図面 (/)

技術 粒径測定システムおよび粒径測定方法

出願人 学校法人東洋大学
発明者 椿光太郎
出願日 2015年4月17日 (5年7ヶ月経過) 出願番号 2015-085131
公開日 2016年12月8日 (3年11ヶ月経過) 公開番号 2016-205891
状態 特許登録済
技術分野 粒子の特徴の調査
主要キーワード 微粒子分布 実験空間 散乱光パターン AND演算処理 霧吹き器 ラプラスフィルタ 相関状態 原点調整
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年12月8日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (15)

課題

簡易且つ低コスト微粒子粒径を測定することのできる粒径測定ステムおよび粒径測定方法を提供する。

解決手段

画像処理手段5は、微粒子が無い場合と、有る場合の2以上の画像データの相関状態解析する画像相関解析手段51と、2以上の画像データの明るさの閾値を算出する閾値算出手段52と、閾値に基いて画像データのエッジ部を抽出する画像エッジ抽出手段53と、抽出された画像エッジに基いて、回折円を抽出する回折円抽出手段54と、抽出された回折円の半径を検出する円半径検出手段55と、抽出された半径と、撮影手段が備える光学系の焦点距離とに基いて回折角θを算出する回折角算出手段56とを有し、粒径算出手段6は、回折角算出手段で算出された回折角に基いて微粒子の半径および粒径を算出する。

概要

背景

近年、国内外において大気汚染は進みつつあり、健康被害も懸念されている。

特に、大気中に浮遊している2.5μm以下の微粒子(PM2.5(Particulate Matter 2.5)あるいは微小粒子状物質とも呼ばれる)は、の奥深くまで入り易く、呼吸系循環器系への影響が懸念されている。

そのため、大気中に含まれる微粒子の粒径日常的に簡便に測定して、予防対策などに活用したいという要望がある。

微粒子を検出したり粒径を測定する装置は、種々提案されている(特許文献1等)。

概要

簡易且つ低コストで微粒子の粒径を測定することのできる粒径測定ステムおよび粒径測定方法を提供する。画像処理手段5は、微粒子が無い場合と、有る場合の2以上の画像データの相関状態解析する画像相関解析手段51と、2以上の画像データの明るさの閾値を算出する閾値算出手段52と、閾値に基いて画像データのエッジ部を抽出する画像エッジ抽出手段53と、抽出された画像エッジに基いて、回折円を抽出する回折円抽出手段54と、抽出された回折円の半径を検出する円半径検出手段55と、抽出された半径と、撮影手段が備える光学系の焦点距離とに基いて回折角θを算出する回折角算出手段56とを有し、粒径算出手段6は、回折角算出手段で算出された回折角に基いて微粒子の半径および粒径を算出する。

目的

本発明は上記の事情に鑑み、簡易且つ低コストで微粒子の粒径を測定することのできる粒径測定システムおよび粒径測定方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

検体微粒子粒径を測定する粒径測定ステムであって、コヒーレント光出射する光源と、微粒子を自然導入する前の前記コヒーレント光および自然導入された微粒子により前記コヒーレント光に生じた回折散乱光を直接的に撮影する撮影手段と、前記撮影手段で撮影された前記コヒーレント光および回折・散乱光パターンの画像データを画像処理する画像処理手段と、前記画像処理手段による画像処理結果に基いて前記微粒子の粒径を算出する粒径算出手段とを備え、前記画像処理手段は、前記微粒子が無い場合と、有る場合の2以上の前記画像データの相関状態解析する画像相関解析手段と、前記2以上の画像データの明るさの閾値を算出する閾値算出手段と、前記閾値に基いて前記画像データのエッジ部を抽出する画像エッジ抽出手段と、該画像エッジ抽出手段で抽出された画像エッジに基いて、回折円を抽出する回折円抽出手段と、該回折円抽出手段で抽出された回折円の半径を検出する円半径検出手段と、該円半径検出手段で抽出された半径と、前記撮影手段が備える光学系の焦点距離とに基いて回折角を算出する回折角算出手段と、を有し、前記粒径算出手段は、前記回折角算出手段で算出された回折角に基いて前記微粒子の半径および粒径を算出することを特徴とする粒径測定システム。

請求項2

前記光源は半導体レーザで構成され、前記撮影手段はデジタルカメラで構成されることを特徴とする請求項1に記載の粒径測定システム。

請求項3

前記回折円抽出手段は、2以上の回折円を抽出し、前記円半径検出手段は、前記2以上の角回折円の円半径を検出し、前記回折角算出手段は、前記2以上の角回折円について回折角を算出し、前記粒径算出手段は、前記回折角算出手段で算出された角回折角に基いて前記微粒子の半径および粒径を算出することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の粒径測定システム。

請求項4

被検体の微粒子の粒径を測定する粒径測定方法であって、微粒子を自然導入する前のコヒーレント光および自然導入された微粒子によりコヒーレント光に生じた回折・散乱光を直接的に撮影する撮影過程と、撮影された前記コヒーレント光および回折・散乱光パターンの画像データを画像処理する画像処理過程と、画像処理結果に基いて前記微粒子の粒径を算出する粒径算出過程とを有し、前記画像処理過程は、前記微粒子が無い場合と、有る場合の2以上の前記画像データの相関状態を解析する画像相関解析過程と、前記2以上の画像データの明るさの閾値を算出する閾値算出過程と、前記閾値に基いて前記画像データのエッジ部を抽出する画像エッジ抽出過程と、抽出された画像エッジに基いて、回折円を抽出する回折円抽出過程と、抽出された回折円の半径を検出する円半径検出過程と、抽出された半径と、撮影手段が備える光学系の焦点距離とに基いて回折角を算出する回折角算出過程と、を有し、前記粒径算出過程は、前記回折角算出過程で算出された回折角に基いて前記微粒子の半径および粒径を算出する処理を行うことを特徴とする粒径測定方法。

技術分野

0001

本発明は、微粒子粒径を測定する粒径測定ステムおよび粒径測定方法に関するものである。

背景技術

0002

近年、国内外において大気汚染は進みつつあり、健康被害も懸念されている。

0003

特に、大気中に浮遊している2.5μm以下の微粒子(PM2.5(Particulate Matter 2.5)あるいは微小粒子状物質とも呼ばれる)は、の奥深くまで入り易く、呼吸系循環器系への影響が懸念されている。

0004

そのため、大気中に含まれる微粒子の粒径を日常的に簡便に測定して、予防対策などに活用したいという要望がある。

0005

微粒子を検出したり粒径を測定する装置は、種々提案されている(特許文献1等)。

先行技術

0006

特開平9−89754号公報

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、上記従来技術に係る計測装置等は、工業向けや、研究機関向けのものが多く、大型でコストも嵩むという難点があった。

0008

一方、粒子レーザ光照射した時の各粒径に特徴的な散乱がされる散乱光量パターンを用いた粒子測定装置も開発されている。

0009

ここで、レーザ光を粒子に照射した場合、粒径が比較的大きな場合は全周方向散乱強度が強い傾向にある。特に前方の散乱光強度がより強く、粒径が小さくなるに従って、全体的に散乱光強度が弱くなり、前方散乱光強度も弱まる。そのため、粒径が比較的大きな粒子の場合には、粒子によって散乱された光のうち、前方散乱光凸レンズ集光するとその焦点上に回折像を生じる。この回折光の明るさと大きさは、粒子の粒径によって決まるので、これらの散乱光情報を利用することにより比較的容易に粒径を得ることができる。

0010

しかし、粒径が小さくなると、前方散乱光の強度が減少し、前方に設置した検出器では検出が困難となる。そのため、測定対象の微粒子を暗室に導き、側方散乱後方散乱微弱散乱光のパターンを高感度光センサで測定する必要があり、測定装置が大型化し、コストも嵩むという問題があった。

0011

本発明は上記の事情に鑑み、簡易且つ低コストで微粒子の粒径を測定することのできる粒径測定システムおよび粒径測定方法を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0012

前記課題を解決するため、本発明に係る粒径測定システムは、被検体の微粒子の粒径を測定する粒径測定システムであって、コヒーレント光出射する光源と、微粒子を自然導入する前の前記コヒーレント光および自然導入された微粒子により前記コヒーレント光に生じた回折・散乱光を直接的に撮影する撮影手段と、前記撮影手段で撮影された前記コヒーレント光および回折・散乱光パターンの画像データを画像処理する画像処理手段と、前記画像処理手段による画像処理結果に基いて前記微粒子の粒径を算出する粒径算出手段とを備え、前記画像処理手段は、前記微粒子が無い場合と、有る場合の2以上の前記画像データの相関状態解析する画像相関解析手段と、
前記2以上の画像データの明るさの閾値を算出する閾値算出手段と、前記閾値に基いて前記画像データのエッジ部を抽出する画像エッジ抽出手段と、該画像エッジ抽出手段で抽出された画像エッジに基いて、回折円を抽出する回折円抽出手段と、該回折円抽出手段で抽出された回折円の半径を検出する円半径検出手段と、該円半径検出手段で抽出された半径と、前記撮影手段が備える光学系の焦点距離とに基いて回折角を算出する回折角算出手段と、を有し、前記粒径算出手段は、前記回折角算出手段で算出された回折角に基いて前記微粒子の半径および粒径を算出することを特徴とする。

0013

また、本発明に係る粒径測定方法は、被検体の微粒子の粒径を測定する粒径測定方法であって、微粒子を自然導入する前のコヒーレント光および自然導入された微粒子によりコヒーレント光に生じた回折・散乱光を直接的に撮影する撮影過程と、撮影された前記コヒーレント光および回折・散乱光パターンの画像データを画像処理する画像処理過程と、画像処理結果に基いて前記微粒子の粒径を算出する粒径算出過程とを有し、前記画像処理過程は、前記微粒子が無い場合と、有る場合の2以上の前記画像データの相関状態を解析する画像相関解析過程と、前記2以上の画像データの明るさの閾値を算出する閾値算出過程と、前記閾値に基いて前記画像データのエッジ部を抽出する画像エッジ抽出過程と、抽出された画像エッジに基いて、回折円を抽出する回折円抽出過程と、抽出された回折円の半径を検出する円半径検出過程と、抽出された半径と、撮影手段が備える光学系の焦点距離とに基いて回折角を算出する回折角算出過程とを有し、前記粒径算出過程は、前記回折角算出過程で算出された回折角に基いて前記微粒子の半径および粒径を算出する処理を行うことを特徴とする。

発明の効果

0014

本発明によれば、簡易且つ低コストで微粒子の粒径を測定することのできる粒径測定システムおよび粒径測定方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

0015

実施形態に係る粒径測定システムの概略構成を示すブロック図である。
実施形態に係る粒径測定システムの構成例を示す説明図である。
画像処理手段の機能構成を示す機能ブロック図である。
入射光光強度分布(S(θ))2との関係を示す説明図である。
撮影手段の光学系における焦点距離f、回折角θおよび円の半径hとの関係を示す説明図である。
イメージセンサ分光感度の例を示すグラフである。
微粒子が無い状態の画像(a)およびそのRGBの分布を示すグラフ(b)である。
微粒子が有る状態の画像(a)およびそのRGBの分布を示すグラフ(b)である。
微粒子が無い状態の画像と微粒子が有る状態の画像の差分を示す画像(a)およびそのRGBの分布を示すグラフ(b)である。
測定された回折円の半径hを示す画像である。
Hough変換により抽出された回折円と微粒子半径を示すモニタ画像である。
2種類の回折円から求めた粒子半径を示すグラフである。
粒径測定処理の処理手順を示すフローチャートである。
粒径測定システムの他の構成例を示すブロック図である。

実施例

0016

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

0017

(本発明に至る過程)
本発明の実施の形態について述べる前に、本発明に至る過程について簡単に説明する。

0018

本発明者等は、例えば、水微粒子の粒径を測定する場合に、水微粒子の回折像から幅を持つリング状の回折円を抽出のため、光の強弱を表すグレースケール処理を施してグレースケール像に変換し、その後微粒子が存在する画像と微粒子が存在しない画像の差をとるイベント相関(correlated events)を行う方法を試みた。

0019

この場合に、見た目には回折円が観察できたが、円抽出を行うには未だ不十分であった。 そこで、エッジのコントラストを際立たせるために、所定のラプラスフィルタ処理を施した。さらに、このフィルタ処理でもコントラストが不十分な場合には強調ラプラスフィルタ処理を施すこととした。

0020

そして、フィルタ処理後の画像に対して、円検出プロセスであるHough変換(デジタル画像処理で用いられる特徴抽出法の一つ)により円抽出を行った。

0021

しかしながら、上記手法ではコントラストが不十分であり、抽出処理に長時間を要するという難点があった。

0022

また、抽出された円にバラツキがあり、正確な円の抽出は困難であった。

0023

なお、ラプラスフィルタ処理以外にもAND演算処理があるが、コントラストは若干改善されるものの正確な円抽出には十分ではなかった。

0024

一方、明瞭なコントラストが得られる処理としてXOR演算がある。

0025

このXOR演算は、コントラストが明瞭であるため、演算時間は十分実用的で、また測定データのバラツキも小さくなるというメリットがある。

0026

しかしながら、このXOR演算は、画像が変化する部分を抽出する演算であるため、映像時間変化がない場合には検出できないという不都合がある。

0027

また、時間変化している部分は常に円の外周部であるため、抽出すべき円の一番外側だけが観測される。そのため円の半径を計測するときに、誤差を生じるという難点があった。

0028

このような回折円の半径の計測誤差は、測定すべき微粒子の半径の計測誤差に直結する問題であった。

0029

そこで、本発明者は、上記問題を解決すべく鋭意研究の結果、本発明に係る粒径測定システムS1、S2を案出するに至った。

0030

(実施の形態に係る粒径測定システム)
本発明に係る粒径測定システムS1の主な特徴点は、散乱光パターンを計測するために光センサではなく、一般的なデジタルカメラを用いることができる点と、回折円検出のために微粒子の有無に対応する回折光パターンの画像から微粒子に特徴的な回折光抽出する処理をグレースケール処理を省略したイベント相関技術を採用したデジタル処理を行う点である。

0031

図1のブロック図を参照して、実施の形態に係る粒径測定システムS1の概略構成について説明する。

0032

本実施の形態に係る粒径測定システムS1は、被検体(本実施の形態では、水またはアルコールを用いた)の微粒子の粒径を測定する粒径測定システムであって、コヒーレント光(レーザ光)L1を出射する光源(例えば、半導体レーザ)2と、光源2から出射されたコヒーレント光L1のビーム内に、被検体を導入する導入手段の一種として、微粒子A1を噴霧する噴霧手段(例えば、スプレー等)3と、噴霧手段3により微粒子A1を噴霧する前のコヒーレント光L1および噴霧手段3により噴霧された微粒子A1によりコヒーレント光に生じた回折・散乱光L2を直接的に撮影する撮影手段の一種としてのデジタルカメラ4と、デジタルカメラ4で撮影されたコヒーレント光L1および回折・散乱光パターンの画像データを画像処理する画像処理手段5と、画像処理手段5による画像処理結果に基いて回折・散乱光パターンのピークを判定して微粒子A1の粒径を算出する粒径算出手段6とを備える。

0033

なお、画像処理手段5の詳細な構成については後述する。

0034

また、画像処理手段5および粒径算出手段6は、モニタ11などを備えたパーソナルコンピュータ10等で構成される。また、画像処理手段5および粒径算出手段6自体は、パーソナルコンピュータ10等にインストールされるソフトウェアで構成することができる。

0035

また、被検体を導入する導入手段の一種として、微粒子A1を噴霧する噴霧手段(例えば、スプレー等)3を省略し、自然的に被検体が導入されるようにしてもよい。

0036

図2は、実施形態に係る粒径測定システムS1の構成例を示す説明図である。

0037

図2に示す構成例では、基台20に固定された光源2として半導体レーザを用いたレーザ光源を用いる。レーザ光源としては、例えば、波長633nm、出力3mW程度の赤色半導体レーザ素子を用いることができる。

0038

噴霧手段3としては、スプレー缶に被検体(水やアルコール等)を封入したものや、霧吹き器等を用いることができる。また、大気中に含まれる粒子の粒径を測定する場合には、噴霧手段に代えて、大気を導入する機構等を設けるようにしてもよい(図14に示す他の構成に係る粒径測定システムS2参照)。

0039

デジタルカメラ4としては、例えば基台20に固定されたミラーレス型のデジタル一眼カメラなどを用いることができる。

0040

図1に示す画像処理手段5および粒径算出手段6を構成するパーソナルコンピュータ10としては、デスクトップ型ノートブック型タブレット型等を用いることができる。

0041

図3は、画像処理手段5の機能構成を示す機能ブロック図である。

0042

図3に示すように、画像処理手段5は、微粒子が無い場合と、有る場合の2以上の画像データの相関状態を解析する画像相関解析手段51と、2以上の画像データの明るさの閾値を算出する閾値算出手段52と、閾値に基いて画像データのエッジ部を抽出する画像エッジ抽出手段53と、画像エッジ抽出手段53で抽出された画像エッジに基いて、回折円を抽出する回折円抽出手段54と、回折円抽出手段54で抽出された回折円の半径を検出する円半径検出手段55と、円半径検出手段55で抽出された半径と、撮影手段(デジタルカメラ)4が備える光学系の焦点距離とに基いて回折角(θ)を算出する回折角算出手段56とを備える。

0043

また、粒径算出手段6は、画像処理手段5が備える回折角算出手段56で算出された回折角(θ)に基いて微粒子の半径および粒径を算出する。

0044

なお、微粒子の半径および粒径の算出方法の詳細については後述する。

0045

ここで、図4は、入射光と光強度分布(S(θ))2との関係を示す説明図である。図4に示すように、λは入射光(コヒーレント光L1)の波長であり、例えば半径rの水の微粒子によって入射光は回折される。そして、直進する回折光はθ=0であり、直進方向からずれるに従って所定の角度θの回折光となって散乱される。これにより、照射面において図4に示すような光強度分布(S(θ))2が現れ、デジタルカメラ4等により所定の画像データを得ることができる。

0046

また、図5は、撮影手段(デジタルカメラ)4の光学系における焦点距離f、回折角(θ)および円の半径hとの関係を示す説明図である。

0047

図5における焦点距離f、回折角(θ)および円の半径hとの関係は、tanθ=h/fで表すことができる。

0048

したがって、焦点距離fは予め決まっている(例えば、f=22mm等)ので、画像データにおける回折円の半径hの値が分かれば、回折角(θ)を求めることができる。

0049

画像データにおける回折円の半径hは、撮影手段(デジタルカメラ)4が備える画像素子(イメージセンサ)の画素の大きさから求めることができる。

0050

即ち、一画素の一辺の寸法が例えば0.022mmである場合には、円の中心から円周までのピクセル数(Py)が分かれば、h=0.022×Pyで算出することができる。
一番内側の回折円の場合、粒子半径rは、r=(5.136/2π)λ×(1/Sinθ)の関係にあることが分かっている。

0051

したがって、光源(例えば、半導体レーザ)2の波長は予め分かっているので、上述のようにして回折角(θ)を求めることにより、粒子半径rを算出することができる。
(イベント相関イメージング法について)
ここで、実施形態に係る粒径測定システムS1に適用されるイベント相関イメージング法について、図6図11を参照して説明する。

0052

図6は、撮影手段(デジタルカメラ)4が備えるイメージセンサのRGBについての分光感度の例を示すグラフである。

0053

なお、線L10は、光源2としての半導体レーザの波長(633nm)を示す。

0054

このような分光感度を有するイメージセンサを搭載したデジタルカメラ4を用いて、図7および図8に示す画像を撮影した。

0055

ここで、図7(a)は微粒子が無い状態の画像D1、図7(b)はそのRGBの分布を示すグラフである。

0056

また、図8(a)は微粒子が有る状態の画像D2、図8(b)はそのRGBの分布を示すグラフである。

0057

そして、図9(a)は、微粒子(水微粒子)が無い状態の画像D1と微粒子(水微粒子)が有る状態の画像D2の差分を示す画像D3、図9(b)はそのRGBの分布を示すグラフである。

0058

即ち、水微粒子を含む回折像(画像D2)から水微粒子がない回折像(画像D1)を減算したイベント相関技術を採用した画像が図9(a)に示す画像D3である。

0059

図9(a)に示す画像D3は、従来の画像処理による回折像に比して、明瞭なカラー回折像を得ることに成功した。

0060

次いで、この画像D3に基いて、回折円の選択を行う。

0061

即ち、図9(a)に示す画像D3を0から255までの値をとるR(レッド),G(グレーン),B(ブルー)の三原色の数字の組で表すRGB表色系表現し、選択すべきRの最大値最小値、Gの最大値・最小値、Bの最大値・最小値を指定し、回折円に重なるように調整する。

0062

さらに、別の方法で、回折円の選択を行う。

0063

即ち、図9(a)に示す画像D3をH(色相),S(彩度),I(明度)の3つの数字の組で表すHSI表色系で表現し、Hの最大値・最小値、Sの最大値・最小値、Iの最大値・最小値を指定し、回折円に重なるように調整する。

0064

HSI表色系では、H(色相)に極めて敏感に反応するので、選択された領域は主にH(色相)を調整することで行う。

0065

選択された部分Sを所定の色(例えば、赤色等)で表し、回折円と重なるように示した画像が図10に示す画像D4である。

0066

なお、回折円の選択ができるように色を表す数値群の最大値・最小値を決定して得られた画像D4にHough変換を施すとよい。

0067

そして、図10の画像D4で抽出された回折円について、その半径hから微粒子半径を求めた状態を図11に示す。

0068

図11は、Hough変換により抽出された回折円L50と微粒子半径を示すパーソナルコンピュータ10のモニタ11上に表示される画像である。

0069

図11において円L50は、半径6.5μmの微粒子が作る回折円を表す。

0070

また、図11に示す最少半径の円L51と最大半径の円L52は、回折円を検出するための基準であり、微粒子の回折円がこの2つの円L51、L52の間に入るように調整する。
なお、図11における1Radius:6.49μmは、円L50が半径6.5μmに相当することを示し、2Radius:6.55μmは内側から2番目は回折円から計算される半径を示す。
また、Average Intensity:24.70は円L50上の光の強度が24.70(任意単位)であることを示す。

0071

(測定例)
上述のようなイベント相関イメージング法を適用した粒径測定システムS1による測定例について説明する。

0072

例えば、約500秒の微粒子映像(動画データ)に含まれる約15000コマの画像から円を抽出したところ、微粒子半径を安定して求めることができた。

0073

15000回の試行に対して、円を検出できないエラー回数はゼロ回であり、微粒子半径を求める速度は1秒間に5回である。

0074

なお、毎秒30回計測できる場合には、オンライン計測(リアルタイム計測)とすることができる。

0075

15000個の微粒子半径のデータのうち、水微粒子生成直後の不安定な時間帯および水微粒子が消失して再び不安定になる時間帯を除いた300秒間の微粒子の成長の様子を図12に示す。

0076

なお、図12は、2種類の回折円から求めた粒子半径R1、R2も示している。

0077

図12に示すように、水微粒子半径は指数関数的に成長していることが分かる。

0078

また、一番内側の回折円(第1ピーク)から求めた半径R1(6.49μm)と、内側から二番目の回折円(第2ピーク)から求めた半径R2(6.55μm)が大凡一致していることから、求められた半径h(図10参照)が正しいものであると推察される。
ここで、半径R1と半径R2のごくわずかな誤差は、回折円をHough変換で認識するときに生じるもので、光強度が大きな1番内側の回折円から求めた半径R1の方が、光強度が弱い内側から2番目の回折円から求めた半径R2に比べて信頼性が高い。

0079

分光感度特性と回折円との関係について)
図6分光感度曲線に基いて、図9(a)に示す画像D3が得られる仕組みについて説明する。

0080

回折円の観測過程では、光源2から波長633nmのレーザ光L1をデジタルカメラ4に向かって照射している(図2等参照)。

0081

従って、非常に強い赤色光が、デジタルカメラ4の画像素子(光検出センサ)に照射されることになる。

0082

この光強度が高いため、ある程度の光量の光線が、画像素子のブルーフィルタグリーンフィルタを通り抜け、緑センサ、青センサにも照射される。

0083

照射光量に対応した電圧出力が発生するので、モニタ11で観測される回折像には緑色成分青色成分が混じった状態となっている。

0084

そのため、上述のようにして得られた画像から、赤、緑、青(R,G,B)が強い部分を減算するイベント相関イメージ処理を行うことにより、図9(a)に示す画像D3のような緑成分、青成分が強調された画像を得ることができる。

0085

このような図9(a)に示す画像D3は、比較的コントラスが鮮明であることから、回折円の半径hを比較的容易に測定することが可能となる。

0086

(粒子半径および粒径の算出の仕方について)
図5に示すように、撮影手段(デジタルカメラ)4の光学系における焦点距離f、回折角(θ)および円の半径hとの関係は、tanθ=h/fで表すことができる。

0087

光学系の焦点距離fは予め決まっている(例えば、f=22mm等)ので、画像データにおける回折円の半径hの値が分かれば、回折角(θ)を求めることができる。

0088

そして、上述の手法により、回折円の半径hを測定することができる。

0089

即ち、画像データにおける回折円の半径hは、デジタルカメラ4のイメージセンサの画素の大きさから求めることができ、一画素の一辺の寸法が例えば0.022mmである場合には、円の中心から円周までのピクセル数(Py)により、h=0.022×Pyと算出される。

0090

ここで、粒子半径r=Sinθ×波長の関係にあり、半導体レーザ2の波長は633nmであるので、回折角(θ)が分かれば、粒子半径r算出することができる。

0091

また、一番内側の回折円の回折角をθ1とした場合に、粒子半径rは、
r=(5.136/2π)λ×(1/Sinθ1) で求めることができる。

0092

なお、上記式において、「5.136」は、回折強度を計算する1次のベッセル関数の2乗の最初のピークとなる時の引数値である。

0093

また、二番目の回折円の回折角をθ2とした場合に、粒子半径rは、
r=(8.417/2π)λ×(1/Sinθ2) で求めることができる。

0094

なお、上記式において、「8.417」は、回折強度を計算する1次のベッセル関数の2乗の二番目のピークとなる時の引数値である。

0095

同様にして、三番目以降の回折円の回折角を用いて、粒子半径rを求めることができる。

0096

このような粒子半径の算出法は、微粒子の半径と回折円の半径が反比例するという関係を利用している。

0097

(粒径測定処理について)
図13のフローチャートを参照して、本実施の形態に係る粒径測定システムS1で実施される粒子測定処理の処理手順について説明する。

0098

この処理が開始されると、まずステップS10でデジタルカメラ4等およびパーソナルコンピュータ(PC)10の電源オンされる。これにより、デジタルカメラ4等は撮影可能な状態となり、パーソナルコンピュータ10は、各種処理を実行可能な状態となる。

0099

次いで、ステップS11でレーザ光源2の電源をオンする。これにより、コヒーレント光としてのレーザ光L1が出射される。なお、レーザ光源2から出射されたレーザ光L1が、デジタルカメラ4等の撮影レンズ入射するように、レーザ光源2およびデジタルカメラ4等の原点調整および光軸調整が行われている。

0100

次に、ステップS12では、パーソナルコンピュータ10の操作に基づき、デジタルカメラ4によって基準画像(微粒子が無い状態の画像)が撮影される(図7(a)の画像D1参照)。

0101

ステップS13では、この基準画像を所定のファイル形式不揮発性メモリハードディスク装置等の記憶装置に格納する。

0102

次いで、ステップS14では、噴霧手段3を操作して被検体を微粒子A1として噴霧する。なお、被検体としては、水やアルコールを用いたが、これに限定されず、種々の液体または液体に溶解させた物質を被検体とすることが可能である。また、大気中の微粒子の粒径を測定する場合には、噴霧手段による噴霧に代えて大気を導入するようにしてもよい。

0103

次いで、ステップS15では、パーソナルコンピュータ10の操作に基づき、被検体の微粒子A1によって回折、散乱された回折・散乱光L2をデジタルカメラ4等によって撮影する。撮影された画像は、例えば図8(a)に示すような画像D2として取得される。ステップS16では、この回折・散乱光の画像を所定のファイル形式で不揮発性メモリやハードディスク装置等の記憶装置に格納する。

0104

ステップS17では、図7(a)に示す画像D1と、図8(a)に示す画像D2との相関を解析して、図9(a)に示すような画像D3を取得する。

0105

ステップS18では、画像D3について、画像の明るさの閾値を算出してステップS19に移行する。

0106

ステップS19では、画像の明るさの閾値に基いて、画像D3についてエッジの抽出を行ってステップS20に移行する。

0107

ステップS20では、抽出したエッジに基いて画像D3から円(回折円)を抽出してステップS21に移行する。

0108

ステップS21では、抽出した円の半径hを検出してステップS22に移行する。

0109

ステップS22では、検出した円の半径hに基いて、回折角(θ)を算出してステップS23に移行する。

0110

ステップS23では、上述した算出方法により、回折角(θ)に基いて粒子半径rを算出し、ステップS24で粒子半径rに基いて粒子径を算出して処理を終了する。

0111

このように、本実施の形態に係る粒径測定システムS1によれば、一般的なデジタルカメラ4を用いて簡易且つ低コストで微粒子の粒径を測定することができる。

0112

そして、本実施形態に係る粒径測定システムS1を用いて、アルコール微粒子の粒径測定を試行したところ、粒径を約7.4μmと測定することができた。

0113

また、水の微粒子については、約13μmと測定することができた。

0114

(他の構成例について)
図14を参照して、他の構成例に係る粒径測定システムS2について簡単に説明する。

0115

なお、粒径測定システムS1と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。

0116

図14に示す粒径測定システムS2では、粒径測定システムS1の噴霧手段3に代えて、大気中の微粒子を導入する微粒子導入部30を備えている。

0117

これにより、屋外等の大気の含まれる微粒子の粒径を容易に測定することができる。

0118

また、粒径測定システムS2では、デジタルカメラ等で構成される撮影手段40は、Wi−Fi等に対応した無線送受信部を備え、パーソナルコンピュータ10との間のデータ等の授受をWi−Fi等の無線で行うようになっている。

0119

これにより、光源2、微粒子導入部30および撮影手段40からなる画像撮影装置と、パーソナルコンピュータ10およびモニタ11等で構成される測定装置とを離間して設置することができ、微粒子の粒径を測定する際の利便性や作業性等を向上させることができる。

0120

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

0121

例えば、通常暗所で行うパーティクルカウンタなどに代えて、明るい所にレーザ光源とカメラを設置し、フロントスキャッタリングで微粒子の粒径を測定することができる。

0122

また、クリーンルーム火災時などを想定した実験空間に、光源とカメラを設置し、ルーム内の微粒子の粒径を測定するようにしてもよい。

0123

また、半導体クリーンルーム等で特定箇所にレーザ光源とカメラを設置し、室内で発生したゴミなどの微粒子を検知、測定または微粒子分布を把握する用途等に利用することもできる。

0124

S1、S2…粒径測定システム
2…光源(レーザ光源)
3…噴霧手段
4…撮影手段
5…画像処理手段
6…粒径算出手段
10…パーソナルコンピュータ
11…モニタ
51…画像相関解析手段
52…閾値算出手段
53…画像エッジ抽出手段
54…回折円抽出手段
55…円半径検出手段
56…回折角算出手段
A1、A2…微粒子
L、L1、L2…コヒーレント光(レーザ光)

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ