により正確に元の信号の周波数が求まる。す
なわち、図１１に示すように、離散的な周波数ｋの位置
にピークＰk があり、その両側の離散的な周波数ｋ−
１，ｋ＋１にもそれより小さい信号Ｐk-1 ，Ｐk+1 があ
るとき、他の周波数における信号は考えなくとも、元の
信号の周波数ｆは、 ｆ＝ｆk ＋１／２×｛（ｌｏｇＰk-1 −ｌｏｇＰk+1 ） ÷（ｌｏｇＰk-1 −２ｌｏｇＰk ＋ｌｏｇＰk+1 ）｝・・・（５） として求まる。
【００５２】もちろん、上記の窓関数、フィティング関
数として他の公知のものを用いてもよい。
数として他の公知のものを用いてもよい。
【００５３】次に、各微小液滴の速度（ベクトル）を求
める方法について説明する。この場合には、微小時間間
隔Δｔで図７に示したような撮影画面ＡとＡ’を撮影す
る。その場合に得られる２枚の撮影画面Ａ、Ａ’が図１
２（ａ）、（ｂ）に模式的に示したようなものであると
すると、各撮影画面Ａ、Ａ’での干渉縞像ａ，ｂ，ｃ，
ｄは図示のように変化する。そこで、２枚の撮影画面
Ａ、Ａ’の各干渉縞像ａ，ｂ，ｃ，ｄ相互の相互相関を
計算することにより、それらの移動量Δｓi がベクトル
として求まる。その移動量の分布を図１２（ｃ）に模式
的に示してある。この求めた移動量Δｓi から各微小液
滴の速度ｕi は、 ｕi ＝Δｓi ／Δｔ ・・・（６） として求まる。
める方法について説明する。この場合には、微小時間間
隔Δｔで図７に示したような撮影画面ＡとＡ’を撮影す
る。その場合に得られる２枚の撮影画面Ａ、Ａ’が図１
２（ａ）、（ｂ）に模式的に示したようなものであると
すると、各撮影画面Ａ、Ａ’での干渉縞像ａ，ｂ，ｃ，
ｄは図示のように変化する。そこで、２枚の撮影画面
Ａ、Ａ’の各干渉縞像ａ，ｂ，ｃ，ｄ相互の相互相関を
計算することにより、それらの移動量Δｓi がベクトル
として求まる。その移動量の分布を図１２（ｃ）に模式
的に示してある。この求めた移動量Δｓi から各微小液
滴の速度ｕi は、 ｕi ＝Δｓi ／Δｔ ・・・（６） として求まる。
【００５４】具体的には、例えばダブルパルスレーザを
用いて微小時間間隔Δｔでシート状平行光の照明光２
（図４、図５）を照射し、その発光と同期して２枚の画
像Ａ、Ａ’を撮像面２２で撮影する。その画像Ａ、Ａ’
から干渉縞像の信号を切り出す。切り出し方は、上記の
周波数を求めるときと同じにする。ただし、この場合
は、１本の走査線の信号だけではなく、干渉縞像に直交
する隣接する走査線の信号も同時に切り出し、画像Ａと
画像Ａ’のその切り出した干渉縞像毎に相互相関をと
る。計算には、両者の画像の切り出した各干渉縞像毎に
ｘ方向、ｙ方向に１ピクセルずつ移動させて、相関値を
計算する。ｘ方向、ｙ方向の相関計算のための移動量の
上限は予め適当に設定しておく。そして、各干渉縞像毎
に最も相関値の高かった位置（ピーク位置）までのベク
トル移動量を上記の移動量Δｓi とする。
用いて微小時間間隔Δｔでシート状平行光の照明光２
（図４、図５）を照射し、その発光と同期して２枚の画
像Ａ、Ａ’を撮像面２２で撮影する。その画像Ａ、Ａ’
から干渉縞像の信号を切り出す。切り出し方は、上記の
周波数を求めるときと同じにする。ただし、この場合
は、１本の走査線の信号だけではなく、干渉縞像に直交
する隣接する走査線の信号も同時に切り出し、画像Ａと
画像Ａ’のその切り出した干渉縞像毎に相互相関をと
る。計算には、両者の画像の切り出した各干渉縞像毎に
ｘ方向、ｙ方向に１ピクセルずつ移動させて、相関値を
計算する。ｘ方向、ｙ方向の相関計算のための移動量の
上限は予め適当に設定しておく。そして、各干渉縞像毎
に最も相関値の高かった位置（ピーク位置）までのベク
トル移動量を上記の移動量Δｓi とする。
【００５５】上記の計算において、切り出した各干渉縞
像中には干渉縞信号が含まれており、干渉縞は位相によ
り干渉縞像中で左右に移動する可能性があるため、この
干渉縞像の上記相互相関によって求めた移動量は、実際
の干渉縞像の移動量とは必ずしも同じではない場合があ
る。そのため、干渉縞信号が含まれたままの干渉縞像の
相互相関を上記のようにとると、必ずしも干渉縞像の正
しい移動量が求まるとは言えない。そこで、相互相関を
とる前に干渉縞像信号をローパスフィルターを通して干
渉縞信号の高周波数成分を除去して相互相関をとること
が望ましい。
像中には干渉縞信号が含まれており、干渉縞は位相によ
り干渉縞像中で左右に移動する可能性があるため、この
干渉縞像の上記相互相関によって求めた移動量は、実際
の干渉縞像の移動量とは必ずしも同じではない場合があ
る。そのため、干渉縞信号が含まれたままの干渉縞像の
相互相関を上記のようにとると、必ずしも干渉縞像の正
しい移動量が求まるとは言えない。そこで、相互相関を
とる前に干渉縞像信号をローパスフィルターを通して干
渉縞信号の高周波数成分を除去して相互相関をとること
が望ましい。
【００５６】また、上記の相互相関の計算も１ピクセル
単位であるので、移動量Δｓi がピクセル単位より小さ
い移動量は直接は求まらないので、ｘ方向、ｙ方向で得
れた離散的な相互相関値に種々の関数（例えば、ガウス
関数、２次関数でもよいが、本発明の場合は、正弦関数
の相互相関になるので、正弦関数あるいは余弦関数）を
当てはめることにより、ピクセル単位以下のピーク位置
を正確に求めることができる。
単位であるので、移動量Δｓi がピクセル単位より小さ
い移動量は直接は求まらないので、ｘ方向、ｙ方向で得
れた離散的な相互相関値に種々の関数（例えば、ガウス
関数、２次関数でもよいが、本発明の場合は、正弦関数
の相互相関になるので、正弦関数あるいは余弦関数）を
当てはめることにより、ピクセル単位以下のピーク位置
を正確に求めることができる。
【００５７】ただし、上記のような手法で求めた移動量
Δｓi は、必ずしも異なる時刻間で正確に対応する微小
液滴の移動量であるとは限らない。そこで、上記の切り
出した各干渉縞像の信号中の周波数を前記のようにして
求め、その周波数が変化していないか、あるいは、蒸発
又は凝縮による変化率が所定の一定値以下であるかを判
定してその変化率が所定の一定値以下である場合にのみ
正しく対応していると判断するのが望ましい。
Δｓi は、必ずしも異なる時刻間で正確に対応する微小
液滴の移動量であるとは限らない。そこで、上記の切り
出した各干渉縞像の信号中の周波数を前記のようにして
求め、その周波数が変化していないか、あるいは、蒸発
又は凝縮による変化率が所定の一定値以下であるかを判
定してその変化率が所定の一定値以下である場合にのみ
正しく対応していると判断するのが望ましい。
【００５８】以上のようにして微小液滴又は微小気泡の
位置、直径、速度の分布を同時に測定して１つの画面上
に表記した例を図１３に示す。円の中心が位置、円の大
きさが直径、線分が速度を表している。
位置、直径、速度の分布を同時に測定して１つの画面上
に表記した例を図１３に示す。円の中心が位置、円の大
きさが直径、線分が速度を表している。
【００５９】なお、以上の焦点外れ像を用いて、微小液
滴や微小気泡の位置、直径、速度を求める方法を実施す
る装置は、ソフトウエアによりパソコンを用いて簡単に
構成することができる。
滴や微小気泡の位置、直径、速度を求める方法を実施す
る装置は、ソフトウエアによりパソコンを用いて簡単に
構成することができる。
【００６０】以上、本発明の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及び微小気泡及び微小液滴
の径及び分布等の測定光学系を実施例に基づいて説明し
てきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変
形が可能である。
及び分布等の測定方法と装置及び微小気泡及び微小液滴
の径及び分布等の測定光学系を実施例に基づいて説明し
てきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変
形が可能である。
【００６１】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の微小気泡及び微小液滴の径及び分布等の測定方法と装
置によると、シート状の平行なレーザビームの進行方向
と撮影光学系の光軸とを含む平面に平行な方向において
は焦点外れ状態となり、その平面に垂直な方向において
は略合焦状態となる撮影面で焦点外れ像を撮影するの
で、各微小気泡又は微小液滴に対応する焦点外れ像はそ
の平面に垂直な方向に圧縮された１次元像になるため、
空間的に微小気泡及び微小液滴の分布濃度が高い場合に
おいても、それぞれの焦点外れ像が相互に分離可能で、
それぞれの焦点外れ像中の干渉縞の数を分離して容易に
数えることができ、また、各焦点外れ像の中心位置を特
定して微小気泡又は微小液滴の分布状況をみることが容
易となり、そのような場合においても、微小気泡及び微
小液滴の位置、直径、速度の分布を同時に精度良く測定
することができる。
の微小気泡及び微小液滴の径及び分布等の測定方法と装
置によると、シート状の平行なレーザビームの進行方向
と撮影光学系の光軸とを含む平面に平行な方向において
は焦点外れ状態となり、その平面に垂直な方向において
は略合焦状態となる撮影面で焦点外れ像を撮影するの
で、各微小気泡又は微小液滴に対応する焦点外れ像はそ
の平面に垂直な方向に圧縮された１次元像になるため、
空間的に微小気泡及び微小液滴の分布濃度が高い場合に
おいても、それぞれの焦点外れ像が相互に分離可能で、
それぞれの焦点外れ像中の干渉縞の数を分離して容易に
数えることができ、また、各焦点外れ像の中心位置を特
定して微小気泡又は微小液滴の分布状況をみることが容
易となり、そのような場合においても、微小気泡及び微
小液滴の位置、直径、速度の分布を同時に精度良く測定
することができる。
【図１】本発明の微小気泡の径及び空間分布を測定する
方法の原理と従来の微小液滴の径及び空間分布を測定す
る方法の原理とを説明するための図と、その場合の微小
気泡又は微小液滴の焦点外れ像の１例を示す図である。
方法の原理と従来の微小液滴の径及び空間分布を測定す
る方法の原理とを説明するための図と、その場合の微小
気泡又は微小液滴の焦点外れ像の１例を示す図である。
【図２】液体中に浮かぶ微小気泡を経た光線を解析する
ための図である。
ための図である。
【図３】空中に浮かぶ微小液滴を経た光線を解析するた
めの図である。
めの図である。
【図４】本発明の微小気泡及び微小液滴の径及び分布等
の測定光学系の第１実施例を示す斜視図である。
の測定光学系の第１実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明の微小気泡及び微小液滴の径及び分布等
の測定光学系の第２実施例を示す斜視図である。
の測定光学系の第２実施例を示す斜視図である。
【図６】図１（ａ）の配置で撮影した焦点外れ像の１例
を示す図である。
を示す図である。
【図７】図４の配置で撮影した図６に対応する焦点外れ
像を示す図である。
像を示す図である。
【図８】１つの干渉縞像に関して得られる画像信号の例
を示す図である。
を示す図である。
【図９】撮像面で得られた干渉縞像の画像信号と移動平
均をとった結果の１例を示す図である。
均をとった結果の１例を示す図である。
【図１０】干渉縞像の画像信号とそれからＦＦＴして求
めたパワースペクトラムの１例を示す図である。
めたパワースペクトラムの１例を示す図である。
【図１１】離散的なパワースペクトラムから関数フィテ
ィングにより元の信号の周波数を正確に求める方法を説
明するための図である。
ィングにより元の信号の周波数を正確に求める方法を説
明するための図である。
【図１２】相互相関を計算することにより微小液滴の速
度を求める方法を説明するための図である。
度を求める方法を説明するための図である。
【図１３】微小液滴又は微小気泡の位置、直径、速度の
分布を同時に測定して１つの画面上に表記した例を示す
図である。
分布を同時に測定して１つの画面上に表記した例を示す
図である。
１、１1 、１2 …微小液滴 １’、１1 ’、１2 ’…微小液滴の像 １”、１1 ”、１2 ”…微小液滴の焦点外れ像 ２…シート状平行光の照明光 ３…１回反射光 ４…２回屈折光 ５…散乱光 ６…対物レンズ（結像レンズ） ７…像面 ８…焦点外れ面（デフォーカス面） ９…干渉縞 １０、１０1 、１０2 …微小気泡 １０’、１０1 ’、１０2 ’…微小気泡の像 １０”、１０1 ”、１０2 ”…微小気泡の焦点外れ像 １１…１回反射光 １２…２回屈折光 ２０…測定光学系 ２０’…測定光学系 ２１…シリンドリカルレンズ ２１1 …正シリンドリカルレンズ ２１2 …負シリンドリカルレンズ ２２…撮像面 ２３…スリット状開口 Ｓ…シート状平行光の照明光の進行方向 Ｏ…測定光学系の光軸 Ａ，Ａ’…撮影画面 ａ，ｂ，ｃ，ｄ…微小液滴の焦点外れ像
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−186008（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−19559（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−264398（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−183356（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−113436（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−184144（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−71261（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−288723（ＪＰ，Ａ) 実開 昭54−98239（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/08 G01N 15/02
Claims (8)
- 【請求項１】 微小気泡あるいは微小液滴が浮いた空間
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をなす側面方向から、
前記レーザビームの進行方向と撮影光学系の光軸とを含
む平面に平行な方向においては焦点外れ状態となり、そ
の平面に垂直な方向においては略合焦状態となる撮影面
で、その平面方向に伸びて微小気泡あるいは微小液滴に
対応する線状の焦点外れ像を撮影し、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
中心位置を求めることを特徴とする微小気泡及び微小液
滴の径及び分布等の測定方法。 - 【請求項２】 前記中心位置は、線状の焦点外れ像の長
さをＬとするとき、長手方向に沿って特定位置の前後の
距離Ｌ／２の範囲で平均をとってその位置の値とし、そ
の特定位置を順次移動することによって得られる移動平
均値のピーク位置から求めることを特徴とする請求項１
記載の微小気泡及び微小液滴の径及び分布等の測定方
法。 - 【請求項３】 微小気泡あるいは微小液滴が浮いた空間
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をなす側面方向から、
前記レーザビームの進行方向と撮影光学系の光軸とを含
む平面に平行な方向においては焦点外れ状態となり、そ
の平面に垂直な方向においては略合焦状態となる撮影面
で、その平面方向に伸びて微小気泡あるいは微小液滴に
対応する線状の焦点外れ像を撮影し、その焦点外れ像を
フーリエ変換して周波数を求め、求めた周波数にその焦
点外れ像の長さを掛けることにより焦点外れ像中の干渉
縞の数を求め、その干渉縞の数に基づいて微小気泡ある
いは微小液滴の直径を求めることを特徴とする微小気泡
及び微小液滴の径及び分布等の測定方法。 - 【請求項４】 前記フーリエ変換として離散的フーリエ
変換を行い、得られた離散的な周波数分布に関数フィテ
ィングを施して微小気泡あるいは微小液滴の直径を求め
ることを特徴とする請求項３記載の微小気泡及び微小液
滴の径及び分布等の測定方法。 - 【請求項５】 微小気泡あるいは微小液滴が浮いた空間
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をなす側面方向から、
前記レーザビームの進行方向と撮影光学系の光軸とを含
む平面に平行な方向においては焦点外れ状態となり、そ
の平面に垂直な方向においては略合焦状態となる撮影面
で、その平面方向に伸びて微小気泡あるいは微小液滴に
対応する線状の焦点外れ像を、微小時間間隔Δｔをおい
て２枚撮影し、得られた２枚の撮影画面中の線状の焦点
外れ像単位でその２枚の撮影画面間で相互相関を計算す
ることにより各線状の焦点外れ像の移動量Δｓi を求
め、各微小気泡あるいは微小液滴の速度ｕi を次の関係
により求めることを特徴とする微小気泡及び微小液滴の
径及び分布等の測定方法。 ｕi ＝Δｓi ／Δｔ ・・・（６） - 【請求項６】 前記２枚の撮影画面間で相互相関を計算
する際、線状の焦点外れ像中の干渉縞に対応する高周波
数成分を除去して相互相関を計算することを特徴とする
請求項５記載の微小気泡及び微小液滴の径及び分布等の
測定方法。 - 【請求項７】 微小気泡あるいは微小液滴が浮いた空間
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をなす側面方向から、
前記レーザビームの進行方向と撮影光学系の光軸とを含
む平面に平行な方向においては焦点外れ状態となり、そ
の平面に垂直な方向においては略合焦状態となる撮影面
で、その平面方向に伸びて微小気泡あるいは微小液滴に
対応する線状の焦点外れ像を撮影し、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、その焦点外れ像をフーリエ変換して周
波数を求め、求めた周波数にその焦点外れ像の長さを掛
けることにより焦点外れ像中の干渉縞の数を求め、その
干渉縞の数に基づいて微小気泡あるいは微小液滴の直径
を求め、また、その焦点外れ像を微小時間間隔Δｔをお
いて２枚撮影し、得られた２枚の撮影画面中の線状の焦
点外れ像単位でその２枚の撮影画面間で相互相関を計算
することにより各線状の焦点外れ像の移動量Δｓi を求
め、各微小気泡あるいは微小液滴の速度ｕi を次の関係
により求めることを特徴とする微小気泡及び微小液滴の
径及び分布等の測定方法。 ｕi ＝Δｓi ／Δｔ ・・・（６） - 【請求項８】 微小気泡あるいは微小液滴が浮いた空間
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をなす側
面方向から、前記レーザビームの進行方向と撮影光学系
の光軸とを含む平面に平行な方向においては焦点外れ状
態となり、その平面に垂直な方向においては略合焦状態
となる撮影面で、その平面方向に伸びて微小気泡あるい
は微小液滴に対応する線状の焦点外れ像を撮影する撮影
手段と、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る中心位置測
定手段と、その焦点外れ像をフーリエ変換して周波数を
求め、求めた周波数にその焦点外れ像の長さを掛けるこ
とにより焦点外れ像中の干渉縞の数を求め、その干渉縞
の数に基づいて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、その焦点外れ像を微小時間間隔Δｔ
をおいて２枚撮影し、得られた２枚の撮影画面中の線状
の焦点外れ像単位でその２枚の撮影画面間で相互相関を
計算することにより各線状の焦点外れ像の移動量Δｓi
を求め、各微小気泡あるいは微小液滴の速度ｕi を次の
関係により求める速度測定手段とを備えたことを特徴と
する微小気泡及び微小液滴の径及び分布等の測定装置。 ｕi ＝Δｓi ／Δｔ ・・・（６）
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000381367A JP3211825B1 (ja) | 2000-12-15 | 2000-12-15 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000381367A JP3211825B1 (ja) | 2000-12-15 | 2000-12-15 | 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 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP3211825B1 true JP3211825B1 (ja) | 2001-09-25 |
| JP2002181515A JP2002181515A (ja) | 2002-06-26 |
Family
ID=18849377
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000381367A Expired - Fee Related JP3211825B1 (ja) | 2000-12-15 | 2000-12-15 | 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 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3211825B1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116973337A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-10-31 | 成都曙创大能科技有限公司 | 一种微细金刚线表面粒子数量密度测量系统 |
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| JP4568800B2 (ja) * | 2004-12-17 | 2010-10-27 | 国立大学法人埼玉大学 | 小滴の状態計測装置及び該装置におけるカメラの校正方法 |
| JP2009030977A (ja) * | 2007-07-24 | 2009-02-12 | Microjet:Kk | 液滴観察用のシステム |
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-
2000
- 2000-12-15 JP JP2000381367A patent/JP3211825B1/ja not_active Expired - Fee Related
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