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技術 微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定方法及び微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定光学系

出願人 学校法人慶應義塾
発明者 前田昌信川口達也
出願日 2000年1月7日 (20年10ヶ月経過) 出願番号 2000-001694
公開日 2002年9月11日 (18年2ヶ月経過) 公開番号 2002-257708
状態 特許登録済
技術分野 光学的手段による測長装置 粒子の特徴の調査
主要キーワード 照射シート 回反射光 干渉縞領域 測定体積 分布濃度 スリット状開口 散乱角θ 測定空間
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図面 (8)

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を測定する方法を微小気泡拡張すること、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。

概要

背景

例えば、エンジン内部に噴射された燃料微小液滴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。

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。

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CCDカメラ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。

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観測し、その測定信号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。

このような状況において、測定空間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測定可能である方法が提案されている(SAEPaper no.950457,960830)。

概要

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。

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。

目的

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、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測定光学系を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

微小気泡が浮いた液体空間シート状の平行なレーザビーム照射し、そのレーザビームが当たった微小気泡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焦点外れ撮影し、微小気泡に対応する焦点外れ像中の干渉縞の数Nを計測し、次の関係により微小気泡の直径Dを求めることを特徴とする微小気泡の径及び分布測定方法。D=(2λN/nα)[cos (θ/2)− sin(θ/2)÷√{n2 +1−2n cos(θ/2)}]-1・・・(4)ただし、λはレーザビームの波長、αは微小気泡が撮影に用いる対物レンズを見込む角度、nは微小気泡が存在する液体相対屈折率である。

請求項2

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焦点外れで撮影し、微小気泡あるいは微小液滴に対応する焦点外れ像中の干渉縞の数を計測して微小気泡あるいは微小液滴の直径とその分布を求める微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定方法において、前記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前記焦点外れ像を撮影す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の測定方法。

請求項3

前記の焦点外れ状態を調整することにより撮影面上での干渉縞の間隔を調節可能としたことを特徴とする請求項2記載の微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定方法。

請求項4

微小気泡あるいは微小液滴が浮いた空間に対して前記シート状の平行なレーザビームをその面に対して垂直方向に平行に移動させ、その移動と同期して前記焦点外れ像を撮影することを特徴とする請求項2又は3記載の微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定方法。

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焦点外れで撮影し、微小気泡あるいは微小液滴に対応する焦点外れ像中の干渉縞の数を計測して微小気泡あるいは微小液滴の直径とその分布を求めるための測定測定光学系において、前記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ける焦点距離あるいは像側主面と、撮影光学系の光軸を含む前記平面に垂直な方向における焦点距離あるいは像側主面とが異なる撮影光学系と、前記平面に垂直な方向における結像面近傍であって、前記平面に平行な方向における結像面から外れた像面に配置された撮像手段とを備えてい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の測定光学系。

請求項6

前記撮影光学系が、軸対称な対物レンズとシリンドリカルレンズを組み合わせてなるアナモルフィック光学系からな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の測定光学系。

請求項7

前記撮影光学系の前記平面に平行な方向における焦点距離あるいは像側主面の少なくとも一方が調節可能になっていることを特徴とする請求項5又は6記載の微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定光学系。

請求項8

前記撮影光学系の開口が前記平面に平行な方向に伸び矩形形状の開口であることを特徴とする請求項5から7の何れか1項記載の微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定光学系。

技術分野

0001

本発明は、微小液滴及び気泡の径及び分布測定方法及び測定光学系に関し、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及び測定光学系に関するものである。

背景技術

0002

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。

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。

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CCDカメラ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観測し、その測定信号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測定可能である方法が提案されている(SAEPaper no.950457,960830)。

発明が解決しようとする課題

0007

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。

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。

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、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測定光学系を提供することである。

課題を解決するための手段

0010

上記目的を達成する本発明の微小気泡の径及び分布の測定方法は、微小気泡が浮いた液体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焦点外れで撮影し、微小気泡に対応する焦点外れ像中の干渉縞の数Nを計測し、次の関係により微小気泡の直径Dを求めることを特徴とする方法である。

0011

D=(2λN/nα)[cos (θ/2)− sin(θ/2)
÷√{n2 +1−2n cos(θ/2)}]-1
・・・(4)
ただし、λはレーザビームの波長、αは微小気泡が撮影に用いる対物レンズを見込む角度、nは微小気泡が存在する液体相対屈折率である。

0012

もう1つの本発明の微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定方法は、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焦点外れで撮影し、微小気泡あるいは微小液滴に対応する焦点外れ像中の干渉縞の数を計測して微小気泡あるいは微小液滴の直径とその分布を求める微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定方法において、前記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前記焦点外れ像を撮影することを特徴とする方法である。

0013

この場合、焦点外れ状態を調整することにより撮影面上での干渉縞の間隔を調節可能とすることが望ましい。

0014

また、微小気泡あるいは微小液滴が浮いた空間に対して前記シート状の平行なレーザビームをその面に対して垂直方向に平行に移動させ、その移動と同期して焦点外れ像を撮影することもできる。

0015

本発明の微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定光学系は、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焦点外れで撮影し、微小気泡あるいは微小液滴に対応する焦点外れ像中の干渉縞の数を計測して微小気泡あるいは微小液滴の直径とその分布を求めるための測定測定光学系において、前記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ける焦点距離あるいは像側主面と、撮影光学系の光軸を含む前記平面に垂直な方向における焦点距離あるいは像側主面とが異なる撮影光学系と、前記平面に垂直な方向における結像面近傍であって、前記平面に平行な方向における結像面から外れた像面に配置された撮像手段とを備えていることを特徴とするものである。

0016

この場合、撮影光学系が、軸対称な対物レンズとシリンドリカルレンズを組み合わせてなるアナモルフィック光学系からなることが望ましい。

0017

また、撮影光学系のその平面に平行な方向における焦点距離あるいは像側主面の少なくとも一方が調節可能になっていることが望ましい。

0018

また、撮影光学系の開口がその平面に平行な方向に伸び矩形形状の開口であることが望ましい。

0019

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分布と各微小気泡の直径を同時に精度良く測定することができる。

発明を実施するための最良の形態

0020

以下、本発明の微小液滴及び気泡の径及び分布の測定方法及び測定光学系の原理と実施例の説明をする。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

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11 、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。

0026

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。

0027

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τ1 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。

0028

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。

0029

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。

0030

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101 、102 、・・・が存在する場合にも、微小気泡10と同様な焦点外れ像101 ”、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、101 、102 、・・・の像10’,101 ’、102’、・・・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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

そこで、本発明の微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定光学系の第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に平行は方向を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。

0035

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。

0036

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も同じになるので、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。

0037

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。

0038

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アナモルフィック面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。

0039

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。

0040

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 、212 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を調節することができる。

0041

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。

0042

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211 、212 の位置を調節して焦点外れ像の長さ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。

0043

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。

0044

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22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。

0045

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22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。

0046

以上、本発明の微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定方法及び微小気泡及び微小液滴の径及び分布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。

発明の効果

0047

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の測定方法及び微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定光学系によると、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分布と各微小気泡の直径を同時に精度良く測定することができる。

図面の簡単な説明

0048

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。
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。
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。
図4本発明の微小気泡及び微小液滴の径及び分布の測定光学系の第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。
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。

--

0049

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,b,c,d…微小液滴の焦点外れ像

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