JPH09500206A - 検出された物体の軌道のための図式的な実時間−方向情報を発生させるための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、像検出器に撮像する際に直接、動いている物体の記録された軌道の方向を決定するための方法に関する。検出された物体の軌道は、撮像の際、矢印またはベクトル形式で図式的な情報を含んでいる。物体では、色々な大きさの照明されていたり自ら光を発する物体が問題となり得る。例えば流れの中で一緒に運ばれる分子または粒子のような照明された極微粒子が考えられるが、像検出器に軌道として撮影される、それよりも大きな照明された動いている物体もまた考えられる。したがってその方法のための前提は、それらの物体が像検出器の照明期間または積分期間中検出器の素子の上に軌道を記すことである。その方法に特徴的なことは検出された物体の軌道に撮像の際に像検出器に入射される光の強度の変化によってか像検出器の感度の変化によって矢印またはベクトル形式で図式的な方向情報を持たせることである。

Description

【発明の詳細な説明】 検出された物体の軌道のための図式的な実時間−方向情報を発生させるための方 法および装置 本発明は、像検出器に撮像する際に直接、動いている物体の記録された軌道の 方向を決定するための方法に関する。検出された物体の軌道は、撮像の際、矢印 またはベクトル形式で図式的な情報を含んでいる。物体では、色々な大きさの照 明されていたり自ら光を発する物体が問題となり得る。例えば流れの中で一緒に 運ばれる分子または粒子のような照明された極微粒子が考えられるが、像検出器 に軌道として撮影される、それよりも大きな照明された物体もまた考えられる。 したがってその方法のための前提は、それらの物体が像検出器の照明期間または 積分期間中検出器の素子の上に軌跡を記すことである。その方法に特徴的なこと は検出された物体の軌道に撮像の際に像検出器に入射される光の強度の変化によ ってか像検出器の感度の変化によって矢印またはベクトル形式で図式的な方向情 報を持たせることである。 類似の方法および装置は、勿論本発明の基礎となっている図式的な方向認識無 しで、特に流れおよび粒子測定技術において応用を見出している。そこでは、中 でも、検出される粒子の軌道から照明された測定空間における流れまたは粒子相 の速度の場を推論することが問題である。トレーサとして使用される物体あるい は粒子は多くの場合にそれらが十分正確に流れに従うことができる程小さい。そ れらは、一般に、レーザ光源によって照明され、その光線は一つの切断面に変形 されている［１］。粒子の運動速度に合わされた照明時間または積分時間を使っ たた粒子の撮像は流れの速度の場を認識させる像検出器（例えば、フィルム、半 導体センサ）の上の粒子軌道に導く。照明されたまたは自ら光を発する粒子のそ のような軌道の撮像は、例えばもっと大きな粒子の追跡が問題である方法技術あ るいは極微粒子や核構成素子の軌跡を眼に見えるようにする物理学あるいは血球 の運動の追跡における医学技術のような、その他の物体の大きさの領域において も見られる。 粒子の運動を把握するための既存の測定方法の粗い区分は測定がある時間空間 に亘って測定空間の中の一つの固定点において行なわれるか、あるいは測定空間 の広がった領域がある固定の時点で測定されるかに従って行なわれる［２］。そ れに従って測定方法を分類すれば、点測定法は大抵時間平均された運動情報を提 供し、全場測定法（“Whole Field Techniques”）は主として瞬間的な運動情報 を提供することが確認される。本発明は全場測定法の領域に属し、そこでは物体 軌道が全像の場（測定空間からの切抜き）において固定の時点で把握され評価さ れる。このような測定の課題のためには、これまで、“Particle Tracing Anemo metry”（ＰＴＡ粒子追跡アネモメトリ）とも呼ばれ、また“Laser Speckle Vel ocimetry”（レーザ・スペツクル計測法）あるいはまた“Particle Image Veloc imetry”（ＰＩＶ粒子イメージ計測法）とも呼ばれる［５−８］、粒子軌道アネ モメトリ［３，４］が特に問題となった。ＰＴＡでは一つの粒子の全像形成軌道 が撮像され、他方ＰＩＶにおいては照明源のパルス駆動によって粒子軌跡の始点 と終点のみが撮像される。これらの方法では、ホログラフィによる記録方法にお けるように、実際物体の軌道が勿論速度の大きさに関してのみ容易に撮像され得 ることが共通している。これらの方法では、附加的な手段なしには、撮像された 粒子または物体軌道から運動の方向について推論され得ない。 粒子軌道アネモメトリにおいては、したがって、物体軌道に方向を認識させる コード化法がいろいろな実験者によって開発された。ここで、例えば物体軌道の 一種のパルス・コード化が照明の中断によって得られ、そのことが運動の方向を 区別する方法が挙げられる［９］。そのようにして得られる全場撮像は、ついで 、中断された複数の線からなる一つの像から出発して矢印またはベクトル形式の 図式的な方向情報を持った粒子軌道が存在する一つの像に到達するためには、非 常に時間がかかり、費用がかかると評価されなければならない。図式的な矢印ま たはベクトル形式は直ちに流れの方向と結び付けられるから、撮像は観察者にと ってこの形式でのみ価値がある。 他の一つの新しいコード化方法は粒子軌道が検出器の感度跳躍を使う方法で撮 像されることに基づいている。それは像画素の灰色値でその方法で方向情報を決 定するためである。この方法でもまた、得られた像は、粒子軌道の上にベクトル の矢印を書くために、後から仕上げられなければならない［１０］。 これらのすべての既存のＰＴＡ測定および評価法には、後に接続された、ベク トル化に至るまでの軌道撮像の時間がかかる後処理が不必要となるように形成さ れて、図式的な情報を軌道の撮像の際に直ちに矢印またはベクトル形式で発生さ せることはこれまで達成されなかったということは共通している。 粒子イメージ計測法（Particle Image Velocimetry）においては、方向情報を 同様にコード化法によって得るように努められた。これに関連して、第１の照明 パルスが第２の照明パルスとは別の色で行なわれ、このことが評価の際に軌道の 方向を色の選択を使って認識させる方法が挙げられる［１１］。ＰＩＶの中のこ の最新の方法でも、二重照明撮像の評価および軌道のベクトル化は別のディジタ ルな評価段階で行なわれる。そこで、大抵、予めディジタル化された粒子軌道の 撮像のコンピュータでのディジタル評価が問題であり、それは何よりもまず今日 でもなお一つの像の評価すなわちベクトル化のために約２０分を必要とする［１ ２］。 したがって、本発明には、物体軌道を持った像の場のベクトル化を迅速にかつ 簡単で便利な方法で可能にする方法を提供するという課題が基礎になっている。 本発明のその他の課題はその方法を実施するための装置を提供することである。 その課題は、物体の撮像期間中プロセス・パラメタの少なくとも一つが、発生 する物体軌道の幅が成可く矢印（ベクトル）の形で対応する変化を受けるように 変更されることを特徴とする、それ自体動いている物体を有限の撮像期間像検出 器の上に写すことによって起る物体軌道における方向および速度情報を可視化す るための方法によって解決される。 この課題の解決には、撮像中動いている物体の検出された光強度の適当な変更 または像検出器の感度の変更によってその検出器の上に写される軌道の幅が変え られることができるという思想が基礎になっている。そのようにして、軌道の終 わりにおいて、すなわち一つの像のための撮像期間の終わり頃、図式的に矢印ま たはベクトル形式に対応する軌道幅の突然の変化が発生させられる。例えば本発 明の一実施の態様（照明の変更）においては、同じ大きさの異なった強さで光る 点（物体）がレンズを通して写す際に検出面の上に異なった大きさの像点を発生 させるという事実が利用し尽くされる。最後に述べたことは、もっと高い光の強 度では、レンズを通過する、光軸から遠く離れた縁の光線もまた検出可能になる が、このことは一つのレンズまたは一つのレンズ・システムの通常の結像誤差の 基礎となっており、検出器感度が同じままのときは像点が拡大させられることと 関連している。像点拡大の効果は物点の照明が同じままのとき像検出器の感度が 低下させられ、そのことによって結像誤差を含む縁の光線が撮影の際検出可能に なり、像点の拡大に導くことによっても達成されることができる。レンズの結像 誤差と並んで、予め与えられた光強度または感度の限界を超えた後、半導体像セ ンサの‘blooming’（ブルーミング）効果もまた像点の拡大を起すように作用し 、最後にこのことは入射する光強度または像センサの感度の変更によっても制御 されることができ、したがって本発明によって一緒に含まれる。 本発明は撮像された像の場から撮像の際に直接粒子軌道のベクトル化を可能に する。流れの空間におけるベクトルの場の表示の速さは低く評価されてはならな い。それは実時間で行なわれるからである。把握される、本発明によって撮像の 際に既に評価された、毎秒存在する像の場の数は像把握システムによってのみ予 め与えられ（例えばビデオ規格）、高速ビデオシステムを使用するときは、毎秒 数千像の領域にあることができる。 本発明は、したがって、撮像の際に直接軌道撮像の実時間ベクトル化を可能に し、それによってこれまで不可能と思われていたことを行なうことができる。本 発明は以上記載された測定課題をこれまで普通の全場測定法より比較にならない 程速いだけではなく、費用の上でも遥かに有利に実行することができる。 本発明のその他の利点および特徴は特許請求の範囲および本発明のいくつかの 実施例が図面を使って個々に説明される以下の記載から明らかとなろう。付図中 、 第１図は色々な実施の態様を纏めて表わす本発明の図を表わす。 第２図は本発明による矢印またはベクトル形式の図式的な方向情報を含む、本 発明の実施の態様の一つによって得られる粒子軌道の像を表わす。 第３図は物体を照明するレーザ光線の光強度が像検出器に同期させられた、光 学的に活性な構成要素によって変調または変化させられる本発明の一実施の態様 を表わす。 第４図は物体を照明するレーザ光線の強度変調のために光音響学的セル（Brag g セル、Kerrセル）が使用される、第３図による本発明の一つの特殊な実施の態 様を表わす。 第５図は物体から像検出器に入射する光の強度が像検出器に同期させられた、 光学的に活性な構成要素によって変調または変化させられる本発明の一実施の態 様を表わす。 第６図は撮像中像検出器の感度が変化させられる本発明の一実施の態様を表わ す。 第７図は撮像期間中受光光学が調節構成要素によって動かされる本発明の一実 施の態様を表わす。 第８図は外から照明されず自ら光を発する物体が追跡され、撮像中像検出器の 感度が変化させられる本発明の一実施の態様を表わす。 第１図では本発明の実現の色々な可能性が略図の中で纏めて示される。本発明 は、例えば、光の断片５の中の物体１の照明強度の変化によって実現されること ができる。ここでは、レーザ光源２が直接変調されるか、または光学的に活性な 構成要素４が光強度変調を引き受ける。しかしながら、光学的に活性な構成要素 ６が受光側で検出された散乱光の強度の変化を起こすように作用することもでき る。同様に、発光光学１０かまたは受光光学７かまたは像検出器３が撮像期間中 調節素子１１，９，８によって処置され、または焦点外しされる実施も考えられ る。 第２図は本発明による一実施の態様を使って得られた典型的な軌道の写真を示 す。図式的な方向情報が矢印またはベクトル形式で明らかとなる。 第３図には、レーザ２０の光線３１が光学的に活性な構成要素２１を通って導 かれ、その構成要素が撮像期間中光強度を変化させる本発明の一実施の態様が示 されている。そのレーザ光線は、ついで、発光光学２２によって拡がりを受け、 光の断片２５を提供し、その中で追跡しようとする物体２３が動く。物体によっ て散乱される光は光学的に活性な構成要素２１の制御ユニット２９と同期させら れている像検出器２８の上にレンズ２７を通して集められる。撮像期間中の光強 度の変化によって、例えば一つの撮像の終わりに、像検 出器の上に記される軌道が図式的な方向情報が発生するように拡げられる。 第４図は第３図に示された装置の一つの特殊な実施の態様を示し、そこでは照 明する光の強度を変調するために、Bragg セル４１が使用されている。この装置 ではレーザ４０の光線３９は制御ユニット５４によって駆動されるBragg セル４ １を通して導かれる。駆動周波数の適切な変調によって、撮像期間中に発光光学 ４４によって発生させられた光の断片５０における光強度が変化させられる。Br agg セル４１の制御ユニット５４によって発生させられたより高次の光線４８は 適当なレンズ−絞り装置４２，４３，４９によって除去される。ついで、物体４ ５から出て行く光はBragg セル４１と同期させられている像検出器５３の上にレ ンズ５２を通して結像される。 第５図では、レーザ５５の光線６６は発光光学５６によって光の面５９に拡げ られる。物体５７が光を散乱し、それが光学的に活性な構成要素６１およびレン ズ６２によって像検出器６３の上に導かれる。光学的に活性な構成要素６１は撮 像期間中像検出器６３の上に導かれる光の強度を変化させ、制御または駆動ユニ ット６４を通じて像検出器と同期させられている。像検出器に入射する光の量の 適当な制御によって物体軌道は例えば一つの撮像の終わりに、図式的な方向情報 が発生するように変化させられ、または拡げられる。 第６図は、レーザ７０の光線７９が発光光学７１によって拡げられ、光の面７ ４を形成し、その中で追跡しようとする物体７２が動くことを示す。その散乱光 ７５はレンズ７６を通して像検出器７７の上に導かれ、その検出器の感度は撮像 期間中制御または駆動ユニット７８を通じて変化させられる。感度の変更によっ て、例えば像検出器の撮像または積分期間の終わりに、物体の軌道は望まれる図 式的な方向情報を得る。 第７図は、レーザ８０の光線８１が発光光学８２によって拡げられ、光の断片 ９１を形成する、本発明の一実施の態様が示す。その光の断片の中で動く物体８ ３は光を散乱し、それはレンズ８９によって像検出器９０の上に結像させられる 。調節構成要素によってレンズ８９は撮像期間中適切にずらされ８９’、その結 果記録される物体の軌道は希望の焦点外しによって拡がりを受け、それは方向情 報を発生させるのに関係させられることができる。レンズ８９，８９’または全 受 光光学のずらしは像検出器９０と同期させられた駆動または制御ユニット８８を 通じて行われる。 第８図は発明が物体の照明と結び付いていず、自ら光を発する物体９５の軌道 もまた評価され、実時間で図式的な方向情報を備えることができることを示す。 物体からの光９７はレンズ９８を通して像検出器９９の上に導かれ、その検出器 は撮像期間中例えば駆動または制御ユニット１００を通じて電子工学的に感度を 変えられ、そのことによって記録される物体の軌道は拡げられることができ、図 式的な方向情報が発生させられることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 物体の撮像期間中プロセス・パラメタの少なくとも一つが、発生する物 体軌道の幅が対応する変化を受けるように変更されることを特徴とする、 それ自体動いている物体を有限の撮像期間像検出器の上に写すことによって起 る物体軌道における方向および速度情報を可視化するための方法。 ２． そのプロセス・パラメタが、物体軌道が矢印（ベクトル）の形式をとる ような形で、変更されることを特徴とする、 請求の範囲第１項記載の方法。 ３． 物体軌道での方向および速度情報の可視化が実時間で行われることを特 徴とする、 請求の範囲第１項または第２項記載の方法。 ４． そのプロセス・パラメタの変更の内容が照明強度の変化であることを特 徴とする、 請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 ５． 物体から出る、またはそれによって反射される、像検出器によって受光 される光の強度が撮像期間中物体と像検出器の間で変化させられることを特徴と する、 請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 ６． 撮像期間中像検出器が調節素子によって移動させられることを特徴とす る、 請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 ７． 撮像期間中像検出器の前に設けられた受光光学または受光光学の構成要 素が調節素子によって移動させられることを特徴とする、 請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 ８． 撮像期間中物体を照明するための光源の後に設けられた発光光学または 発光光学の構成要素が調節素子によって移動させられることを特徴とする、 請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 ９． 撮像期間中像検出器の感度が変化させられることを特徴とする、 請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 １０． 像検出器として半導体像センサ（例えばＣＣＤ像センサ）かまたは撮 像管かまたは像担体としてフィルムを含む写真機が使用されることを特徴とする 、 請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 １１． 撮像期間中発光または受光光学が焦点外しされることを特徴とする、 請求の範囲第７項または第８項記載の方法。 １２． それ自体動いている物体では、分子あるいは小さい粒子のような、光 を散乱するまたは光を発する物体が問題であることを特徴とする、 請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 １３． 物体を照明するために少なくとも一つのレーザまたは少なくとも一つ の非干渉性の光源の連続的な光線が使用されることを特徴とする、 請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 １４． 物体を照明するためにパルス化された光源が使用されることを特徴と する、 物体が照明される、請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 １５． その物体がある、照明された測定空間が光の板によって形成され、そ のために光源の光線が一つの平面に拡げられるか、または偏向素子によって一つ の平面状を迅速に横切り、光の断片を形成することを特徴とする、 物体が照明される、請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 １６． 可視光の代りに、あるいは可視光に加えて、電磁波の全スペクトラム の中から少なくとも他の一つの周波数の放射線が使用されることを特徴とする、 物体が照明される、請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 １７． 可視光の代りに、あるいは可視光に加えて、音波が使用されることを 特徴とする、 請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法。 １８． ―物体（１，２３，４５，５７，７２，８３，９５）が中で動いている測定空 間を照明するための単数または複数の光源（２，２０，４０，５５，７０，８０ ）、および／または ―光路または光強度を変えるために、光路に設けられた単数または複数の構成 要素（４，６，２１，４１，６１，７１，８２）、および ―像検出器の構成成分の少なくとも一つが、物体の軌道の幅が成可く矢印（ベ クトル）の形となるように変えられるような形で影響を及ぼされる、物体の軌道 が有限の撮像期間に動いている物体を写すことによって発生する少なくとも一つ の像検出器（３，２８，５３，６３，７７，９０，９９） から成る、請求の範囲前記単数または複数の項記載の方法を実施するための物体 の軌道において方向および速度を可視化するための装置。 １９． 物体の軌道を撮像するのに必要な照明強度が変化させられることを特 徴とする、 請求の範囲第１８項記載の装置。 ２０． 撮像期間中照明強度を変化させるために、機械的、電気的、光学的、 電気光学的、音響光学的、または電子工学的な構成要素（４）が備えられること を特徴とする、 請求の範囲第１８項および第１９項記載の装置。 ２１． 物体（１）から出て行き、少なくとも一つの像検出器（３）によって 受光される光の強度が、撮像期間中測定場所（５）と像検出器（３）の間に取り 付けられた機械的、電気的、光学的、電気光学的、音響光学的、または電子工学 的な構成要素（６）によって変化させられることを特徴とする、 請求の範囲第１８項記載の装置。 ２２． 物体（１）を写すために、受光光学（７）が備えられ、それが物体（ １）によって散乱された光線を少なくとも一つの像検出器（３）の上に結像する ことを特徴とする、 請求の範囲第１８項記載の装置。 ２３． 撮像期間中その像検出器（３）が調節素子（８）によって動かされる ことを特徴とする、 請求の範囲第１８項記載の装置。 ２４． 受光光学（７）または受光光学の構成要素が調節素子（９）によって 動かされることを特徴とする、 請求の範囲第２２項記載の装置。 ２５． 光源（２）の後に設けられた発光光学（１０）または発光光学の構成 要素が調節素子（１１）によって動かされることを特徴とする、 請求の範囲第１８項記載の装置。 ２６． 撮像期間中発光光学（１０）または受光光学（７）の焦点外しが調節 素子（９，１１）によって行われることを特徴とする、 請求の範囲第２４項または第２５項記載の装置。 ２７． 撮像期間中像検出器（３）の感度が変化させられることを特徴とする 、 請求の範囲第１８項記載の装置。 ２８． 物体を照明するために、連続駆動であったりパルス駆動であったりす る少なくとも一つのレーザが備えられることを特徴とする、 請求の範囲第１８項記載の装置。 ２９． 物体を照明するために、電磁的な全スペクトラムの中から少なくとも 一つの周波数の放射線が使用されることを特徴とする、 請求の範囲第１８項記載の装置。 ３０． 光源の代りに音波を持ったソースが備えられることを特徴とする、 請求の範囲第１８項記載の装置。 ３１． 物体が中で動いている、照明された測定空間が光の板から成っている ことを特徴とする、 請求の範囲第１８項記載の装置。 ３２． 物体の軌道が有限の撮像期間に動いている物体を写すことによって発 生する少なくとも一つの像検出器（３，２８，５３，６３，７７，９０，９９） を含み、その際その感度が、物体の軌道の幅が撮像期間中成可く矢印（ベクトル ）の形となるように変えられるような形で影響を及ぼされる、前記請求項の中の 単数または複数に記載の方法を実施するための物体の軌道において方向および速 度を可視化するための装置。 ３３． 像検出器（３）として半導体像センサ（例えばＣＣＤ像センサ）かま たは撮像管かまたは像担体としてフィルムを含む写真機が備えられることを特徴 とする、 請求の範囲前記単数または複数の項記載の装置。 ３４． 請求の範囲前記諸項による少なくとも二つの装置の組合せから成るこ とを特徴とする装置。