JP5224756B2 - 液滴粒子撮像解析システムおよび解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、液滴粒子の粒子径および粒度速度を同時に測定するシステムおよび方法に関し、特に定常的な噴霧液滴粒子を撮像し、画像処理により粒子径および粒度速度を同時に測定する液滴粒子撮像解析システムおよび解析方法に関する。

燃焼システムの解析や設計、原子力発電における放射性物質の拡散シミュレーション、医療機器としての吸入製剤の開発などにおいて、エアロゾル微粒子の動力学的挙動を解明することが重要である。そして、エアロゾル微粒子の動力学的挙動を解明するためには、粒子径および粒子速度をそれぞれ個別に測定するのではなく、個々の粒子について粒子径および粒子速度を同時に計測することが必要である。

従来、微粒子の分析方法として、種々の方法が知られている。例えば、下記特許文献１、２には、レーザドップラー法を用いた方法が開示されている。これらの方法では、レーザ光の干渉により測定部に強度分布を形成し、単一または複数の検出器によって時間波形を検出し、その形状の位相差によって粒子径、粒子速度を測定する。
特開平７−１７４６８７号公報 特開平１０−３１８９０９号公報

しかし、上記特許文献１、２には次のような問題がある。粒子散乱がミー散乱のような、粒子径に依存してその角度分布が大きく変化する場合には、低角度の集光レンズではその散乱角度強度分布特性を十分に測定することができない（散乱光角度強度分布による粒子径測定精度が低い）。特に測定部にレーザ干渉性により強度分布を形成する場合には低角度による照射でなければ、光学系収差による歪みが発生し、さらにレーザの空間的コヒーレンスが十分に高くなければ十分な強度分布が形成できないという、相反する原理的な限界が存在する。

また、粒子濃度が非常に薄く、検出対象領域に１個程度の粒子しか存在しない場合にしか、精度良く測定することができない。通常の噴霧液滴では、そのような状況は期待できず、多重散乱による測定信号の乱れが生じるので、精度良く測定することが非常に難しいという問題がある。

本発明の目的は、上記した問題を原理的に克服することを目的とし、定常的な噴霧液滴粒子を撮像し、撮像画像に対して画像処理を行うことによって、粒子径および粒度速度を同時に測定することができる液滴粒子撮像解析システムおよび解析方法を提供することにある。

即ち、本発明に係る液滴粒子撮像解析システムは、液滴粒子の粒子径および速度を測定するシステムであって、前記液滴粒子の集合に光を照射する光源部と、前記液滴粒子の集合を所定の時間間隔で撮像する撮像部と、前記撮像部によって撮像された画像を記録する記録部と、制御部とを備え、前記光源部が、異なる波長の光を出力する第１光源部及び第２光源部を備えて構成され、前記制御部が、前記第１光源部を制御してパルス光を出力させ、該パルス光が出力されている間に前記撮像部を制御して撮像させるとともに、前記第１光源部に光を出力させた時から前記時間間隔の経過後に、前記第２光源部を制御してパルス光を出力させ、該パルス光が出力されている間に前記撮像部を制御して撮像させ、前記画像から粒子を検出し、該粒子の粒子径と、該粒子径を直径とする円周の長さで該粒子の輪郭線の長さを除した値である円形度とを求め、前記円形度が所定のしきい値以上であるかどうかに基づき、撮像時に焦点深度内にある粒子と焦点深度外にある粒子とを識別し、焦点深度内にある粒子を目的候補粒子として選択し、連続して測定した２枚の画像において対応する２つの前記目的候補粒子を検出し、目的粒子として決定し、２つの前記目的粒子間の距離を前記時間間隔で除して、前記目的粒子の粒子速度を求めることを特徴としている。

上記の液滴粒子撮像解析システムは、第１光路変更部及び第２光路変更部をさらに備え、前記撮像部が、第１撮像部及び第２撮像部を備えて構成され、第１光路変更部が、前記第１光源部及び第２光源部から出力される光を、同じ方向に出力し、第２光路変更部が、前記第１光源部から出力され前記第１光路変更部を通過した光を、前記第１撮像部に入射し、前記第２光源部から出力され前記第１光路変更部を通過した光を、前記第２撮像部に入射し、前記制御部が、前記第１光源部を制御してパルス光を出力させ、該パルス光が出力されている間に前記第１撮像部を制御して撮像させ、前記制御部が、前記第１光源部に光を出力させた時から前記時間間隔の経過後に、前記第２光源部を制御してパルス光を出力させ、該パルス光が出力されている間に前記第２撮像部を制御して撮像させることができる。

また、本発明に係る液滴粒子撮像解析システムは、液滴粒子の粒子径および速度を測定するシステムであって、前記液滴粒子の集合に光を照射する光源部と、前記液滴粒子の前記集合を所定の時間間隔で撮像する撮像部と、前記撮像部によって撮像された画像を記録する記録部と、偏光シャッタと、制御部とを備え、前記制御部が、前記光源部を制御してパルス光を出力させ、前記偏光シャッタを制御して該パルス光のうち前記第１の偏光方向の光を通過させ、該パルス光が出力されている間に前記撮像部を制御して撮像させるとともに、前記光源部に光を出力させた時から前記時間間隔の経過後に、再び前記光源部を制御してパルス光を出力させ、前記偏光シャッタを制御して該パルス光のうち前記第２の偏光方向の光を通過させ、該パルス光が出力されている間に前記撮像部を制御して撮像させ、前記画像から粒子を検出し、該粒子の粒子径と、該粒子径を直径とする円周の長さで該粒子の輪郭線の長さを除した値である円形度とを求め、前記円形度が所定のしきい値以上であるかどうかに基づき、撮像時に焦点深度内にある粒子と焦点深度外にある粒子とを識別し、焦点深度内にある粒子を目的候補粒子として選択し、連続して測定した２枚の画像において対応する２つの前記目的候補粒子を検出し、目的粒子として決定し、２つの前記目的粒子間の距離を前記時間間隔で除して、前記目的粒子の粒子速度を求めることを特徴としている。また、上記の液滴粒子撮像解析システムは、光路変更部をさらに備え、前記撮像部が、第１撮像部及び第２撮像部を備えて構成され、前記光路変更部が、第１の偏光方向の入射光を前記第１撮像部に入射し、前記第１の偏光方向と異なる方向である第２の偏光方向の入射光を前記第２撮像部に入射し、前記制御部が、前記光源部を制御してパルス光を出力させ、前記偏光シャッタを制御して該パルス光のうち前記第１の偏光方向の光を通過させ、該パルス光が出力されている間に前記第１撮像部を制御して撮像させ、前記制御部が、前記光源部に光を出力させた時から前記時間間隔の経過後に、再び前記光源部を制御してパルス光を出力させ、前記偏光シャッタを制御して該パルス光のうち前記第２の偏光方向の光を通過させ、該パルス光が出力されている間に前記第２撮像部を制御して撮像させてもよい。

本発明に係る液滴粒子解析方法は、所定の時間間隔で液滴粒子の集合を撮像した複数の画像を用いて液滴粒子の粒子径および速度を求める方法であって、異なる波長の光または異なる偏光方向の光を前記時間間隔で前記液滴粒子の集合に照射し、前記液滴粒子の集合を前記時間間隔で撮像する第１ステップと、前記画像から粒子を検出し、該粒子の粒子径、および、該粒子径を直径とする円周の長さで該粒子の輪郭線の長さを除した値である円形度を求める第２ステップと、前記円形度が所定のしきい値以上であるかどうかに基づき、撮像時に焦点深度内にある粒子と焦点深度外にある粒子とを識別し、焦点深度内にある粒子を目的候補粒子として選択する第３ステップと、連続して測定した２枚の前記画像において対応する２つの前記目的候補粒子を検出し、目的粒子として決定する第４ステップと、２つの前記目的粒子間の距離を前記時間間隔で除して、前記目的粒子の粒子速度を求める第５ステップとを含むことを特徴としている。

上記の液滴粒子解析方法は、前記第２ステップが、撮像された前記画像をしきい値処理して２値画像を生成する第６ステップと、前記２値画像において連続領域の面積と同じ面積の円の直径を求めて前記粒子径を決定する第７ステップと、前記粒子のチェーンコードを求めて前記輪郭線の長さを算出する第８ステップとを含むことができる。

また、上記の液滴粒子解析方法は、前記第４ステップが、前記目的候補粒子から２つの目的候補粒子を選択し、これらの目的候補粒子の粒子径の差が所定の許容値以下である場合に、これらの目的候補粒子を同じグループに分類する第９ステップと、前記第９ステップで同じグループに分類された前記目的候補粒子のうち、距離が最短である２つの目的候補粒子を前記目的粒子として決定する第１０ステップとを含むことができる。

また、上記の液滴粒子撮像解析システムまたは液滴粒子解析方法において、前記液滴粒子の集合の撮像部位を、水平面上または垂直面上に走査移動させて撮像し、各撮像部位の粒子径及び粒子速度を求めることにより、前記液滴粒子の集合を立体的に測定することができる。

また、上記の液滴粒子撮像解析システムまたは液滴粒子解析方法において、前記光源部から照射する光の波長を変更することにより、粒子径が０．５μｍ以上５０μｍ以下の前記液滴粒子を測定範囲とすることができる。

本発明によれば、液滴粒子の粒子径及び粒子速度を同時に、精度よく測定することができる。特に、粒子径が約０．５〜２μｍと可視光の波長に近い大きさの粒子に関しても適用可能である。

また、本発明は、従来のレーザドップラー法を用いる方法とは原理的に異なる方法を採用しているので、上記したレーザドップラー法の問題を生じることがない。即ち、粒子散乱がミー散乱のような、粒子径に依存してその角度分布が大きく変化する場合や、多重散乱が生じる場合にも、本発明を適用することができる。

また、複数の撮像装置と波長の異なる複数の光源とを使用した構成とすることによって、高速撮像が可能な高価な撮像装置を使用することなく、比較的安価なシステムとすることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る液滴粒子撮像解析システムの概略構成を示す図である。本液滴粒子撮像解析システム（以下「撮像解析システム」とも略記する）は、第１光源部１と、第２光源部２と、第１撮像部３と、第２撮像部４と、第１及び第２光源部１、２から入射する光を一方向に出力する第１光路変更部５と、入射する光をその特性（発光波長域）に応じて分離して第１又は第２撮像部３、４に出力する第２光路変更部６と、ＸＹＺステージ７と、各部を制御する制御部８とを備えている。図１には、本撮像解析システムの測定および解析対象である液滴粒子を生成する噴霧装置Ｔも示している。

第１及び第２光源部１、２は、制御部８によって制御され、それぞれ異なる波長の光（例えば青色および緑色の光）を、所定の時間（パルス的）に出力する装置である。第１及び第２撮像部３、４は、ＣＣＤカメラなどの拡大光学系を有する撮像装置であり、撮像タイミングは制御部８によって制御される。第１及び第２撮像部３、４によって撮像された画像は、制御部８に伝送される。第１光路変更部５には、例えば公知のダイクロイックミラーを使用することができ、第２光路変更部６には、例えば公知のビームスプリッターを使用することができる。噴霧装置Ｔは、本撮像解析システムの解析対象である液滴粒子（以下、単に粒子とも記す）を生成する装置である。ＸＹＺステージ７は、搭載された噴霧装置Ｔの３次元位置を変更する装置であり、例えば所定の平面内及び垂直面内で移動させることができ、これにより、後述するように噴霧状態の粒子径及び粒子速度の立体的分布を測定し、表示することができる。また、制御部８には例えばコンピュータを使用することができ、制御部８は各部を制御するだけでなく、撮像された画像を解析して粒子径および粒子速度を求める。

なお、第１及び第２光源部１、２から出力される光がレーザ光のように細い光であれば、所定の光学系を備えて、所定の集光角度により測定に必要な部位を照射するように霧状領域Ｍに照射することが望ましい。また、図１において、霧状領域Ｍと第１および第２撮像部３、４との間に、撮像領域を拡大する光学系（対物レンズなど）を備えることができる。

本撮像解析システムの動作は、液滴粒子を撮像する段階と、撮像された画像を解析する段階の２段階に大別できる。以下では、まず撮像解析システムを構成する各部の機能を説明するために、撮像を中心に説明する。その後、画像解析について説明する。

噴霧装置Ｔから液滴粒子を霧状に放出した状態で、液滴粒子の集合である霧状領域Ｍの２枚の画像を撮像する。制御部８が第１光源部１を制御して、波長λ₁の光をパルス幅Δｔ₀で放出させる。第１光源部１から放出された光は、光路を変更することなく第１光路変更部５を直進し、霧状領域Ｍに照射される。霧状領域Ｍを通過した光は、第２光路変更部６に入射され、光路を変更されることなく直進し、第１撮像部３に入射する。霧状領域Ｍに光が照射されている間に、制御部８が第１撮像部３を制御して、霧状領域Ｍを撮像する。撮像された画像は、ディジタルデータまたはアナログデータとして制御部８に伝送され、ディジタルデータとして制御部８内部の記録手段（図示せず）に記録される。

次に、所定の時間Δｔ₁（Δｔ₁＞Δｔ₀）の後、制御部８が第２光源部２を制御して、波長λ₂（λ₁≠λ₂）の光をパルス幅Δｔ₀で放出させる。第２光源部２から放出された光は、第１光路変更部５によって光路を変更され、第１光源部１からの光が第１光路変更部１から出力される方向と同じ方向に出力され、霧状領域Ｍに照射される。霧状領域Ｍを通過した光は、第２光路変更部６によって光路を変更され、第２撮像部４に入射する。霧状領域Ｍに光が照射されている間に、制御部８が第２撮像部４を制御して、霧状領域Ｍを撮像する。撮像された画像は、制御部８に伝送されて記録される。

以上によって、Δｔ₁の時間差で霧状領域Ｍの２枚の画像（画像データ）を得ることができる。撮像された画像の一例を図２に示す。このとき、事前に第１及び第２撮像部３、４の光学系を調整し、両者の焦点深度（被写界深度）および撮像領域がほぼ一致するようにしておき、同じ領域を通過する粒子のみが鮮明に撮像されるようにする（図３参照）。必要に応じて、上記の処理を繰り返せば、３枚以上の画像データを得ることもできる。また、霧状領域Ｍが定常状態にあれば、ＸＹＺステージ７によって噴霧装置Ｔの３次元位置を変更し、同様に撮像することによって、霧状領域Ｍのより広い領域において測定データを得ることが可能である。

制御部８は、撮像された画像に対して画像処理を行い、粒子径および粒子速度（粒径分布および粒子速度分布）を計算する。噴霧された液滴粒子はそれ自身の表面張力により球形に近い形になる。したがって、焦点深度内を通過した粒子は輪郭が鮮明（高コントラスト）に撮像される。一方、焦点深度を外れた粒子はぼけて輪郭が不鮮明になる。詳細は後述するが、本発明ではこの現象を利用して、円形度α（α＝輪郭線の長さ／同面積の円周の長さ であり、輪郭が鮮明な円形粒子はαが１．０に非常に近くなる。）を求め、この円形度αによって焦点深度内にある粒子と焦点深度外にある粒子とを識別する。そして、各画像において焦点深度内にある粒子を特定し、その粒子径および粒子速度を算出する。

図４は、本発明の実施の形態に係る液滴粒子撮像解析システムによって撮像された画像から、粒子径および粒子速度を求める方法を示すフローチャートである。

以下の説明において、制御部８は、操作者による指示を受け付けるキーボード、マウスなどの操作手段を備えているとする。また、制御部８が、操作者による操作を受けて行う処理は、内部の演算素子（以下、ＣＰＵと記す）が、内部の記録手段（ハードディスクドライブなど）から所定のデータを、内部の一時記憶手段（以下、メモリと記す）に読み出し、メモリをワーク領域として使用して行う処理であり、ＣＰＵは適宜処理結果を記録手段に記録することとする。ここでは、対角長（３０倍拡大時）が約２００μｍの長方形領域を撮像し、６４０画素×４８０画素の画像が得られるとする。従って、１画素は約０．２５μｍに対応する。

ステップＳ１において、第１及び第２撮像部１、２を調整し、後述の解析処理において必要な情報である基準位置データを取得する。具体的には、先ず、噴霧装置Ｔによって霧状領域Ｍが形成される予定の領域に微小対象物（例えば、板に開けた１０μｍのピンホール）が配置された状態で、操作者が、微小対象物が鮮明に撮像されるように第１及び第２撮像部３、４の焦点位置を調節する。次に、制御部８は、第１及び第２撮像部３、４を制御して微小対象物を撮像し、撮像画像を記録する。撮像された２枚の画像の一例を図５に示す。２枚の画像中のほぼ中央に位置する高輝度領域が微小対象物である。制御部８は、２枚の画像の光輝度領域の中心座標（例えば画像の左上を原点とし、右方向をＸ軸、下方向をＹ軸とする）を算出して記録する。また、制御部８は、第１及び第２撮像部３、４で最大の有効面積を確保できるように画像処理における有効処理領域（図５において矩形の枠内）を決定し、その情報を記録する。例えば、左上の座標値および右下の座標値を有効処理領域の情報とすることができる。

ステップＳ２において、微小対象物を取り外し、第１及び第２撮像部３、４で撮像し、背景画像として記憶する。これは、後述する処理において、粒子を撮像した画像の背景を補正するのに使用される。また、観測系における、対象物本来の輝度を映像信号に変換するときの変換特性の不整合（輝度ムラ）であるシェーディングを補正するためにも使用される。

ステップＳ３において、操作者が制御部８に対して、初期条件を入力する。初期条件は、後述の処理において粒子を抽出するときの基準値として、円形度範囲（下限値αmin（上限値は１．０））、粒子径範囲（下限値βmin及び上限値βmax）、並びに粒子径変動範囲（比率γ％）を含む。また、初期条件には、撮像タイミングを決めるパルス間隔Δｔ₁を含む。制御部８は、入力された数値を記録する。ここで、βmin、βmaxは対象とする粒子に応じて設定すればよい。円形度範囲の下限値αminは、αmin＝０．９８〜０．９９であり、望ましくはαmin＝０．９９である。また、粒子径変動範囲γ（％）は、例えば粒子径が１６μｍの粒子の場合にはγ＝０．５〜１．０（％）程度である。

ステップＳ４において、噴霧装置Ｔを作動させて粒子が放出された状態で、制御部８は上記したように、第１及び第２撮像部３、４を用いて霧状領域Ｍを撮像し、複数枚の画像を記録する。このとき、第１及び第２光源部１、２からパルス光を出力する時間間隔には、ステップＳ３で指定されたΔｔ₁が使用される。画像を記録する際には、第１及び第２撮像部のどちらで撮像されたかを識別する情報、および撮像された順序を識別する情報を、画像データと対応させて記録する。記録された２枚の画像の一例を図６に示す。図６の左側が先に撮像された画像、右側がその次に撮像された画像である。

ステップＳ５において、制御部８は、ステップＳ４で撮像された複数の画像の中から１枚の画像を選択して、記録手段から読み出す。

ステップＳ６において、制御部８は、ステップＳ５で読み出した画像上の有効処理領域のデータ（ステップＳ１参照）に対して、ステップＳ２で取得した背景画像の有効処理領域のデータを用いて、複数の背景画像を平均化し、その平均化した画像によりシェーディング補正を行う。これらの処理には、公知の方法を用いればよい。

ステップＳ７において、制御部８は、ステップＳ６で補正された画像（有効処理領域）から粒子を抽出し、円形の粒子と仮定して、その中心座標（ｘ₀，ｙ₀）、粒子径ｄおよび円形度αを求める。求めた値は、抽出した粒子を特定する情報と対応させて記録する。粒子を特定する情報は、例えば、画像毎に粒子に付与した通し番号ｊである。

具体的には、まず、補正後の画像を、所定のしきい値を用いて２値化する。これによって粒子に対応する候補領域として、同じ値（例えば“１”）の画素が連続した領域が明らかになる。次に、各連続領域の重心を求めて、中心座標とする。次に、各連続領域の面積Ｓ（例えば値が“１”である画素の数）を求め、円形の粒子と仮定した場合の粒子径ｄを、ｄ＝２×［Ｓ／（２π）］^1/2によって求める。なお、連続領域のうち、内部に異なる輝度値の連続領域を含む連続領域（例えば、背景領域）は、処理対象から除外する。

また、円形度αの算出方法を具体的に説明すると、次の通りである。まず、各連続領域の輪郭線（境界線）を表すチェーンコードを求め、輪郭線の長さＬを求める。画像処理によってチェーンコード及び輪郭線の長さＬを求める方法は公知であるので、説明を省略する。そして、上記したように、各連続領域の円形度αを、α＝Ｌ／（πｄ）によって求める。円形度αは、後述の処理において、撮像時に焦点深度内に位置していた粒子を選択するのに使用される。図８は、焦点深度内に位置している粒子と、焦点深度外に位置している粒子が撮像された場合の差違を模式的に示す図である。図８の上段、中断、下段には、それぞれ撮像画像、縦軸を輝度値としてＡ−Ａ線に沿った断面図、撮像画像に境界線を重ねた画像を示している。図８の下段の図から分かるように、焦点深度内に位置している粒子は、輪郭線がほぼ円形であるので、円形度αはほぼ１になる。しかし、焦点深度外に位置している粒子では、輪郭線が量子化誤差や輝度変化が緩やかであるために凹凸のある複雑な形状をしており（図８では模式的にギザギザの線で示す）、その輪郭線の長さは、焦点深度内に位置している粒子の輪郭線の長さよりも長くなり、円形度は、焦点深度内に位置している粒子の円形度よりも小さくなる。従って、球形の粒子が対象であれば、円形度αによって、その粒子が焦点深度内に位置していたか否かを精度良く判断することができる。

ステップＳ８において、制御部８は、ステップＳ７で求めた円形度αおよび粒子径ｄが、ステップＳ３で入力された円形度範囲（下限値αmin）および出粒子径範囲（下限値βmin及び上限値βmax）に適合する粒子を抽出し、抽出された粒子の位置を合わせた上で均一な背景画像に貼り付け、粒子画像解析用元画像として記録する。即ち、α≧αmin且つβmax≧ｄ≧βminである粒子を選択し、粒子画像解析用元画像を生成する。そして、第１及び第２撮像部３、４のどちらで撮像されたかを識別する情報、および撮像された順序を識別する情報と対応させて、粒子画像解析用元画像データを記録する。得られた粒子画像解析用元画像の一例を図７に示す。また、抽出された粒子の番号ｊに付加情報を追加して記録する。例えば、粒子番号ｊに対応させた１ビットのフラグｆを設け、上記の条件に該当する場合、フラグｆを初期値（例えば“０”）と異なる値（例えば“１”）にセットする。

ステップＳ９において、制御部８は、ステップＳ４で撮像した全ての画像に対して、上記した処理を行ったか否かを判断する。処理すべき画像が残っていれば、ステップＳ５に戻り、既に処理した画像以外の画像を１枚選択し、ステップＳ６〜Ｓ８の処理を繰り返す。

以上によって、撮像された各画像において、焦点深度内に位置していた粒子を抽出し、その粒子径および中心座標を求めることができた。記録手段に記録されている粒子の情報は、例えば｛ｉ，ｊ，ｘ₀，ｙ₀，ｄ，α，ｆ｝のデータテーブルである。ここで、ｉは、所定の時間間隔で撮像した連続する画像の順序を特定する番号であり、ｊは各画像内で粒子（連続領域）に一意に付与された番号、（ｘ₀，ｙ₀）は粒子の中心座標、ｄは粒子径、αは円形度、ｆは焦点深度内に位置していたか否かを表すフラグである。

ステップＳ１０において、制御部８は、ステップＳ８で選択された粒子（ｆ＝１の粒子）の集合を対象として、連続して撮像した２枚の画像において対応する粒子ペアーを特定し、その速度を求める。具体的には、まず、粒子径の差が許容範囲内にある粒子を同じグループに分類する。例えば、粒子径変動範囲γ（％）を用いて、１つの粒子径（ｄ）の許容範囲の下限値ｄmin（＝ｄ×（１−γ／１００））および上限値ｄmax（＝ｄ×（１＋γ／１００））を求め、連続して撮像した２枚の画像に関して、ｄmin〜ｄmaxの範囲に該当する粒子を複数検出して、同じグループに分類する。そして、同じグループに属する粒子間の距離を求め、距離が最短である粒子ペアーを、２枚の画像に撮像された同じ粒子として決定する。撮像系の条件（拡大率など）から、１画素と実際の長さの関係が分かるので、これを用いて粒子ペアーである２つの粒子間の実際の距離Ｄを求めることができる。したがって、２枚の画像を撮像した時間間隔Δｔ₁から粒子速度ｖは、ｖ＝Ｄ／Δｔ₁によって求められる。求められた速度ｖは、粒子径ｄと対応させて記録される。また、制御部８は、連続して撮像した２枚の画像に含まれる粒子ペアーを重畳した画像を生成し、記録する。粒子ペアーを重畳した画像の一例を図９に示す。図９には、図７に示した２枚の画像に撮像された４つの粒子（粒子１〜４）を重ねて表示しており、撮像時間間隔Δｔ₁の間に４つの粒子がそれぞれ移動したことをベクトルで示している。なお、粒子径変動範囲γ（％）を用いるのは、実際の粒子の運動方向は、撮像面に平行な方向だけではなく、光軸方向も考えられるので、光軸方向の移動による画像への影響を吸収するためである。

上記したように、本撮像解析システムによれば、個々の液滴粒子の粒子径及び粒子速度を同時に求めることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されない。

例えば、上記では異なる波長の光を使用する場合を説明したが、これに限定されず、特性が異なる光を使用することができる。例えば、偏光方向が異なる光を使用してもよい。図１において、第１及び第２光源部１、２を、偏光していない光を発する１つの光源部に置き換え、第１光路変更部５を、直交する２方向に偏光した光を選択的に通過させる電気的に制御可能なシャッタに置き換えてもよい。その場合、第２光路変更部６は、偏光方向に応じて入射光を透過または反射する素子（例えば、偏光ビームスプリッタ）であればよい。また、図１に示した構成では２つの撮像部を使用しているが、高速撮像可能な撮像装置を採用すれば、１つの撮像部で構成することができる。その他、種々の構成が可能であり、所定の短い時間間隔で２枚以上の画像を撮像することができる構成であればよい。なお、光源部から照射する光の波長を変更（例えば短波長化）することにより、粒子径が０．５μｍ以上５０μｍ以下の液滴粒子を測定範囲とすることが可能である。

また、図４に示した処理の順序はこれに限定されず、種々変更して実行することができる。例えば、環境や使用する撮像部が変更無ければ、ステップＳ１、Ｓ２の処理は一度だけ行えばよい。また、シェーディング補正（ステップＳ６）は、使用する撮像部によっては不要である。また、上記したように１つの撮像部を使用したシステム構成の場合、ステップＳ１で有効処理領域を求める処理は不要である。

また、ステップＳ７において、円形度αを求めるときに輪郭線の長さを求める方法は、チェーンコードを使用する方法に限定されず、種々の公知の画像処理を使用することができる。

また、ステップＳ７における２値化のしきい値は、一定の値を使用する場合に限らず、画像や抽出対象の粒子径に応じて、適宜変更してもよい。

また、ステップＳ１０において、対応する粒子を検出する場合の円形度の下限値として、一定の値を使用する代わりに、粒子径毎に異なるしきい値を用いてもよい。

また、液滴粒子撮像解析システムによって全ての処理が行われなくてもよい。例えば、撮像された画像データを所定の形式で記録した後、伝送路または記録媒体を介して、別のコンピュータに移し、ステップＳ３〜Ｓ１０の処理を行ってもよい。

また、測定対象は、噴霧される液滴粒子に限らず、射出される液滴粒子であってもよい。さらには、球形の粒子であればよく、液滴粒子には限定されない。

以下に実施例を示し、本発明の特徴をより明確に示す。まず、円形度αの有効性を示す。

図１０は、粒子径が既知（４μｍ及び１６μｍ）の球形のラテックス粒子をスライドガラス上に配置し、撮像距離を変化させて、撮像を行い、ステップＳ７に示した方法で円形度および粒子径を求めた結果を示す。右の縦軸は円形度α（■で表されたデータ）、左の縦軸は粒子径ｄ（μｍ）（◆で表されたデータ）である。横軸は、撮像部の焦点を調節するマイクロメータの値であり、粒子位置の変化に対応する。上側のグラフは、粒子径が４μｍの粒子を使用した結果、下側のグラフは粒子径が１６μｍの粒子を使用した結果である。

図１０の上側のグラフでは、中央付近の約２０μｍの範囲で、粒子径が約４μｍになっており、それらに対応する円形度αがほぼ０．９９以上（少なくとも０．９８以上）である。下側のグラフでは、約３０μｍの範囲で、粒子径が約１６μｍになっており、それらに対応する円形度αがほぼ０．９９以上（少なくとも０．９８以上）である。従って、円形度αの下限値αminを０．９８〜０．９９に設定すれば、焦点深度内にある粒子を精度良く抽出することができる。

液滴粒子撮像解析システムを用いて、実際に噴霧された液滴を測定および解析して得られた粒子径および粒子速度を図１１に示す。図１１のグラフは、測定位置の噴霧装置からの距離（噴霧距離）が異なり、噴霧距離が、上からそれぞれ１３．５ｍｍ、１６．６ｍｍ、２９．０３ｍｍである。

図１１からも分かるように、本発明の液滴粒子撮像解析システムによって、液滴の粒子径および粒子速度を同時に測定することができた。特に、粒子径が約１〜２μｍと可視光の波長に近く非常に小さい粒子に関しても測定可能であった。

粒子径の測定結果は空気力学径測定法による実験値と５％以内の誤差で一致した。また、測定した噴霧距離の範囲では平均粒子速度はほぼ一定とみなせた。これは、測定点が噴霧流のほぼ中心であったため、周囲流体（空気）の抵抗による粒子速度の減衰が小さかったためと考えられる。噴霧流の中心では空気もほぼ粒子速度と同じ速度で流れているので、噴霧距離が大きくなるにつれて小さい粒子径で大きな粒子速度をもつ粒子の数が減少した。これは、粒子径が小さいほど質量あたりの空気抵抗が大きくなり、粒子速度が減衰しやすいためである。

本発明の実施の形態に係る液滴粒子撮像解析システムの概略構成を示すブロック図である。 図１の液滴粒子撮像解析システムで撮像された画像の一例を示す図である。 撮像領域（焦点深度）を説明するための概念図である。 本発明の実施の形態に係る液滴粒子撮像解析システムによって撮像された画像を解析する方法を示すフローチャートである。 撮像部を調整するためにピンホールを撮像した画像である。 図１の液滴粒子撮像解析システムで連続して撮像された画像である。 図６の画像から得られた粒子画像解析用元画像である。 焦点深度内に位置している粒子と、焦点深度外に位置している粒子が撮像された場合の差違を模式的に示す図である。 図７に示した２枚の画像に含まれる粒子ペアーを重畳した画像を示す図である。 円形度の有効性を示す実験結果のグラフである。 本発明の実施の形態に係る液滴粒子撮像解析システムを用いて測定及び解析した結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 第１光源部
２ 第２光源部
３ 第１撮像部
４ 第２撮像部
５ 第１光路変更部
６ 第２光路変更部
７ ＸＹＺステージ
８ 制御部
Ｔ 噴霧装置
Ｍ 霧状領域

Claims (10)

1. 液滴粒子の粒子径および速度を測定するシステムであって、
   前記液滴粒子の集合に光を照射する光源部と、
   前記液滴粒子の集合を所定の時間間隔で撮像する撮像部と、
   前記撮像部によって撮像された画像を記録する記録部と、
   制御部とを備え、
   前記光源部が、異なる波長の光を出力する第１光源部及び第２光源部を備えて構成され、
   前記制御部が、
   前記第１光源部を制御してパルス光を出力させ、該パルス光が出力されている間に前記撮像部を制御して撮像させるとともに、前記第１光源部に光を出力させた時から前記時間間隔の経過後に、前記第２光源部を制御してパルス光を出力させ、該パルス光が出力されている間に前記撮像部を制御して撮像させ、
   前記画像から粒子を検出し、該粒子の粒子径と、該粒子径を直径とする円周の長さで該粒子の輪郭線の長さを除した値である円形度とを求め、
   前記円形度が所定のしきい値以上であるかどうかに基づき、撮像時に焦点深度内にある粒子と焦点深度外にある粒子とを識別し、焦点深度内にある粒子を目的候補粒子として選択し、
   連続して測定した２枚の画像において対応する２つの前記目的候補粒子を検出し、目的粒子として決定し、
   ２つの前記目的粒子間の距離を前記時間間隔で除して、前記目的粒子の粒子速度を求めることを特徴とする液滴粒子撮像解析システム。
2. 第１光路変更部及び第２光路変更部をさらに備え、
   前記撮像部が、第１撮像部及び第２撮像部を備えて構成され、
   第１光路変更部が、前記第１光源部及び第２光源部から出力される光を、同じ方向に出力し、
   第２光路変更部が、前記第１光源部から出力され前記第１光路変更部を通過した光を、前記第１撮像部に入射し、前記第２光源部から出力され前記第１光路変更部を通過した光を、前記第２撮像部に入射し、
   前記制御部が、前記第１光源部を制御してパルス光を出力させ、該パルス光が出力されている間に前記第１撮像部を制御して撮像させ、
   前記制御部が、前記第１光源部に光を出力させた時から前記時間間隔の経過後に、前記第２光源部を制御してパルス光を出力させ、該パルス光が出力されている間に前記第２撮像部を制御して撮像させることを特徴とする請求項１に記載の液滴粒子撮像解析システム。
3. 液滴粒子の粒子径および速度を測定するシステムであって、
   前記液滴粒子の集合に光を照射する光源部と、
   前記液滴粒子の前記集合を所定の時間間隔で撮像する撮像部と、
   前記撮像部によって撮像された画像を記録する記録部と、
   偏光シャッタと、
   制御部とを備え、
   前記制御部が、前記光源部を制御してパルス光を出力させ、前記偏光シャッタを制御して該パルス光のうち前記第１の偏光方向の光を通過させ、該パルス光が出力されている間に前記撮像部を制御して撮像させるとともに、前記光源部に光を出力させた時から前記時間間隔の経過後に、再び前記光源部を制御してパルス光を出力させ、前記偏光シャッタを制御して該パルス光のうち前記第２の偏光方向の光を通過させ、該パルス光が出力されている間に前記撮像部を制御して撮像させ、
   前記画像から粒子を検出し、該粒子の粒子径と、該粒子径を直径とする円周の長さで該粒子の輪郭線の長さを除した値である円形度とを求め、
   前記円形度が所定のしきい値以上であるかどうかに基づき、撮像時に焦点深度内にある粒子と焦点深度外にある粒子とを識別し、焦点深度内にある粒子を目的候補粒子として選択し、
   連続して測定した２枚の画像において対応する２つの前記目的候補粒子を検出し、目的粒子として決定し、
   ２つの前記目的粒子間の距離を前記時間間隔で除して、前記目的粒子の粒子速度を求めることを特徴とする液滴粒子撮像解析システム。
4. 光路変更部をさらに備え、
   前記撮像部が、第１撮像部及び第２撮像部を備えて構成され、
   前記光路変更部が、第１の偏光方向の入射光を前記第１撮像部に入射し、前記第１の偏光方向と異なる方向である第２の偏光方向の入射光を前記第２撮像部に入射し、
   前記制御部が、前記光源部を制御してパルス光を出力させ、前記偏光シャッタを制御して該パルス光のうち前記第１の偏光方向の光を通過させ、該パルス光が出力されている間に前記第１撮像部を制御して撮像させ、
   前記制御部が、前記光源部に光を出力させた時から前記時間間隔の経過後に、再び前記光源部を制御してパルス光を出力させ、前記偏光シャッタを制御して該パルス光のうち前記第２の偏光方向の光を通過させ、該パルス光が出力されている間に前記第２撮像部を制御して撮像させることを特徴とする請求項３に記載の液滴粒子撮像解析システム。
5. 前記液滴粒子の集合の撮像部位を、水平面上または垂直面上に走査移動させて撮像し、各撮像部位の粒子径及び粒子速度を求めることにより、前記液滴粒子の集合を立体的に測定することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の液滴粒子撮像解析システム。
6. 所定の時間間隔で液滴粒子の集合を撮像した複数の画像を用いて液滴粒子の粒子径および速度を求める方法であって、
   異なる波長の光または異なる偏光方向の光を前記時間間隔で前記液滴粒子の集合に照射し、前記液滴粒子の集合を前記時間間隔で撮像する第１ステップと、
   前記画像から粒子を検出し、該粒子の粒子径、および、該粒子径を直径とする円周の長さで該粒子の輪郭線の長さを除した値である円形度を求める第２ステップと、
   前記円形度が所定のしきい値以上であるかどうかに基づき、撮像時に焦点深度内にある粒子と焦点深度外にある粒子とを識別し、焦点深度内にある粒子を目的候補粒子として選択する第３ステップと、
   連続して測定した２枚の前記画像において対応する２つの前記目的候補粒子を検出し、目的粒子として決定する第４ステップと、
   ２つの前記目的粒子間の距離を前記時間間隔で除して、前記目的粒子の粒子速度を求める第５ステップとを含むことを特徴とする液滴粒子解析方法。
7. 前記２ステップが、
   撮像された前記画像をしきい値処理して２値画像を生成する第６ステップと、
   前記２値画像において連続領域の面積と同じ面積の円の直径を求めて前記粒子径を決定する第７ステップと、
   前記粒子のチェーンコードを求めて前記輪郭線の長さを算出する第８ステップとを含むことを特徴とする請求項６に記載の液滴粒子解析方法。
8. 前記４ステップが、
   前記目的候補粒子から２つの目的候補粒子を選択し、これらの目的候補粒子の粒子径の差が所定の許容値以下である場合に、これらの目的候補粒子を同じグループに分類する第９ステップと、
   前記第９ステップで同じグループに分類された前記目的候補粒子のうち、距離が最短である２つの目的候補粒子を前記目的粒子として決定する第１０ステップとを含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の液滴粒子解析方法。
9. 前記液滴粒子の集合の撮像部位を、水平面上または垂直面上に走査移動させて撮像し、各撮像部位の粒子径及び粒子速度を求めることにより、前記液滴粒子の集合を立体的に測定することを特徴とする請求項６〜８の何れか１項に記載の液滴粒子解析方法。
10. 前記光源部から照射する光の波長を変更することにより、粒子径が０．５μｍ以上５０μｍ以下の前記液滴粒子を測定範囲とすることが可能な請求項６〜９の何れか１項に記載の液滴粒子解析方法。