2014 Fiscal Year Research-status Report
ディジタルホログラフィによる高性能３次元空間粒子計測法の研究
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26420110
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
村田 滋 京都工芸繊維大学, 工芸科学研究科, 教授 (50174298)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 流体計測 / 混相流 / ディジタルホログラフィ / ３次元計測 / 波動光学 / マイクロ粒子 / 噴霧計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超高速燃料噴霧の液滴径・数密度などの空間分布情報計測や，材料変形と周囲流体の連成運動の３次元同時計測は従来の流体計測法では困難であり，簡便で高性能な計測法の開発が望まれている．そのような計測を実現するための一つの有用な技術にディジタルホログラフィが挙げられる．これは撮像カメラとパーソナルコンピュータを組み合わせ，従来のホログラフィをディジタル化したもので，微小粒子など計測対象物の３次元空間分布状態を干渉縞パターンとしてディジタル画像に記録し，その画像を波動光学に基づき解析すると，粒径・数密度・移動速度など様々な計測対象物の量が同時計測できるという特長を持つ．
本研究課題では，単眼で３次元空間に高密度分布する数マイクロ～数十マイクロメートルの微小粒子・液滴群に関する様々な量を時系列同時計測できるディジタルホログラフィ粒子計測システムの高性能化を目的としている．このシステムの高性能化は，「記録現象の高速化」「計測情報の高精度化」によって達成し，実用レベルの単眼３次元空間粒子計測システムを実現するとともに，この粒子計測システムの高い計測性能を実証実験により検証する．
先ず，「高精度化への対応」として，数値像再生処理の改善を図った．数値像再生処理は，カメラにより一旦記録された観測ホログラム（干渉縞パターン）から元の微小粒子群の空間分布を３次元的に再現する処理で，如何に元の分布状態に近い空間分布を再現できるかがそこに記録された粒子群の計測精度に影響する．平成26年度はデコンボリューション法と仮想粒子法によって，より現実に近い数値再生像空間の再現と粒子計測結果の信頼性の向上をそれぞれ図った．
次に，「高速現象への対応」として，超短時間照明が可能なレーザー光源によるチルト式位相シフト法の観測光学系を構成し，平成27年度以降の高速現象に対応できる実証試験装置を準備した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
「高精度化への対応」は順調に進行し，2つの改善手法について以下のような結果を得ている．先ず，数値再生粒子像の奥行き方向伸長の影響を抑制することで粒子計測法を高精度化するデコンボリューション法では，正規化処理により安定化させた方法を試み，奥行位置検出精度に影響する粒子像伸びを数値シミュレーションで評価するとともに，実験的に手法の有用性を確認した．数値シミュレーションでは，観測方法として位相シフト法によることが有用なこと，再生像空間を表す量は複素振幅情報または規準化複素振幅情報が良好な結果を与え，粒子密度500（個／立方mm）以下では深さ位置計測誤差が低く維持できることなどを示した．また，実証実験では，水中に浮遊させた粒径が明らかな標準粒子を観測し，最も効果の高い場合には再生粒子像の伸びを0.17倍にまで低減できることを示した．次に，粒子計測結果の信頼性の向上を目指した仮想粒子法では，従来法で得た粒子情報に基づき仮想粒子を設定し，その仮想粒子が生じさせるホログラムパターンと観測ホログラムパターンが合致するよう，割線法に基づく反復計算によって誤検出粒子の除去と未検出粒子の追加検出する手法を提案した．数値シミュレーションで性能を評価したところ，粒子数密度100（個／立方mm）までは検出率1.0の適正な結果を得ているが，計算量の大幅な低減と反復計算の収束性の検討が必要であることが確認された．
「高速現象への対応」は，超短時間照明が可能なレーザー光源を導入することでチルト式位相シフト法の観測光学系を構成したが，上述の高精度化のための改善手法の検討に時間を割かれ，設定回転速度に対する再生粒子像ぶれ量の画像計測が未実施であり，平成27年度初頭で粒子運動速度に対する構成観測光学系の実用性を評価する必要がある．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成26年度の研究成果に基づき，平成27年度は「高精度化への対応」，「高速現象への対応」および応用計測によって高性能ディジタルホログラフィ粒子計測システムの実証研究へと発展させる．
先ず，「高精度化への対応」として，誤差評価較正ブロックと粒径既知の標準粒子をガラス平面に付着させたものを測定対象として，初年度で試みた高精度化のための２つ手法の実験的性能評価を行う．
次に，「高速現象への対応」として，高密度噴霧計測を実施する．噴霧液滴を測定対象とし，高速運動する高数密度粒子群に対する開発手法の実用性を実証する．噴霧実験は安全のため水を用い，噴霧装置は現有設備を用いる．
さらに，応用計測として，流体－構造体連成同時計測実施の準備を行い，構造体の運動と周囲流体の流動を同時に計測する実験装置を構築する．対象流れ場は主流に対して垂直に直立する角柱周りのはく離流れであり，渦放出現象と角柱の振動現象を観測予定である．上述の観測実験およびその解析は，平成26年度に構成したチルト式位相シフト観測光学系によるホログラム観測装置と数値シミュレーションで性能評価した粒子計測ソフトウェアを用いて実施する．
研究成果は，日本機械学会，可視化情報学会，日本実験力学会の国内講演会や国際シンポジウムを中心に報告するとともに，関連学会論文誌などに印刷物で公表する．
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| Causes of Carryover |
高精度化のための改善手法に関わる数値シミュレーションに時間を要したため，基本性能評価実験を中心に実験関係の進捗が若干遅れており，実験装置関連の消耗品の使用見込額を下回ったこと，申請時に予定していた国内講演会が1件開催されなかったため研究成果発表のための旅費の使用額が少なかったことと，大学院生の修士論文研究との兼ね合いで数値シミュレーションに関するデータ整理・補助の使用額が必要なくなったことにより，次年度使用額353,560円が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度は観測実験および研究成果発表の機会が増えるため，次年度使用額353,560円はこれに利用する予定である．観測実験には物品費として200,000円を配分し，平成26年度に完了予定であった誤差評価較正ブロックを作製し，基本性能評価試験に用いるとともに，現有噴霧装置を光学観測系に組み入れるための装置構成を行う．次に，日本機械学会または日本実験力学会の国内講演を1件増やし，研究成果発表のための旅費に50,000円を配分する．さらに，国際学術雑誌などへの論文投稿を積極的に行い，これに100,000円を追加配分する．
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Research Products
(3 results)
