JPH0756471B2 - レーザ多焦点法による粒子の速度、径、屈折率の同時測定方法 - Google Patents
レーザ多焦点法による粒子の速度、径、屈折率の同時測定方法Info
- Publication number
- JPH0756471B2 JPH0756471B2 JP63242180A JP24218088A JPH0756471B2 JP H0756471 B2 JPH0756471 B2 JP H0756471B2 JP 63242180 A JP63242180 A JP 63242180A JP 24218088 A JP24218088 A JP 24218088A JP H0756471 B2 JPH0756471 B2 JP H0756471B2
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- Japan
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- refractive index
- diameter
- reflection
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 この発明は，ディーゼルなどの燃料噴霧，農業のスプレ
イ，各種工業プロセスで粒子の速度，径，屈折率を同時
に測定する装置に関するものである。
イ，各種工業プロセスで粒子の速度，径，屈折率を同時
に測定する装置に関するものである。
これまで，レーザ・ドップラ速度計のvisibility法や位
相測定法を用いて流れの中の粒子の速度，径を求めるこ
とが，試みられてきた。光学系の調整が難しいこと,2光
束干渉法を用いているので，信号が正弦波状となり,S/N
比が悪いこと，特に粒径が大きくなるとvisibiltyが劣
化する。縞間隔を大きくとれないため，粒子の速度，径
測定のダイナミックレンジが小さくなるなどの問題があ
った。
相測定法を用いて流れの中の粒子の速度，径を求めるこ
とが，試みられてきた。光学系の調整が難しいこと,2光
束干渉法を用いているので，信号が正弦波状となり,S/N
比が悪いこと，特に粒径が大きくなるとvisibiltyが劣
化する。縞間隔を大きくとれないため，粒子の速度，径
測定のダイナミックレンジが小さくなるなどの問題があ
った。
本特許で用いる多焦点法は，測定体積中にレーザ多焦点
（２焦点以上を）作製して測定にもちいるものである。
本特許のシステムの多焦点法では，回折格子の多重干渉
を用いて，測定域に鮮鋭な干渉縞（多焦点）を作製して
いるので,S/N比の高い信号が得られる。この光学系は，
セルフアライニングで調整が容易である。縞間隔（焦点
間隔）も回折格子のピッチを変えることにより，広い範
囲で変えることが出来る。粒子の速度と径の測定のダイ
ナミックレンジが大きい。従来不可能であった粒子の径
と屈折率変化も同時測定できる特色などをもつ。
（２焦点以上を）作製して測定にもちいるものである。
本特許のシステムの多焦点法では，回折格子の多重干渉
を用いて，測定域に鮮鋭な干渉縞（多焦点）を作製して
いるので,S/N比の高い信号が得られる。この光学系は，
セルフアライニングで調整が容易である。縞間隔（焦点
間隔）も回折格子のピッチを変えることにより，広い範
囲で変えることが出来る。粒子の速度と径の測定のダイ
ナミックレンジが大きい。従来不可能であった粒子の径
と屈折率変化も同時測定できる特色などをもつ。
このシステムの光学系を図１に示す。レンズ11,12を通
り，ビーム径を拡大したレーザビームは，レンズ13の前
側焦平面に置かれた回折格子d.g.を通り回折し，レンズ
13によってそれぞれの回折光は平行になる。この後側焦
平面に集光された鮮鋭な多重干渉縞（多焦点）を測定に
用いる。できるだけ，明るい，強度のそろった多焦点を
得るため，回折格子d.g.には，パルス幅変調された位相
回析格子を用いている。反射光，屈折光を検出器PD1,PD
2で受光する。途中のアパーチャa1,a2は，多焦点の中心
軌道を粒子が通った時のみを選択するため，および一定
の立体角のみの光を抽出するため使用している。検出器
PD1,PD2は，中心軸と多焦点光線を含む同一平面上で，
中心軸から２つの異なる見込み角に配置する（この平面
から任意角度に傾けた面に配置してもよく，この場合は
後述の粒子径と屈折率の算出の際に，余弦関係を考慮し
て算出する）。この２つの検出器の使用は，後述の粒子
による反射，屈折の４つの周期信号をえるためのもの
で，異なる見込み角をとることにより，ある粒子径で屈
折により生じる信号と反射により生じる信号が，重なる
場合が生じたとき，検出器のどちらかの信号が重ならな
いようにするためである。また回析の影響を除くため，
中心軸から30度以上の見込み角に配置する必要がある。
り，ビーム径を拡大したレーザビームは，レンズ13の前
側焦平面に置かれた回折格子d.g.を通り回折し，レンズ
13によってそれぞれの回折光は平行になる。この後側焦
平面に集光された鮮鋭な多重干渉縞（多焦点）を測定に
用いる。できるだけ，明るい，強度のそろった多焦点を
得るため，回折格子d.g.には，パルス幅変調された位相
回析格子を用いている。反射光，屈折光を検出器PD1,PD
2で受光する。途中のアパーチャa1,a2は，多焦点の中心
軌道を粒子が通った時のみを選択するため，および一定
の立体角のみの光を抽出するため使用している。検出器
PD1,PD2は，中心軸と多焦点光線を含む同一平面上で，
中心軸から２つの異なる見込み角に配置する（この平面
から任意角度に傾けた面に配置してもよく，この場合は
後述の粒子径と屈折率の算出の際に，余弦関係を考慮し
て算出する）。この２つの検出器の使用は，後述の粒子
による反射，屈折の４つの周期信号をえるためのもの
で，異なる見込み角をとることにより，ある粒子径で屈
折により生じる信号と反射により生じる信号が，重なる
場合が生じたとき，検出器のどちらかの信号が重ならな
いようにするためである。また回析の影響を除くため，
中心軸から30度以上の見込み角に配置する必要がある。
粒子の速度Ｖは，多焦点を粒子がよぎった時生じる反射
光から得られる信号の周期と多焦点の各焦点間隔から求
めることができる。粒子の径と屈折率の測定原理を図２
に示す。図２では，説明上，わかり易くするため，多焦
点の１点についてのみ示してある。（ａ）に示すように
粒子が，ビームを通過する時，（ｂ）に示すように，ま
ず，反射光が検出器PD2で観測され，引き続いて屈折光
がPD1で，屈折光がPD2,反射光がPD1で観測される。した
がって,PD1と,PD2で得られた信号の時間遅れT2,T1を測
定すれば，反射と屈折のスネルの法則を用いて，幾何学
的に粒子の径と屈折率を求めることができる。この方法
は，信号の強度の絶対値測定の必要がなく，時間遅れの
みを測定すればよく，較正の必要がなく，簡単に精度よ
く粒子の速度，径，屈折率の同時測定ができる特色など
がある。図２（ｂ）の２つの時間遅れを求める時の粒子
とPD1,PD2の幾何学的関係を図３に示す。図３（ａ）はT
1を求める時のもので，粒子の中心が焦点レーザビーム
からhθ2の距離にある時,PD2に反射光が入り，それから
粒子が移動し，粒子の中心が焦点レーザビームからhθ1
の距離にある時,PD1に反射光が入る。図３（ｂ）はT2を
求める時のもので，粒子の中心が焦点からlθ1にある
時,PD1に屈折光が入り，それから粒子が移動し，粒子の
中心が焦点レーザビームからhθ1の距離にある時PD1に
反射光が入る。屈折率ｍと径ｄは，図３に示すPD1,PD2
の粒子との幾何学的関係から，反射，屈折のスネルの法
則を用いて誘導した次式から算出する。
光から得られる信号の周期と多焦点の各焦点間隔から求
めることができる。粒子の径と屈折率の測定原理を図２
に示す。図２では，説明上，わかり易くするため，多焦
点の１点についてのみ示してある。（ａ）に示すように
粒子が，ビームを通過する時，（ｂ）に示すように，ま
ず，反射光が検出器PD2で観測され，引き続いて屈折光
がPD1で，屈折光がPD2,反射光がPD1で観測される。した
がって,PD1と,PD2で得られた信号の時間遅れT2,T1を測
定すれば，反射と屈折のスネルの法則を用いて，幾何学
的に粒子の径と屈折率を求めることができる。この方法
は，信号の強度の絶対値測定の必要がなく，時間遅れの
みを測定すればよく，較正の必要がなく，簡単に精度よ
く粒子の速度，径，屈折率の同時測定ができる特色など
がある。図２（ｂ）の２つの時間遅れを求める時の粒子
とPD1,PD2の幾何学的関係を図３に示す。図３（ａ）はT
1を求める時のもので，粒子の中心が焦点レーザビーム
からhθ2の距離にある時,PD2に反射光が入り，それから
粒子が移動し，粒子の中心が焦点レーザビームからhθ1
の距離にある時,PD1に反射光が入る。図３（ｂ）はT2を
求める時のもので，粒子の中心が焦点からlθ1にある
時,PD1に屈折光が入り，それから粒子が移動し，粒子の
中心が焦点レーザビームからhθ1の距離にある時PD1に
反射光が入る。屈折率ｍと径ｄは，図３に示すPD1,PD2
の粒子との幾何学的関係から，反射，屈折のスネルの法
則を用いて誘導した次式から算出する。
ｄ＝２VT1／〔ｘ（θ１）＋ｘ（θ２）〕 （１） ｍ＝［（T2/T1）×（ｘ（θ１）＋ｘ（θ２））−ｘ
（θ１）］／ cos［cos-1｛（T2/T1）×（ｘ（θ１）＋ｘ（θ２）） −ｘ（θ１）｝＋２θ１］ （２） ここで,x（θ１）＝［２（１−cosθ１）］-1/2sin
θ１,x（θ２） ＝［２（１−cosθ２）］-1/2sinθ２。
（θ１）］／ cos［cos-1｛（T2/T1）×（ｘ（θ１）＋ｘ（θ２）） −ｘ（θ１）｝＋２θ１］ （２） ここで,x（θ１）＝［２（１−cosθ１）］-1/2sin
θ１,x（θ２） ＝［２（１−cosθ２）］-1/2sinθ２。
実際に粒子の速度，径，屈折率を求める方法を具体的に
下記に示す。PD1とPD2で検出される信号例を図４（縦軸
は信号電圧I,任意目盛り；横軸は時間t,800μs/div）に
示す。測定のモデル実験としておこなったもので，粒子
の代わりに試料として，直径4.07mmガラスシリンダを回
転円板にとりつけたものを使用した。多焦点の各焦点間
隔は0.789mmであった。回折の影響を除くため，検出器P
D1,PD2の見込み角を30度以上にし，屈折信号と反射信号
の重なる場合の影響を除くため，異なる見込み角度θ１
＝30度，θ２＝40度とした。PD1に対しては上側に示す
２つの周期信号,PD2に対しては下側に示す２つの周期信
号，合わせて４つの周期信号が得られる。上側のPD1の
信号では，最初に振幅の大きな７つのピークをもつ屈折
による周期信号Ａが現れ，次に振幅の小さな７つのピー
クをもつ反射による周期信号Ｂが現れる。下側のPD2の
信号では，最初に振幅の小さな７つのピークをもつ反射
による周期信号Ｃが現れ，次に，振幅の大きな７つのピ
ークをもつ屈折による周期信号Ｄが現れる。速度Ｖは,1
例としてPD1の振幅の大きい最初の屈折による信号Ａか
ら図に示すように周期Tpを求め，（多焦点の各焦点間
隔）／（図４の周期信号の周期Tp）から算出する。図２
（ｂ）に簡略的に示した信号の時間遅れに対して，図４
の信号から時間遅れT2,T1を求める。T2は上側にPD1の信
号の屈折による周期信号Ａの最大のピークAmとPD1の信
号の反射による周期信号Ｂの最大のピークBmとの時間間
隔から求める。T1は下側のPD2の信号の反射による周期
信号Ｃの最大ピークCmと上側のPD1の信号の反射による
周期信号Ｂの最大ピークBmの時間間隔から求める。求め
た時間遅れT2,T1を，すでに求めた速度Ｖとともに式
（１），（２）に代入すれば屈折率m,径ｄを算出でき
る。
下記に示す。PD1とPD2で検出される信号例を図４（縦軸
は信号電圧I,任意目盛り；横軸は時間t,800μs/div）に
示す。測定のモデル実験としておこなったもので，粒子
の代わりに試料として，直径4.07mmガラスシリンダを回
転円板にとりつけたものを使用した。多焦点の各焦点間
隔は0.789mmであった。回折の影響を除くため，検出器P
D1,PD2の見込み角を30度以上にし，屈折信号と反射信号
の重なる場合の影響を除くため，異なる見込み角度θ１
＝30度，θ２＝40度とした。PD1に対しては上側に示す
２つの周期信号,PD2に対しては下側に示す２つの周期信
号，合わせて４つの周期信号が得られる。上側のPD1の
信号では，最初に振幅の大きな７つのピークをもつ屈折
による周期信号Ａが現れ，次に振幅の小さな７つのピー
クをもつ反射による周期信号Ｂが現れる。下側のPD2の
信号では，最初に振幅の小さな７つのピークをもつ反射
による周期信号Ｃが現れ，次に，振幅の大きな７つのピ
ークをもつ屈折による周期信号Ｄが現れる。速度Ｖは,1
例としてPD1の振幅の大きい最初の屈折による信号Ａか
ら図に示すように周期Tpを求め，（多焦点の各焦点間
隔）／（図４の周期信号の周期Tp）から算出する。図２
（ｂ）に簡略的に示した信号の時間遅れに対して，図４
の信号から時間遅れT2,T1を求める。T2は上側にPD1の信
号の屈折による周期信号Ａの最大のピークAmとPD1の信
号の反射による周期信号Ｂの最大のピークBmとの時間間
隔から求める。T1は下側のPD2の信号の反射による周期
信号Ｃの最大ピークCmと上側のPD1の信号の反射による
周期信号Ｂの最大ピークBmの時間間隔から求める。求め
た時間遅れT2,T1を，すでに求めた速度Ｖとともに式
（１），（２）に代入すれば屈折率m,径ｄを算出でき
る。
図１は，レーザ多焦点法による粒子の速度，径，屈折率
の同時測定システムの光学系，図２は，粒子の径と屈折
率同時測定の原理図。（ａ）は光学系，（ｂ）は信号処
理系。図３は検出器と粒子の幾何学的関係を示す図。図
４は観測される代表的な信号パターン。
の同時測定システムの光学系，図２は，粒子の径と屈折
率同時測定の原理図。（ａ）は光学系，（ｂ）は信号処
理系。図３は検出器と粒子の幾何学的関係を示す図。図
４は観測される代表的な信号パターン。
Claims (1)
- 【請求項１】レーザ多焦点法において，一定の立体角の
みの光を抽出する第１および第２の検出器を用い，該検
出器を中心軸から２つの異なる見込み角に配置し，多焦
点部のレーザビームに粒子を通過させ，その際生じる反
射光，屈折光のうち，上記２つの見込み角方向の反射光
と屈折光を受光し，第１の検出器，第２の検出器におい
て，それぞれ反射，屈折による４つの周期信号を発生せ
しめ，まず，それらの４つの周期信号のうちの任意の１
つの信号から周期を測定し，粒子の速度を算出し，次
に，第１検出器の屈折による信号と反射による信号の時
間遅れおよび第２検出器の反射による信号と第１検出器
の反射による信号の時間遅れを測定し，これら２つの時
間遅れと先に求めた粒子の速度を用いて，粒子の径と屈
折率を算出することを特徴とする粒子の速度，径，屈折
率の同時測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63242180A JPH0756471B2 (ja) | 1988-09-27 | 1988-09-27 | レーザ多焦点法による粒子の速度、径、屈折率の同時測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63242180A JPH0756471B2 (ja) | 1988-09-27 | 1988-09-27 | レーザ多焦点法による粒子の速度、径、屈折率の同時測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0290037A JPH0290037A (ja) | 1990-03-29 |
| JPH0756471B2 true JPH0756471B2 (ja) | 1995-06-14 |
Family
ID=17085499
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63242180A Expired - Fee Related JPH0756471B2 (ja) | 1988-09-27 | 1988-09-27 | レーザ多焦点法による粒子の速度、径、屈折率の同時測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0756471B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190017163A (ko) * | 2017-08-10 | 2019-02-20 | 한국광기술원 | 워터젯 특성 측정장치 및 측정방법 |
| US20220364930A1 (en) * | 2019-10-25 | 2022-11-17 | Horiba, Ltd. | Radiation thermometer, temperature measurement method, and temperature measurement program |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2770800B2 (ja) * | 1995-09-20 | 1998-07-02 | 日本電気株式会社 | 埃塵検出装置 |
| MX2009003534A (es) * | 2006-10-06 | 2009-06-15 | Sumitomo Metal Ind | Elemento de tapon y dispositivo de montaje y desmontaje para el mismo. |
| US8373858B2 (en) * | 2008-12-10 | 2013-02-12 | Livermore Instruments, Inc. | System and method for real time determination of size and chemical composition of aerosol particles |
| CN104697454B (zh) * | 2015-03-23 | 2017-06-23 | 苏州江奥光电科技有限公司 | 一种基于双光栅的细丝直径测量方法和装置 |
| CN109932304B (zh) * | 2019-03-12 | 2024-03-26 | 浙江大学 | 一种基于数字同轴全息测量液滴折射率的方法及装置 |
| CN109855552A (zh) * | 2019-03-16 | 2019-06-07 | 南京华群光电技术有限公司 | 一种双向非接触式线径测量仪及方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63201554A (ja) * | 1987-02-17 | 1988-08-19 | Canon Inc | 粒子解析装置 |
-
1988
- 1988-09-27 JP JP63242180A patent/JPH0756471B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190017163A (ko) * | 2017-08-10 | 2019-02-20 | 한국광기술원 | 워터젯 특성 측정장치 및 측정방법 |
| US20220364930A1 (en) * | 2019-10-25 | 2022-11-17 | Horiba, Ltd. | Radiation thermometer, temperature measurement method, and temperature measurement program |
| US12523532B2 (en) * | 2019-10-25 | 2026-01-13 | Horiba, Ltd. | Radiation thermometer, temperature measurement method, and temperature measurement program |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0290037A (ja) | 1990-03-29 |
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Legal Events
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