微小流動場撮影装置
【課題】装置又は部品の加工誤差又は製作誤差や、流体固有の屈折率の影響等に起因する画像データ取得の困難性を解消し、マイクロスケールの微小流動場の流体速度等を解析するために有効な画像を単一の撮像装置によって取得する。
【解決手段】微小流動場撮影装置は、微小流動場(M)の可視化流体の粒子画像を撮像する撮像装置(11)と、撮像装置に光学的に連結した顕微鏡(12)とを備える。複数の第１反射面(17,17a)と、第１反射面の各々に対面し且つ顕微鏡の光路に配置された複数の第２反射面(16,16a)とが顕微鏡と微小流動場との間に配置される。微小流動場撮影装置は、第１又は第２反射面の角度を調整する角度調整機構と、第１又は第２反射面の位置を調整する位置調整機構とを備える。微小流動場の粒子の反射光が第１及び第２反射面によって反射して顕微鏡内の光路に入射し、異なる視点から得られた同一粒子の複数の像が撮像装置の単一の結像面に結像する。
【解決手段】微小流動場撮影装置は、微小流動場(M)の可視化流体の粒子画像を撮像する撮像装置(11)と、撮像装置に光学的に連結した顕微鏡(12)とを備える。複数の第１反射面(17,17a)と、第１反射面の各々に対面し且つ顕微鏡の光路に配置された複数の第２反射面(16,16a)とが顕微鏡と微小流動場との間に配置される。微小流動場撮影装置は、第１又は第２反射面の角度を調整する角度調整機構と、第１又は第２反射面の位置を調整する位置調整機構とを備える。微小流動場の粒子の反射光が第１及び第２反射面によって反射して顕微鏡内の光路に入射し、異なる視点から得られた同一粒子の複数の像が撮像装置の単一の結像面に結像する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小流動場撮影装置に関するものであり、より詳細には、流体を可視化して微小流動場の流体速度等を計測するための微小流動場撮影装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体を可視化するためのトレーサ粒子をマーカとして流体の流れに混入し、流動場の流体速度等を計測する可視化計測技術が知られている。可視化計測技術として知られる直接撮影法においては、二重露光撮影又は高速度カメラ撮影や、パルスレーザ及びデジタルＣＣＤカメラを用いたフレームまたぎ撮影等の方法によって、トレーサ粒子を短い時間間隔で連続撮影することにより、粒子の移動距離が測定される。粒子の速度は、移動距離を時間間隔で除すことによって演算される。
【０００３】
PIV（Particle Image Velocimetry）技術は、流れの速度分布を調べる直接撮影法として普及している計測技法である。PIV計測技法によれば、シート光内における面内２成分の速度成分を計測することができる。
【０００４】
しかしながら、実際の流動場における流れの態様は複雑であり、多くの流れは、３次元空間内の速度３成分を有する。このため、実際の速度計測においては、３次元速度の情報を得る必要が生じることが多いが、３次元計測を行うには、物理空間と像座標との対応関係を求めることが必須となる。
【０００５】
物理空間と像座標との対応関係を求めるには、少なくとも２台のカメラを用い、異なる視点より流動場の画像を撮影する必要が生じる。
例えば、ステレオPIV技術は、特開２００４−２８６７３３号（特許文献１）に記載される如く、ステレオ配置した２台のカメラを使用し、レーザシート光内の速度３成分を２台のカメラによって測定し、流体速度の２次元３成分を計測する計測技法である。
【０００６】
他方、流体速度の３次元３成分を計測する技術として、ホログラフィックPIV技術が知られている（特開２００７−２９８３２７号公報（特許文献２）、特開２００５−３１５８５０号公報（特許文献３））。ステレオPIV技術が２次元計測技術であるのに対し、ホログラフィックPIV 技術は、３次元計測技術である点で優位性がある。
【０００７】
特許文献２に記載されたホログラフィックPIV技術においては、２台のカメラの光軸が、計測対象の粒子に対して角度間隔を隔てた位置に配置される。粒子の干渉画像が２台のカメラによって撮像される。しかし、干渉画像を取得するためには、様々なレンズを用いて光路の調整を行う必要があり、装置構成又はシステム構成が複雑化する。
【０００８】
これに対し、特許文献３に記載されたホログラフィックPIV技術によれば、２色のレーザ光を使用することにより、計測対象の３次元位置情報を１台のカメラによって取得することができる。しかし、特許文献２のホログラフィックPIV技術と同じく、特許文献３のホログラフィックPIV技術においても、干渉画像を取得するために様々なレンズを用いて光路の調整を行う必要があるので、装置構成又はシステム構成は複雑化する。しかも、２色のレーザ光を放射するレーザ装置は非常に高価であり、計測システムを構築するためのコストが増大する。
【０００９】
更には、このようなホログラフィックPIV技術においては、ホログラム画像の取得及び画像データの処理に非常に多くの時間を要し、しかも、ホログラフィックで取得される画像はスペクトル画像であることから、計測によって得られた画像から直感的に移動量等を把握することができず、従って、全ての解析処理が終了するまで、計測結果の良否を判断することができないという難点がある。また、ホログラム画像はノイズに弱いという弱点があることが知られているが、ノイズのない画像を撮影することは難しく、このため、ノイズの影響によって計測結果の信頼性が損なわれることが懸念される。
【００１０】
この他の３次元計測技術として、２台のカメラをステレオ配置し、或いは、３台以上のカメラを立体視配置し、３次元空間の個々のトレーサ粒子の速度３成分を測定する３次元PTV（Particle Tracking Velocimetry）技術が知られている。
【００１１】
しかしながら、いずれの３次元計測システムにおいても、複数の撮像装置（カメラ）をステレオ配置し、照明装置及び各撮像装置に対して電源供給線及び制御信号線等を配線する必要があるので、システムの装置構成が複雑化するばかりでなく、撮影装置の設置スペース及び配線スペース等の確保のためにシステムの全体構成が大型化する傾向がある。しかし、マイクロスケールの微小流動場を計測する場合、計測対象が微小であるので、十分な機器設置スペース及び配線スペースや、十分な周辺機器配置空間等を確保し難い事情がある。
【００１２】
また、ホログラフィックPIV（特許文献２及び３）には、システムの高額化、装置の複雑化、データ取得及びデータ処理の遅延、測定結果認識の遅延、ノイズの影響等の問題が前述の如く内在する。
【００１３】
このため、本発明者等は、単一の撮像装置（カメラ）、ミラー及びプリズムによって微小流動場の流体速度等を計測する微小流動場撮影装置の研究・開発を継続的に行ってきた。このような構成の微小流動場撮影装置に関し、２つのミラー及びプリズムを用いて粒子の画像を複数の視点から１台の撮像装置によって取得する技術が、本発明者等の学術論文 「Development of Stereo Micro PTV and Its Application to a Rotating Disk Flow（8th International Symposium On Particle Image Velocimetry-PIV09）」（非特許文献１）において提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−２８６７３３
【特許文献２】特開２００７−２９８３２７
【特許文献３】特開２００５−３１５８５０
【非特許文献１】学術論文 「Development of Stereo Micro PTV and Its Application to a Rotating Disk Flow（8th International Symposium On Particle Image Velocimetry-PIV09）」（H. J. Lee、S. Mitorida及び K. Nishino、 2009年8月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記非特許文献１に記載された技術は、微小流動場の流体速度等を計測するための粒子画像データを単一の撮像装置（カメラ）によって取得するという所期の研究目的を達成したが、計測領域を一辺約500μｍ程度の極めて微小な寸法に設定して顕微鏡の拡大倍率を増大すると、装置又は部品の加工誤差又は製作誤差の影響が顕在化し、速度解析等のために有効な画像データを取得し難いという問題が生じた。
【００１６】
このような問題は、理論的には、加工精度及び製作精度の向上により回避し得るとも考えられる。しかし、現実には、加工精度及び製作精度をいかに向上し得たとしても、このような問題を解消するに至らないことが判明した。これは、計測領域が極めて微小寸法の領域であることに起因すると考えられる。
【００１７】
また、マイクロスケールの微小流動場を測定する場合、流体固有の屈折率の影響によっても同様の問題が生じ得ることが更に判明した。
【００１８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、微小流動場の流体速度等を計測するための微小流動場撮影装置において、装置又は部品の加工誤差又は製作誤差や、流体固有の屈折率の影響等に起因する画像データ取得の困難性を解消し、マイクロスケールの微小流動場の流体速度等を解析するために有効な画像データを単一の撮像装置によって取得することができる微小流動場撮影装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上記目的を達成すべく、微小流動場の可視化流体の粒子像を撮像するための撮像装置と、該撮像装置に光学的に連結した顕微鏡と、該顕微鏡と前記微小流動場との間に配置された第１反射面及び第２反射面とを備え、前記可視化流体の流動速度を計測するための画像データを前記撮像装置によって取得する微小流動場撮影装置において、
複数の前記第１反射面と、該第１反射面の各々に対面し且つ前記顕微鏡の光路に配置された複数の前記第２反射面と、前記第１又は第２反射面の角度を調整する角度調整機構と、前記第１又は第２反射面の位置を調整する位置調整機構とを有し、
前記角度調整機構及び前記位置調整機構によって前記反射面の角度及び位置を調整し、前記微小流動場の同一粒子の反射光を前記第１及び第２反射面によって反射して前記顕微鏡内の光路に入射せしめ、異なる視点から得られた同一粒子の複数の像を前記撮像装置の単一の結像面に結像するようにしたことを特徴とする微小流動場撮影装置を提供する。
【００２０】
本発明によれば、微小流動場撮影装置は、第１又は第２反射面の角度を調整する角度調整機構と、第１又は第２反射面の位置を調整する位置調整機構とを備えており、異なる視点より得られた同一粒子の複数の粒子像が撮像装置の結像面に結像するように粒子の反射光の光路を矯正することができる。このような光路矯正手段を備えた微小流動場撮影装置によれば、顕微鏡の拡大倍率を増大して計測領域を微小化した場合であっても、同一粒子の複数の粒子像を単一の撮像装置によって確実に取得することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の微小流動場撮影装置によれば、装置又は部品の加工誤差又は製作誤差や、流体固有の屈折率の影響等に起因する画像データ取得の困難性を解消し、マイクロスケールの微小流動場における流体速度の３次元３成分を解析するために有効な画像データを単一の撮像装置によって取得し、微小流動場の流体速度を計測することができる。また、本発明を３次元PTV計測システムのための微小流動場撮影装置に適用することにより、微小流動場における流体速度の３次元３成分のみならず、粒子位置及び粒子サイズ測定等、即ち、マイクロ物体の形状計測、マイクロ物体の変位計測及びマイクロ物体の変形計測のために有効な画像データを単一の撮像装置によって取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明に係る微小流動場撮影装置を備えた３次元計測システムの構成を概略的に示すシステム構成図である。
【図２】図２は、微小流動場撮影装置の構成を概念的に示す概略縦断面図である
【図３】図３は、微小流動場撮影装置の構成を概念的に示す概略縦断面図であり、図２と直交する断面が示されている。
【図４】図４は、プリズム位置調整機構及びミラー角度調整機構を備えたステレオ光学アタッチメントの構造を示す平面図である。
【図５】図５は、図４に示すステレオ光学アタッチメントの正面図である。
【図６】図６は、図４に示すステレオ光学アタッチメントの右側面図である。
【図７】図７は、図４に示すステレオ光学アタッチメントの左側面図である。
【図８】図８は、図４のＩ−Ｉ線における断面図である。
【図９】図９は、図８のII−II線における断面図である。
【図１０】図１０は、図４のIII−III線における断面図である。
【図１１】図１１は、ミラー位置調整用螺子の緊締構造を示す縦断面図である。
【図１２】図１２は、プリズム及びミラーの調整方向を示す縦断面図である。
【図１３】図１３は、プリズム及びミラーの調整方向を示す横断面図である。
【図１４】図１４は、微小流動場撮影装置の変形例を概念的に示す概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の好適な実施形態によれば、上記角度調整機構は第１反射面の角度を調整し、上記位置調整機構は第２反射面の位置を調整する。
【００２４】
好ましくは、第１反射面の位置を調整する第２の位置調整機構が更に設けられる。更に好ましくは、角度調整機構は、顕微鏡の光軸に対して垂直な軸線を中心として第１反射面の角度を調整し、位置調整機構は、顕微鏡の光軸と平行な方向に第２反射面の位置を調整するとともに、顕微鏡の光軸に対して垂直な面内における第２反射面の位置を調整する。
【００２５】
本発明の更に好適な実施形態によれば、上記第１反射面は、角度調整機構によって角度調整可能に支持されたミラーの反射面からなり、上記第２反射面は、位置調整機構によって位置調整可能に支持され且つ顕微鏡の光路に配置されたプリズム又はミラーの反射面からなる。
【００２６】
好ましくは、顕微鏡の光軸上に配置されたプリズムによって複数の第２反射面が形成されるとともに、顕微鏡の光軸に対して垂直な方向にプリズムから離間した複数のミラーによって第１反射面が形成される。粒子から反射した反射光の光路は、プリズムとミラーとの間に形成される。
【００２７】
所望により、光源の照明光を微小流動場に向かって反射する第３反射面が、第２反射面の支持体に取付けられる。変形例として、微小流動場のための照明光を顕微鏡の同軸落射照明によって微小流動場に照射しても良い。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態において、角度調整機構及び／又は位置調整機構は、反射面の支持体を弾力的に保持する弾性体と、支持体を相対変位可能に支承する支承面と、支持体を支承面に対して相対変位せしめる調整具とを有する。弾性体は支持体を支承面に対して弾力的に付勢し、支持体は支承面に面接触する。調整具は、支持体を押圧して支持体を変位させ、支承面は、支持体の変位の方向を規制する。
【００２９】
好ましくは、上記反射面と、反射面の支持体と、支持体を支持する基盤とを備えた光学的アタッチメントが顕微鏡と微小流動場との間に配置される。基盤の位置は、撮像装置及び顕微鏡に対して固定される。
【実施例１】
【００３０】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本発明に係る微小流動場撮影装置を備えた３次元計測システムの構成を概略的に示すシステム構成図である。図２及び図３は、微小流動場撮影装置の構成を概念的に示す概略断面図である。
【００３２】
図１に示す３次元計測システムは、微小流動場撮影装置１、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）２、ディレイジェネレータ３、ファンクションジェネレータ４、レーザ装置５及びファイバースコープ６を有する。微小流動場撮影装置１は、撮像装置１１、顕微鏡１２及びステレオ光学アタッチメント１０から構成される。
【００３３】
撮像装置１１は、制御信号線（二点鎖線で示す）によってＰＣ２に接続される。ＰＣ２は、制御信号線によってディレイジェネレータ３に接続される。ディレイジェネレータ３は、制御信号線によってファンクションジェネレータ４、レーザ装置５及び顕微鏡１２に接続される。レーザ装置５には、ファイバースコープ６が接続され、ファイバースコープ６の出射部７は、計測領域Ｍの流体に対して撮影用の照明光を供給する。計測領域Ｍは、マイクロスケールの流動場であり、一辺が１ｍｍ以下、例えば、約５００μｍ程度の正立方体領域である。
【００３４】
計測領域Ｍは、ステレオ光学アタッチメント１０の直下に位置する。計測対象の流体が計測領域Ｍを流動する。流体に含まれたトレーサ粒子Ｐ（図２及び図３）の反射光（矢印で示す）が、ステレオ光学アタッチメント１０を介して顕微鏡１２の対物レンズ１３に入射する。顕微鏡１２の対物レンズ１３として、例えば、ミツトヨ製対物レンズ「M PIAN APO SL 20×, NA0.28」を好適に使用し得る。
【００３５】
顕微鏡１２の光軸は鉛直方向に設定されており、顕微鏡１２の上端部は撮像装置１１に接続される。撮像装置１１は、画像データを取得可能なデジタルＣＣＤカメラからなる。顕微鏡１２によって拡大された粒子画像は、撮像装置１１の結像面（図示せず）に結像する。
【００３６】
流体の運動は、トレーサ粒子Ｐの運動として可視化され、撮像装置１１によって撮影される。ＰＣ２は、撮像装置１１の画像を保存するとともに、粒子画像処理アルゴリズムを用いてトレーサ粒子Ｐの移動速度等、即ち、流体の流速等を演算する。
【００３７】
撮像装置１１として、例えば、以下の高解像度デジタルＣＣＤカメラを好適に使用し得る。
・製品名：JAI社製「jAi CV-M2CL」
・有効画素数：1600（h）×1200（v）
・ＣＣＤ素子サイズ：11.8mm（h）×8.9mm（v）
・ビット数：10bit
・撮影速度：30fps/dual channel
【００３８】
レーザ装置５として、ダブルパルスNd：YAGレーザ(ネオジウム・ヤグレーザ)等が使用される。例えば、以下のNd：YAGレーザをレーザ装置５として好適に使用し得る。
・製品名：Continuum社製Surelite Q-switched Nd:YAG Laser
・最高発光周波数：15Hz
・出力：170mJ/pulse＠532nm
・パルス幅：4〜6ns
【００３９】
所望により、顕微鏡１２は、レーザ光をカットし且つ螢光を通過させるレーザ光フィルタ１４を備える。レーザ光フィルタとして、例えば、ルーゲート・ノッチフィルタを好適に使用し得る。ルーゲート・ノッチフィルタは519nm〜545nmの光をカットし、95％以上の蛍光通過率を有する。
【００４０】
ディレイジェネレータ３のトリガ信号を受信したレーザ装置５は、ダブルパルスレーザを照明光としてファイバースコープ６に供給する。照明光は、ファイバースコープ６の光ファイバに導かれ、出射部７から計測領域Ｍの流体に照射される。
【００４１】
ＰＣ２は、撮像装置１１によって撮影された画像の画像データを読み込んで記憶し且つ画像データを保存するとともに、ディレイジェネレータ３の微少時間間隔の長さを調整する。ディレイジェネレータ３は、レーザ装置５のパルス間隔を制御する。ディレイジェネレータ３としてフローテック・リサーチ社製「VSD1000」、出力チャネル数：7chを好適に使用し得る。
【００４２】
ファンクションジェネレータ４は、レーザ装置５の出力周波数を任意の周波数に制御する。ファンクションジェネレータ４として、例えば、Tektronix社製FG3021Bを好適に使用し得る。
【００４３】
図２及び図３には、ステレオ光学アタッチメント１０の構成が概略的に示されている。
【００４４】
ステレオ光学アタッチメント１０は、対物レンズ１３の直下に位置するプリズム１６と、プリズム１６の両側に配置された一対のミラー１７と、プリズム１６を支持する支持部材１８と、支持部材１８の下面に取付けられたプリズム１９とを有する。
【００４５】
照明光の光路が図３に矢印で示されている。ファイバースコープ６の出射部７は照明光を水平方向に出射する。プリズム１９の反射面１９ａは、照明光を鉛直下方に反射し、計測領域Ｍに向かって光の進行方向を変換する。流体に混入したトレーサ粒子Ｐは、計測領域Ｍに入射した照明光を散乱光として反射する。
【００４６】
トレーサ粒子Ｐと対物レンズ１７との間における反射光の光路が図２に矢印で示されている。トレーサ粒子Ｐの反射光は散乱光であるが、図２には、対物レンズ１３に入射する反射光の光路のみが矢印で示されている。
【００４７】
左右のミラー１７の反射面１７ａはトレーサ粒子Ｐの反射光をプリズム１６の反射面に向かって水平方向に反射し、光の進行方向を変換する。プリズム１６の左右の反射面１６ａは、左右のミラー１７が反射した反射光を鉛直上方に反射し、対物レンズ１３に向かって光の進行方向を変換する。プリズム１６の左右の反射面１６ａが反射した反射光は、実質的に平行に対物レンズ１３に入射し、顕微鏡１２によって拡大され、撮像装置１１の結像面(図示せず)に結像する。
【００４８】
即ち、左右一対の光路が左右一対の反射面１７ａ、１６ａによって形成されるので、トレーサ粒子Ｐの反射光（散乱光）は、異なる視点より得られたトレーサ粒子Ｐの反射光として顕微鏡１２に入射する。この結果、撮像装置１１の結像面には、異なる視点から撮像した単一トレーサ粒子Ｐの２つの像が結像する。かくして、上記構成の微小流動場撮影装置１によれば、異なる視点より撮像した単一トレーサ粒子Ｐの２つの像を含む１枚の画像データを単一の撮像装置１１によって取得することができる。
【００４９】
図４、図５、図６及び図７は、ステレオ光学アタッチメント１０の構造を示す平面図、正面図、右側面図及び左側面図である。図８及び図９は、図４のＩ−Ｉ線及び図８のII−II線における断面図であり、図１０は、図４のIII−III線における断面図である。
【００５０】
ステレオ光学アタッチメント１０は、基盤２０、プリズム保持機構３０及びミラー保持機構５０を備える。プリズム保持機構３０は、プリズム１６を位置調節可能に支持する位置調整機構を構成する。ミラー保持機構５０は、プリズム１６の両側に対をなして配置され、各ミラー１７を角度調節可能に夫々支持しており、角度調整機構を構成する。
【００５１】
基盤２０は、微小流動場撮影装置１の所定位置に水平に配置される。基盤２０の位置は、微小流動場撮影装置１のフレーム（図示せず）等によって固定される。なお、図４〜図１０には、基盤２０の幅方向、奥行方向及び高さ方向がＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向として示されている。
【００５２】
プリズム保持機構３０は、固定螺子２１によって基盤２０の上面に固定された支柱３１と、支柱３１によって上下変位可能に支持されたキャリヤ３２とを備える。図８に示す如く、支柱３１は、キャリヤ３２のガイド部３３を上下方向（鉛直方向）に案内するガイド溝３４を有する。垂直な調整螺子３５が支柱３１の頂壁部分３６を貫通してガイド部３３の上端面に当接する。スプリング保持具３７が支柱３１の下部に形成され、圧縮コイルスプリング３８が、ガイド部３３の下端面とスプリング保持具３７との間に介装される。調整螺子３５の締付け力は、スプリング３８の弾性反発力に抗してガイド部３３を下方に押圧する。ガイド部３３、ガイド溝３４、調整螺子３５及びスプリング３８は、プリズム１６の上下位置調整機構を構成し、調整螺子３３を締付けてガイド部３３を下方に変位させることにより、プリズム１６を全体的に鉛直下方（Ｚ方向下方）に変位させることができ、調整螺子３３を緩めて保持具３７を上方に変位させることにより、プリズム１６を全体的に鉛直上方（Ｚ方向上方）に変位させることができる。
【００５３】
キャリヤ３２は、水平位置調整機構４０を介して支持部材１８を支持する。水平位置調整機構４０は、円形断面の水平軸部４１と、圧縮状態の皿ばね形スプリング４２と、水平軸部４１の基端部に一体化した拡大基部４３と、支持部材１８との連接部に形成された円弧状支承面４４とを有する。水平軸部４１は、キャリヤ３２の水平貫通孔４５を貫通する。水平軸部４１の先端部分に形成された螺子部４６が、支持部材１８の螺子孔１８ａに螺入する。水平軸部４１と支持部材１８とは、螺子部４６及び螺子孔１８ａの締結によって一体的に連結される。支持部材１８には、円弧状支承面４４に面接触する円弧状支承面４７が形成される。支承面４４、４７は、実質的に同じ鉛直方向（Ｚ方向）の曲率中心軸線を有し、支持部材１８は、この曲率中心軸線を中心として水平変位することができる。
【００５４】
図９に示す如く、水平な螺子孔４８が水平軸部４１の両側に対称に形成される。螺子孔４８は、キャリヤ３２の壁体をＸ方向に貫通する。調整螺子４９が各螺子孔４８に螺入し、調整螺子４９の先端部が軸部４１に当接する。片側の調整螺子４９を締付け且つ反対側の調整螺子４９を解放して軸部４１を変位させると、軸部４１は、キャリヤ３２に対してＸ方向に相対変位する。支承面４４、４７は、スプリング４２の弾性反発力によって摺接状態を維持するので、支持部材１８は、軸部４１の水平変位に相応して水平変位する。支持部材１８の水平変位は、支持部材１８の先端部に配置されたプリズム１６、１９のＸ方向の水平変位を生じさせる。
【００５５】
図４に示すように、ミラー保持機構５０の筐体５１を支持するための支持アーム２２、２３が、基盤２０の上面に配置される。筐体５１は、Ｘ方向の長軸を有する概ね直方体の外形を有する。ミラー保持機構５０は、プリズム１６の両側に対称に配置され、ミラー１７を角度調整可能に支持する。
【００５６】
図４において右側に位置するミラー保持機構５０の筐体５１は、固定螺子２１によって支持アーム２２に固定される。他方、図４において左側に位置するミラー保持機構５０の筐体５１は、支持アーム２３と筐体５１とをＸ方向に相対変位可能に支持する螺子２５によって支持される。
【００５７】
図１１は、螺子２５の緊締構造を示す断面図である。
【００５８】
支持アーム２３に穿設された螺子孔２６は、Ｘ方向に細長い水平断面を有する。ばね座金２７が、螺子２５の螺子頭と筐体５１の上面との間に介挿される。筐体５１は、螺子２５の外面と螺子孔２６の内面との間に形成された間隙２８により、支持アーム２３に対してＸ方向に相対変位することができる。
【００５９】
支持アーム２３及び筐体５１をＸ方向に相対変位させるＸ方向調整機構７０の構成が、図１０に示されている。Ｘ方向調整機構７０は、第２の位置調整機構を構成する。
【００６０】
Ｘ方向調整機構７０は、筐体５１の上面に一体的に形成された突出部７１と、突出部７１に当接する左右一対の調整螺子７３とから構成される。突出部７１は、支持アーム２３の下面に形成された凹所７４内に配置され、調整螺子７３は、Ｘ方向に延びる螺子孔７２内に螺入し、突出部７１に当接する。筐体５１は、左右の調整螺子７３の螺込み位置に相応してＸ方向に変位する。
【００６１】
図１０には、左右のミラー保持機構５０の構造が示されている。前述のとおり、ミラー保持機構５０は、角度調整機構を構成する。
【００６２】
ミラー保持機構５０は、ミラー１７を支持する半球形保持具５２と、Ｘ方向に延びる円形断面の水平軸部５３とを備える。ミラー１７は、保持具５２の凹所内に固定される。保持具５２の中心部には、Ｘ方向に延びる貫通孔５４が穿設され、水平軸部５３は、貫通孔５４内に水平に配置される。水平軸部５３の先端部は保持具５２に一体的に連結される。概ね正方形断面の外管５５が水平軸部５３の基端部に固定される。圧縮コイルスプリング５６が、外管５５の先端面５５ａと、貫通孔５４内の段部５４ａとの間に介挿される。スプリング５６は、水平軸部５３及び外管５５をＸ方向外方に付勢する。
【００６３】
調整螺子５７が筐体５１の螺子孔５８に螺入する。調整螺子５７の先端部は、外管５５の外面に当接する。調整螺子５７は、図６及び図７に示すように９０度の角度間隔を隔てて配置され、外管５５をＹ方向及びＺ方向から拘束する。
【００６４】
水平軸部５３の基端部は、各調整螺子５７の螺子込み位置に相応してＹ方向及びＺ方向に変位するので、水平軸部５３は、Ｘ方向の中心軸線に対してＹ方向又はＺ方向に傾斜する。
【００６５】
図１０に示すように、筐体５１の先端面には、保持具５２の半球形面と相補する形態の半球形凹所５１ａが形成され、保持具５２の半球形表面は、半球形凹所５１ａの内面と摺接する。保持具５２は、水平軸部５３の傾斜に従って半球形凹所５１ａ内で回動し、ミラー１７の角度を変化させる。
【００６６】
図１２及び図１３は、プリズム保持機構３０、水平位置調整機構４０、ミラー保持機構５０及びＸ方向調整機構７０によるプリズム１６及びミラー１７の調整方向を示す縦断面図及び横断面図である。
【００６７】
図１２及び図１３には、プリズム保持機構３０、水平位置調整機構４０、ミラー保持機構５０及びＸ方向調整機構７０によるプリズム１６及びミラー１７の調整方向α、β、γ、ηが示されている。このような調整機構を備えた微小流動場撮影装置１によれば、計測領域Ｍと撮像装置１１の結像面との間の光路を微修正又は微調整することができるので、装置又は部品の加工誤差又は製作誤差や、計測対象の流体の相違による取得画像データの影響を解消し、マイクロスケールの微小流動場の流体速度を解析するために有効な画像を単一の撮像装置１１によって確実に取得することができる。
【００６８】
図１４は、微小流動場撮影装置１の変形例を概念的に示す概略断面図である。
【００６９】
図１４に示す微小流動場撮影装置１は、破線で示す顕微鏡１２の落射照明をプリズム１６及びミラー１７によって計測領域Ｍに照射するとともに、トレーサ粒子Ｐの反射光をプリズム１６及びミラー１７によって顕微鏡１２に入射させる構成を有する。その他の構成は、前述の実施例と同一である。
【００７０】
以上、本発明の好適な実施形態及び実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。
【００７１】
例えば、上記実施例では、中央部に配置したプリズムの反射面を第２反射面として使用しているが、プリズムと同等の機能を有する複数のミラーによって第２反射面を形成しても良い。
【００７２】
また、上記実施例では、各調整機構は、手動操作される構造の機構であるが、遠隔操作又は自動制御される構成を備えた調整機構を採用することも可能である。
【００７３】
更には、上記実施例おいては、プリズムの両側に一対のミラーを備えた構成について説明したが、３つ以上のミラーを備えた構成を採用しても良い。この場合、３つ以上のミラーの反射光を顕微鏡の対物レンズに向けて反射する３つ以上の反射面が上記プリズムの位置に配置される。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の微小流動場撮影装置は、１ｍｍ以下、例えば、約５００μｍ程度の寸法に設定されたマイクロスケールの微小流動場を流動する可視化流体の流速の３次元３成分計測を行うための微小流動場撮影システムに好適に使用される。また、本発明を３次元PTV計測のための微小流動場撮影システムに適用することにより、微小流動場における流体速度の３次元３成分のみならず、粒子位置測定及び粒子サイズ測定等、即ち、マイクロ物体の形状計測、マイクロ物体の変位計測及びマイクロ物体の変形計測のために有効な画像データにも有効な画像データを単一の撮像装置によって取得することができる。従って、本発明の微小流動場撮影装置によれば、複数の撮像装置、複雑な制御系及び制御機構、多大な部品点数、大形の装置構成等を要することなく、しかも、部品又は機構に関する過度の加工精度又は製作精度を要することなく、既存の顕微鏡システムに改造を施すことなく、本発明を適用し、或いは、本発明に係るステレオ光学アタッチメントを装着することによって、微小流動場の３次元流速計測や、粒子位置計測、粒子サイズ計測等のマイクロ物体形状計測、マイクロ物体変位計測及びマイクロ物体変形計測を行うことが可能となるので、本発明の実用的価値には顕著なるものがある。
【符号の説明】
【００７５】
１ 微小流動場撮影装置
２ ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
３ ディレイジェネレータ
４ ファンクションジェネレータ
５ レーザ装置
６ ファイバースコープ
７ 出射部
１０ ステレオ光学アタッチメント
１１ 撮像装置
１２ 顕微鏡
１３ 対物レンズ
１４ レーザ光フィルタ
１６ プリズム
１６ａ 反射面（第２反射面）
１７ ミラー
１７ａ 反射面（第１反射面）
１８ 支持部材
２０ 基盤
３０ プリズム保持機構（位置調整機構）
４０ 水平位置調整機構
５０ ミラー保持機構（角度調整機構）
７０ Ｘ方向調整機構（第２の位置調整機構）
Ｍ 計測領域
Ｐ トレーサ粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小流動場撮影装置に関するものであり、より詳細には、流体を可視化して微小流動場の流体速度等を計測するための微小流動場撮影装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体を可視化するためのトレーサ粒子をマーカとして流体の流れに混入し、流動場の流体速度等を計測する可視化計測技術が知られている。可視化計測技術として知られる直接撮影法においては、二重露光撮影又は高速度カメラ撮影や、パルスレーザ及びデジタルＣＣＤカメラを用いたフレームまたぎ撮影等の方法によって、トレーサ粒子を短い時間間隔で連続撮影することにより、粒子の移動距離が測定される。粒子の速度は、移動距離を時間間隔で除すことによって演算される。
【０００３】
PIV（Particle Image Velocimetry）技術は、流れの速度分布を調べる直接撮影法として普及している計測技法である。PIV計測技法によれば、シート光内における面内２成分の速度成分を計測することができる。
【０００４】
しかしながら、実際の流動場における流れの態様は複雑であり、多くの流れは、３次元空間内の速度３成分を有する。このため、実際の速度計測においては、３次元速度の情報を得る必要が生じることが多いが、３次元計測を行うには、物理空間と像座標との対応関係を求めることが必須となる。
【０００５】
物理空間と像座標との対応関係を求めるには、少なくとも２台のカメラを用い、異なる視点より流動場の画像を撮影する必要が生じる。
例えば、ステレオPIV技術は、特開２００４−２８６７３３号（特許文献１）に記載される如く、ステレオ配置した２台のカメラを使用し、レーザシート光内の速度３成分を２台のカメラによって測定し、流体速度の２次元３成分を計測する計測技法である。
【０００６】
他方、流体速度の３次元３成分を計測する技術として、ホログラフィックPIV技術が知られている（特開２００７−２９８３２７号公報（特許文献２）、特開２００５−３１５８５０号公報（特許文献３））。ステレオPIV技術が２次元計測技術であるのに対し、ホログラフィックPIV 技術は、３次元計測技術である点で優位性がある。
【０００７】
特許文献２に記載されたホログラフィックPIV技術においては、２台のカメラの光軸が、計測対象の粒子に対して角度間隔を隔てた位置に配置される。粒子の干渉画像が２台のカメラによって撮像される。しかし、干渉画像を取得するためには、様々なレンズを用いて光路の調整を行う必要があり、装置構成又はシステム構成が複雑化する。
【０００８】
これに対し、特許文献３に記載されたホログラフィックPIV技術によれば、２色のレーザ光を使用することにより、計測対象の３次元位置情報を１台のカメラによって取得することができる。しかし、特許文献２のホログラフィックPIV技術と同じく、特許文献３のホログラフィックPIV技術においても、干渉画像を取得するために様々なレンズを用いて光路の調整を行う必要があるので、装置構成又はシステム構成は複雑化する。しかも、２色のレーザ光を放射するレーザ装置は非常に高価であり、計測システムを構築するためのコストが増大する。
【０００９】
更には、このようなホログラフィックPIV技術においては、ホログラム画像の取得及び画像データの処理に非常に多くの時間を要し、しかも、ホログラフィックで取得される画像はスペクトル画像であることから、計測によって得られた画像から直感的に移動量等を把握することができず、従って、全ての解析処理が終了するまで、計測結果の良否を判断することができないという難点がある。また、ホログラム画像はノイズに弱いという弱点があることが知られているが、ノイズのない画像を撮影することは難しく、このため、ノイズの影響によって計測結果の信頼性が損なわれることが懸念される。
【００１０】
この他の３次元計測技術として、２台のカメラをステレオ配置し、或いは、３台以上のカメラを立体視配置し、３次元空間の個々のトレーサ粒子の速度３成分を測定する３次元PTV（Particle Tracking Velocimetry）技術が知られている。
【００１１】
しかしながら、いずれの３次元計測システムにおいても、複数の撮像装置（カメラ）をステレオ配置し、照明装置及び各撮像装置に対して電源供給線及び制御信号線等を配線する必要があるので、システムの装置構成が複雑化するばかりでなく、撮影装置の設置スペース及び配線スペース等の確保のためにシステムの全体構成が大型化する傾向がある。しかし、マイクロスケールの微小流動場を計測する場合、計測対象が微小であるので、十分な機器設置スペース及び配線スペースや、十分な周辺機器配置空間等を確保し難い事情がある。
【００１２】
また、ホログラフィックPIV（特許文献２及び３）には、システムの高額化、装置の複雑化、データ取得及びデータ処理の遅延、測定結果認識の遅延、ノイズの影響等の問題が前述の如く内在する。
【００１３】
このため、本発明者等は、単一の撮像装置（カメラ）、ミラー及びプリズムによって微小流動場の流体速度等を計測する微小流動場撮影装置の研究・開発を継続的に行ってきた。このような構成の微小流動場撮影装置に関し、２つのミラー及びプリズムを用いて粒子の画像を複数の視点から１台の撮像装置によって取得する技術が、本発明者等の学術論文 「Development of Stereo Micro PTV and Its Application to a Rotating Disk Flow（8th International Symposium On Particle Image Velocimetry-PIV09）」（非特許文献１）において提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−２８６７３３
【特許文献２】特開２００７−２９８３２７
【特許文献３】特開２００５−３１５８５０
【非特許文献１】学術論文 「Development of Stereo Micro PTV and Its Application to a Rotating Disk Flow（8th International Symposium On Particle Image Velocimetry-PIV09）」（H. J. Lee、S. Mitorida及び K. Nishino、 2009年8月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記非特許文献１に記載された技術は、微小流動場の流体速度等を計測するための粒子画像データを単一の撮像装置（カメラ）によって取得するという所期の研究目的を達成したが、計測領域を一辺約500μｍ程度の極めて微小な寸法に設定して顕微鏡の拡大倍率を増大すると、装置又は部品の加工誤差又は製作誤差の影響が顕在化し、速度解析等のために有効な画像データを取得し難いという問題が生じた。
【００１６】
このような問題は、理論的には、加工精度及び製作精度の向上により回避し得るとも考えられる。しかし、現実には、加工精度及び製作精度をいかに向上し得たとしても、このような問題を解消するに至らないことが判明した。これは、計測領域が極めて微小寸法の領域であることに起因すると考えられる。
【００１７】
また、マイクロスケールの微小流動場を測定する場合、流体固有の屈折率の影響によっても同様の問題が生じ得ることが更に判明した。
【００１８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、微小流動場の流体速度等を計測するための微小流動場撮影装置において、装置又は部品の加工誤差又は製作誤差や、流体固有の屈折率の影響等に起因する画像データ取得の困難性を解消し、マイクロスケールの微小流動場の流体速度等を解析するために有効な画像データを単一の撮像装置によって取得することができる微小流動場撮影装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上記目的を達成すべく、微小流動場の可視化流体の粒子像を撮像するための撮像装置と、該撮像装置に光学的に連結した顕微鏡と、該顕微鏡と前記微小流動場との間に配置された第１反射面及び第２反射面とを備え、前記可視化流体の流動速度を計測するための画像データを前記撮像装置によって取得する微小流動場撮影装置において、
複数の前記第１反射面と、該第１反射面の各々に対面し且つ前記顕微鏡の光路に配置された複数の前記第２反射面と、前記第１又は第２反射面の角度を調整する角度調整機構と、前記第１又は第２反射面の位置を調整する位置調整機構とを有し、
前記角度調整機構及び前記位置調整機構によって前記反射面の角度及び位置を調整し、前記微小流動場の同一粒子の反射光を前記第１及び第２反射面によって反射して前記顕微鏡内の光路に入射せしめ、異なる視点から得られた同一粒子の複数の像を前記撮像装置の単一の結像面に結像するようにしたことを特徴とする微小流動場撮影装置を提供する。
【００２０】
本発明によれば、微小流動場撮影装置は、第１又は第２反射面の角度を調整する角度調整機構と、第１又は第２反射面の位置を調整する位置調整機構とを備えており、異なる視点より得られた同一粒子の複数の粒子像が撮像装置の結像面に結像するように粒子の反射光の光路を矯正することができる。このような光路矯正手段を備えた微小流動場撮影装置によれば、顕微鏡の拡大倍率を増大して計測領域を微小化した場合であっても、同一粒子の複数の粒子像を単一の撮像装置によって確実に取得することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の微小流動場撮影装置によれば、装置又は部品の加工誤差又は製作誤差や、流体固有の屈折率の影響等に起因する画像データ取得の困難性を解消し、マイクロスケールの微小流動場における流体速度の３次元３成分を解析するために有効な画像データを単一の撮像装置によって取得し、微小流動場の流体速度を計測することができる。また、本発明を３次元PTV計測システムのための微小流動場撮影装置に適用することにより、微小流動場における流体速度の３次元３成分のみならず、粒子位置及び粒子サイズ測定等、即ち、マイクロ物体の形状計測、マイクロ物体の変位計測及びマイクロ物体の変形計測のために有効な画像データを単一の撮像装置によって取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明に係る微小流動場撮影装置を備えた３次元計測システムの構成を概略的に示すシステム構成図である。
【図２】図２は、微小流動場撮影装置の構成を概念的に示す概略縦断面図である
【図３】図３は、微小流動場撮影装置の構成を概念的に示す概略縦断面図であり、図２と直交する断面が示されている。
【図４】図４は、プリズム位置調整機構及びミラー角度調整機構を備えたステレオ光学アタッチメントの構造を示す平面図である。
【図５】図５は、図４に示すステレオ光学アタッチメントの正面図である。
【図６】図６は、図４に示すステレオ光学アタッチメントの右側面図である。
【図７】図７は、図４に示すステレオ光学アタッチメントの左側面図である。
【図８】図８は、図４のＩ−Ｉ線における断面図である。
【図９】図９は、図８のII−II線における断面図である。
【図１０】図１０は、図４のIII−III線における断面図である。
【図１１】図１１は、ミラー位置調整用螺子の緊締構造を示す縦断面図である。
【図１２】図１２は、プリズム及びミラーの調整方向を示す縦断面図である。
【図１３】図１３は、プリズム及びミラーの調整方向を示す横断面図である。
【図１４】図１４は、微小流動場撮影装置の変形例を概念的に示す概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の好適な実施形態によれば、上記角度調整機構は第１反射面の角度を調整し、上記位置調整機構は第２反射面の位置を調整する。
【００２４】
好ましくは、第１反射面の位置を調整する第２の位置調整機構が更に設けられる。更に好ましくは、角度調整機構は、顕微鏡の光軸に対して垂直な軸線を中心として第１反射面の角度を調整し、位置調整機構は、顕微鏡の光軸と平行な方向に第２反射面の位置を調整するとともに、顕微鏡の光軸に対して垂直な面内における第２反射面の位置を調整する。
【００２５】
本発明の更に好適な実施形態によれば、上記第１反射面は、角度調整機構によって角度調整可能に支持されたミラーの反射面からなり、上記第２反射面は、位置調整機構によって位置調整可能に支持され且つ顕微鏡の光路に配置されたプリズム又はミラーの反射面からなる。
【００２６】
好ましくは、顕微鏡の光軸上に配置されたプリズムによって複数の第２反射面が形成されるとともに、顕微鏡の光軸に対して垂直な方向にプリズムから離間した複数のミラーによって第１反射面が形成される。粒子から反射した反射光の光路は、プリズムとミラーとの間に形成される。
【００２７】
所望により、光源の照明光を微小流動場に向かって反射する第３反射面が、第２反射面の支持体に取付けられる。変形例として、微小流動場のための照明光を顕微鏡の同軸落射照明によって微小流動場に照射しても良い。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態において、角度調整機構及び／又は位置調整機構は、反射面の支持体を弾力的に保持する弾性体と、支持体を相対変位可能に支承する支承面と、支持体を支承面に対して相対変位せしめる調整具とを有する。弾性体は支持体を支承面に対して弾力的に付勢し、支持体は支承面に面接触する。調整具は、支持体を押圧して支持体を変位させ、支承面は、支持体の変位の方向を規制する。
【００２９】
好ましくは、上記反射面と、反射面の支持体と、支持体を支持する基盤とを備えた光学的アタッチメントが顕微鏡と微小流動場との間に配置される。基盤の位置は、撮像装置及び顕微鏡に対して固定される。
【実施例１】
【００３０】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本発明に係る微小流動場撮影装置を備えた３次元計測システムの構成を概略的に示すシステム構成図である。図２及び図３は、微小流動場撮影装置の構成を概念的に示す概略断面図である。
【００３２】
図１に示す３次元計測システムは、微小流動場撮影装置１、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）２、ディレイジェネレータ３、ファンクションジェネレータ４、レーザ装置５及びファイバースコープ６を有する。微小流動場撮影装置１は、撮像装置１１、顕微鏡１２及びステレオ光学アタッチメント１０から構成される。
【００３３】
撮像装置１１は、制御信号線（二点鎖線で示す）によってＰＣ２に接続される。ＰＣ２は、制御信号線によってディレイジェネレータ３に接続される。ディレイジェネレータ３は、制御信号線によってファンクションジェネレータ４、レーザ装置５及び顕微鏡１２に接続される。レーザ装置５には、ファイバースコープ６が接続され、ファイバースコープ６の出射部７は、計測領域Ｍの流体に対して撮影用の照明光を供給する。計測領域Ｍは、マイクロスケールの流動場であり、一辺が１ｍｍ以下、例えば、約５００μｍ程度の正立方体領域である。
【００３４】
計測領域Ｍは、ステレオ光学アタッチメント１０の直下に位置する。計測対象の流体が計測領域Ｍを流動する。流体に含まれたトレーサ粒子Ｐ（図２及び図３）の反射光（矢印で示す）が、ステレオ光学アタッチメント１０を介して顕微鏡１２の対物レンズ１３に入射する。顕微鏡１２の対物レンズ１３として、例えば、ミツトヨ製対物レンズ「M PIAN APO SL 20×, NA0.28」を好適に使用し得る。
【００３５】
顕微鏡１２の光軸は鉛直方向に設定されており、顕微鏡１２の上端部は撮像装置１１に接続される。撮像装置１１は、画像データを取得可能なデジタルＣＣＤカメラからなる。顕微鏡１２によって拡大された粒子画像は、撮像装置１１の結像面（図示せず）に結像する。
【００３６】
流体の運動は、トレーサ粒子Ｐの運動として可視化され、撮像装置１１によって撮影される。ＰＣ２は、撮像装置１１の画像を保存するとともに、粒子画像処理アルゴリズムを用いてトレーサ粒子Ｐの移動速度等、即ち、流体の流速等を演算する。
【００３７】
撮像装置１１として、例えば、以下の高解像度デジタルＣＣＤカメラを好適に使用し得る。
・製品名：JAI社製「jAi CV-M2CL」
・有効画素数：1600（h）×1200（v）
・ＣＣＤ素子サイズ：11.8mm（h）×8.9mm（v）
・ビット数：10bit
・撮影速度：30fps/dual channel
【００３８】
レーザ装置５として、ダブルパルスNd：YAGレーザ(ネオジウム・ヤグレーザ)等が使用される。例えば、以下のNd：YAGレーザをレーザ装置５として好適に使用し得る。
・製品名：Continuum社製Surelite Q-switched Nd:YAG Laser
・最高発光周波数：15Hz
・出力：170mJ/pulse＠532nm
・パルス幅：4〜6ns
【００３９】
所望により、顕微鏡１２は、レーザ光をカットし且つ螢光を通過させるレーザ光フィルタ１４を備える。レーザ光フィルタとして、例えば、ルーゲート・ノッチフィルタを好適に使用し得る。ルーゲート・ノッチフィルタは519nm〜545nmの光をカットし、95％以上の蛍光通過率を有する。
【００４０】
ディレイジェネレータ３のトリガ信号を受信したレーザ装置５は、ダブルパルスレーザを照明光としてファイバースコープ６に供給する。照明光は、ファイバースコープ６の光ファイバに導かれ、出射部７から計測領域Ｍの流体に照射される。
【００４１】
ＰＣ２は、撮像装置１１によって撮影された画像の画像データを読み込んで記憶し且つ画像データを保存するとともに、ディレイジェネレータ３の微少時間間隔の長さを調整する。ディレイジェネレータ３は、レーザ装置５のパルス間隔を制御する。ディレイジェネレータ３としてフローテック・リサーチ社製「VSD1000」、出力チャネル数：7chを好適に使用し得る。
【００４２】
ファンクションジェネレータ４は、レーザ装置５の出力周波数を任意の周波数に制御する。ファンクションジェネレータ４として、例えば、Tektronix社製FG3021Bを好適に使用し得る。
【００４３】
図２及び図３には、ステレオ光学アタッチメント１０の構成が概略的に示されている。
【００４４】
ステレオ光学アタッチメント１０は、対物レンズ１３の直下に位置するプリズム１６と、プリズム１６の両側に配置された一対のミラー１７と、プリズム１６を支持する支持部材１８と、支持部材１８の下面に取付けられたプリズム１９とを有する。
【００４５】
照明光の光路が図３に矢印で示されている。ファイバースコープ６の出射部７は照明光を水平方向に出射する。プリズム１９の反射面１９ａは、照明光を鉛直下方に反射し、計測領域Ｍに向かって光の進行方向を変換する。流体に混入したトレーサ粒子Ｐは、計測領域Ｍに入射した照明光を散乱光として反射する。
【００４６】
トレーサ粒子Ｐと対物レンズ１７との間における反射光の光路が図２に矢印で示されている。トレーサ粒子Ｐの反射光は散乱光であるが、図２には、対物レンズ１３に入射する反射光の光路のみが矢印で示されている。
【００４７】
左右のミラー１７の反射面１７ａはトレーサ粒子Ｐの反射光をプリズム１６の反射面に向かって水平方向に反射し、光の進行方向を変換する。プリズム１６の左右の反射面１６ａは、左右のミラー１７が反射した反射光を鉛直上方に反射し、対物レンズ１３に向かって光の進行方向を変換する。プリズム１６の左右の反射面１６ａが反射した反射光は、実質的に平行に対物レンズ１３に入射し、顕微鏡１２によって拡大され、撮像装置１１の結像面(図示せず)に結像する。
【００４８】
即ち、左右一対の光路が左右一対の反射面１７ａ、１６ａによって形成されるので、トレーサ粒子Ｐの反射光（散乱光）は、異なる視点より得られたトレーサ粒子Ｐの反射光として顕微鏡１２に入射する。この結果、撮像装置１１の結像面には、異なる視点から撮像した単一トレーサ粒子Ｐの２つの像が結像する。かくして、上記構成の微小流動場撮影装置１によれば、異なる視点より撮像した単一トレーサ粒子Ｐの２つの像を含む１枚の画像データを単一の撮像装置１１によって取得することができる。
【００４９】
図４、図５、図６及び図７は、ステレオ光学アタッチメント１０の構造を示す平面図、正面図、右側面図及び左側面図である。図８及び図９は、図４のＩ−Ｉ線及び図８のII−II線における断面図であり、図１０は、図４のIII−III線における断面図である。
【００５０】
ステレオ光学アタッチメント１０は、基盤２０、プリズム保持機構３０及びミラー保持機構５０を備える。プリズム保持機構３０は、プリズム１６を位置調節可能に支持する位置調整機構を構成する。ミラー保持機構５０は、プリズム１６の両側に対をなして配置され、各ミラー１７を角度調節可能に夫々支持しており、角度調整機構を構成する。
【００５１】
基盤２０は、微小流動場撮影装置１の所定位置に水平に配置される。基盤２０の位置は、微小流動場撮影装置１のフレーム（図示せず）等によって固定される。なお、図４〜図１０には、基盤２０の幅方向、奥行方向及び高さ方向がＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向として示されている。
【００５２】
プリズム保持機構３０は、固定螺子２１によって基盤２０の上面に固定された支柱３１と、支柱３１によって上下変位可能に支持されたキャリヤ３２とを備える。図８に示す如く、支柱３１は、キャリヤ３２のガイド部３３を上下方向（鉛直方向）に案内するガイド溝３４を有する。垂直な調整螺子３５が支柱３１の頂壁部分３６を貫通してガイド部３３の上端面に当接する。スプリング保持具３７が支柱３１の下部に形成され、圧縮コイルスプリング３８が、ガイド部３３の下端面とスプリング保持具３７との間に介装される。調整螺子３５の締付け力は、スプリング３８の弾性反発力に抗してガイド部３３を下方に押圧する。ガイド部３３、ガイド溝３４、調整螺子３５及びスプリング３８は、プリズム１６の上下位置調整機構を構成し、調整螺子３３を締付けてガイド部３３を下方に変位させることにより、プリズム１６を全体的に鉛直下方（Ｚ方向下方）に変位させることができ、調整螺子３３を緩めて保持具３７を上方に変位させることにより、プリズム１６を全体的に鉛直上方（Ｚ方向上方）に変位させることができる。
【００５３】
キャリヤ３２は、水平位置調整機構４０を介して支持部材１８を支持する。水平位置調整機構４０は、円形断面の水平軸部４１と、圧縮状態の皿ばね形スプリング４２と、水平軸部４１の基端部に一体化した拡大基部４３と、支持部材１８との連接部に形成された円弧状支承面４４とを有する。水平軸部４１は、キャリヤ３２の水平貫通孔４５を貫通する。水平軸部４１の先端部分に形成された螺子部４６が、支持部材１８の螺子孔１８ａに螺入する。水平軸部４１と支持部材１８とは、螺子部４６及び螺子孔１８ａの締結によって一体的に連結される。支持部材１８には、円弧状支承面４４に面接触する円弧状支承面４７が形成される。支承面４４、４７は、実質的に同じ鉛直方向（Ｚ方向）の曲率中心軸線を有し、支持部材１８は、この曲率中心軸線を中心として水平変位することができる。
【００５４】
図９に示す如く、水平な螺子孔４８が水平軸部４１の両側に対称に形成される。螺子孔４８は、キャリヤ３２の壁体をＸ方向に貫通する。調整螺子４９が各螺子孔４８に螺入し、調整螺子４９の先端部が軸部４１に当接する。片側の調整螺子４９を締付け且つ反対側の調整螺子４９を解放して軸部４１を変位させると、軸部４１は、キャリヤ３２に対してＸ方向に相対変位する。支承面４４、４７は、スプリング４２の弾性反発力によって摺接状態を維持するので、支持部材１８は、軸部４１の水平変位に相応して水平変位する。支持部材１８の水平変位は、支持部材１８の先端部に配置されたプリズム１６、１９のＸ方向の水平変位を生じさせる。
【００５５】
図４に示すように、ミラー保持機構５０の筐体５１を支持するための支持アーム２２、２３が、基盤２０の上面に配置される。筐体５１は、Ｘ方向の長軸を有する概ね直方体の外形を有する。ミラー保持機構５０は、プリズム１６の両側に対称に配置され、ミラー１７を角度調整可能に支持する。
【００５６】
図４において右側に位置するミラー保持機構５０の筐体５１は、固定螺子２１によって支持アーム２２に固定される。他方、図４において左側に位置するミラー保持機構５０の筐体５１は、支持アーム２３と筐体５１とをＸ方向に相対変位可能に支持する螺子２５によって支持される。
【００５７】
図１１は、螺子２５の緊締構造を示す断面図である。
【００５８】
支持アーム２３に穿設された螺子孔２６は、Ｘ方向に細長い水平断面を有する。ばね座金２７が、螺子２５の螺子頭と筐体５１の上面との間に介挿される。筐体５１は、螺子２５の外面と螺子孔２６の内面との間に形成された間隙２８により、支持アーム２３に対してＸ方向に相対変位することができる。
【００５９】
支持アーム２３及び筐体５１をＸ方向に相対変位させるＸ方向調整機構７０の構成が、図１０に示されている。Ｘ方向調整機構７０は、第２の位置調整機構を構成する。
【００６０】
Ｘ方向調整機構７０は、筐体５１の上面に一体的に形成された突出部７１と、突出部７１に当接する左右一対の調整螺子７３とから構成される。突出部７１は、支持アーム２３の下面に形成された凹所７４内に配置され、調整螺子７３は、Ｘ方向に延びる螺子孔７２内に螺入し、突出部７１に当接する。筐体５１は、左右の調整螺子７３の螺込み位置に相応してＸ方向に変位する。
【００６１】
図１０には、左右のミラー保持機構５０の構造が示されている。前述のとおり、ミラー保持機構５０は、角度調整機構を構成する。
【００６２】
ミラー保持機構５０は、ミラー１７を支持する半球形保持具５２と、Ｘ方向に延びる円形断面の水平軸部５３とを備える。ミラー１７は、保持具５２の凹所内に固定される。保持具５２の中心部には、Ｘ方向に延びる貫通孔５４が穿設され、水平軸部５３は、貫通孔５４内に水平に配置される。水平軸部５３の先端部は保持具５２に一体的に連結される。概ね正方形断面の外管５５が水平軸部５３の基端部に固定される。圧縮コイルスプリング５６が、外管５５の先端面５５ａと、貫通孔５４内の段部５４ａとの間に介挿される。スプリング５６は、水平軸部５３及び外管５５をＸ方向外方に付勢する。
【００６３】
調整螺子５７が筐体５１の螺子孔５８に螺入する。調整螺子５７の先端部は、外管５５の外面に当接する。調整螺子５７は、図６及び図７に示すように９０度の角度間隔を隔てて配置され、外管５５をＹ方向及びＺ方向から拘束する。
【００６４】
水平軸部５３の基端部は、各調整螺子５７の螺子込み位置に相応してＹ方向及びＺ方向に変位するので、水平軸部５３は、Ｘ方向の中心軸線に対してＹ方向又はＺ方向に傾斜する。
【００６５】
図１０に示すように、筐体５１の先端面には、保持具５２の半球形面と相補する形態の半球形凹所５１ａが形成され、保持具５２の半球形表面は、半球形凹所５１ａの内面と摺接する。保持具５２は、水平軸部５３の傾斜に従って半球形凹所５１ａ内で回動し、ミラー１７の角度を変化させる。
【００６６】
図１２及び図１３は、プリズム保持機構３０、水平位置調整機構４０、ミラー保持機構５０及びＸ方向調整機構７０によるプリズム１６及びミラー１７の調整方向を示す縦断面図及び横断面図である。
【００６７】
図１２及び図１３には、プリズム保持機構３０、水平位置調整機構４０、ミラー保持機構５０及びＸ方向調整機構７０によるプリズム１６及びミラー１７の調整方向α、β、γ、ηが示されている。このような調整機構を備えた微小流動場撮影装置１によれば、計測領域Ｍと撮像装置１１の結像面との間の光路を微修正又は微調整することができるので、装置又は部品の加工誤差又は製作誤差や、計測対象の流体の相違による取得画像データの影響を解消し、マイクロスケールの微小流動場の流体速度を解析するために有効な画像を単一の撮像装置１１によって確実に取得することができる。
【００６８】
図１４は、微小流動場撮影装置１の変形例を概念的に示す概略断面図である。
【００６９】
図１４に示す微小流動場撮影装置１は、破線で示す顕微鏡１２の落射照明をプリズム１６及びミラー１７によって計測領域Ｍに照射するとともに、トレーサ粒子Ｐの反射光をプリズム１６及びミラー１７によって顕微鏡１２に入射させる構成を有する。その他の構成は、前述の実施例と同一である。
【００７０】
以上、本発明の好適な実施形態及び実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。
【００７１】
例えば、上記実施例では、中央部に配置したプリズムの反射面を第２反射面として使用しているが、プリズムと同等の機能を有する複数のミラーによって第２反射面を形成しても良い。
【００７２】
また、上記実施例では、各調整機構は、手動操作される構造の機構であるが、遠隔操作又は自動制御される構成を備えた調整機構を採用することも可能である。
【００７３】
更には、上記実施例おいては、プリズムの両側に一対のミラーを備えた構成について説明したが、３つ以上のミラーを備えた構成を採用しても良い。この場合、３つ以上のミラーの反射光を顕微鏡の対物レンズに向けて反射する３つ以上の反射面が上記プリズムの位置に配置される。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の微小流動場撮影装置は、１ｍｍ以下、例えば、約５００μｍ程度の寸法に設定されたマイクロスケールの微小流動場を流動する可視化流体の流速の３次元３成分計測を行うための微小流動場撮影システムに好適に使用される。また、本発明を３次元PTV計測のための微小流動場撮影システムに適用することにより、微小流動場における流体速度の３次元３成分のみならず、粒子位置測定及び粒子サイズ測定等、即ち、マイクロ物体の形状計測、マイクロ物体の変位計測及びマイクロ物体の変形計測のために有効な画像データにも有効な画像データを単一の撮像装置によって取得することができる。従って、本発明の微小流動場撮影装置によれば、複数の撮像装置、複雑な制御系及び制御機構、多大な部品点数、大形の装置構成等を要することなく、しかも、部品又は機構に関する過度の加工精度又は製作精度を要することなく、既存の顕微鏡システムに改造を施すことなく、本発明を適用し、或いは、本発明に係るステレオ光学アタッチメントを装着することによって、微小流動場の３次元流速計測や、粒子位置計測、粒子サイズ計測等のマイクロ物体形状計測、マイクロ物体変位計測及びマイクロ物体変形計測を行うことが可能となるので、本発明の実用的価値には顕著なるものがある。
【符号の説明】
【００７５】
１ 微小流動場撮影装置
２ ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
３ ディレイジェネレータ
４ ファンクションジェネレータ
５ レーザ装置
６ ファイバースコープ
７ 出射部
１０ ステレオ光学アタッチメント
１１ 撮像装置
１２ 顕微鏡
１３ 対物レンズ
１４ レーザ光フィルタ
１６ プリズム
１６ａ 反射面（第２反射面）
１７ ミラー
１７ａ 反射面（第１反射面）
１８ 支持部材
２０ 基盤
３０ プリズム保持機構（位置調整機構）
４０ 水平位置調整機構
５０ ミラー保持機構（角度調整機構）
７０ Ｘ方向調整機構（第２の位置調整機構）
Ｍ 計測領域
Ｐ トレーサ粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小流動場の可視化流体の粒子像を撮像するための撮像装置と、該撮像装置に光学的に連結した顕微鏡と、該顕微鏡と前記微小流動場との間に配置された第１反射面及び第２反射面とを備え、前記可視化流体の流動速度を計測するための画像データを前記撮像装置によって取得する微小流動場撮影装置において、
複数の前記第１反射面と、該第１反射面の各々に対面し且つ前記顕微鏡の光路に配置された複数の前記第２反射面と、前記第１又は第２反射面の角度を調整する角度調整機構と、前記第１又は第２反射面の位置を調整する位置調整機構とを有し、
前記角度調整機構及び前記位置調整機構によって前記反射面の角度及び位置を調整し、前記微小流動場の粒子の反射光を前記第１及び第２反射面によって反射して前記顕微鏡内の光路に入射せしめ、異なる視点から得られた同一粒子の複数の像を前記撮像装置の単一の結像面に結像するようにしたことを特徴とする微小流動場撮影装置。
【請求項２】
前記角度調整機構は、前記第１反射面の角度を調整し、前記位置調整機構は、前記第２反射面の位置を調整することを特徴とする請求項１に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項３】
前記第１反射面の位置を調整する第２の位置調整機構を更に有することを特徴とする請求項２に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項４】
前記角度調整機構は、前記顕微鏡の光軸に対して垂直な軸線を中心として前記第１反射面の角度を調整し、前記位置調整機構は、前記顕微鏡の光軸と平行な方向に前記第２反射面の位置を調整するとともに、前記顕微鏡の光軸に対して垂直な面内における前記第２反射面の位置を調整することを特徴とする請求項２に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項５】
前記第１反射面は、前記角度調整機構によって角度調整可能に支持されたミラーの反射面からなり、前記第２反射面は、前記位置調整機構によって位置調整可能に支持され且つ前記顕微鏡の光路に配置されたプリズム又はミラーの反射面からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項６】
前記顕微鏡の光軸上に配置されたプリズムによって複数の前記第２反射面が形成され、前記光軸に対して垂直な方向に前記プリズムから離間した複数のミラーによって前記第１反射面が形成され、前記プリズムと前記ミラーとの間には、前記粒子から反射した反射光の光路が形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項７】
光源の照明光を前記微小流動場に向かって反射する第３反射面が、前記第２反射面の支持体に取付けられたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項８】
前記微小流動場の照明光が、前記顕微鏡の同軸落射照明によって前記微小流動場に照射されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項９】
前記角度調整機構及び／又は前記位置調整機構は、前記反射面の支持体を弾力的に保持する弾性体と、前記支持体を支承し且つ前記支持体の変位の方向を規制する支承面と、前記支持体が前記支承面に対して相対変位するように該支持体を押圧する調整具とを有し、前記弾性体は、前記支持体が前記支承面に面接触するように該支持体を前記支承面に対して弾力的に付勢することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項１０】
前記反射面と、該反射面の支持体と、該支持体を支持する基盤とを備えた光学的アタッチメントを前記顕微鏡と前記微小領域との間に配置し、前記基盤の位置を前記撮像装置及び顕微鏡に対して固定したことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか1項に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項１】
微小流動場の可視化流体の粒子像を撮像するための撮像装置と、該撮像装置に光学的に連結した顕微鏡と、該顕微鏡と前記微小流動場との間に配置された第１反射面及び第２反射面とを備え、前記可視化流体の流動速度を計測するための画像データを前記撮像装置によって取得する微小流動場撮影装置において、
複数の前記第１反射面と、該第１反射面の各々に対面し且つ前記顕微鏡の光路に配置された複数の前記第２反射面と、前記第１又は第２反射面の角度を調整する角度調整機構と、前記第１又は第２反射面の位置を調整する位置調整機構とを有し、
前記角度調整機構及び前記位置調整機構によって前記反射面の角度及び位置を調整し、前記微小流動場の粒子の反射光を前記第１及び第２反射面によって反射して前記顕微鏡内の光路に入射せしめ、異なる視点から得られた同一粒子の複数の像を前記撮像装置の単一の結像面に結像するようにしたことを特徴とする微小流動場撮影装置。
【請求項２】
前記角度調整機構は、前記第１反射面の角度を調整し、前記位置調整機構は、前記第２反射面の位置を調整することを特徴とする請求項１に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項３】
前記第１反射面の位置を調整する第２の位置調整機構を更に有することを特徴とする請求項２に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項４】
前記角度調整機構は、前記顕微鏡の光軸に対して垂直な軸線を中心として前記第１反射面の角度を調整し、前記位置調整機構は、前記顕微鏡の光軸と平行な方向に前記第２反射面の位置を調整するとともに、前記顕微鏡の光軸に対して垂直な面内における前記第２反射面の位置を調整することを特徴とする請求項２に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項５】
前記第１反射面は、前記角度調整機構によって角度調整可能に支持されたミラーの反射面からなり、前記第２反射面は、前記位置調整機構によって位置調整可能に支持され且つ前記顕微鏡の光路に配置されたプリズム又はミラーの反射面からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項６】
前記顕微鏡の光軸上に配置されたプリズムによって複数の前記第２反射面が形成され、前記光軸に対して垂直な方向に前記プリズムから離間した複数のミラーによって前記第１反射面が形成され、前記プリズムと前記ミラーとの間には、前記粒子から反射した反射光の光路が形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項７】
光源の照明光を前記微小流動場に向かって反射する第３反射面が、前記第２反射面の支持体に取付けられたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項８】
前記微小流動場の照明光が、前記顕微鏡の同軸落射照明によって前記微小流動場に照射されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項９】
前記角度調整機構及び／又は前記位置調整機構は、前記反射面の支持体を弾力的に保持する弾性体と、前記支持体を支承し且つ前記支持体の変位の方向を規制する支承面と、前記支持体が前記支承面に対して相対変位するように該支持体を押圧する調整具とを有し、前記弾性体は、前記支持体が前記支承面に面接触するように該支持体を前記支承面に対して弾力的に付勢することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の微小流動場撮影装置。
【請求項１０】
前記反射面と、該反射面の支持体と、該支持体を支持する基盤とを備えた光学的アタッチメントを前記顕微鏡と前記微小領域との間に配置し、前記基盤の位置を前記撮像装置及び顕微鏡に対して固定したことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか1項に記載の微小流動場撮影装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−２４７６０１（Ｐ２０１１−２４７６０１Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１７８７２（Ｐ２０１０−１１７８７２）
【出願日】平成２２年５月２２日（２０１０．５．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、文部科学省、都市エリア産学官連携促進事業「ナノミクロ材料工学と光画像計測技術による３次元マイクロシステムのラピッド製造と機能評価」に係る委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【出願人】（５０８２９２６０４）株式会社フローテック・リサーチ (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２２日（２０１０．５．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、文部科学省、都市エリア産学官連携促進事業「ナノミクロ材料工学と光画像計測技術による３次元マイクロシステムのラピッド製造と機能評価」に係る委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【出願人】（５０８２９２６０４）株式会社フローテック・リサーチ (3)
【Ｆターム（参考）】
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