JP7826291B2 - 高速移動粒子の特性評価のための方法、システム、及び照明モジュール - Google Patents

Description

以下は、一般に粒子撮像に関し、より詳細には高速移動粒子の特性評価のためのシステム、方法、及び照明モジュールに関する。

噴霧ノズルには、噴霧冷却システム、コーティング・デバイス、農産業における灌漑及び殺虫剤の塗布、並びに大抵のエンジンの燃料噴射システムなどの多くの用途がある。噴霧ノズルによって形成された噴霧は、ノズル形状、流体の流量及び圧力、並びに流体特性に依存する、液滴のサイズ及び速度の分布によって特徴付けられる。液滴サイズ分布は、システムがどのように噴霧を使用するかに影響する噴霧の重要な特徴である。例えば、液滴サイズ分布は、冷却率及び冷却の均一性を変化させ、これにより完成品の品質は変化する。液体燃料内燃機関では、燃料噴霧液滴サイズ分布は、燃焼効率及び汚染物質の生成率を変化させる。農産業では、殺虫剤の液滴のサイズは、作物に行きわたる効率、及び殺虫剤の液滴が風によって運ばれ環境に害を与える可能性を決定づける。コーティング用途では、コーティングの均一性及びその厚さは、噴霧ノズルによって生成される液滴のサイズに依存する。

一態様では、高速移動粒子の特性評価のための照明モジュールであって、インコヒーレント光又はセミコヒーレント光の光ビームを生成する、粒子に向けられた光源と、トリガ信号を受信したときに、光源に光ビームを生成するように指示する、光源に連結されたパルス発生器であって、パルスがナノ秒スケールの時間周期を有する、パルス発生器とを備える照明モジュールが提供される。

特定のケースでは、光源は赤外レーザを含む。

特定のケースでは、光源は、１つ又は複数の低倍率レンズをさらに含む。

特定のケースでは、光源は、少なくとも１つの近赤外レーザ・ダイオードを含む。

特定のケースでは、光源は、近赤外レーザ・ダイオードのアレイを含む。

特定のケースでは、光源は、少なくとも１つの近赤外発光ダイオードを含む。

特定のケースでは、光源は、近赤外発光ダイオードのアレイを含む。

特定のケースでは、光源から生成された光が、アレイ内の各ダイオードからのビームの組み合わせである。

特定のケースでは、ビームは、光学素子を使用してインコヒーレント光又はセミコヒーレント光の均一なフラット・トップ・プロファイルに調整される。

特定のケースでは、光学素子は、光を均一化し、そのコヒーレンスを失わせる均一化光ロッドを含む。

特定のケースでは、光学素子は、光のコヒーレンスを失わせるディフューザを含む。

特定のケースでは、光学素子は、光を平行化するコリメータを含む。

特定のケースでは、コリメータが非球面ダブレット・レンズである。

特定のケースでは、光学素子は、マイクロレンズ・アレイを含む。

特定のケースでは、光学素子は、液体導光体を含む。

特定のケースでは、光学素子は、ファイバ光ケーブルを含む。

特定のケースでは、光ビームは、８５ｕＪ未満の光パワーを有する。

特定のケースでは、光ビームは６５ｕＪ程度の光パワーを有し、パルスは１０ｎｓ～１００ｎｓ程度の時間長を有する。

特定のケースでは、光源は、５３２ｎｍの波長を有する。

特定のケースでは、光源は、９０５ｎｍの波長を有する。

別の態様では、高速移動粒子の特性評価のための装置であって、インコヒーレント光又はセミコヒーレント光の光ビームを生成する、粒子に向けられた光源と、トリガ信号を受信したときに、光源に光ビームを生成するように指示する、光源に連結されたパルス発生器であって、パルスがナノ秒スケールの時間周期を有する、パルス発生器と、光ビームによって照明されるときに粒子の画像をキャプチャするカメラとを備える装置が提供される。

特定のケースでは、装置は、噴霧環境内に挿入可能である。

特定のケースでは、装置は、光源、パルス発生器、及びカメラを封入する機械的ハウジングをさらに備える。

特定のケースでは、ハウジングは、水中で作動し、危険区域で動作可能である。

特定のケースでは、光源は、赤外レーザを含む。

特定のケースでは、光源は、１つ又は複数の低倍率レンズをさらに含む。

特定のケースでは、カメラは、高解像度カメラである。

特定のケースでは、カメラは、特定の作動距離において焦点が合うように事前構成されている。

特定のケースでは、装置は、高透過率及び低倍率を備えたテレセントリック・レンズをさらに備える。

特定のケースでは、装置は、カメラと粒子との間に配設された窓をさらに備える。

特定のケースでは、装置は、窓上に粒子及び細片が蓄積することを防ぐために、窓と粒子との間に配設されるパージ・プレートをさらに備える。

特定のケースでは、装置は、パージ・プレートと近接した出口と流体連通するパージ入口をさらに備え、窓上に粒子及び細片が蓄積するのをさらに防ぐために、パージ入口を通って流れる流体がパージ・プレートに沿ったカーテンを形成する。

特定のケースでは、流体は、圧縮空気、不活性ガス、溶剤、水、又はアルコールのうちの１つである。

特定のケースでは、窓は、窓上に粒子及び細片が蓄積するのを防ぐ口縁部をさらに備える。

特定のケースでは、ハウジングは、ハウジングの窓を清掃するエア・カーテンを備える。

特定のケースでは、装置は、サイズ、形状、速度、数、及び密度のうちの１つ又は複数を含む、粒子の特徴を決定する画像解析モジュールをさらに備える。

特定のケースでは、画像解析モジュールは、カメラ及び光源も封入するハウジング内に物理的に位置している。

特定のケースでは、画像解析モジュールは、カメラ及び光源を封入するハウジングから離れて物理的に位置している。

特定のケースでは、装置は、同期ボードであって、パルス発生器が同期ボードによってトリガされ、同期ボードがカメラからトリガ信号を受信する、同期ボードをさらに備える。

特定のケースでは、同期ボードは、ノイズ低減信号をパルス発生器に出力するノイズ低減アルゴリズムを実行する。

特定のケースでは、光源は、少なくとも１つの近赤外レーザ・ダイオードを含む。

特定のケースでは、光源は、近赤外レーザ・ダイオードのアレイを含む。

特定のケースでは、光源は、少なくとも１つの近赤外発光ダイオードを含む。

特定のケースでは、光源は、近赤外発光ダイオードのアレイを含む。

特定のケースでは、光源から生成された光が、アレイ内の各ダイオードからのビームの組み合わせである。

特定のケースでは、ビームは、光学素子を使用して、インコヒーレント光又はセミコヒーレント光の均一なフラット・トップ・プロファイルに調整される。

特定のケースでは、光学素子は、光を均一化し、そのコヒーレンスを失わせる均一化光ロッドを含む。

特定のケースでは、光学素子は、光のコヒーレンスを失わせるディフューザを含む。

特定のケースでは、光学素子は、光を平行化するコリメータを含む。

特定のケースでは、コリメータが、非球面ダブレット・レンズである。

特定のケースでは、光学素子が、マイクロレンズ・アレイを含む。

特定のケースでは、光学素子は、液体導光体を含む。

特定のケースでは、光学素子は、ファイバ光ケーブルを含む。

特定のケースでは、光ビームが、８５ｕＪ未満の光パワーを有する。

特定のケースでは、光ビームは６５ｕＪ程度の光パワーを有し、パルスは１０ｎｓ～１００ｎｓ程度の時間長を有する。

特定のケースでは、カメラは、６メガピクセルから９メガピクセルまでの範囲の解像度、０．９ｕｍ～３ｕｍの間の画素サイズ、０．５と３との間の倍率、及び１００ｍｍ～４００ｍｍの間の焦点面距離を有する。

特定のケースでは、光源は、５３２ｎｍの波長を有する。

特定のケースでは、光源は、９０５ｎｍの波長を有する。

さらに別の態様では、高速移動粒子の特性評価のための方法であって、光源を粒子に向けるステップであって、光源がインコヒーレント光又はセミコヒーレント光の光ビームを生成するように構成されている、ステップと、トリガ信号を受信したときに、光源に光ビームを生成するように指示するステップであって、光ビームがナノ秒スケールの時間周期で照明される、ステップと、光ビームによって照明されるときに、粒子の画像をキャプチャするステップとを含む方法が、提供される。

特定のケースでは、光ビームは、赤外光ビームである。

特定のケースでは、光ビームは、近赤外光ビームである。

特定のケースでは、光ビームは、特定の作業距離において焦点が合うように事前構成されたカメラによってキャプチャされる。

特定のケースでは、カメラは、使用者による位置合わせを必要としない。

特定のケースでは、方法は、複数の光源からの光ビームを取得するステップであって、光源のそれぞれからの光が、光学素子を使用してインコヒーレント光又はセミコヒーレント光の均一なフラット・トップ・プロファイルに調整される、ステップをさらに含む。

これらの及びその他の態様が、本明細書で考察され、説明されている。前述の発明の概要は、当業者が以下の詳細な説明を理解しやすくするための、システム及び方法の代表的な態様を提示していることを、理解されたい。

本発明の特徴は、添付図面を参照する以下の詳細な説明によって、より明らかとなるであろう。

実施例による高速移動粒子の特性評価のためのシステムの概略図である。 実施例による照明モジュールの概略図である。 実施例によるハウジングの斜視図である。 図３のハウジングの前端部品の斜視図である。 実施例による画像解析モジュールの概略図である。 実施例による高速移動粒子の特性評価のための方法のフローチャートである。 例としての光アイソレータの概略図である。 様々な例としてのトリガ・モードを示す図である。 カメラ・プローブの実例を図示する切断図である。 レーザ・プローブの実例を図示する切断図である。 図１のシステムを使用して撮影された、例としてのバイオディーゼル噴霧形成画像を図示する図である。 図１のシステムを使用して撮影された、例としての水が液滴に分裂する画像を示す図である。 図１のシステムを使用した実験例からのサイズ分布を示すグラフである。 実験例のための異なる噴霧間における累積体積分布の比較を示す図である。

ここで、図を参照して実施例を説明する。図示の簡潔及び明瞭のために、適切とみなされる場合は、参照番号は、対応する又は類似した要素を示すために図の中で繰り返され得る。さらに、本明細書に記載の実施例への十分な理解を促すために、数多くの具体的な詳細が記載される。しかしながら、本明細書に記載の実施例が、これらの具体的な詳細を使用せずに実施し得ることは、当業者には理解されるであろう。他の例では、本明細書に記載の実施例が不明瞭にならないように、よく知られている方法、手順、及び構成要素は、詳細に説明しない。また、本説明は、本明細書に記載の実施例の範囲を限定するとみなされるものではない。

本明細書を通して使用される様々な用語は、文脈によって別途示されていない限り、以下のように読解し、理解することができる。全体を通して使用される「又は（ｏｒ）」は「及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）」と書かれているかのように包括的である。全体を通して使用される単数形の冠詞及び代名詞は複数形を含み、その逆も同様である。同様に、性の区別のある代名詞はそれらの対となる代名詞を含み、代名詞は本明細書に記載のいずれも単一の性による使用、実装、性能などに限定して理解されるべきではない。「例として（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」は、「例示的な（ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｖｅ）」又は「例証的な（ｅｘｅｍｐｌｉｆｙｉｎｇ）」と理解されるべきであり、必ずしも他の実施例よりも「好ましい（ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ）」と理解されるべきではない。用語のさらなる定義が、本明細書で提示されることがあり、これらは、本明細書を読むことで理解されるように、それらの用語の先行例及び後続例に適用され得る。

本明細書で例証される、命令を実行する任意のモジュール、ユニット、構成要素、サーバ、コンピュータ、端末、エンジン、又はデバイスは、例えば磁気ディスク、光ディスク、又はテープなどの、（取り外し可能な、及び／又は取り外し不可能な）記憶媒体、コンピュータ記憶媒体、又はデータ記憶デバイスなどの、コンピュータ可読媒体を含む、又はそれらに他の方法でアクセスすることができる。コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラム・モジュール、又はその他のデータなどの情報を記憶するための任意の方法又は技術で実施される、揮発性及び不揮発性で、取り外し可能及び取り外し不可能な媒体を含み得る。コンピュータ記憶媒体の例は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ・メモリ、若しくはその他のメモリ技術、ＣＤ－ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）、若しくはその他の光学記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置、若しくはその他の磁気記憶デバイス、又は、所望の情報を記憶するのに使用でき、アプリケーション、モジュール、若しくはその両方によってアクセス可能な任意の他の媒体を含む。任意のそのようなコンピュータ記憶媒体は、デバイスの一部、又はデバイスにアクセス可能若しくは接続可能であってよい。さらに、文脈で別途明確に示されない限り、本明細書に提示される任意のプロセッサ又はコントローラは、単一のプロセッサ又は複数のプロセッサとして実施され得る。複数のプロセッサは、配列型であっても分散型であってもよく、本明細書で言及される任意の処理機能は、単一のプロセッサが例証されていたとしても、単一又は複数のプロセッサによって実行され得る。本明細書に記載の方法、アプリケーション、又はモジュールは、コンピュータ可読／実行可能な命令を使用して実施されてよく、これらの命令は、そのようなコンピュータ可読媒体によって記憶され、又はその他の方法で保持されてよく、１つ又は複数のプロセッサによって実行されてよい。

以下は、一般に粒子撮像に関し、より詳細には、高速移動粒子の特性評価のためのシステム、方法、及び照明モジュールに関する。

粒径の非接触測定のための様々なアプローチ例は、（１）光学粒子計数器、（２）レーザ回折分析器、及び（３）レーザ・ドプラ測風器又は位相ドプラ測風器を含む。これらのアプローチのほとんどは、検出される散乱光の強度を高めるいくつかのレンズ及び集光光学部品を有する。噴霧及び粒子流を機器から離して維持するために、噴霧又は粒子流のいずれかを、一般的に光学窓を備えたチャンバに閉じ込めなくてはならないか、又は検出機器が噴霧から遠く離れて位置しなくてはならない。一般的に、これは、高強度の光と高出力の光学部品との両方が必要となるため、設備コストの著しい増大につながる。

他のアプローチは、液滴のサイズを測る目的で噴霧の直接的な撮像を実現する。しかしながら、これらのアプローチの多くは、一般的に防水でも防塵でもないため、噴霧内部に挿入することができない。したがって、そのようなアプローチは、噴霧の流れの外側又はチャンバ内に位置している必要があり、チャンバは、噴霧を撮像する光学窓を装備している。他のアプローチでは、システムが直接噴霧にさらされることなく、噴霧の外側に位置することができるように、カメラの焦点距離を十分な長さにする。そのようなアプローチについては、噴霧を通過してもなお噴霧を適切に照明するのに十分な光量を有するために、一般に高出力光源が必要である。そのような光源は、主にレーザ光源で、比較的高額であり、このアプローチは全体として非常に高額になる。

有利にも、本実施例は、少なくとも、噴霧環境に挿入される粒子特性評価装置を使用した液滴サイズ分布の精確な測定を提供することによって、先行技術の欠点の少なくともいくつかに対処する。いくつかの実施例では、粒子の直接撮像は、粒子運動を静止して捉えるナノフラッシュ及び粒子をキャプチャする高速度カメラを使用して実行される。いくつかのケースでは、照明とカメラとの両方は、水中で作動し、危険区域で動作可能であるように機械的ハウジング内に位置することができる。いくつかのケースでは、ハウジングは、適切な撮像のためにハウジングの窓を清浄に保つエア・カーテンを含む。

一実例では、本発明の実施例は、高解像度カメラを、高速粒子を追跡するナノ秒発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）フラッシュ光と有利にも組み合わせることができる。撮像結果を解析して、サイズ、形状、速度、数、及び密度を含む高速移動粒子の特徴を決定することができる。

本開示の実施例は、モーション・ブラーを防ぐために、高速移動粒子の運動を効果的に「フリーズさせる（静止して捉える）」非常に短時間のフラッシュを実現する。また、本開示の実施例は、光が媒体を通過し、一般に、測定されている粒子又は液滴とのみ相互作用することを確実にする異なる光波長を提供する。また、本開示の実施例は、特定の作動距離においてキャプチャされる画像の焦点が合うことを確実にするアプローチを提供し、有利にも、位置合わせ及び焦点合わせの必要がないので、使用者にとって撮像がより容易になり、システムが完全に水中で作動することも可能になる。また、本開示の実施例は、粒子及び液滴のサイズ及び形状の分布を決定することを可能にする。

図１は、実施例による高速移動粒子の特性評価のためのシステム１００の概略図を図示している。システム１００は、照明モジュール１０２と、カメラ・モジュール１０４と、画像解析モジュール１０６とを備える。モジュール同士は、相互接続されるか、又は任意の適切な様式を使用した他の方法で通信することができる。いくつかのケースでは、システム１００は、カメラ・モジュール１０４及び照明モジュール１０４を収容するハウジング１０８をさらに含み、いくつかのケースでは、画像解析モジュール１０６も含む。他のケースでは、画像解析モジュール１０６は、ハウジング１０８から離れていてもよい。

図２は、照明モジュール１０２の例としての実施例を図示し、この照明モジュール１０２は、光源１１０（例えば、積層レーザ・ダイオード・アレイ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、近赤外（ＮＩＲ：Ｎｅａｒ－ＩｎｆｒａＲｅｄ）レーザ・ダイオードなど）と、パルス発生器１１２（他に電流増幅器又は関数発生器とも呼ばれる）と、同期ボード１１８と、ビームを調整する光学素子１２０とを含む。実施例では、レーザ・ダイオード・アレイは、明るくコンパクトなので、光源１１０として使用することができる。いくつかのケースでは、光源１１０は、レーザ・ダイオード・アレイ用のレーザ・ドライバなどの適切なドライバを含むことになる。ほとんどのケースでは、粒子の運動を静止して捉える短いナノ秒のフラッシュが必要であるため、光度は、粒子を適切に照明するのに十分なほど高くしなければならない。典型的なレーザ・ダイオードの光度の公称値が使用される場合、時間長が短いので、カメラ・センサに画像をキャプチャするのに十分な光エネルギーが提供されない場合がある。したがって、このような短時間フラッシュのためには、光パワーは著しく高くなければならない。これを達成するために、照明モジュール１０２はパルス発生器１１２を含み、パルス発生器１１２は、高強度ナノ秒フラッシュが可能な電流を供給することができる。一実例では、レーザ・パルス・エネルギーは、６５ｕＪ程度であることが可能であり、フラッシュは１０ｎｓ～１００ｎｓ程度であることが可能である。

有利にも、照明モジュール１０２は、低出力の可視波長レーザとは対照的に、高出力ＮＩＲレーザ・ダイオード又はＬＥＤを使用することができる。有利にも、ＮＩＲレーザは、同じ出力の可視スペクトル・レーザよりもコンパクトであり得る。レーザ出力と波長との間には、逆相関がある。ほとんどの他のアプローチは可視波長を使用するが、照明モジュール１０２はＮＩＲレーザ・ダイオードを使用し、ＮＩＲレーザ・ダイオードでは、キャプチャされる画像は同様の明るさになり得るが、光は噴霧をより良好に貫通する。

光源１１０で生成された光は、各個別のダイオード又はＬＥＤからのビームの組み合わせであり得る。撮像のために、光学素子１２０を使用して、インコヒーレント光又はセミコヒーレント光の均一なフラット・トップ・プロファイルにビームを調整することができる。ほとんどのケースでは、画像の特定の部分を増幅しないためにビームはフラット・トップでなければならず、これにより画像解析がより精確になる。均一なフラット・トップ・プロファイルとは、一般に、レーザを横切る様々な範囲が、同じ明るさであることを意味する。多くのレーザは、本来、ビームの中心がより明るく、したがって中心から距離が離れるほど明るくなくなる。撮像では、画像のすべての部分にわたって均一な照明であることが好ましいので、この特性は不利である。特定の部分がより明るく照明される場合、キャプチャされる画像のその部分が露出過度になってデータが失われる可能性があり、又は、増幅された部分が正しい露光水準であれば、画像の他の部分が露出不足になってデータが失われる可能性がある。レーザ・ビームのすべての位置で同じ又は類似の明るさを有する、すなわちレーザのプロファイルが「フラット（平坦）」であると言える、レーザ・ビームを作成するのに、光学部品を使用することができる。

コヒーレント光は一般に、画像平面内の対象物の周りで非常に大きい回折パターンを形成し、解析をより困難にするので、ビームは一般に、インコヒーレント光又はセミコヒーレント光で形成される。光学素子１２０の実例では、ビームは、光を均一化し、そのコヒーレンスを失わせるように作用する均一化光ロッドをまず通過させることで形付けることができる。次いで、ビームは、さらに光のコヒーレンスを失わせるディフューザを通過することができる。次いで、ビームは、光を平行化するデバイス、例えば非球面ダブレット・レンズを通過することができる。さらなるケースでは、マイクロレンズ・アレイ、液体導光体、及びファイバ光ケーブルを使用できる。光がよりコヒーレントでなくなる任意の適切なアプローチを使用できることが、理解される。

光源１１０は、同期ボード１１８からトリガ信号を受信するパルス発生器１１２によって駆動することができる。パルス発生器１１２は、特定の、例えば１ナノ秒程度しかない時間長を有する高電圧及び／又は高電流のパルスを生成することができる。光パルスの時間長、並びに電圧及び電流のパラメータは、同期ボード１１８からトリガ信号を受信できるパルス発生器１１２を使用して制御することができる。トリガ信号は、一般にカメラ・モジュール１０４によって生成され、カメラ・モジュール１０４の出力と照明モジュール１０２との間のノイズを補償するために、同期ボード１１８に渡される。トリガ信号は、光源１１０が動作し、視野を照らすことをトリガするために使用されるカメラによって出力される電気パルスであってよい。ほとんどのケースでは、トリガ信号は、カメラが画像を撮影しようとする直前に自動的にカメラが生成することができる。

カメラ・モジュール１０４のカメラは、ノイズのあり得る同期信号を出力する。いくつかのケースでは、そのようなノイズにより、同期信号が直接パルス発生器１１２に送信された場合に光源１１０を誤ってトリガする可能性がある。このようにして、カメラ・モジュール１０４とパルス発生器１１２との間で、同期ボード１１８が使用され得る。同期ボード１１２は、いくつかのケースでは、背景ノイズ上のカメラ信号を精確に検出し、ノイズ低減された信号をパルス発生器１１２に出力することができる。同期ボード１１８は、任意の適切なノイズ低減アルゴリズムを使用することができる。

パルス発生器１１２が同期ボード１１８からトリガ信号を受信すると、パルス発生器１１２は、光に変換されるパルス（ほとんどのケースでは、高電圧、高電流のパルス）を光源１１０に送信する。パルス発生器１１２から光源１１０への接続は、一般に非常に低いインダクタンスを有する。多くのケースでは、光源１１０に伝達されるエネルギーが最大となるには、パルス発生器１１２は、光源１１０に近接して位置することができる。

一般的に、他のアプローチでは、対物レンズの倍率は、キャプチャ対象の距離によって変化する。これにより、使用者にとって、空間内にランダムに分布する粒子及び液滴の較正が難しくなる。そのような焦点合わせ及び較正が必要でなくなるように、カメラ・モジュール１０４はテレセントリック・レンズを使用することができる。テレセントリック・レンズは、レンズ表面に垂直な光のみを受け入れ、したがって視野内の任意の対象物は、被写界深度内の任意の距離において同じサイズのままでいる。本発明者は、（ｉ）カメラ解像度及び画素サイズと、（ｉｉ）５μｍしかない小ささの粒子をキャプチャするのに適切な倍率、焦点距離、及び被写界深度を備えたテレセントリック・レンズとの適切な組み合わせを決定するための試験例を実施した。本発明者は、システム１００が、危険区域要件で使用される５ミクロンに至るまでの粒子を測定することが可能であったことを判定した。この試験では、解像度は６～１８ＭＰｉｘの範囲であり、画素サイズは０．９ｕｍ～３ｕｍの範囲、倍率は０．５ｘ～３ｘの範囲、焦点面距離（作動距離）は１００ｍｍ～４００ｍｍの範囲である。

いくつかのケースでは、光パワー出力は、危険区域（ＨａｚＬｏｃ：Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｌｏｃａｔｉｏｎ）要件を満たすように限定され得る。そのようなケースでは、光源１１０が本質的に安全であることを確実にするために、光パワーはパルスあたり８５ｕＪ未満に低下され得る。有利にも、カメラ・モジュール１０４のカメラとレンズとの組み合わせは、高透過率及び低倍率を備えたテレセントリック・レンズと、低倍率レンズを補うために物理的に小さい画素を備えたカメラとを使用しており、弱光／低出力に対して高感度である。このカメラ・モジュール１０４の構成は、照明モジュール１０２が小型低出力レーザを使用することを可能にする。有利にも、システム１００は、測定位置を変更する必要なしに同じ作動距離に対して様々な倍率のレンズを使用することができる。低倍率のレンズは、一般に物理的に小さく、そのようなレンズを他のアプローチよりもコンパクトにすることができる。

ハウジング１０８は、有利にも、光学部品及び電子部品のすべてを封入することができる。このように、固定された照明モジュール１０２及びカメラ・モジュール１０４の配置によって簡潔な測定手順が可能になるので、使用者は一般に、正しい設置を見つけようと悩む必要がなくなる。また、ハウジング１０８は、有利にも噴霧のミスト環境から、又は任意の他の周囲条件から部品を保護する。システム１００は一般に一列に配置され、いくつかのケースでは、噴霧流又は粒子流の内部に配置され得るので、この特性は重要である。したがって、測定部品が測定している粒子に非常に近接しているので、システム１００は、低コストで、サイズが小さく、使用しやすくなり得る。この環境で、ハウジング１０８はシステム１００の構成要素を湿気から効果的に保護することができる。また、ハウジング１０８は、有利にも、ハウジング１０８内部の構成要素を外部環境から隔離する。いくつかのケースでは、システム１００は危険区域又は工業区域などの噴霧環境で動作することになり、そこでは粒子の化学組成による爆発の危険性が非常に高い可能性がある。ハウジング内部でスパーク又は小規模爆発が起きる場合、噴霧環境内部のさらなる発火又は爆発を引き起こさないことが不可欠である。

有利にも、照明モジュール１０２は、ハウジング１０８をより小さくし、システム１００全体のサイズを最小化することを可能にする。本発明者は、粉塵及び液体に対する保護のためのシステム１００を実施するデバイスを試験した。そのような試験下では、ハウジング１０８は防水防塵であるとともに、空力的流線形でコンパクトであると判定された。そのような試験では、工業噴霧環境などの危険区域で動作し得るようなシステム１００が、試験された。

図３は、ハウジング１０８の例としての実施例を図示している。本実例では、照明モジュール１０２を備えた、ハウジング１０８の照明プローブ３５４は、円筒形であり得る。本実例では、カメラ・モジュール１０４を備えた、ハウジング１０８のカメラ・プローブ３５２も、円筒形であり得る。少なくとも画像解析モジュール１０６を備えた、ハウジング１０８の撮像部３５６は、カメラ・プローブ３５２及び照明プローブ３５４に接続し得る。ハウジング１０８は、システム１００の構成要素間の通信のための通信チャネルを収容する導管を含み得る。他の実例では、ハウジング及びプローブの任意の適切な構成が使用され得ることを、理解されたい。本実例では、ハウジング１０８はステンレス鋼で作成されるが、さらなる実例では、アルミニウムなどの任意の他の適切な材料であり得る。有利にも、本実例では、システム１００は幅広い温度範囲、例えば０～６０℃で動作することができる。

図９はカメラ・プローブ３５２の実例の切断図を図示し、図１０はレーザ・プローブ３５４の実例の切断図を図示している。いくつかのケースでは、図４に図示されるように、照明プローブ３５４及びカメラ・プローブ３５２は、それぞれ、防塵及び防水の封止体を形成する前面窓を有することができる。いくつかのケースでは、カメラ・プローブ３５２の窓の前方に、窓上に粒子及び細片が積み上がることを防ぐために、パージ・プレートを配置することができる。圧縮空気がパージ入口４０２からパージ・プレートの中に入ることが可能であり、前面窓上に粉塵及び液体がたまるのを防ぐエア・カーテンを形成することができる。前面窓は、前面窓上に粉塵及び液体がたまるのを防ぐ口縁部４０４も有することができる。

本実例では、カメラ・プローブ３５２は、パージ入口９０４を備えた前面カバー９０２と、レンズ組立体９０６と、カメラ９０８とを含む。本実例では、レーザ・プローブ３５４は、パージ入口１００４を備えた前面カバー１００２と、平行化光学部品１００６と、均一化光学部品１００８と、レーザ１０１０と、同期ボード１０１２と、パルス発生器１０１４とを含む。

プローブ３０２、３０４は、窓のために、任意の適切な材料、例えばアルミニウム及び石英のディスクを用いて製造され得る。窓用のガラスは、内側保持リングとプローブの本体との間で加圧され得る。２つのОリングが、各窓を封止するために使用され得る。１つは溝内に置かれてプローブの本体上に加圧され、もう一方は窓の溝内に置かれて石英ガラスの周りに加圧される。窓の本体におけるネジ穴及びプローブの本体における通し穴を使用して、例えば、そのような穴の１つが窓部品に向けて圧縮空気を運び、空気流がエア・カーテンとなって、液滴をガラスの表面から遠ざけ、観察領域を清浄に保つ。

プローブの窓３０２、３０４を清浄に保つために、いくつかのケースでは、システム１００は、圧縮空気又は任意の他の不活性ガスによって窓を清掃し、窓を洗い流すことで渦のあらゆる形成を避けることができる。他のケースでは、溶剤、水、アルコールなどを使用して定期的に窓を清掃することができる。そのような溶剤又は他の溶液は、エア・カーテン・ラインを通して汲み上げられるので、技術者が手動で窓を清掃する必要がない。他のケースでは、本体の様々な部分上で蓄積した液体が窓領域に侵入するのを防ぐために、２つの口縁部を組み込むことができる。他のケースでは、パージ内側の傾斜表面を使用して、液体の排出を可能にすることができる。他のケースでは、粒子が窓に押し付けられるのを防ぐために、断面積領域の変化を利用して、窓前方の圧力とパージの外側の圧力を均衡させることができる。

図５は、画像解析モジュール１０６の例としての実施例の概略図を図示している。本実例では、画像解析モジュール１０６は、処理ユニット（「ＰＵ」：Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２６０と、ランダム・アクセス・メモリ（「ＲＡＭ」）２６４と、入力／出力（Ｉ／Ｏ：Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）インターフェース２７２と、データ記憶装置２８０と、ＰＵ２６０が他の構成要素と通信することを可能にするローカル・バス２８４とを含む、いくつかの物理的構成要素及び論理的構成要素を含むことができる。ＰＵ２６０は、中央処理装置又はグラフィクス処理装置などの、１つ又は複数のプロセッサを含むことができる。ＲＡＭ２６４は、比較的応答性の高い揮発性記憶装置を、ＰＵ２６０に提供する。Ｉ／Ｏインターフェース２７２は、使用者が、例えばキーボード及びマウスを介して入力を行うことを可能にする。Ｉ／Ｏインターフェース２７２は、出力デバイス、例えばディスプレイ又はスピーカに、情報を出力することもできる。Ｉ／Ｏインターフェース２７２は、他のモジュール及び／又は他のシステム若しくはコンピューティング・デバイスとの通信も可能にする。データ記憶装置２８０は、画像解析及び任意の派生物又は関連するプロセスのためのコンピュータ実行可能命令を含む、オペレーティング・システム及びプログラムを記憶する。システム２００の動作中、オペレーティング・システム、プログラム、及びデータは、データ記憶装置２８０から取り出され、実行しやすくするためにＲＡＭ２６４に配置されてもよい。

実施例では、ＰＵ２６０は、様々な概念サブモジュール、例えばトリガ・サブモジュール２９０、及び解析サブモジュール２９２を実行するように構成され得る。

さらなる実施例では、画像解析モジュール１０６の関数は、好適な場合は、専用ハードウェア又は特定のマイクロプロセッサ上で実行することができる。

いくつかのケースでは、Ｉ／Ｏインターフェース２７２は、ユーザ・インターフェース、例えばウェブ・ブラウザ又はクラウド・コンピューティング・インターフェースを介したユーザ・インターフェースを含むことができ、これにより既存のシステムとの統合が容易になる。一実例では、ユーザ・インターフェースには、システム１００が位置する場所へのサーバ接続への直接的なＬＡＮ接続を介して、又はローカルＷｉ－Ｆｉを介してアクセスすることができる。

画像解析モジュール１０６は、いくつかのオペレーション、例えば、塗料噴霧に関して、
－ 様々なノズルを比較するために統計結果及び視覚的結果を実行することであって、
・ノズルをカメラの視野内に移動させ、
・噴霧から液滴の画像をキャプチャし、
・液滴サイズ分布に関する統計値をリアルタイムで決定し、
・必要なだけ異なるノズル又は噴霧からさらなるデータを収集し、
・後処理における比較のためのデータを記憶すること
によって、統計結果及び視覚的結果を実行すること、
－ ノズルに対する損傷がないことを確実にすること、
－ 塗料／ノズル製造業者の推奨又は設備の仕様と比較して噴霧特徴が変わらず維持されることを確実にするために、清掃サイクル及び／又は塗料色の変更の間に噴霧を検証すること、
－ 塗料の塗布の前に噴霧の均一性を確実にすることで不適切な塗装を防止すること、
－ 上記のように、時間経過にともなって統計値が一定の公差内で変化しないことを確実にするために、液滴サイズの特性及び統計値を測定することで、塗料／ノズル製造業者の推奨又は設備の仕様と比較して噴霧特徴が変わらずに維持されることを確実にすることを実行することができる。

図６を参照すると、実施例による高速移動粒子の特性評価のための方法３００が示されている。方法３００は、システム１００及び／又は粒子の噴霧が、噴霧の少なくとも一部が照明プローブ３５４とカメラ・プローブ３５２との間に位置するように配置されているときに、実行され得る。

ブロック３０２において、トリガ・サブモジュール２９０又はカメラ・モジュール１０４は、例えば、Ｔｉｍｅ－Ｔｏ－Ｌｉｖｅ（ＴＴＬ）トリガ出力信号を使用して、トリガを照明モジュール１０２に送信する。

ブロック３０４において、照明モジュール１０２はレーザ・パルスなどのパルス出力を生成する。

ブロック３０６において、カメラ・モジュール１０４は、撮像センサ上に画像をキャプチャする。いくつかのケースでは、そのような画像は、照明モジュール１０２とカメラ・モジュール１０４との間に位置する粒子のシャドウグラフ画像であり得る。

ブロック３０８において、解析サブモジュール２９２は、キャプチャされた画像をカメラ・モジュール１０４から受信する。

ブロック３１０において、解析サブモジュール２９２は、キャプチャ画像内で検出された粒子の、サイズ及び／又はモルフォロジーなどの特性を決定し、いくつかのケースでは、そのような特性に基づいて統計値を決定する。様々な適切な統計量は、粒子特性、例えば、平均、標準偏差、ザウター平均粒径、最小サイズ、最大サイズ、数のパーセンタイル、体積パーセンタイル、スパンなどから決定することができる。

ブロック３１２において、解析サブモジュール２９２が解析を出力する。例えば、シャドウグラフ画像、サイズ分布、及び統計量の特性評価を、データ記憶装置２８０又はディスプレイ若しくはその他のコンピューティング・デバイスに、Ｉ／Ｏインターフェース２７２を介して出力する。

例としての実施例では、カメラ・モジュール１０４は、撮像センサと、光学的に分離されたトリガと、光源としてのフラッシュと、２つのＧＰＩＯ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ、汎用入出力）とを含む。フラッシュ出力は、カメラ・モジュール１０４及び画像解析モジュール１０６をサージから保護するために、図７の概略図に例証されているように、光アイソレータを使用してガルバニック絶縁することができる。光アイソレータの出力は、オープン・コレクタ出力又はオープン・エミッタ出力として使用することができ、すなわち出力信号はグランドに接続するか、又は電源電圧に接続することができる。カメラ露出は、画像を撮像センサによって記録することができるように、光源１１０と同期させることができる。形成された画像は、撮像センサの視野内の粒子のシャドウグラフであり得る。シャドウグラフは、粒子のモルフォロジーを特定するのに使用される影を生成する。モルフォロジーは、直径、周囲長、面積、アスペクト比、離心率などを含む、粒子に関する任意の幾何学情報であり得る。

シャドウグラフ法は、対象物そのものではなく、対象物の影を生成し、解析する技法である。シャドウグラフ法では、光源１１０は撮像されている対象物の背後に位置し、それにより対象物は、光がカメラ内に進むのを遮り、カメラ・センサ上に影（暗領域）を生成する。影は、対象物そのものと全く同じ幾何学形状を有し、そのため対象物のモルフォロジーは、画像内の影を検出及び解析することで決定することができる。

ほとんどのケースでは、画像解析モジュール１０６は、様々な要素、例えば、（ｉ）液滴及び粒子に焦点が合っているか合っていないか、及びその影響をどのように特定及び補正するか、（ｉｉ）液滴又は粒子の運動が画質及び測定に与える影響は何か、並びに（ｉｉｉ）粒子のエッジがどれくらい精確に画定されるかを考慮することができる。さらに、画像解析モジュール１０６は、画像取得、画像処理、並びにユーザ・インターフェース及びデータ・ロギングを自動的に行うことができる。カメラ・モジュール１０４によってキャプチャされた画像は、画像解析モジュール１０６によってリアルタイムで処理するか、又はデータ記憶装置２８０に記憶して後で処理することもできる。

カメラ・モジュール１０４のフラッシュ出力用のパラメータは、使用者が設定することができる。いくつかのケースでは、フラッシュ出力はハイ・アクティブ及びロー・アクティブの２つのモードを有することができる。デジタル出力は、ハイ・アクティブ・モードでの露光中は「ハイ（Ｈｉｇｈ）」に設定される。デジタル出力は、ロー・アクティブ・モードでの露光中は「ロー（Ｌｏｗ）」に設定される。フラッシュ遅延は、デジタル出力の遅延を設定する。露光が開始された後、デジタル出力の起動が、フラッシュ遅延に設定された時間だけ遅延される。時間長（Ｄｕｒａｔｉｏｎ）は、デジタル出力の切り替え時間を設定する。デジタル出力は、時間長に設定された時間の間、有効化される。

噴霧及び粒子の高コントラスト画像をキャプチャするために、一実例では、フラッシュ（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイ）は、数百ナノ秒の間トリガすることができる。露光時間が短いので、非常に高い照度が一般に必要となる。一実例では、フラッシュは、高出力緑色ＬＥＤ（５．９Ｖで３０Ａを流して最大光束５２００を駆動するＰＴ－１２０ＬＥＤ）を備えることができる。一実例では、高電流（最大２４０Ａ）及び高電圧（最大１００Ｖ）のパルスをＬＥＤに適用することが可能なＬＥＤドライバ・モジュールを使用することができる。ＬＥＤドライバは、６０ｎｓ～１μｓのパルス幅を生成する。パルス幅は、トリガ入力信号によって規定することができる。

いくつかのケースでは、一般に、カメラ・モジュール１０４が生成し得る最大パルス幅がたったの４０μｓなので、カメラ・モジュール１０４からのフラッシュ出力信号で、ＬＥＤドライバの入力信号をトリガすることができない場合がある。短い制御パルスを実現するために、パルス発生器１１２のプログラム可能なバージョンを使用することが可能である。

一実例では、パルス発生器１１２は、図８に図示されているように４つのトリガ・モードを有し得るが、任意の適切な数、又は適切なタイプのトリガを使用できる。フラッシュの適正な配置は、適切なトリガ・モードを選択することによって決定することができる。カメラ・モジュール１０４のフラッシュ出力信号がアクティブ・ハイに設定されている場合、トリガ・モード１及び４（Ｔｒｇｍｏｄｅ１及びＴｒｇｍｏｄｅ４）を使用することができる。カメラ・モジュール１０４のフラッシュ出力信号がアクティブ・ローに設定されている場合、トリガ・モード０及び５（Ｔｒｇｍｏｄｅ０及びＴｒｇｍｏｄｅ５）を使用することができる。生成されるパルスの数は、使用者によって撮影シンタックスを介して決定することができる。

パルス発生器１１２はＬＥＤドライバに接続されているが、電圧モードをデフォルトで有効にし、較正に使用して、モードを電流モードに変更することができる。Ｕ_ｍｉｎは、電圧の最小値（ダイオードの閾値電圧よりもわずかに高い、例えば１２Ｖ）であり、Ｏｖｅｒ－Ｃｕｒｒｅｎｔは、較正に使用される最大ダイオード電流である。較正中にエラーが発生する場合、Ｕ_ｍｉｎをより高くする必要があることを示している。ＬＥＤが変更されるとき、パルス発生器はその変更を検出できないので、較正が再度実行され得る。較正が完了したとき、モードは電流モードに自動的に変更され得る。レーザ・ダイオード１１０は、電流、電圧、繰り返し率、トリガ・モード、撮影が、適切なシンタックスを使用した電流モードに調節された後、オンに切り替えられ得る。

有利にも、本発明者は、システム１００が例えば最小５ミクロンに至るまでの粒径を測定できることを判定した。一実例では、１０～１００ナノ秒のパルス長が生成され得る。一実例では、光波長は５３２ｎｍ又は９０５ｎｍのいずれかであったが、各特定の用途に応じて変更することができる。光学部品に応じて、一実例では、被写界深度は５０μｍから１ｍｍまでの範囲であり得る。

有利にも、システム１００は、複数の環境及び産業での使用を可能にするモジュール設計を提供することができる。システム１００は、システム１００の機能又は動作原理を変更することなく、異なる用途のために特定の構成要素を容易に交換することを可能にする。例えば、カメラをより高解像度若しくは低解像度、又はより高画素サイズ若しくは低画素サイズに変更することができ、或いはレンズをより高倍率又は低倍率に変更することができる。

さらに、システム１００は他のソリューションと比べて小サイズで低重量、一実例では２０ｋｇ～３５ｋｇの間である。

本発明者は、システム１００の利点を実証する実験例を実施した。システム１００は、予備試験のために粒子の噴霧下に設置された。タンクから渦巻き型中空円錐ノズルに水を循環させるためにポンプと共にスプレー・ブースを使用した。試験した圧力（６０ｐｓｉ）における、このタイプのノズルの平均液滴サイズは、４０ミクロンであった。ノズルは、流れを旋回させ、円形の液体シートを形成し、それが急速に液滴に分裂することによって、流れを液滴に分解する。図１１Ａ及び図１１Ｂは、ノズルを出ると直ちに液滴をキャプチャし、噴霧を撮像するシステム１００の実例を図示している。図１１Ａはバイオディーゼル噴霧形成を図示し、システム１００がノズル近傍の噴霧を撮像できることを図示している。一般的に、他の噴霧測定デバイスは、ノズル近傍の特徴を撮像することができず、液滴サイズ統計値のみを生成することができる。図１１Ｂは、１秒あたり４フレームにおいて６０ｎｓのフラッシュ時間長で、システム１００を使用して撮影された、分裂して液滴になる水を示している。画像は、十分な解像度及びコントラストを示しており、これにより使用者は、靭帯の組成を研究し、５ミクロンしかない小ささの液滴の直径を測定することが可能になる。図１２Ａは、実験例からのサイズ分布を示すグラフであり、図１２Ｂは、異なる噴霧間の累積体積分布の比較を示している。

本実施例のレーザ、レンズ、及びカメラの組み合わせは、特に有利である。ほとんどの他のアプローチは、可視波長を使用する大型高出力レーザが必要な高倍率レンズを使用しており、そのため、そのようなアプローチは物理的に大きく扱いづらくなる。対照的に、本実施例は、低倍率レンズ及び高解像度カメラと共に赤外レーザを使用して、他のアプローチと比べてシステムを著しくコンパクトにすることができる。

本発明は特定の具体的な実施例を参照して説明されてきたが、当業者にとっては、本明細書に添付の特許請求の範囲に概要が示されている本発明の趣旨及び範囲を逸脱しない、実施例の様々な変更が明白であろう。上記で言及した全文献の開示内容全体は、参照により本明細書に組み込まれている。

Claims (20)

1. 高速移動粒子の特性評価のための装置であって、
   インコヒーレント光又はセミコヒーレント光の光ビームを生成する、前記粒子に向けられた光源と、
   前記光ビームを均一なフラット・トップ・プロファイルに調整するための光学素子と、
   トリガ信号を受信したときに、前記光源に前記光ビームを生成するように指示する、前記光源に連結されたパルス発生器であって、前記パルスがナノ秒スケールの時間周期を有する、パルス発生器と、
   前記光ビームによって照明されるときに前記粒子の画像をキャプチャするカメラと
   を備える装置。
2. 前記装置が、噴霧環境内に挿入可能である、請求項１に記載の装置。
3. 前記装置が、前記光源、前記パルス発生器、及び前記カメラを封入する機械的ハウジングをさらに備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記ハウジングが、水中で作動し、危険区域で動作可能である、請求項３に記載の装置。
5. 前記光源が赤外レーザを含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記カメラが高解像度カメラである、請求項１に記載の装置。
7. 前記カメラが、特定の作動距離において焦点が合うように事前構成されている、請求項１に記載の装置。
8. 高透過率及び低倍率を備えたテレセントリック・レンズをさらに備える、請求項１に記載の装置。
9. 前記カメラと前記粒子との間に配設された窓をさらに備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記窓上に粒子及び細片が蓄積することを防ぐために、前記窓と前記粒子との間に配設されるパージ・プレートをさらに備える、請求項９に記載の装置。
11. 前記パージ・プレートと近接した出口と流体連通するパージ入口をさらに備え、前記窓上に粒子及び細片が蓄積するのをさらに防ぐために、前記パージ入口を通って流れる流体が前記パージ・プレートに沿ったカーテンを形成する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記ハウジングが、前記ハウジングの窓を清掃するエア・カーテンを備える、請求項３に記載の装置。
13. サイズ、形状、速度、数、及び密度のうちの１つ又は複数を含む、前記粒子の特徴を決定する画像解析モジュールをさらに備える、請求項１に記載の装置。
14. 前記光ビームが、８５ｕＪ未満の光パワーを含み；または、６５ｕＪ程度の光パワー１つを含み、前記パルスが１０ｎｓ～１００ｎｓ程度の時間長を有する、請求項１に記載の装置。
15. 高速移動粒子の特性評価のための方法であって、
    光源を前記粒子に向けるステップであって、前記光源がインコヒーレント光又はセミコヒーレント光の光ビームを生成するように構成されている、ステップと、
    前記光ビームを均一なフラット・トップ・プロファイルに調整するステップと、
    トリガ信号を受信したときに、前記光源に前記光ビームを生成するように指示するステップであって、前記光ビームがナノ秒スケールの時間周期で照明され、前記光ビームが均一なフラット・トップ・プロファイルに調整される、ステップと、
    前記光ビームによって照明されるときに、前記粒子の画像をキャプチャするステップと
    を含む方法。
16. 前記光ビームが赤外光ビームである、請求項１５に記載の方法。
17. 前記光ビームが近赤外光ビームである、請求項１５に記載の方法。
18. 前記光ビームが、特定の作業距離において焦点が合うように事前構成されたカメラによってキャプチャされる、請求項１５に記載の方法。
19. 前記カメラが、使用者による位置合わせを必要としない、請求項１８に記載の方法。
20. 前記光ビームを平行化するための平行化光学部品をさらに含む、請求項１に記載の装置。