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噴霧粒子撮像解析システムおよび解析方法

国内特許コード P110004705
整理番号 DP1344
掲載日 2011年8月16日
出願番号 特願2009-028421
公開番号 特開2010-185691
登録番号 特許第5300516号
出願日 平成21年2月10日(2009.2.10)
公開日 平成22年8月26日(2010.8.26)
登録日 平成25年6月28日(2013.6.28)
発明者
  • 高野 頌
  • 西田 潤一
  • 楠澤 英夫
出願人
  • 学校法人同志社
発明の名称 噴霧粒子撮像解析システムおよび解析方法
発明の概要

【課題】噴霧粒子を撮像し、画像処理を行い、粒子径および粒度速度を同時に測定する噴霧粒子撮像解析システムおよび解析方法を提供すること。
【解決手段】噴霧粒子撮像解析システムは、噴霧粒子の集合(M)に光を照射する光源部(1、2)と、噴霧粒子の前記集合を所定の時間間隔で撮像する撮像部(3、4)と、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(8)とを備え、制御部が、画像から粒子を検出し、粒子の粒子径及び円形度を求め、円形度が所定のしきい値以上である粒子を焦点深度内の粒子の候補として選択し、連続測定した2枚の画像の相互相関から平均速度を求め、連続測定した2枚の画像における全粒子の組み合わせについて粒子速度を求め、粒子速度と平均速度の方向が一致し、粒子径が一致し、且つ、粒子速度が平均速度に対して所定範囲内にある粒子を対応する粒子として決定する。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


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。



また、下記特許文献3~7には、液滴粒子の粒子径や速度を測定する装置が開示されている。

産業上の利用分野


本発明は、噴霧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噴霧粒子撮像解析システムおよび解析方法に関する。なお、本明細書および特許請求の範囲において「噴霧」とは、液体を霧状に放出することに限定されず、より一般的に、複数の粒子の集合を所定の空間領域に射出することを意味する。

特許請求の範囲 【請求項1】
噴霧粒子の粒子径および速度を測定するシステムであって、
前記噴霧粒子の集合に光を照射する光源部と、
前記噴霧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、
制御部とを備え、
前記制御部が、
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粒子を目的候補粒子として選択し、
連続して測定した第1画像および第2画像において対応する2つの目的候補粒子を検出し、第1画像中の目的候補粒子を第1目的粒子として決定し、第2画像中の目的候補粒子を第2目的粒子として決定し、
前記第1画像および前記第2画像の相互相関を計算し、得られた複数の相互相関値の最大値を平均速度として決定し、
複数の前記第1目的粒子および複数の前記第2目的粒子の組み合わせの全てについて、粒子速度を計算し、
前記粒子速度の方向が前記平均速度の方向と第1の所定範囲内で一致し、前記粒子径が第2の所定範囲内で一致し、且つ、前記粒子速度が前記平均速度に対して第3の所定範囲内にある前記第1目的粒子および前記第2目的粒子を、対応する粒子として決定することを特徴とする噴霧粒子撮像解析システム。

【請求項2】
対応する粒子として決定された前記第1目的粒子および前記第2目的粒子が1対1に対応していない場合、前記制御部が、
前記第1目的粒子および前記第2目的粒子をそれぞれ縦横に配列し、前記第1目的粒子および前記第2目的粒子の対応関係の情報を、該当するセルに配置したマトリックスを想定した場合に、
対応する粒子として決定された前記第1目的粒子および前記第2目的粒子に対応するセルを含む行に、該セル以外に、2つの粒子が対応することを表す情報が設定されたセルが存在し、且つ、該セルを含む列に、該セル以外に、2つの粒子が対応することを表すデータが存在する場合、該セルに対応する前記第1目的粒子および前記第2目的粒子を、対応していないと決定することを特徴とする請求項1に記載の噴霧粒子撮像解析システム。

【請求項3】
前記制御部が、
前記画像から粒子を検出する前に、撮像された前記画像に対して微分化処理および2値化処理を行って、2値画像を生成し、
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し、
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ことを特徴とする請求項1又は2に記載の噴霧粒子撮像解析システム。

【請求項4】
前記第1の所定範囲が、±60°であり、
前記第2の所定範囲が、±10%であり、
前記第の所定範囲が、50~200%であることを特徴とする請求項1~3の何れか1項に記載の噴霧粒子撮像解析システム。

【請求項5】
第1光路変更部及び第2光路変更部をさらに備え、
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1~4の何れか1項に記載の噴霧粒子撮像解析システム。

【請求項6】
偏光シャッタ及び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1~4の何れか1項に記載の噴霧粒子撮像解析システム。

【請求項7】
所定の時間間隔で噴霧粒子の集合を撮像した複数の画像を用いて噴霧粒子の粒子径および速度を求める方法であって、
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1ステップと、
前記円形度が所定のしきい値以上である粒子を目的候補粒子として選択する第2ステップと、
連続して測定した第1画像および第2画像において対応する2つの目的候補粒子を検出し、第1画像中の目的候補粒子を第1目的粒子として決定し、且つ、第2画像中の目的候補粒子を第2目的粒子として決定する第3ステップと、
前記第1画像および前記第2画像の相互相関を計算し、得られた複数の相互相関値の最大値を平均速度として決定する第4ステップと、
複数の前記第1目的粒子および複数の前記第2目的粒子の組み合わせの全てについて、粒子速度を計算する第5ステップと、
前記粒子速度の方向が前記平均速度の方向と第1の所定範囲内で一致し、前記粒子径が第2の所定範囲内で一致し、且つ、前記粒子速度が前記平均速度に対して第3の所定範囲内にある前記第1目的粒子および前記第2目的粒子を、対応する粒子として決定する第6ステップとを含むことを特徴とする噴霧粒子解析方法。

【請求項8】
対応する粒子として決定された前記第1目的粒子および前記第2目的粒子が1対1に対応していない場合、
前記第1目的粒子および前記第2目的粒子をそれぞれ縦横に配列し、前記第1目的粒子および前記第2目的粒子の対応関係の情報を、該当するセルに配置したマトリックスを想定した場合に、
対応する粒子として決定された前記第1目的粒子および前記第2目的粒子に対応するセルを含む行に、該セル以外に、2つの粒子が対応することを表す情報が設定されたセルが存在し、且つ、該セルを含む列に、該セル以外に、2つの粒子が対応することを表すデータが存在するとき、該セルに対応する前記第1目的粒子および前記第2目的粒子を、対応していないと決定する第7ステップをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の噴霧粒子解析方法。

【請求項9】
前記第1ステップが、
画像から粒子を検出する前に、撮像された前記画像に対して微分化処理および2値化処理を行って、2値画像を生成する第8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9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10ステップとを含み、
前記2値画像を用いて、前記粒子径および前記円形度が求められることを特徴とする請求項7又は8に記載の噴霧粒子解析方法。

【請求項10】
前記第1の所定範囲が、±60°であり、
前記第2の所定範囲が、±10%であり、
前記第の所定範囲が、50~200%であることを特徴とする請求項7~9の何れか1項に記載の噴霧粒子解析方法。
産業区分
  • 試験、検査
  • 測定
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2009028421thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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