JPH05273225A

JPH05273225A - 流速測定装置

Info

Publication number: JPH05273225A
Application number: JP6553392A
Authority: JP
Inventors: Koji Ogino; 浩二荻野; Koji Obayashi; 康二大林; Norio Ogita; 典男荻田
Original assignee: Kowa Co Ltd
Current assignee: Kowa Co Ltd
Priority date: 1992-03-24
Filing date: 1992-03-24
Publication date: 1993-10-22

Abstract

(57)【要約】【目的】被測定流体中の粒子像を所定寸法の検出開口
上に結像し、該開口を横切る粒子像の数揺らぎによって
前記流体の流速を測定する流速測定装置において、流体
の濃度に拘らず流速の絶対値測定を容易に正確に行なえ
るようにする。【構成】レーザー光源１８、１９から発せられた波長
の異なる２つのレーザー光が測定用照明光としてレンズ
２１以下の光学系を介し被検眼Ｅの眼底Ｅｒを照明す
る。そこで散乱された散乱光がレンズ１７〜色分離ミラ
ー２７を介し波長により２つに分離されてそれぞれの散
乱光による眼底Ｅｒの血流中の粒子像が検出開口２８、
３０上に別々に結像される。開口２８、３０を横切る粒
子像の光が光電子増倍管２９、３１により検出され、そ
の出力信号の相互相関関数が相関器３２で算出され、そ
の算出結果により信号処理装置３３において流速が算出
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光を用いて流体中の粒
子速度で代表される流体の流速を絶対値測定する流速測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光を用いて非侵襲で流体の流速を
測定する方法として、レーザードップラー現象に基づい
た方法、レーザースペックル現象に基づいた方法、及び
検出開口中の粒子像の数揺らぎを利用した方法が提案さ
れている。

【０００３】レーザードップラー現象に基づく流速計で
絶対値測定を行う場合、ドップラーシフト量が散乱幾何
に依存するため、散乱幾何を限定しなければならず、高
精度のレーザードップラー流速計を構成する際には散乱
幾何を厳密に限定する必要があり、製造上また実際に使
用する上で難しいことが知られている。

【０００４】レーザースペックル現象を利用した方法で
は、原理的に絶対値測定が不可能であり、何らかの校正
が必要となるために、校正に要する時間がかかるという
欠点があった。

【０００５】一方、検出開口中の粒子像の数揺らぎを利
用した方法は、結像関係さえ満足すればよいので、光学
調整が容易な絶対測定可能な方法である。この方法を図
１により説明する。

【０００６】図１において、レーザー光源１より発する
レーザー光を被測定流体が流れる光学的に透明な管２に
照射すると、管２中を流れる流体中の粒子３によってレ
ーザー光は散乱される。その散乱光を絞り４、レンズ５
からなる結像光学系で矩形の検出開口６上に結像する。
即ち、粒子３の像を結像する。そして、検出開口６を横
切る粒子像の光を光電子増倍管７で検出し、その検出信
号に対し光子相関法に基づく演算処理を行なう。この場
合、検出信号の強度の自己相関関数は、

【０００７】

【数１】

【０００８】となる。但し、Ｍ：測定体積／コヒーレントな領域の体積、Ｎ：検出開口中に存在する粒子数、｜ｇ（τ）｜２乗：レーザー光が粒子に散乱されるため
に生じる位相揺らぎに起因する強度揺らぎの自己相関関
数、ｆ（τ）：粒子が検出開口を横切るために生じる粒子数
の揺らぎに起因する強度揺らぎの自己相関関数、である。

【０００９】上記（１）式の第２項

【００１０】

【数２】

【００１１】はレーザー光の位相が粒子で散乱されて揺
らぐことによって発生する項で粒子の移動速度に依存す
る。

【００１２】また第３項

【００１３】

【数３】

【００１４】は粒子が測定体積内を通過するために測定
体積内に存在する粒子の数が時間的に変動することによ
って生ずる項でやはり粒子の移動速度に依存する。

【００１５】第２項には、コヒーレンス度Ｍの逆数と測
定体積内の粒子数Ｎの２乗が係数としてかかっており、
第３項には粒子数Ｎが係数としてかかっている。従っ
て、コヒーレンス度Ｍが良いほど（小さいほど）、また
粒子数Ｎが多いほど位相揺らぎの項が支配的になる。位
相揺らぎの項はスペックル現象そのものであるので、位
相揺らぎが支配的になると絶対測定が不可能になる。

【００１６】一方、数揺らぎの項が支配的になると、図
２に示すように開口サイズｄの検出開口６上に管２の像
２’が結像して粒子像３’が開口６を横切った場合に
は、図３に示すような３角形状の強度揺らぎの自己相関
関数が得られる。図３のτ0を測定する事によって、（粒子速度）＝（開口サイズｄ）／τ0 …（２）なる関係から非常に容易に粒子の速度すなわち流速が測
定できる。

【００１７】さらに、数揺らぎを利用するメリットとし
て、位相揺らぎに比べて現象が変化する時間が１０倍以
上遅い。そのため、光子相関法で検出する場合には光電
子パルスをカウントするためのサンプリングタイムを１
０倍以上長く設定でき、充分な検出カウント数を得るこ
とが可能になり、光電子統計上の計数揺らぎの影響を押
さえることができ、信号のＳ／Ｎ比の向上が容易にな
る。従って、位相揺らぎより数揺らぎの現象を利用する
方が有利である。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように流速測定
には検出開口中の粒子像の数揺らぎを利用した方法が有
利である。しかし、この方法でレーザー光のようなコヒ
ーレント光を用いて流体を測定する場合、数揺らぎを測
定しようとしても対象流体の濃度（粒子数の密度）によ
っては位相揺らぎの成分の影響が生じ、測定誤差を生じ
る問題点があった。

【００１９】そこで本発明の課題は、上記粒子像の数揺
らぎを利用して流速を測定する流速測定装置において、
上記の問題点を解消し、流体の濃度に拘らず流速測定を
正確に行なえる構成を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明によれば、上述した粒子像の数揺らぎによっ
て被測定流体の流速を測定する流速測定装置において、
測定用照明光として、波長の異なる複数のレーザー光を
発生するレーザー光源と、前記レーザー光を被測定流体
に対し導光する光学系と、前記流体で散乱された前記レ
ーザー光の散乱光を波長により複数に分離し、それぞれ
の散乱光による粒子像を複数の検出開口上に別々に結像
する光学系と、該複数の検出開口を介し前記粒子像の光
を検出する複数の光電変換手段と、該複数の光電変換手
段の出力信号の相互相関関数を算出する手段と、該算出
された相互相関関数より前記流体の流速を算出する手段
を有する構成を採用した。

【００２１】

【作用】このような構成によれば、測定用照明光の複数
のレーザー光は波長が異なり、位相関係に相関がないた
め、上記算出される相互相関関数に位相揺らぎの項が発
生せず、数揺らぎの項のみが残る。即ち、測定誤差を生
じさせる位相揺らぎの成分を除去できる。

【００２２】

【実施例】以下、図を参照して本発明の実施例を説明す
る。ここでは人の眼の眼底血流の流速を測定する流速測
定装置を示す。

【００２３】図４は実施例の流速測定装置の概略構成を
示している。図４において、符号８は被検眼Ｅの眼底Ｅ
ｒを検者が観察するための観察用照明光の光源であるハ
ロゲンランプであり、被検眼Ｅの角膜に対し共役な面に
配置される。ハロゲンランプ８から放射される光は、レ
ンズ９、絞り１０、レンズ１１を通過し、色分離ミラー
（波長分離ミラー）１２で反射されてリングスリット１
３に結像する。そしてリングスリット１３のリング状の
開口を通過した光はレンズ１４、１５を通り、穴あきミ
ラー１６で反射され、対物レンズ１７によって被検眼Ｅ
の角膜近傍Ｅｐにリング状に結像し、被検眼Ｅの眼底Ｅ
ｒを照明する。

【００２４】一方、符号１８、１９は測定用照明光のレ
ーザー光を発振するレーザー光源であり、互いに異なる
特定波長、例えば４８８ｎｍと５１４．５ｎｍのレーザ
ー光を発振するものとする。レーザー光源１８、１９も
角膜共役面に配置される。レーザー光源１８、１９から
放射されたレーザー光は色分離ミラー２０を介してレン
ズ２１〜対物レンズ１７からなる照明光学系に導かれ、
被検眼Ｅの眼底Ｅｒを照明する。

【００２５】なお、レーザー光源１８、１９の発振波長
は、図５に示すように、少なくとも色分離ミラー２０で
分離できる程度に離れているものとする。こうすれば、
図示のようにレーザー光源１８、１９を互いに直交する
光軸上に配置して、４５゜傾斜した色分離ミラー２０に
よりレーザー光源１８、１９のレーザー光を同じ光軸上
に混合できる。

【００２６】また上記照明光学系中に設けられた色分離
ミラー１２は、図６に示すように、レーザー光源１８、
１９が放射したそれぞれの波長の光を透過し、それ以外
の波長の光（ハロゲンランプ８の光を含む）を反射する
特性を持つものとする。

【００２７】次に、被検眼Ｅの眼底Ｅｒで散乱された観
察用照明光および測定用照明光の散乱光は、対物レンズ
１７、穴あきミラー１６の穴およびレンズ２４を通って
色分離ミラー２５に達する。

【００２８】色分離ミラー２５は、図７に示すように、
レーザー光源１８、１９が放射する波長の光を反射し、
それ以外の波長の光（観察用照明光を含む）を透過する
特性を有する。

【００２９】測定用照明光の散乱光、即ちレーザー光源
１８、１９の波長の光は色分離ミラー２５で反射され、
レンズ２６を介して色分離ミラー２７に達する。

【００３０】色分離ミラー２７は色分離ミラー２０と同
様に、図５に示すようにレーザー光源１８が放射する波
長の光を透過し、レーザー光源１９が放射する波長の光
を反射する特性を有するものとする。

【００３１】色分離ミラー２７を透過したレーザー光源
１８の照明光の散乱光は所定寸法の矩形の検出開口３０
上に結像される。即ち眼底血管の血流中の粒子像が結像
される。そして検出開口３０を横切る粒子像の光が光電
子増倍管３１に受光されて光電変換される。

【００３２】また、色分離ミラー２７で反射されたレー
ザー光源１９の照明光の散乱光は、同様に所定寸法の矩
形の検出開口２８上に結像され、血流中の粒子像が結像
される。そして検出開口２８を横切る粒子像の光が光電
子増倍管２９に受光されて光電変換される。

【００３３】光電子増倍管２９、３１の２つの出力信号
は相関器３２に入力され、そこで前記２つの出力の相互
相関関数が算出され、その算出結果は信号処理装置３３
に入力される。

【００３４】信号処理装置３３では、入力された相互相
関関数より図２に示すτ0を求め（２）式より流速を算
出する。その結果がモニター３４に表示される。

【００３５】一方、観察用照明光の散乱光は色分離ミラ
ー２５を透過し、ミラー３５、３６、レンズ３７を介し
て検者の眼Ｓに達し、検者が被検眼Ｅの眼底Ｅｒを観察
できるようになっている。

【００３６】以上のような本実施例によれば、レーザー
光源１８、１９のそれぞれの測定用照明光の眼底による
散乱光を別々の検出開口２８、３０上に結像して光電子
増倍管２９、３１で検出し、その出力の相互相関関数を
算出すると、レーザー光源１８、１９の照明光どうしで
波長が異なり、位相関係に相関がないため、相関関数に
位相揺らぎの項が発生せず、数揺らぎの項のみが残る。
即ち、測定誤差を生じさせる位相揺らぎの成分を除去で
き、被測定流体（血流）の濃度に拘らず、流速の絶対値
測定を容易に正確に行なうことができる。

【００３７】なお、以上ではそれぞれ特定波長のレーザ
ー光を発生する２個のレーザー光源１８、１９を使用す
るものとしたが、その代わりに色分離ミラー等の波長選
択素子を用いて分離可能な程度に波長が離れた２波長の
レーザー光を同時に発振できるマルチモードのレーザー
光源を１個だけ用いるようにしてもよい。

【００３８】また、以上に説明した本発明に関わる構成
は、眼底血流の流速を測定する流速測定装置以外の流速
測定装置にも適用できることは勿論である。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、被測定流体中の粒子像を所定寸法の検出開口
上に結像し、該検出開口を横切る前記粒子像の数揺らぎ
によって前記流体の流速を測定する流速測定装置におい
て、測定用照明光として、波長の異なる複数のレーザー
光を発生するレーザー光源と、前記レーザー光を被測定
流体に対し導光する光学系と、前記流体で散乱された前
記レーザー光の散乱光を波長により複数に分離し、それ
ぞれの散乱光による粒子像を複数の検出開口上に別々に
結像する光学系と、該複数の検出開口を介し前記粒子像
の光を検出する複数の光電変換手段と、該複数の光電変
換手段の出力信号の相互相関関数を算出する手段と、該
算出された相互相関関数より前記流体の流速を算出する
手段を有する構成を採用したので、測定時に測定誤差を
生じさせる位相揺らぎの成分を除去でき、流体の濃度に
拘らず、流速の絶対値測定を容易に正確に行なえるとい
う優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】検出開口中の粒子像の数揺らぎを利用した流速
測定のための従来の概略構成を示す説明図である。

【図２】検出開口上を粒子像が横切る様子を示す説明図
である。

【図３】粒子像が検出開口を横切った場合の強度揺らぎ
の自己相関関数を示す線図である。

【図４】本発明の実施例による流速測定装置の構成を示
す構成図である。

【図５】図４中の色分離ミラー２０、２７の光の波長に
よる反射率、透過率特性を示す線図である。

【図６】同じく色分離ミラー１２の光の波長による反射
率、透過率特性を示す線図である。

【図７】同じく色分離ミラー２５の光の波長による反射
率、透過率特性を示す線図である。

【符号の説明】

８ハロゲンランプ９、１１レンズ１０絞り１２色分離ミラー１３リングスリット１４、１５レンズ１６穴あきミラー１７対物レンズ１８、１９レーザー光源２０色分離ミラー２１〜２３レンズ２４レンズ２５、２７色分離ミラー２８、３０検出開口２９、３１光電子増倍管３２相関器３３信号処理装置３４モニター

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定流体中の粒子像を所定寸法の検出
開口上に結像し、該検出開口を横切る前記粒子像の数揺
らぎによって前記流体の流速を測定する流速測定装置に
おいて、測定用照明光として、波長の異なる複数のレーザー光を
発生するレーザー光源と、前記レーザー光を被測定流体に対し導光する光学系と、前記流体で散乱された前記レーザー光の散乱光を波長に
より複数に分離し、それぞれの散乱光による粒子像を複
数の検出開口上に別々に結像する光学系と、該複数の検出開口を介し前記粒子像の光を検出する複数
の光電変換手段と、該複数の光電変換手段の出力信号の相互相関関数を算出
する手段と、該算出された相互相関関数より前記流体の流速を算出す
る手段を有することを特徴とする流速測定装置。
【請求項２】前記測定用照明光を発生するレーザー光
源として、それぞれ特定波長のレーザー光を発生する複
数のレーザー光源を用いたことを特徴とする請求項１に
記載の流速測定装置。
【請求項３】前記測定用照明光を発生するレーザー光
源として、波長が異なる複数のレーザー光を同時に発生
するマルチモードのレーザー光源を１個用いたことを特
徴とする請求項１に記載の流速測定装置。