噴霧粒子撮像解析システムおよび解析方法
【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。
【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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１７４６８７号公報
【特許文献２】特開平１０−３１８９０９号公報
【特許文献３】特開２００４−３６１２９１号公報
【特許文献４】特開２００５−２２１３１１号公報
【特許文献５】特開２００５−１６４５６０号公報
【特許文献６】特開２００７−１１４０５５号公報
【特許文献７】特開２００４−６９４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１、２には次のような問題がある。粒子散乱がミー散乱のような、粒子径に依存してその角度分布が大きく変化する場合には、低角度の集光レンズではその散乱角度強度分布特性を十分に測定することができない（散乱光角度強度分布による粒子径測定精度が低い）。特に測定部にレーザ干渉性により強度分布を形成する場合には低角度による照射でなければ、光学系収差による歪みが発生し、さらにレーザの空間的コヒーレンスが十分に高くなければ十分な強度分布が形成できないという、相反する原理的な限界が存在する。
【０００７】
また、粒子濃度が非常に薄く、検出対象領域に１個程度の粒子しか存在しない場合にしか、精度良く測定することができない。通常の噴霧液滴では、そのような状況は期待できず、多重散乱による測定信号の乱れが生じるので、精度良く測定することが非常に難しいという問題がある。
【０００８】
上記特許文献３〜７では単に撮像素子を使用しているだけであり、画像処理において粒子が撮像焦点深度内に存在しているかどうかが考慮されていない。即ち、光学原理的に考えて、撮像光学系焦点深度を深くするためには、撮像開口数を非常に小さくしなければならず、その場合には光学分解能が低下してしまい微小な粒子を鮮明に撮像解析することは不可能になる。また、鮮明に撮像された粒子と不鮮明に撮像された粒子とを区別せずに粒子径を算出しているために、正確な粒度分布を算出することは不可能である。
【０００９】
さらに、上記特許文献３〜７には次の問題もある。
【００１０】
問題Ａ：数百μｍ〜１μｍの粒子を正確に画像計測するためには、それら粒子の直径に対して１／１０〜１／２程度の光学分解能が必要である。ところが、仮に１μｍの粒子撮像を鮮明に行なうためには、撮像波長０．５５μｍでＮＡ（開口数）０．５が必要であり、その場合の焦点深度は１μｍ程度にしかならない。言い換えれば、大半の粒子は鮮明に撮像できないことになる。従って、これらの粒子を全て画像解析したとしても精度ある測定は困難である。また、数百μｍの粒子を測定する場合には、開口数を０．０１程度にすれば、焦点深度が十分に深い測定が可能ではあるが、同じ条件で数μｍの粒子を十分な光学分解能で測定することは不可能である。従って、広い測定範囲からある一定の基準を満たす粒子像のみを抽出して解析しなければならないという問題がある。
【００１１】
問題Ｂ：粒子群像は焦点深度内に存在する粒子及び焦点深度外に存在する粒子が撮像され、鮮明に撮像されている粒子ですら、背景輝度強度が（撮像毎に）変化する場合が多い。このために、通常の画像処理プロセスにおける背景画像処理（減算による背景画像輝度分布補償、シェーディング補正処理等）は効果がないという問題がある。
【００１２】
問題Ｃ：個別粒子の速度を画像解析により算出する場合には、単一波長、単一パルス光では困難である。どうしても移動量を測定する必要があるので、時間差をおいて撮像された各波長での粒子画像における移動距離を両画像の焦点深度内に存在する粒子を判別し、算出しなければならない問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、上記した問題を原理的に克服することを目的とし、定常的な噴霧粒子を撮像し、撮像画像に対して画像処理を行うことによって、粒子径および粒度速度を同時に測定することができ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にある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
即ち、本発明に係る噴霧粒子撮像解析システムは、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している。
【００１５】
上記の噴霧粒子撮像解析システムは、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ができる。
【００１６】
また、上記の噴霧粒子撮像解析システムは、
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ができる。
【００１７】
また、上記の噴霧粒子撮像解析システムは、
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１の所定範囲が、５０〜２００％であることができる。
【００１８】
また、上記の噴霧粒子撮像解析システムは、
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ができる。
【００１９】
また、上記の噴霧粒子撮像解析システムは、
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ができる。
【００２０】
また、噴霧粒子撮像解析方法は、
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している。
【００２１】
また、上記の噴霧粒子撮像解析方法は、
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ができる。
【００２２】
また、上記の噴霧粒子撮像解析方法は、
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している。
【００２３】
また、上記の噴霧粒子撮像解析方法は、
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１の所定範囲が、５０〜２００％であることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、撮像された対応する２枚の画像中の噴霧粒子（特に噴霧液滴粒子）を自動的に１対１に対応させることができ、噴霧粒子の粒子径及び粒子速度を同時に、精度よく測定することができる。特に、粒子径が約０．５〜２μｍと可視光の波長に近い大きさの粒子に関しても適用可能である。
【００２５】
また、複数の撮像装置と波長の異なる複数の光源とを使用した構成とすることによって、高速撮像が可能な高価な撮像装置を使用することなく、比較的安価なシステムとすることができる。
【００２６】
また、本発明は、従来のレーザドップラー法を用いる方法とは原理的に異なる方法を採用しているので、上記したレーザドップラー法の問題を生じることがない。即ち、粒子散乱がミー散乱のような、粒子径に依存してその角度分布が大きく変化する場合や、多重散乱が生じる場合にも、本発明を適用することができる。
【００２７】
また、本発明では、上記した問題Ａ〜Ｃが生じることがない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る噴霧粒子撮像解析システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１の噴霧粒子撮像解析システムで撮像された画像の一例を示す図である。
【図３】撮像領域（焦点深度）を説明するための概念図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る噴霧粒子撮像解析システムによって撮像された画像を解析する方法を示すフローチャートである。
【図５】撮像部を調整するためにピンホールを撮像した画像である。
【図６】図１の噴霧粒子撮像解析システムで連続して撮像された画像である。
【図７】焦点深度内に位置している粒子と、焦点深度外に位置している粒子が撮像された場合の差違を模式的に示す図である。
【図８】参照テーブルの一例を示す図である。
【図９】図６の画像から得られた粒子画像解析用元画像である。
【図１０】２つの撮影画像から対応する粒子同士を見つけ出すためのアルゴリズムを説明した模式図である。
【図１１】図１０の判定のみでは不十分な場合を説明する模式図である。
【図１２】同じ粒子に重複して対応している複数の粒子の中から１個を選択する処理を説明する図である。
【図１３】図７に示した２枚の画像に含まれる粒子ペアを重畳した画像を示す図である。
【図１４】円形度の有効性を示す実験結果のグラフである。
【図１５】本発明の実施の形態に係る噴霧粒子撮像解析システムを用いて撮影した球形ラテックス粒子画像である。
【図１６】テーブル判定により図１１の誤判定を避け、適切な対応粒子ペアを判別できることを示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態に係る噴霧粒子撮像解析システムを用いて測定及び解析した結果を示すグラフである。
【図１８】本発明の実施の形態に係る噴霧粒子撮像解析システムを用いて測定及び解析した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下においては、主として噴霧液滴粒子について説明するが、液体以外の粒子についても本発明を適用可能である。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態に係る噴霧粒子撮像解析システムの概略構成を示す図である。本噴霧粒子撮像解析システム（以下「撮像解析システム」とも略記する）は、第１光源部１と、第２光源部２と、第１撮像部３と、第２撮像部４と、第１及び第２光源部１、２から入射する光を一方向に出力する第１光路変更部５と、入射する光をその特性（発光波長域）に応じて分離して第１又は第２撮像部３、４に出力する第２光路変更部６と、ＸＹＺステージ７と、各部を制御する制御部８とを備えている。図１には、本撮像解析システムの測定および解析対象である噴霧液滴粒子を生成する噴霧装置Ｔも示している。
【００３１】
第１及び第２光源部１、２は、制御部８によって制御され、それぞれ異なる波長の光（例えば青色および緑色の光）を、所定の時間（パルス的）に出力する装置である。第１及び第２撮像部３、４は、ＣＣＤカメラなどの拡大光学系を有する撮像装置であり、撮像タイミングは制御部８によって制御される。第１及び第２撮像部３、４によって撮像された画像は、制御部８に伝送される。第１光路変更部５には、例えば公知のダイクロイックミラーを使用することができ、第２光路変更部６には、例えば公知のビームスプリッターを使用することができる。噴霧装置Ｔは、本撮像解析システムの解析対象である液滴粒子（以下、単に粒子とも記す）を生成する装置である。ＸＹＺステージ７は、搭載された噴霧装置Ｔの３次元位置を変更する装置であり、例えば所定の平面内及び垂直面内で移動させることができ、これにより、後述するように噴霧状態の粒子径及び粒子速度の立体的分布を測定し、表示することができる。また、制御部８には例えばコンピュータを使用することができ、制御部８は各部を制御するだけでなく、撮像された画像を解析して粒子径および粒子速度を求める。
【００３２】
なお、第１及び第２光源部１、２から出力される光がレーザ光のように細い光であれば、所定の光学系を備えて、所定の集光角度により測定に必要な部位を照射するように霧状領域Ｍに照射することが望ましい。また、図１において、霧状領域Ｍと第１および第２撮像部３、４との間に、撮像領域を拡大する光学系（対物レンズなど）を備えることができる。
【００３３】
本撮像解析システムの動作は、液滴粒子を撮像する段階と、撮像された画像を解析する段階の２段階に大別できる。以下では、まず撮像解析システムを構成する各部の機能を説明するために、撮像を中心に説明する。その後、画像解析について説明する。
【００３４】
噴霧装置Ｔから液滴粒子を霧状に放出した状態で、液滴粒子の集合である霧状領域Ｍの２枚の画像を撮像する。制御部８が第１光源部１を制御して、波長λ1の光をパルス幅Δｔ0で放出させる。第１光源部１から放出された光は、光路を変更することなく第１光路変更部５を直進し、霧状領域Ｍに照射される。霧状領域Ｍを通過した光は、第２光路変更部６に入射され、光路を変更されることなく直進し、第１撮像部３に入射する。霧状領域Ｍに光が照射されている間に、制御部８が第１撮像部３を制御して、霧状領域Ｍを撮像する。撮像された画像は、ディジタルデータまたはアナログデータとして制御部８に伝送され、ディジタルデータとして制御部８内部の記録手段（図示せず）に記録される。
【００３５】
次に、所定の時間Δｔ1（Δｔ1＞Δｔ0）の後、制御部８が第２光源部２を制御して、波長λ2（λ1≠λ2）の光をパルス幅Δｔ0で放出させる。第２光源部２から放出された光は、第１光路変更部５によって光路を変更され、第１光源部１からの光が第１光路変更部１から出力される方向と同じ方向に出力され、霧状領域Ｍに照射される。霧状領域Ｍを通過した光は、第２光路変更部６によって光路を変更され、第２撮像部４に入射する。霧状領域Ｍに光が照射されている間に、制御部８が第２撮像部４を制御して、霧状領域Ｍを撮像する。撮像された画像は、制御部８に伝送されて記録される。
【００３６】
以上によって、Δｔ1の時間差で霧状領域Ｍの２枚の画像（画像データ）を得ることができる。撮像された画像の一例を図２に示す。このとき、事前に第１及び第２撮像部３、４の光学系を調整し、両者の焦点深度（被写界深度）および撮像領域がほぼ一致するようにしておき、同じ領域を通過する粒子のみが鮮明に撮像されるようにする（図３参照）。必要に応じて、上記の処理を繰り返せば、３枚以上の画像データを得ることもできる。また、霧状領域Ｍが定常状態にあれば、ＸＹＺステージ７によって噴霧装置Ｔの３次元位置を変更し、同様に撮像することによって、霧状領域Ｍのより広い領域において測定データを得ることが可能である。
【００３７】
制御部８は、撮像された画像に対して画像処理を行い、粒子径および粒子速度（粒径分布および粒子速度分布）を計算する。噴霧された液滴粒子はそれ自身の表面張力により球形に近い形になる。したがって、焦点深度内を通過した粒子は輪郭が鮮明（高コントラスト）に撮像される。一方、焦点深度を外れた粒子はぼけて輪郭が不鮮明になる。詳細は後述するが、本発明ではこの現象を利用して、円形度α（α＝輪郭線の長さ／同面積の円周の長さ であり、輪郭が鮮明な円形粒子はαが１．０に非常に近くなる。）を求め、この円形度αによって焦点深度内にある粒子と焦点深度外にある粒子とを識別する。このとき、画像の微分化処理によって、円形度αの精度の向上を図っている。そして、各画像において焦点深度内にある粒子を自動的に特定し、その粒子径および粒子速度を算出する。
【００３８】
図４は、本発明の実施の形態に係る液滴粒子撮像解析システムによって撮像された画像から、粒子径および粒子速度を求める方法を示すフローチャートである。
【００３９】
以下の説明において、制御部８は、操作者による指示を受け付けるキーボード、マウスなどの操作手段を備えているとする。また、制御部８が、操作者による操作を受けて行う処理は、内部の演算素子（以下、ＣＰＵと記す）が、内部の記録手段（ハードディスクドライブなど）から所定のデータを、内部の一時記憶手段（以下、メモリと記す）に読み出し、メモリをワーク領域として使用して行う処理であり、ＣＰＵは適宜処理結果を記録手段に記録することとする。ここでは、対角長（３０倍拡大時）が約２００μｍの長方形領域を撮像し、６４０画素×４８０画素の画像が得られるとする。従って、１画素は約０．２５μｍに対応する。
【００４０】
ステップＳ１において、第１及び第２撮像部１、２を調整し、後述の解析処理において必要な情報である基準位置データを取得する。具体的には、先ず、噴霧装置Ｔによって霧状領域Ｍが形成される予定の領域に微小対象物（例えば、板に開けた１０μｍのピンホール）が配置された状態で、操作者が、微小対象物が鮮明に撮像されるように第１及び第２撮像部３、４の焦点位置を調節する。次に、制御部８は、第１及び第２撮像部３、４を制御して微小対象物を撮像し、撮像画像を記録する。撮像された２枚の画像の一例を図５に示す。２枚の画像中のほぼ中央に位置する高輝度領域が微小対象物である。制御部８は、２枚の画像の光輝度領域の中心座標（例えば画像の左上を原点とし、右方向をＸ軸、下方向をＹ軸とする）を算出して記録する。また、制御部８は、第１及び第２撮像部３、４で最大の有効面積を確保できるように画像処理における有効処理領域（図５において矩形の枠内）を決定し、その情報を記録する。例えば、左上の座標値および右下の座標値を有効処理領域の情報とすることができる。また、光輝度領域の中心座標と、領域の縦横の長さとを、有効処理領域を表す情報としてもよい。
【００４１】
ステップＳ２において、操作者が制御部８に対して、初期条件を入力する。初期条件は、後述の処理において粒子を抽出するときの基準値として、円形度範囲（下限値αmin（上限値は１．０））、粒子径範囲（下限値βmin及び上限値βmax）を含む。また、初期条件には、撮像タイミングを決めるパルス幅Δｔ0、パルス間隔Δｔ1等を含むこともできる。なお、一定のパルス間隔Δｔ1を使用せずに、パルス間隔Δｔ1を変更させながら測定する場合には、パルス間隔Δｔ1の時間変化率の情報を設定することが必要である。制御部８は、入力された数値を記録する。ここで、βmin、βmaxは対象とする粒子に応じて設定すればよい。円形度範囲の下限値αminは、例えばαmin＝０．９である。
【００４２】
ステップＳ３において、噴霧装置Ｔを作動させて粒子が放出された状態で、制御部８は上記したように、第１及び第２撮像部３、４を用いて霧状領域Ｍを撮像し、複数枚の画像（グレースケールの輝度画像）を記録する。このとき、第１及び第２光源部１、２から出力する光のパルス幅、出力する時間間隔には、ステップＳ２で指定されたΔｔ0、Δｔ1が使用される。画像を記録する際には、第１及び第２撮像部のどちらで撮像されたかを識別する情報、および撮像された順序を識別する情報を、画像データと対応させて記録する。記録された２枚の画像の一例を図６に示す。図６の左側が先に撮像された画像、右側がその次に撮像された画像である。
【００４３】
このとき、撮像された各画像から、ステップＳ２で決定された有効処理領域に対応する領域を切り出し、ステップＳ４以降における処理の対象画像として記録する。なお、有効処理領域は第１及び第２撮像部３、４毎に決定されるので、この切り出し処理においては、画像が第１及び第２撮像部３、４の何れによって撮像されたかを考慮することが必要である。
【００４４】
ステップＳ４において、制御部８は、ステップＳ３で撮像された複数の画像の中から１枚の画像を選択して記録手段から読み出し、微分化処理および２値化処理を行い、その結果の画像を記録手段に記録する。この処理は、ステップＳ３において撮像された全ての画像について実行され、得られた２値画像は、元画像との対応が分かる情報と合わせて記録される。
【００４５】
画像の微分化処理には、ソーベルフィルタなどのエッジ検出に用いられる公知の画像処理を用いることができる。２値化処理は、微分化処理によって得られた画像に対するしきい値処理であり、例えば、特定のしきい値以上の画素値を“１”とし、しきい値未満の画素値を“０”とした２値画像を生成する処理である。しきい値は適宜設定することができる。例えば、画像毎に微分化処理を行って得られた最大微分値（画像毎に異なる）の５０％の値を、その画像に対するしきい値として使用して２値化処理を行えば、後述する粒子抽出を最も効率よく行うことが可能である。
【００４６】
ステップＳ５において、制御部８は、ステップＳ４で得られた２値画像から粒子を抽出し、円形の粒子と仮定して、その中心座標（ｘ0，ｙ0）、粒子径ｄおよび円形度αを求める。求めた値は、抽出した粒子を特定する情報と対応させて、「参照テーブル」として記録する。粒子を特定する情報は、例えば、画像毎に粒子に付与した通し番号ｊである。
【００４７】
ここで処理対象である２値画像においては、粒子に対応する候補領域として、同じ値（例えば“１”）の画素が連続した領域が明らかになっている。従って、各連続領域の重心を求めて、中心座標とする。次に、各連続領域の面積Ｓ（例えば値が“１”である画素の数）を求め、円形の粒子と仮定した場合の粒子径ｄを、ｄ＝２×［Ｓ／（２π）］1/2によって求める。
【００４８】
円形度αの算出方法を具体的に説明すると、次の通りである。まず、各連続領域の輪郭線（境界線）を表すチェーンコードを求め、輪郭線の長さＬを求める。画像処理によってチェーンコード及び輪郭線の長さＬを求める方法は公知であるので、説明を省略する。そして、上記したように、各連続領域の円形度αを、α＝Ｌ／（πｄ）によって求める。円形度αは、後述の処理において、撮像時に焦点深度内に位置していた粒子を選択するのに使用される。図７は、焦点深度内に位置している粒子と、焦点深度外に位置している粒子が撮像された場合の差違を模式的に示す図である。図７の上段、中断、下段には、それぞれ撮像画像（グレースケールの輝度画像）、縦軸を輝度値としてＡ−Ａ線に沿った断面図、撮像画像に境界線を重ねた画像を示している。図７の下段の図から分かるように、焦点深度内に位置している粒子は、輪郭線がほぼ円形であるので、円形度αはほぼ１になる。しかし、焦点深度外に位置している粒子では、輪郭線が量子化誤差や輝度変化が緩やかであるために凹凸のある複雑な形状をしており（図７では模式的にギザギザの線で示す）、その輪郭線の長さは、焦点深度内に位置している粒子の輪郭線の長さよりも長くなり、円形度は、焦点深度内に位置している粒子の円形度よりも小さくなる。従って、球形の粒子が対象であれば、円形度αによって、その粒子が焦点深度内に位置していたか否かを精度良く判断することができる。
【００４９】
参照テーブルの一例として、テキストファイルに記録されたデータを図８に示す。図８において、上から、画像番号、画像内での粒子番号、しきい値、面積、輪郭線の長さ、中心のＸ座標、中心のＹ座標、粒子径、円形度を表している。
【００５０】
ステップＳ６において、制御部８は、ステップＳ５で求めた円形度αおよび粒子径ｄが、ステップＳ２で入力された円形度範囲（下限値αmin）および粒子径範囲（下限値βmin及び上限値βmax）に適合する粒子を抽出する。即ち、α≧αmin且つβmax≧ｄ≧βminである粒子を選択し、２値画像上で、選択された粒子を表す領域以外の領域の画素値を“０”にする。制御部８は、生成された２値画像を、元の２値画像との対応が分かる情報を付加して、粒子画像解析用元画像データとして記録する。得られた粒子画像解析用元画像の一例を図９に示す。また、抽出された粒子の番号ｊに付加情報を追加して記録する。例えば、参照テーブルに、粒子番号ｊに対応させた１ビットのフラグｆを設け、上記の条件に該当する場合、フラグｆを初期値（例えば“０”）と異なる値（例えば“１”）にセットする。
【００５１】
ステップＳ７において、対応する２枚の画像に含まれる粒子の平均速度（ベクトル）を算出するために、制御部８は、ステップＳ４で得られた、それら２枚の２値画像の相互相関を求める。即ち、２枚の画像を相対的に、所定方向に所定画素数だけシフトさせ、２枚の画像の各画素の積を求め、さらに得られた積の総和を求める。相互相関を求める方法は公知であるので、詳細説明は省略する。シフトさせる方向および画素数（例えばＸ軸方向の画素数およびＹ軸方向の画素数であり、以下「シフトベクトル」とも記す）を変化させ、得られた複数の総和の中の最大値を求める。この最大値が得られたときのシフトベクトルから粒子の平均速度を求める。即ち、２枚の画像が撮像された時間間隔Δｔ1でシフトベクトルを除して、粒子の平均速度とする。得られた粒子の平均速度は、元の２枚の画像との対応が分かる情報を付して、記録手段に記録される。なお、計算時間を短縮するために、処理対象の画像を縮小して用いてもよい。例えば、１／２に縮小すれば、画素数（画像面積）が１／４になるので、高速に平均速度を計算することができる。
【００５２】
ステップＳ８において、制御部８は、ステップＳ５で求めた参照テーブルを参照して、ステップＳ６で選択された全粒子の組み合わせについて速度（ベクトル）を算出して、記録する。例えば、参照テーブルにおいて、フラグｆが“１”である粒子を参照すれば、対応する２枚の画像（例えば画像番号ｉ、ｉ＋１の画像）の各々において、ステップＳ８で処理対象とする粒子（粒子番号）が分かる。従って、これら２枚の画像の間で、全ての粒子（フラグｆ＝１）の組み合わせについて、粒子の中心座標の差（ベクトル）を、２枚の画像を撮像した時間間隔Δｔ1で除して、粒子の速度とする。例えば、２枚の画像（画像番号ｉ、ｉ＋１）の各々にｎi、ｎi+1個の粒子が含まれていた場合、ｎi×ｎi+1個の組み合わせがあるので、ｎi×ｎi+1個の速度を求める。得られた速度は、粒子の情報と対応させて記録手段に記録される。
【００５３】
ステップＳ９において、制御部８は、対応する２枚の画像に含まれ、ステップＳ８で処理された粒子（フラグｆ＝１）が、次の条件１〜３を満たすか否かを判断し、その結果を記録する。
条件１：ステップＳ８で求めた粒子の移動方向（速度ベクトルの方向）が、平均速度と所定範囲内で一致している。
条件２：粒子径が所定範囲内で一致している。
条件３：粒子速度が平均速度の所定範囲内である。
条件１の所定範囲は、例えば±６０°とすることができる。この所定範囲は、粒子密度に応じて設定することができる。即ち、所定範囲を比較的小さく設定すれば（例えば、±１５°や±３０°）、粒子密度が比較的大きい場合には良好な結果が得られるが、粒子密度が比較的小さい場合には、多くの粒子が除外されるので、後述の処理において対応する粒子が存在しない可能性が高くなる。また、所定範囲を比較的大きく設定すれば（例えば、±９０°）、粒子密度が比較的小さい場合には良好な結果が得られるが、粒子密度が比較的大きい場合には、多くの粒子が除外されずに処理対象として残るので、処理時間が長くなる。総合的に評価した結果、所定範囲が±４５°であれば、粒子密度に依存せず良好な結果が得られることが分かった。また、条件２の所定範囲は、例えば粒子径の差が±１０％以内とすることができる。また、条件３の所定範囲は、例えば５０〜２００％とすることができる。
【００５４】
これら３つの判定条件は、図１０のように、第１撮影部より得られた画像（上段左側の時刻ｔにおける画像Image1）中に粒子を中心とした扇形の検査領域を設け、その検査領域の中に第２撮影部より得られた画像（上段右側の時刻ｔ＋ｄｔにおける画像Image2）の粒子が存在するかどうかを判定することに対応する。このことを模式的に示すために、図１０の下段に、上段の２枚の画像を重ねて得られる合成画像を示す。このとき、ある１つの粒子を考えると、上記の条件１〜３を満たす粒子の組み合わせが複数存在する場合がある。即ち、上記の条件１〜３のみでは、２枚の画像間で粒子を１対１に対応させること、即ち同じ粒子を特定することは、必ずしも可能ではない。これは図１１のように、２つ以上の検査領域が重なり、かつ重なった検査領域の部分に粒子が存在する場合である。図１１では、第１撮影部より得られた画像中の２個の粒子を１１、１２で表し、第２撮影部より得られた画像中の２個の粒子を２１、２２で表している。具体的な例として、左側の図に示した場合（ＴｙｐｅＡ）と、右側の２つの図で示した場合（ＴｙｐｅＢ）の２つのタイプに分類できる。
【００５５】
その場合、ステップＳ１０において、制御部８は、同じ粒子に重複して対応している複数の粒子の中から１個を、次の処理によって選択する。
まず、２枚の画像中の、重複して対応している粒子のみを対象として、それぞれ縦横に配列し（例えば１枚目の画素中の粒子をｉ（ｉ＝１〜ｍ）で表し、２枚目の画像中の粒子をｊ（ｊ＝１〜ｎ）で表す）、２枚の画像間の２つの粒子が上記の３つの判定条件を満たすか否かを示す情報（例えば満たす場合“１”、満たさない場合“０”）を各セル（（ｉ，ｊ）で表す）に配置したマトリックスを想定する。次に、“１”が設定された１つのセル（ｉ０，ｊ０）に注目し、そのセル（ｉ０，ｊ０）を含む行のセル（セル（ｉ０，ｊ０）以外）に“１”が設定され、且つ、そのセル（ｉ０，ｊ０）を含む列のセル（セル（ｉ０，ｊ０）以外）に“１”が設定されている場合、そのセル（ｉ０，ｊ０）の値を“０”に変更する。元のマトリックスを処理対象として、この処理を繰り返し、全ての行、列に１つ以上の“１”が設定されていない状態にする。
その結果、同じ行又は列に、２つの“１”が設定された状況が起こり得るので、その場合には、それらのセルの値を全て“０”に変更する。
【００５６】
図１２に示した一例のテーブルを参照して、具体的に説明すれば、次の通りである。ただし、以下の判定で区別できる同一粒子のペアは、図１１のＴｙｐｅＡの状況である。
【００５７】
図１２の（ａ）は、対応する２枚の画像（Image1及びImage2）中にそれぞれ４個、３個の粒子が含まれており、上記の条件１〜３を満たす粒子の組み合わせに対応するセルに“１”が設定され、それ以外の粒子の組み合わせに対応するセルには“０”が設定された状態を表している。この状態では、画像Image1内の粒子と画像Image2内の粒子とが１対１に対応していない。２行目から、画像Image1内の粒子番号２の粒子が、画像Image2内の粒子番号２、３の２つの粒子に対応しており、４行目から、画像Image1内の粒子番号４の粒子が、画像Image2内の粒子番号１、２の２つの粒子に対応していることが分かる。
【００５８】
そこで、制御部８は、２枚の画像間で１対１に対応していない粒子を、上記の処理によって特定する（画像Image1内の粒子番号２の粒子と画像Image2内の粒子番号２の粒子、画像Image1内の粒子番号４の粒子と画像Image2内の粒子番号１の粒子、画像Image1内の粒子番号４の粒子と画像Image2内の粒子番号２の粒子）。これらの組み合わせは、図１１のＴｙｐｅＡの粒子２１（図１２のImage2の粒子番号２の粒子に対応）のような状況に対応する。次に、これら重複した粒子ペアに対応するセルの値を“０”にする。この操作が有効である理由は、図１１のＴｙｐｅＡにおいて粒子１１と粒子２１のペアが一義的に決まるので、それを除くペア（粒子１２と粒子２１）は有り得ないものであるからである。
【００５９】
また、図１１のＴｙｐｅＢの状況は図１２の（ｂ）の状況に対応する（画像Image1内の粒子番号２の粒子と画像Image2内の粒子番号３の粒子、画像Image1内の粒子番号３の粒子と画像Image2内の粒子番号３の粒子）。これらは上記の判定では実質的に判別不可能であるので、これらのセルを“０”と設定する。
【００６０】
上記（図１２の（ａ））の処理結果を図１２の（ｃ）に示す。（ｃ）から、ステップＳ１０の処理によって、画像Image1内の粒子番号１の粒子と画像Image2内の粒子番号１の粒子とが１対１に対応し、画像Image1内の粒子番号２の粒子と画像Image2内の粒子番号３の粒子とが１対１に対応するという結果が得られたことが分かる。決定された粒子の組み合わせの情報は、記録手段に記録される。
【００６１】
以上によって、本撮像解析システムによれば、対応する２枚の画像間で粒子を１対１に対応させることができ、それらの粒子（液滴粒子）の粒子径及び粒子速度を同時に求めることができる。即ち、撮像された各画像において、焦点深度内に位置していた粒子を特定し、その粒子径および粒子速度を求めることができる。記録手段に記録される粒子の情報は、例えば｛ｉ，ｊ，ｘ0，ｙ0，ｄ，α，ｖ｝のテーブルである。ここで、ｉは、所定の時間間隔で撮像した連続する画像の順序を特定する番号であり、ｊは各画像内で粒子（連続領域）に一意に付与された粒子番号、（ｘ0，ｙ0）は粒子の中心座標、ｄは粒子径、αは円形度、ｖは粒子速度である。
【００６２】
粒子ペアーを重畳した画像の一例を図１３に示す。図１３には、図８に示した２枚の画像に撮像された４つの粒子（粒子１〜４）を重ねて表示しており、撮像時間間隔Δｔ1の間に４つの粒子がそれぞれ移動したことをベクトルで示している。
【００６３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されない。
【００６４】
例えば、上記では異なる波長の光を使用する場合を説明したが、これに限定されず、特性が異なる光を使用することができる。例えば、偏光方向が異なる光を使用してもよい。図１において、第１及び第２光源部１、２を、偏光していない光を発する１つの光源部に置き換え、第１光路変更部５を、直交する２方向に偏光した光を選択的に通過させる電気的に制御可能なシャッタに置き換えてもよい。その場合、第２光路変更部６は、偏光方向に応じて入射光を透過または反射する素子（例えば、偏光ビームスプリッタ）であればよい。また、図１に示した構成では２つの撮像部を使用しているが、高速撮像可能な撮像装置を採用すれば、１つの撮像部で構成することができる。その他、種々の構成が可能であり、所定の短い時間間隔で２枚以上の画像を撮像することができる構成であればよい。なお、光源部から照射する光の波長を変更（例えば短波長化）することにより、粒子径が０．５μｍ以上１００μｍ以下の液滴粒子を測定範囲とすることが可能である。
【００６５】
また、図４に示した処理の順序はこれに限定されず、種々変更して実行することができる。例えば、環境や使用する撮像部が変更無ければ、ステップＳ１の処理は一度だけ行えばよい。また、上記したように１つの撮像部を使用したシステム構成の場合、ステップＳ１で有効処理領域を求める処理は不要である。
【００６６】
また、ステップＳ５において、円形度αを求めるときに輪郭線の長さを求める方法は、チェーンコードを使用する方法に限定されず、種々の公知の画像処理を使用することができる。
【００６７】
また、ステップＳ４における２値化のしきい値は、一定の値を使用してもよく、画像や抽出対象の粒子径に応じて、適宜変更してもよい。
【００６８】
また、ステップＳ６において、対応する粒子を検出する場合の円形度の下限値として、一定の値を使用する代わりに、粒子径毎に異なるしきい値を用いてもよい。また、ステップＳ６における粒子の選択に、粒子径範囲（下限値βmin及び上限値βmax）を用いる場合を説明したが、粒子径範囲を考慮せず、円形度範囲（下限値αmin）のみを用いて粒子を選択してもよい。
【００６９】
また、ステップＳ４〜Ｓ１０の処理は、対応する２枚の画像ペア毎に、ステップＳ４〜Ｓ１０の一連の処理を行ってもよく、対応する２枚の画像ペアの全てについて、ステップＳ４〜Ｓ１０の各処理を行ってもよい。
【００７０】
また、ステップＳ１０の処理において、重複して対応している粒子のみを処理対象とする場合を説明したが、１対１に対応している粒子も（一部又は全て）含めて処理対象としてもよい。
【００７１】
また、ステップＳ１０において、“１”が設定されたセルの値を“０”に変更する処理は、種々の方法で実現することが可能である。例えば、“１”が設定されたセル（ｉ０，ｊ０）を含む行において“１”が設定されたセルの数をカウントし、且つ、セル（ｉ０，ｊ０）を含む列において“１”が設定されたセルの数をカウントし、２つのカウント値が共に２以上であるか否かを判断することで行うことができる。なお、セル（ｉ０，ｊ０）を除外してカウントするように変更することも可能であり、その場合、２つのカウント値が共に１以上であるか否かを判断すればよい。
【００７２】
また、噴霧粒子撮像解析システムによって全ての処理が行われなくてもよい。例えば、撮像された画像データを所定の形式で記録した後、伝送路または記録媒体を介して、別のコンピュータに移し、ステップＳ４〜Ｓ１０の処理を行ってもよい。
【００７３】
また、測定対象は、噴霧される液滴粒子に限らず、射出される液滴粒子であってもよい。さらには、球形の粒子であればよく、液滴粒子には限定されない。
【実施例１】
【００７４】
以下に実施例を示し、本発明の特徴をより明確に示す。まず、円形度αの有効性を示す。
【００７５】
図１４は、粒子径が既知（４μｍ及び１６μｍ）の球形のラテックス粒子をスライドガラス上に配置し、撮像距離を変化させて、撮像を行い、ステップＳ７に示した方法で円形度および粒子径を求めた結果を示す。右の縦軸は円形度α（■で表されたデータ）、左の縦軸は粒子径ｄ（μｍ）（◆で表されたデータ）である。横軸は、撮像部の焦点を調節するマイクロメータの値であり、粒子位置の変化に対応する。上側のグラフは、粒子径が４μｍの粒子を使用した結果、下側のグラフは粒子径が１６μｍの粒子を使用した結果である。
【００７６】
図１４の上側のグラフでは、中央付近の約２０μｍの範囲で、粒子径が約４μｍになっており、それらに対応する円形度αがほぼ０．９９以上（少なくとも０．９８以上）である。下側のグラフでは、約３０μｍの範囲で、粒子径が約１６μｍになっており、それらに対応する円形度αがほぼ０．９９以上（少なくとも０．９８以上）である。従って、円形度αの下限値αminを０．９８〜０．９９に設定すれば、焦点深度内にある粒子を精度良く抽出することができる。
【実施例２】
【００７７】
図１５は、粒子径が既知（１０μｍ）の球形のラテックス粒子をスライドガラス上に分散させ、第１撮影部で撮影後、スライドガラスを焦点深度と平行に移動させ、さらに第２撮影部で撮影した画像ペアの例である。図中に付された番号は、ステップＳ６において抽出された粒子について、順次割り振られた粒子ナンバーである。なお、ステップＳ５が画像の左下から右上に向かっておこなわれることから、左へいくほど、また下へいくほど番号は若くなっている。図１６（ａ）は、図１５の画像に対してステップＳ９の条件１〜３のみで粒子ペアを判定した場合に得られたテーブルである。テーブル中の灰色に四角の枠で囲んだセルは、条件１〜３を満たすが、誤判定された粒子の組み合わせである。この誤判定された粒子ペアを含むテーブルに対して、テーブル判定による処理（ステップＳ１０）を施した結果が図１６（ｂ）である。図１５に付された番号と比較することにより、図１６（ｂ）のテーブルでは適切に粒子ペアの判別をおこなえたことが分かる。
【実施例３】
【００７８】
噴霧粒子撮像解析システムを用いて、実際に噴霧された液滴を測定および解析して得られた粒子径および粒子速度を図１７に示す。図１７のグラフは、測定位置の噴霧装置からの距離（噴霧距離）が異なり、噴霧距離が、上からそれぞれ１３．５ｍｍ、１６．６ｍｍ、２９．０３ｍｍである。
【００７９】
図１７からも分かるように、本発明の噴霧粒子撮像解析システムによって、液滴の粒子径および粒子速度を同時に測定することができた。特に、粒子径が約１〜２μｍと可視光の波長に近く非常に小さい粒子に関しても測定可能であった。
【００８０】
粒子径の測定結果は空気力学径測定法による実験値と５％以内の誤差で一致した。また、測定した噴霧距離の範囲では平均粒子速度はほぼ一定とみなせた。これは、測定点が噴霧流のほぼ中心であったため、周囲流体（空気）の抵抗による粒子速度の減衰が小さかったためと考えられる。噴霧流の中心では空気もほぼ粒子速度と同じ速度で流れているので、噴霧距離が大きくなるにつれて小さい粒子径で大きな粒子速度をもつ粒子の数が減少した。これは、粒子径が小さいほど質量あたりの空気抵抗が大きくなり、粒子速度が減衰しやすいためである。
【実施例４】
【００８１】
実施例３と同様に、噴霧粒子撮像解析システムを用いて、実際に噴霧された液滴を測定および解析して得られた粒子径および粒子速度を図１８に示す。噴霧器にはオムロン社製メッシュ式ネブライザーNE-U２２を、薬液試料としては生理食塩水を用いた。また、メッシュノズルの径およびネブライザーへの印加電圧はそれぞれ、５.４μｍおよび８Ｖとした。図１８のグラフには、約１２００個の粒子のデータがプロットされている。図１８から分かるように、粒子径が約１μｍ〜数十μｍの広い範囲で、粒子速度の分布が得られた。この結果では、全粒子１２００個のうち図１１のＴｙｐｅＢのように特定不可能であるために強制的にテーブル判定のセルを“０”とした粒子ペアの総数は２個であった。したがって、最終的な粒子径と速度の平均値に対するこれらの寄与はほとんど無視できる。
【符号の説明】
【００８２】
１ 第１光源部
２ 第２光源部
３ 第１撮像部
４ 第２撮像部
５ 第１光路変更部
６ 第２光路変更部
７ ＸＹＺステージ
８ 制御部
Ｔ 噴霧装置
Ｍ 霧状領域
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１７４６８７号公報
【特許文献２】特開平１０−３１８９０９号公報
【特許文献３】特開２００４−３６１２９１号公報
【特許文献４】特開２００５−２２１３１１号公報
【特許文献５】特開２００５−１６４５６０号公報
【特許文献６】特開２００７−１１４０５５号公報
【特許文献７】特開２００４−６９４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１、２には次のような問題がある。粒子散乱がミー散乱のような、粒子径に依存してその角度分布が大きく変化する場合には、低角度の集光レンズではその散乱角度強度分布特性を十分に測定することができない（散乱光角度強度分布による粒子径測定精度が低い）。特に測定部にレーザ干渉性により強度分布を形成する場合には低角度による照射でなければ、光学系収差による歪みが発生し、さらにレーザの空間的コヒーレンスが十分に高くなければ十分な強度分布が形成できないという、相反する原理的な限界が存在する。
【０００７】
また、粒子濃度が非常に薄く、検出対象領域に１個程度の粒子しか存在しない場合にしか、精度良く測定することができない。通常の噴霧液滴では、そのような状況は期待できず、多重散乱による測定信号の乱れが生じるので、精度良く測定することが非常に難しいという問題がある。
【０００８】
上記特許文献３〜７では単に撮像素子を使用しているだけであり、画像処理において粒子が撮像焦点深度内に存在しているかどうかが考慮されていない。即ち、光学原理的に考えて、撮像光学系焦点深度を深くするためには、撮像開口数を非常に小さくしなければならず、その場合には光学分解能が低下してしまい微小な粒子を鮮明に撮像解析することは不可能になる。また、鮮明に撮像された粒子と不鮮明に撮像された粒子とを区別せずに粒子径を算出しているために、正確な粒度分布を算出することは不可能である。
【０００９】
さらに、上記特許文献３〜７には次の問題もある。
【００１０】
問題Ａ：数百μｍ〜１μｍの粒子を正確に画像計測するためには、それら粒子の直径に対して１／１０〜１／２程度の光学分解能が必要である。ところが、仮に１μｍの粒子撮像を鮮明に行なうためには、撮像波長０．５５μｍでＮＡ（開口数）０．５が必要であり、その場合の焦点深度は１μｍ程度にしかならない。言い換えれば、大半の粒子は鮮明に撮像できないことになる。従って、これらの粒子を全て画像解析したとしても精度ある測定は困難である。また、数百μｍの粒子を測定する場合には、開口数を０．０１程度にすれば、焦点深度が十分に深い測定が可能ではあるが、同じ条件で数μｍの粒子を十分な光学分解能で測定することは不可能である。従って、広い測定範囲からある一定の基準を満たす粒子像のみを抽出して解析しなければならないという問題がある。
【００１１】
問題Ｂ：粒子群像は焦点深度内に存在する粒子及び焦点深度外に存在する粒子が撮像され、鮮明に撮像されている粒子ですら、背景輝度強度が（撮像毎に）変化する場合が多い。このために、通常の画像処理プロセスにおける背景画像処理（減算による背景画像輝度分布補償、シェーディング補正処理等）は効果がないという問題がある。
【００１２】
問題Ｃ：個別粒子の速度を画像解析により算出する場合には、単一波長、単一パルス光では困難である。どうしても移動量を測定する必要があるので、時間差をおいて撮像された各波長での粒子画像における移動距離を両画像の焦点深度内に存在する粒子を判別し、算出しなければならない問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、上記した問題を原理的に克服することを目的とし、定常的な噴霧粒子を撮像し、撮像画像に対して画像処理を行うことによって、粒子径および粒度速度を同時に測定することができ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にある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
即ち、本発明に係る噴霧粒子撮像解析システムは、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している。
【００１５】
上記の噴霧粒子撮像解析システムは、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ができる。
【００１６】
また、上記の噴霧粒子撮像解析システムは、
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ができる。
【００１７】
また、上記の噴霧粒子撮像解析システムは、
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１の所定範囲が、５０〜２００％であることができる。
【００１８】
また、上記の噴霧粒子撮像解析システムは、
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ができる。
【００１９】
また、上記の噴霧粒子撮像解析システムは、
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ができる。
【００２０】
また、噴霧粒子撮像解析方法は、
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している。
【００２１】
また、上記の噴霧粒子撮像解析方法は、
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ができる。
【００２２】
また、上記の噴霧粒子撮像解析方法は、
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している。
【００２３】
また、上記の噴霧粒子撮像解析方法は、
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１の所定範囲が、５０〜２００％であることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、撮像された対応する２枚の画像中の噴霧粒子（特に噴霧液滴粒子）を自動的に１対１に対応させることができ、噴霧粒子の粒子径及び粒子速度を同時に、精度よく測定することができる。特に、粒子径が約０．５〜２μｍと可視光の波長に近い大きさの粒子に関しても適用可能である。
【００２５】
また、複数の撮像装置と波長の異なる複数の光源とを使用した構成とすることによって、高速撮像が可能な高価な撮像装置を使用することなく、比較的安価なシステムとすることができる。
【００２６】
また、本発明は、従来のレーザドップラー法を用いる方法とは原理的に異なる方法を採用しているので、上記したレーザドップラー法の問題を生じることがない。即ち、粒子散乱がミー散乱のような、粒子径に依存してその角度分布が大きく変化する場合や、多重散乱が生じる場合にも、本発明を適用することができる。
【００２７】
また、本発明では、上記した問題Ａ〜Ｃが生じることがない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る噴霧粒子撮像解析システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１の噴霧粒子撮像解析システムで撮像された画像の一例を示す図である。
【図３】撮像領域（焦点深度）を説明するための概念図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る噴霧粒子撮像解析システムによって撮像された画像を解析する方法を示すフローチャートである。
【図５】撮像部を調整するためにピンホールを撮像した画像である。
【図６】図１の噴霧粒子撮像解析システムで連続して撮像された画像である。
【図７】焦点深度内に位置している粒子と、焦点深度外に位置している粒子が撮像された場合の差違を模式的に示す図である。
【図８】参照テーブルの一例を示す図である。
【図９】図６の画像から得られた粒子画像解析用元画像である。
【図１０】２つの撮影画像から対応する粒子同士を見つけ出すためのアルゴリズムを説明した模式図である。
【図１１】図１０の判定のみでは不十分な場合を説明する模式図である。
【図１２】同じ粒子に重複して対応している複数の粒子の中から１個を選択する処理を説明する図である。
【図１３】図７に示した２枚の画像に含まれる粒子ペアを重畳した画像を示す図である。
【図１４】円形度の有効性を示す実験結果のグラフである。
【図１５】本発明の実施の形態に係る噴霧粒子撮像解析システムを用いて撮影した球形ラテックス粒子画像である。
【図１６】テーブル判定により図１１の誤判定を避け、適切な対応粒子ペアを判別できることを示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態に係る噴霧粒子撮像解析システムを用いて測定及び解析した結果を示すグラフである。
【図１８】本発明の実施の形態に係る噴霧粒子撮像解析システムを用いて測定及び解析した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下においては、主として噴霧液滴粒子について説明するが、液体以外の粒子についても本発明を適用可能である。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態に係る噴霧粒子撮像解析システムの概略構成を示す図である。本噴霧粒子撮像解析システム（以下「撮像解析システム」とも略記する）は、第１光源部１と、第２光源部２と、第１撮像部３と、第２撮像部４と、第１及び第２光源部１、２から入射する光を一方向に出力する第１光路変更部５と、入射する光をその特性（発光波長域）に応じて分離して第１又は第２撮像部３、４に出力する第２光路変更部６と、ＸＹＺステージ７と、各部を制御する制御部８とを備えている。図１には、本撮像解析システムの測定および解析対象である噴霧液滴粒子を生成する噴霧装置Ｔも示している。
【００３１】
第１及び第２光源部１、２は、制御部８によって制御され、それぞれ異なる波長の光（例えば青色および緑色の光）を、所定の時間（パルス的）に出力する装置である。第１及び第２撮像部３、４は、ＣＣＤカメラなどの拡大光学系を有する撮像装置であり、撮像タイミングは制御部８によって制御される。第１及び第２撮像部３、４によって撮像された画像は、制御部８に伝送される。第１光路変更部５には、例えば公知のダイクロイックミラーを使用することができ、第２光路変更部６には、例えば公知のビームスプリッターを使用することができる。噴霧装置Ｔは、本撮像解析システムの解析対象である液滴粒子（以下、単に粒子とも記す）を生成する装置である。ＸＹＺステージ７は、搭載された噴霧装置Ｔの３次元位置を変更する装置であり、例えば所定の平面内及び垂直面内で移動させることができ、これにより、後述するように噴霧状態の粒子径及び粒子速度の立体的分布を測定し、表示することができる。また、制御部８には例えばコンピュータを使用することができ、制御部８は各部を制御するだけでなく、撮像された画像を解析して粒子径および粒子速度を求める。
【００３２】
なお、第１及び第２光源部１、２から出力される光がレーザ光のように細い光であれば、所定の光学系を備えて、所定の集光角度により測定に必要な部位を照射するように霧状領域Ｍに照射することが望ましい。また、図１において、霧状領域Ｍと第１および第２撮像部３、４との間に、撮像領域を拡大する光学系（対物レンズなど）を備えることができる。
【００３３】
本撮像解析システムの動作は、液滴粒子を撮像する段階と、撮像された画像を解析する段階の２段階に大別できる。以下では、まず撮像解析システムを構成する各部の機能を説明するために、撮像を中心に説明する。その後、画像解析について説明する。
【００３４】
噴霧装置Ｔから液滴粒子を霧状に放出した状態で、液滴粒子の集合である霧状領域Ｍの２枚の画像を撮像する。制御部８が第１光源部１を制御して、波長λ1の光をパルス幅Δｔ0で放出させる。第１光源部１から放出された光は、光路を変更することなく第１光路変更部５を直進し、霧状領域Ｍに照射される。霧状領域Ｍを通過した光は、第２光路変更部６に入射され、光路を変更されることなく直進し、第１撮像部３に入射する。霧状領域Ｍに光が照射されている間に、制御部８が第１撮像部３を制御して、霧状領域Ｍを撮像する。撮像された画像は、ディジタルデータまたはアナログデータとして制御部８に伝送され、ディジタルデータとして制御部８内部の記録手段（図示せず）に記録される。
【００３５】
次に、所定の時間Δｔ1（Δｔ1＞Δｔ0）の後、制御部８が第２光源部２を制御して、波長λ2（λ1≠λ2）の光をパルス幅Δｔ0で放出させる。第２光源部２から放出された光は、第１光路変更部５によって光路を変更され、第１光源部１からの光が第１光路変更部１から出力される方向と同じ方向に出力され、霧状領域Ｍに照射される。霧状領域Ｍを通過した光は、第２光路変更部６によって光路を変更され、第２撮像部４に入射する。霧状領域Ｍに光が照射されている間に、制御部８が第２撮像部４を制御して、霧状領域Ｍを撮像する。撮像された画像は、制御部８に伝送されて記録される。
【００３６】
以上によって、Δｔ1の時間差で霧状領域Ｍの２枚の画像（画像データ）を得ることができる。撮像された画像の一例を図２に示す。このとき、事前に第１及び第２撮像部３、４の光学系を調整し、両者の焦点深度（被写界深度）および撮像領域がほぼ一致するようにしておき、同じ領域を通過する粒子のみが鮮明に撮像されるようにする（図３参照）。必要に応じて、上記の処理を繰り返せば、３枚以上の画像データを得ることもできる。また、霧状領域Ｍが定常状態にあれば、ＸＹＺステージ７によって噴霧装置Ｔの３次元位置を変更し、同様に撮像することによって、霧状領域Ｍのより広い領域において測定データを得ることが可能である。
【００３７】
制御部８は、撮像された画像に対して画像処理を行い、粒子径および粒子速度（粒径分布および粒子速度分布）を計算する。噴霧された液滴粒子はそれ自身の表面張力により球形に近い形になる。したがって、焦点深度内を通過した粒子は輪郭が鮮明（高コントラスト）に撮像される。一方、焦点深度を外れた粒子はぼけて輪郭が不鮮明になる。詳細は後述するが、本発明ではこの現象を利用して、円形度α（α＝輪郭線の長さ／同面積の円周の長さ であり、輪郭が鮮明な円形粒子はαが１．０に非常に近くなる。）を求め、この円形度αによって焦点深度内にある粒子と焦点深度外にある粒子とを識別する。このとき、画像の微分化処理によって、円形度αの精度の向上を図っている。そして、各画像において焦点深度内にある粒子を自動的に特定し、その粒子径および粒子速度を算出する。
【００３８】
図４は、本発明の実施の形態に係る液滴粒子撮像解析システムによって撮像された画像から、粒子径および粒子速度を求める方法を示すフローチャートである。
【００３９】
以下の説明において、制御部８は、操作者による指示を受け付けるキーボード、マウスなどの操作手段を備えているとする。また、制御部８が、操作者による操作を受けて行う処理は、内部の演算素子（以下、ＣＰＵと記す）が、内部の記録手段（ハードディスクドライブなど）から所定のデータを、内部の一時記憶手段（以下、メモリと記す）に読み出し、メモリをワーク領域として使用して行う処理であり、ＣＰＵは適宜処理結果を記録手段に記録することとする。ここでは、対角長（３０倍拡大時）が約２００μｍの長方形領域を撮像し、６４０画素×４８０画素の画像が得られるとする。従って、１画素は約０．２５μｍに対応する。
【００４０】
ステップＳ１において、第１及び第２撮像部１、２を調整し、後述の解析処理において必要な情報である基準位置データを取得する。具体的には、先ず、噴霧装置Ｔによって霧状領域Ｍが形成される予定の領域に微小対象物（例えば、板に開けた１０μｍのピンホール）が配置された状態で、操作者が、微小対象物が鮮明に撮像されるように第１及び第２撮像部３、４の焦点位置を調節する。次に、制御部８は、第１及び第２撮像部３、４を制御して微小対象物を撮像し、撮像画像を記録する。撮像された２枚の画像の一例を図５に示す。２枚の画像中のほぼ中央に位置する高輝度領域が微小対象物である。制御部８は、２枚の画像の光輝度領域の中心座標（例えば画像の左上を原点とし、右方向をＸ軸、下方向をＹ軸とする）を算出して記録する。また、制御部８は、第１及び第２撮像部３、４で最大の有効面積を確保できるように画像処理における有効処理領域（図５において矩形の枠内）を決定し、その情報を記録する。例えば、左上の座標値および右下の座標値を有効処理領域の情報とすることができる。また、光輝度領域の中心座標と、領域の縦横の長さとを、有効処理領域を表す情報としてもよい。
【００４１】
ステップＳ２において、操作者が制御部８に対して、初期条件を入力する。初期条件は、後述の処理において粒子を抽出するときの基準値として、円形度範囲（下限値αmin（上限値は１．０））、粒子径範囲（下限値βmin及び上限値βmax）を含む。また、初期条件には、撮像タイミングを決めるパルス幅Δｔ0、パルス間隔Δｔ1等を含むこともできる。なお、一定のパルス間隔Δｔ1を使用せずに、パルス間隔Δｔ1を変更させながら測定する場合には、パルス間隔Δｔ1の時間変化率の情報を設定することが必要である。制御部８は、入力された数値を記録する。ここで、βmin、βmaxは対象とする粒子に応じて設定すればよい。円形度範囲の下限値αminは、例えばαmin＝０．９である。
【００４２】
ステップＳ３において、噴霧装置Ｔを作動させて粒子が放出された状態で、制御部８は上記したように、第１及び第２撮像部３、４を用いて霧状領域Ｍを撮像し、複数枚の画像（グレースケールの輝度画像）を記録する。このとき、第１及び第２光源部１、２から出力する光のパルス幅、出力する時間間隔には、ステップＳ２で指定されたΔｔ0、Δｔ1が使用される。画像を記録する際には、第１及び第２撮像部のどちらで撮像されたかを識別する情報、および撮像された順序を識別する情報を、画像データと対応させて記録する。記録された２枚の画像の一例を図６に示す。図６の左側が先に撮像された画像、右側がその次に撮像された画像である。
【００４３】
このとき、撮像された各画像から、ステップＳ２で決定された有効処理領域に対応する領域を切り出し、ステップＳ４以降における処理の対象画像として記録する。なお、有効処理領域は第１及び第２撮像部３、４毎に決定されるので、この切り出し処理においては、画像が第１及び第２撮像部３、４の何れによって撮像されたかを考慮することが必要である。
【００４４】
ステップＳ４において、制御部８は、ステップＳ３で撮像された複数の画像の中から１枚の画像を選択して記録手段から読み出し、微分化処理および２値化処理を行い、その結果の画像を記録手段に記録する。この処理は、ステップＳ３において撮像された全ての画像について実行され、得られた２値画像は、元画像との対応が分かる情報と合わせて記録される。
【００４５】
画像の微分化処理には、ソーベルフィルタなどのエッジ検出に用いられる公知の画像処理を用いることができる。２値化処理は、微分化処理によって得られた画像に対するしきい値処理であり、例えば、特定のしきい値以上の画素値を“１”とし、しきい値未満の画素値を“０”とした２値画像を生成する処理である。しきい値は適宜設定することができる。例えば、画像毎に微分化処理を行って得られた最大微分値（画像毎に異なる）の５０％の値を、その画像に対するしきい値として使用して２値化処理を行えば、後述する粒子抽出を最も効率よく行うことが可能である。
【００４６】
ステップＳ５において、制御部８は、ステップＳ４で得られた２値画像から粒子を抽出し、円形の粒子と仮定して、その中心座標（ｘ0，ｙ0）、粒子径ｄおよび円形度αを求める。求めた値は、抽出した粒子を特定する情報と対応させて、「参照テーブル」として記録する。粒子を特定する情報は、例えば、画像毎に粒子に付与した通し番号ｊである。
【００４７】
ここで処理対象である２値画像においては、粒子に対応する候補領域として、同じ値（例えば“１”）の画素が連続した領域が明らかになっている。従って、各連続領域の重心を求めて、中心座標とする。次に、各連続領域の面積Ｓ（例えば値が“１”である画素の数）を求め、円形の粒子と仮定した場合の粒子径ｄを、ｄ＝２×［Ｓ／（２π）］1/2によって求める。
【００４８】
円形度αの算出方法を具体的に説明すると、次の通りである。まず、各連続領域の輪郭線（境界線）を表すチェーンコードを求め、輪郭線の長さＬを求める。画像処理によってチェーンコード及び輪郭線の長さＬを求める方法は公知であるので、説明を省略する。そして、上記したように、各連続領域の円形度αを、α＝Ｌ／（πｄ）によって求める。円形度αは、後述の処理において、撮像時に焦点深度内に位置していた粒子を選択するのに使用される。図７は、焦点深度内に位置している粒子と、焦点深度外に位置している粒子が撮像された場合の差違を模式的に示す図である。図７の上段、中断、下段には、それぞれ撮像画像（グレースケールの輝度画像）、縦軸を輝度値としてＡ−Ａ線に沿った断面図、撮像画像に境界線を重ねた画像を示している。図７の下段の図から分かるように、焦点深度内に位置している粒子は、輪郭線がほぼ円形であるので、円形度αはほぼ１になる。しかし、焦点深度外に位置している粒子では、輪郭線が量子化誤差や輝度変化が緩やかであるために凹凸のある複雑な形状をしており（図７では模式的にギザギザの線で示す）、その輪郭線の長さは、焦点深度内に位置している粒子の輪郭線の長さよりも長くなり、円形度は、焦点深度内に位置している粒子の円形度よりも小さくなる。従って、球形の粒子が対象であれば、円形度αによって、その粒子が焦点深度内に位置していたか否かを精度良く判断することができる。
【００４９】
参照テーブルの一例として、テキストファイルに記録されたデータを図８に示す。図８において、上から、画像番号、画像内での粒子番号、しきい値、面積、輪郭線の長さ、中心のＸ座標、中心のＹ座標、粒子径、円形度を表している。
【００５０】
ステップＳ６において、制御部８は、ステップＳ５で求めた円形度αおよび粒子径ｄが、ステップＳ２で入力された円形度範囲（下限値αmin）および粒子径範囲（下限値βmin及び上限値βmax）に適合する粒子を抽出する。即ち、α≧αmin且つβmax≧ｄ≧βminである粒子を選択し、２値画像上で、選択された粒子を表す領域以外の領域の画素値を“０”にする。制御部８は、生成された２値画像を、元の２値画像との対応が分かる情報を付加して、粒子画像解析用元画像データとして記録する。得られた粒子画像解析用元画像の一例を図９に示す。また、抽出された粒子の番号ｊに付加情報を追加して記録する。例えば、参照テーブルに、粒子番号ｊに対応させた１ビットのフラグｆを設け、上記の条件に該当する場合、フラグｆを初期値（例えば“０”）と異なる値（例えば“１”）にセットする。
【００５１】
ステップＳ７において、対応する２枚の画像に含まれる粒子の平均速度（ベクトル）を算出するために、制御部８は、ステップＳ４で得られた、それら２枚の２値画像の相互相関を求める。即ち、２枚の画像を相対的に、所定方向に所定画素数だけシフトさせ、２枚の画像の各画素の積を求め、さらに得られた積の総和を求める。相互相関を求める方法は公知であるので、詳細説明は省略する。シフトさせる方向および画素数（例えばＸ軸方向の画素数およびＹ軸方向の画素数であり、以下「シフトベクトル」とも記す）を変化させ、得られた複数の総和の中の最大値を求める。この最大値が得られたときのシフトベクトルから粒子の平均速度を求める。即ち、２枚の画像が撮像された時間間隔Δｔ1でシフトベクトルを除して、粒子の平均速度とする。得られた粒子の平均速度は、元の２枚の画像との対応が分かる情報を付して、記録手段に記録される。なお、計算時間を短縮するために、処理対象の画像を縮小して用いてもよい。例えば、１／２に縮小すれば、画素数（画像面積）が１／４になるので、高速に平均速度を計算することができる。
【００５２】
ステップＳ８において、制御部８は、ステップＳ５で求めた参照テーブルを参照して、ステップＳ６で選択された全粒子の組み合わせについて速度（ベクトル）を算出して、記録する。例えば、参照テーブルにおいて、フラグｆが“１”である粒子を参照すれば、対応する２枚の画像（例えば画像番号ｉ、ｉ＋１の画像）の各々において、ステップＳ８で処理対象とする粒子（粒子番号）が分かる。従って、これら２枚の画像の間で、全ての粒子（フラグｆ＝１）の組み合わせについて、粒子の中心座標の差（ベクトル）を、２枚の画像を撮像した時間間隔Δｔ1で除して、粒子の速度とする。例えば、２枚の画像（画像番号ｉ、ｉ＋１）の各々にｎi、ｎi+1個の粒子が含まれていた場合、ｎi×ｎi+1個の組み合わせがあるので、ｎi×ｎi+1個の速度を求める。得られた速度は、粒子の情報と対応させて記録手段に記録される。
【００５３】
ステップＳ９において、制御部８は、対応する２枚の画像に含まれ、ステップＳ８で処理された粒子（フラグｆ＝１）が、次の条件１〜３を満たすか否かを判断し、その結果を記録する。
条件１：ステップＳ８で求めた粒子の移動方向（速度ベクトルの方向）が、平均速度と所定範囲内で一致している。
条件２：粒子径が所定範囲内で一致している。
条件３：粒子速度が平均速度の所定範囲内である。
条件１の所定範囲は、例えば±６０°とすることができる。この所定範囲は、粒子密度に応じて設定することができる。即ち、所定範囲を比較的小さく設定すれば（例えば、±１５°や±３０°）、粒子密度が比較的大きい場合には良好な結果が得られるが、粒子密度が比較的小さい場合には、多くの粒子が除外されるので、後述の処理において対応する粒子が存在しない可能性が高くなる。また、所定範囲を比較的大きく設定すれば（例えば、±９０°）、粒子密度が比較的小さい場合には良好な結果が得られるが、粒子密度が比較的大きい場合には、多くの粒子が除外されずに処理対象として残るので、処理時間が長くなる。総合的に評価した結果、所定範囲が±４５°であれば、粒子密度に依存せず良好な結果が得られることが分かった。また、条件２の所定範囲は、例えば粒子径の差が±１０％以内とすることができる。また、条件３の所定範囲は、例えば５０〜２００％とすることができる。
【００５４】
これら３つの判定条件は、図１０のように、第１撮影部より得られた画像（上段左側の時刻ｔにおける画像Image1）中に粒子を中心とした扇形の検査領域を設け、その検査領域の中に第２撮影部より得られた画像（上段右側の時刻ｔ＋ｄｔにおける画像Image2）の粒子が存在するかどうかを判定することに対応する。このことを模式的に示すために、図１０の下段に、上段の２枚の画像を重ねて得られる合成画像を示す。このとき、ある１つの粒子を考えると、上記の条件１〜３を満たす粒子の組み合わせが複数存在する場合がある。即ち、上記の条件１〜３のみでは、２枚の画像間で粒子を１対１に対応させること、即ち同じ粒子を特定することは、必ずしも可能ではない。これは図１１のように、２つ以上の検査領域が重なり、かつ重なった検査領域の部分に粒子が存在する場合である。図１１では、第１撮影部より得られた画像中の２個の粒子を１１、１２で表し、第２撮影部より得られた画像中の２個の粒子を２１、２２で表している。具体的な例として、左側の図に示した場合（ＴｙｐｅＡ）と、右側の２つの図で示した場合（ＴｙｐｅＢ）の２つのタイプに分類できる。
【００５５】
その場合、ステップＳ１０において、制御部８は、同じ粒子に重複して対応している複数の粒子の中から１個を、次の処理によって選択する。
まず、２枚の画像中の、重複して対応している粒子のみを対象として、それぞれ縦横に配列し（例えば１枚目の画素中の粒子をｉ（ｉ＝１〜ｍ）で表し、２枚目の画像中の粒子をｊ（ｊ＝１〜ｎ）で表す）、２枚の画像間の２つの粒子が上記の３つの判定条件を満たすか否かを示す情報（例えば満たす場合“１”、満たさない場合“０”）を各セル（（ｉ，ｊ）で表す）に配置したマトリックスを想定する。次に、“１”が設定された１つのセル（ｉ０，ｊ０）に注目し、そのセル（ｉ０，ｊ０）を含む行のセル（セル（ｉ０，ｊ０）以外）に“１”が設定され、且つ、そのセル（ｉ０，ｊ０）を含む列のセル（セル（ｉ０，ｊ０）以外）に“１”が設定されている場合、そのセル（ｉ０，ｊ０）の値を“０”に変更する。元のマトリックスを処理対象として、この処理を繰り返し、全ての行、列に１つ以上の“１”が設定されていない状態にする。
その結果、同じ行又は列に、２つの“１”が設定された状況が起こり得るので、その場合には、それらのセルの値を全て“０”に変更する。
【００５６】
図１２に示した一例のテーブルを参照して、具体的に説明すれば、次の通りである。ただし、以下の判定で区別できる同一粒子のペアは、図１１のＴｙｐｅＡの状況である。
【００５７】
図１２の（ａ）は、対応する２枚の画像（Image1及びImage2）中にそれぞれ４個、３個の粒子が含まれており、上記の条件１〜３を満たす粒子の組み合わせに対応するセルに“１”が設定され、それ以外の粒子の組み合わせに対応するセルには“０”が設定された状態を表している。この状態では、画像Image1内の粒子と画像Image2内の粒子とが１対１に対応していない。２行目から、画像Image1内の粒子番号２の粒子が、画像Image2内の粒子番号２、３の２つの粒子に対応しており、４行目から、画像Image1内の粒子番号４の粒子が、画像Image2内の粒子番号１、２の２つの粒子に対応していることが分かる。
【００５８】
そこで、制御部８は、２枚の画像間で１対１に対応していない粒子を、上記の処理によって特定する（画像Image1内の粒子番号２の粒子と画像Image2内の粒子番号２の粒子、画像Image1内の粒子番号４の粒子と画像Image2内の粒子番号１の粒子、画像Image1内の粒子番号４の粒子と画像Image2内の粒子番号２の粒子）。これらの組み合わせは、図１１のＴｙｐｅＡの粒子２１（図１２のImage2の粒子番号２の粒子に対応）のような状況に対応する。次に、これら重複した粒子ペアに対応するセルの値を“０”にする。この操作が有効である理由は、図１１のＴｙｐｅＡにおいて粒子１１と粒子２１のペアが一義的に決まるので、それを除くペア（粒子１２と粒子２１）は有り得ないものであるからである。
【００５９】
また、図１１のＴｙｐｅＢの状況は図１２の（ｂ）の状況に対応する（画像Image1内の粒子番号２の粒子と画像Image2内の粒子番号３の粒子、画像Image1内の粒子番号３の粒子と画像Image2内の粒子番号３の粒子）。これらは上記の判定では実質的に判別不可能であるので、これらのセルを“０”と設定する。
【００６０】
上記（図１２の（ａ））の処理結果を図１２の（ｃ）に示す。（ｃ）から、ステップＳ１０の処理によって、画像Image1内の粒子番号１の粒子と画像Image2内の粒子番号１の粒子とが１対１に対応し、画像Image1内の粒子番号２の粒子と画像Image2内の粒子番号３の粒子とが１対１に対応するという結果が得られたことが分かる。決定された粒子の組み合わせの情報は、記録手段に記録される。
【００６１】
以上によって、本撮像解析システムによれば、対応する２枚の画像間で粒子を１対１に対応させることができ、それらの粒子（液滴粒子）の粒子径及び粒子速度を同時に求めることができる。即ち、撮像された各画像において、焦点深度内に位置していた粒子を特定し、その粒子径および粒子速度を求めることができる。記録手段に記録される粒子の情報は、例えば｛ｉ，ｊ，ｘ0，ｙ0，ｄ，α，ｖ｝のテーブルである。ここで、ｉは、所定の時間間隔で撮像した連続する画像の順序を特定する番号であり、ｊは各画像内で粒子（連続領域）に一意に付与された粒子番号、（ｘ0，ｙ0）は粒子の中心座標、ｄは粒子径、αは円形度、ｖは粒子速度である。
【００６２】
粒子ペアーを重畳した画像の一例を図１３に示す。図１３には、図８に示した２枚の画像に撮像された４つの粒子（粒子１〜４）を重ねて表示しており、撮像時間間隔Δｔ1の間に４つの粒子がそれぞれ移動したことをベクトルで示している。
【００６３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されない。
【００６４】
例えば、上記では異なる波長の光を使用する場合を説明したが、これに限定されず、特性が異なる光を使用することができる。例えば、偏光方向が異なる光を使用してもよい。図１において、第１及び第２光源部１、２を、偏光していない光を発する１つの光源部に置き換え、第１光路変更部５を、直交する２方向に偏光した光を選択的に通過させる電気的に制御可能なシャッタに置き換えてもよい。その場合、第２光路変更部６は、偏光方向に応じて入射光を透過または反射する素子（例えば、偏光ビームスプリッタ）であればよい。また、図１に示した構成では２つの撮像部を使用しているが、高速撮像可能な撮像装置を採用すれば、１つの撮像部で構成することができる。その他、種々の構成が可能であり、所定の短い時間間隔で２枚以上の画像を撮像することができる構成であればよい。なお、光源部から照射する光の波長を変更（例えば短波長化）することにより、粒子径が０．５μｍ以上１００μｍ以下の液滴粒子を測定範囲とすることが可能である。
【００６５】
また、図４に示した処理の順序はこれに限定されず、種々変更して実行することができる。例えば、環境や使用する撮像部が変更無ければ、ステップＳ１の処理は一度だけ行えばよい。また、上記したように１つの撮像部を使用したシステム構成の場合、ステップＳ１で有効処理領域を求める処理は不要である。
【００６６】
また、ステップＳ５において、円形度αを求めるときに輪郭線の長さを求める方法は、チェーンコードを使用する方法に限定されず、種々の公知の画像処理を使用することができる。
【００６７】
また、ステップＳ４における２値化のしきい値は、一定の値を使用してもよく、画像や抽出対象の粒子径に応じて、適宜変更してもよい。
【００６８】
また、ステップＳ６において、対応する粒子を検出する場合の円形度の下限値として、一定の値を使用する代わりに、粒子径毎に異なるしきい値を用いてもよい。また、ステップＳ６における粒子の選択に、粒子径範囲（下限値βmin及び上限値βmax）を用いる場合を説明したが、粒子径範囲を考慮せず、円形度範囲（下限値αmin）のみを用いて粒子を選択してもよい。
【００６９】
また、ステップＳ４〜Ｓ１０の処理は、対応する２枚の画像ペア毎に、ステップＳ４〜Ｓ１０の一連の処理を行ってもよく、対応する２枚の画像ペアの全てについて、ステップＳ４〜Ｓ１０の各処理を行ってもよい。
【００７０】
また、ステップＳ１０の処理において、重複して対応している粒子のみを処理対象とする場合を説明したが、１対１に対応している粒子も（一部又は全て）含めて処理対象としてもよい。
【００７１】
また、ステップＳ１０において、“１”が設定されたセルの値を“０”に変更する処理は、種々の方法で実現することが可能である。例えば、“１”が設定されたセル（ｉ０，ｊ０）を含む行において“１”が設定されたセルの数をカウントし、且つ、セル（ｉ０，ｊ０）を含む列において“１”が設定されたセルの数をカウントし、２つのカウント値が共に２以上であるか否かを判断することで行うことができる。なお、セル（ｉ０，ｊ０）を除外してカウントするように変更することも可能であり、その場合、２つのカウント値が共に１以上であるか否かを判断すればよい。
【００７２】
また、噴霧粒子撮像解析システムによって全ての処理が行われなくてもよい。例えば、撮像された画像データを所定の形式で記録した後、伝送路または記録媒体を介して、別のコンピュータに移し、ステップＳ４〜Ｓ１０の処理を行ってもよい。
【００７３】
また、測定対象は、噴霧される液滴粒子に限らず、射出される液滴粒子であってもよい。さらには、球形の粒子であればよく、液滴粒子には限定されない。
【実施例１】
【００７４】
以下に実施例を示し、本発明の特徴をより明確に示す。まず、円形度αの有効性を示す。
【００７５】
図１４は、粒子径が既知（４μｍ及び１６μｍ）の球形のラテックス粒子をスライドガラス上に配置し、撮像距離を変化させて、撮像を行い、ステップＳ７に示した方法で円形度および粒子径を求めた結果を示す。右の縦軸は円形度α（■で表されたデータ）、左の縦軸は粒子径ｄ（μｍ）（◆で表されたデータ）である。横軸は、撮像部の焦点を調節するマイクロメータの値であり、粒子位置の変化に対応する。上側のグラフは、粒子径が４μｍの粒子を使用した結果、下側のグラフは粒子径が１６μｍの粒子を使用した結果である。
【００７６】
図１４の上側のグラフでは、中央付近の約２０μｍの範囲で、粒子径が約４μｍになっており、それらに対応する円形度αがほぼ０．９９以上（少なくとも０．９８以上）である。下側のグラフでは、約３０μｍの範囲で、粒子径が約１６μｍになっており、それらに対応する円形度αがほぼ０．９９以上（少なくとも０．９８以上）である。従って、円形度αの下限値αminを０．９８〜０．９９に設定すれば、焦点深度内にある粒子を精度良く抽出することができる。
【実施例２】
【００７７】
図１５は、粒子径が既知（１０μｍ）の球形のラテックス粒子をスライドガラス上に分散させ、第１撮影部で撮影後、スライドガラスを焦点深度と平行に移動させ、さらに第２撮影部で撮影した画像ペアの例である。図中に付された番号は、ステップＳ６において抽出された粒子について、順次割り振られた粒子ナンバーである。なお、ステップＳ５が画像の左下から右上に向かっておこなわれることから、左へいくほど、また下へいくほど番号は若くなっている。図１６（ａ）は、図１５の画像に対してステップＳ９の条件１〜３のみで粒子ペアを判定した場合に得られたテーブルである。テーブル中の灰色に四角の枠で囲んだセルは、条件１〜３を満たすが、誤判定された粒子の組み合わせである。この誤判定された粒子ペアを含むテーブルに対して、テーブル判定による処理（ステップＳ１０）を施した結果が図１６（ｂ）である。図１５に付された番号と比較することにより、図１６（ｂ）のテーブルでは適切に粒子ペアの判別をおこなえたことが分かる。
【実施例３】
【００７８】
噴霧粒子撮像解析システムを用いて、実際に噴霧された液滴を測定および解析して得られた粒子径および粒子速度を図１７に示す。図１７のグラフは、測定位置の噴霧装置からの距離（噴霧距離）が異なり、噴霧距離が、上からそれぞれ１３．５ｍｍ、１６．６ｍｍ、２９．０３ｍｍである。
【００７９】
図１７からも分かるように、本発明の噴霧粒子撮像解析システムによって、液滴の粒子径および粒子速度を同時に測定することができた。特に、粒子径が約１〜２μｍと可視光の波長に近く非常に小さい粒子に関しても測定可能であった。
【００８０】
粒子径の測定結果は空気力学径測定法による実験値と５％以内の誤差で一致した。また、測定した噴霧距離の範囲では平均粒子速度はほぼ一定とみなせた。これは、測定点が噴霧流のほぼ中心であったため、周囲流体（空気）の抵抗による粒子速度の減衰が小さかったためと考えられる。噴霧流の中心では空気もほぼ粒子速度と同じ速度で流れているので、噴霧距離が大きくなるにつれて小さい粒子径で大きな粒子速度をもつ粒子の数が減少した。これは、粒子径が小さいほど質量あたりの空気抵抗が大きくなり、粒子速度が減衰しやすいためである。
【実施例４】
【００８１】
実施例３と同様に、噴霧粒子撮像解析システムを用いて、実際に噴霧された液滴を測定および解析して得られた粒子径および粒子速度を図１８に示す。噴霧器にはオムロン社製メッシュ式ネブライザーNE-U２２を、薬液試料としては生理食塩水を用いた。また、メッシュノズルの径およびネブライザーへの印加電圧はそれぞれ、５.４μｍおよび８Ｖとした。図１８のグラフには、約１２００個の粒子のデータがプロットされている。図１８から分かるように、粒子径が約１μｍ〜数十μｍの広い範囲で、粒子速度の分布が得られた。この結果では、全粒子１２００個のうち図１１のＴｙｐｅＢのように特定不可能であるために強制的にテーブル判定のセルを“０”とした粒子ペアの総数は２個であった。したがって、最終的な粒子径と速度の平均値に対するこれらの寄与はほとんど無視できる。
【符号の説明】
【００８２】
１ 第１光源部
２ 第２光源部
３ 第１撮像部
４ 第２撮像部
５ 第１光路変更部
６ 第２光路変更部
７ ＸＹＺステージ
８ 制御部
Ｔ 噴霧装置
Ｍ 霧状領域
【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１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１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。
【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１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１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。
【図１】
【図３】
【図４】
【図７】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１５】
【図３】
【図４】
【図７】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−１８５６９１（Ｐ２０１０−１８５６９１Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８４２１（Ｐ２００９−２８４２１）
【出願日】平成２１年２月１０日（２００９．２．１０）
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１０日（２００９．２．１０）
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【Ｆターム（参考）】
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