1．ま え が き 河川に流出した有機物などの微粒子は水中の生物の活 動状態に大きな影響を与え，河川や海などの汚濁が深刻 な環境問題になっている。今までにも環境計測に関して 種々の検討が行われている1),2)。そこで本論文では，水中 微粒子の画像解析に基づき，従来法よりも明るい画像が 得られ，かつ小型な，その場計測システムを提案する。 直接観察することが困難な場所にある水中の微粒子を検 出する際には，イメージファイバを利用した画像伝送法 が有効である。本手法では，水中に含まれる微粒子に光 を照射し，散乱させることで微粒子の分布状況をイメー ジファイバにより画像として伝送し，CCD カメラで撮像 する。このようにして得られた画像に対して画像解析を 行うことにより微粒子検出を行うシステムとなっている。 本論文では，水中の微粒子をこの方法によって観察する。 さらに，本手法では，従来手法のように大掛かりなシス テムを使用することが不要となるためため，その場で容 易に微粒子を検出することが可能となる。 2．水中微粒子の測定システム 2.1 システムの全体構成 本論文で構成した水中微粒子の測定システムの全体構 成は図 1 に示した通りである。ハロゲンランプ（ハン ディタイプ）を光源として用い，拡散板を用いて空間的 コヒーレンスを改善した後に，暗視野ルーペ（遮光板を 外して）に入射した。このようにして入射された光が被 測定液に導かれ，液中に存在する微粒子により光散乱を 引起す。このようにして得られた散乱光を対物レンズに より，集光してイメージファイバへと導き，画像として 伝送している。伝送された画像を接眼レンズにより拡大 して CCD カメラ（1/4 インチ，総画素数 41 万，有効範囲 80%）で撮像し，14 インチ CRT モニタおよび PC に伝送
水中微粒子をその場で検出するためのイメージファイバ
を用いた画像計測システム
佐 藤 甲 癸 * ・石 附 英 昭 ** ・高 野 邦 彦 ***
Image Measurement System Using Image Fiber for Detection in Situ of Particles in Water
Koki SATO*, Hideaki ISHIZUKI** and Kunihiko TAKANO***
For detection of the particles in water located at the places not easily be observed, image transmitting technique em-ploying image fiber is effective. In this paper, we apply this technique to detect small particles in water with help of spe-cial type microscope and we show this image transmitting technique really enables us to easily detect small particles in water in situ. Vol. 38, No. 1, 2004 *電気電子メディア工学科 教授 **（株）オプトハイテック ***都立航空工業高等専門学校 電子工学科専任講 師，本学研究員 平成 15 年 10 月 10 日受付 図 1 水中微粒子の検出システム
した。このようにして得られた画像を CRT でモニタしつ つ，PC により微粒子の数や大きさを測定するシステムと なっている。ここで，計測された微粒子の画像は，CRT モニタ上では全体で約 660 倍に拡大表示されている。こ れによりノートパソコンにより，その場にて微粒子が容 易に確認できるシステムとなっている3)。また本手法で はイメージファイバによる画像伝送を行うことが可能で あり，離れた場所でも容易に水質汚濁状況を知ることが できる。 2.2 暗視野ルーペ 暗視野ルーペは光の回折を利用した機器であり，遮光 板，拡散板からなる。図 2 に暗視野ルーペの構造を示す。 本手法では，暗視野ルーペの中に測定水溶液を入れ，そ の下方より光を照射し，光拡散板により光を拡散させ光 の回折を起こす。このとき円形孔の光の回折では，直射 光が強すぎるため微粒子の光を像として確認することが できない。そのため円形孔（直径 3.2 [mm]）の中心に遮 光板を置き，リング状の光の回折を引起させ，直射光の 影響を低減させる。これにより直射光の影響を受けるこ となく，微粒子の光の散乱により微粒子の光を像として 観察することが可能となる。 2.3 画像伝送 実際の水質汚濁を把握の状況するためには，人間の手 が届かない，排水管内や危険物質の含まれる液中を調査 することが必要である。そこで，本手法では，図 3 に示 す，画像伝送システムを構成した。同図において (a) は全 体構成，(b) は微粒子画像を取得し，イメージファイバ内 に出力する部分を拡大したものを示している。本手法で は (b) のように非球面レンズ及び，イメージファイバを円 筒に固定している。 図 3 に示すように，暗視野ルーペにより鮮明化させた 微粒子画像を，対物レンズによりイメージファイバ（詳 細は 2.3.3 に示す。）の有効径の大きさに光学縮小し，イ メージファイバで必要な距離を伝送した後に，接眼レン ズにより微粒子画像を拡大し，CCD カメラへと伝送して いる。なお，本手法では次項に述べる理由から対物およ び接眼レンズに，非球面レンズを使用している4) 。 2.3.1 非球面レンズの理論 通常の球面レンズを用いて像観察を行う場合にはザイ デルの五収差により，像ボケ，歪みなどが発生すること が知られている。特に，球面収差はレンズの端を通る光 が中心部を通る光とは少し異なる場所に焦点を結ぶ為に 生じる現象であり，歪みの原因となる。クラウンガラス の凸レンズとフリントガラスの凹レンズと組合せ，その 球面の半径を適切に調整して，影響の軽減が可能である が，以下の点が解決できていない。 ①複数レンズを組合せることに伴い，光学装置が大 きくなる上にコストが高くなり，使用環境が限定 されてしまう。 ②入射角が大きい場合には使用できないため，広範 囲の微粒子の情報を取得できない。 以上の理由から，本手法では単一レンズで広範囲の像を 取得でき，かつ収差の影響が極めて小さい非球面レンズ 図 2 暗視野ルーペの構造 Construction of loope 図 3 画像伝送システム
Image transmitting system. (a) Total setup of sys-tem. (b) Detailed setup
を使用した。 さて，レンズ表面の形状は円錐（図 4）の切断面によ り決定される。ここで，切断面は (1) 式で与えられる。 (1) ここで，定数 k は円錐係数であり， k1: 双曲面 k1: 放物面 1k0: 楕円面 k0: 球面 のように，レンズ表面の形状が変化する。通常のレンズ では，k0 であることから，球面レンズとなる。一方， 本手法で用いた非球面レンズでは，k1 であり双曲面 形状となる。さらに，(2) 式に示すように，(1) 式に高次成 分を追加することにより精密な曲面調整が可能となり， レンズの持つザイデル五収差の軽減を行うことが可能と なる。なお，(2) 式における高次項が偶数次数のみになっ ているのは，曲面の対称性がその理由である。以上より， なお，本手法では，焦点距離 f1.6 [mm] で倍率が 3.14 倍 のものを使用している。詳細は 2.3.2 で述べる。 a1(x2y2)2a2(x2y2)4 a3(x 2y2)6a 4(x 2y2)8 a5(x2y2)10a6(x2y2)12 a7(x 2y2)14a 8(x 2y2)16 (2) 2.3.2 非球面レンズ，画像伝送用ファイバの関係4) 前項では，非球面レンズの考え方について述べた。本 節では，非球面レンズにより取得した画像をイメージ ファイバへと入力するシステムの詳細を述べる。本手法 で使用した，画像入力用の非球面レンズは表 2 の仕様で あった。表 2 における曲率は，球面に直したセンター部 の曲率を示している。 また，レンズ外観を図 5(a) に，レンズを中心とした光 線追跡結果（レンズの片側の画角が 9 [deg] であったこと から，レンズの入射角度を 0 [deg], 2.5 [deg], 5.0 [deg], 7.5
[deg], 9.0 [deg]とした）を図 5(b) に示した。同図 (b) におい て R1, R2は表 2 における R1, R2に対応している。図 5 よ り，本手法で使用したレンズでは，ファイバ直径 f2.0 [mm]（次節参照）に画像を入力することが可能となるこ とがわかる。なお，画像をファイバに伝達する場合には， 収差に起因する画質劣化が少ないことが重要である。そ z k R R k x y 1 1 1 2 2 ( ( ) (⋅ ) ) z k R R k x y 1 1 1 2 2 ( ( ) (⋅ ) ) 図 4 円錐の切断面
Rotationally symmetric polynomial aspheric sur-faces
表 1 本手法で用いた画像入力用レンズの仕様
Specification of lens to obtain image
形 状 非球面レンズ R1[mm] 2.06 曲 率 R2[mm] 1.01 焦点距離 [mm] 1.6 全画角 [deg] 18（片側 9 [deg]） 倍 率［倍］ 3.14 材 質 アクリル (n1.49) 表 2 イメージファイバの仕様
Specifications of image fiber
形 式 バンドルファイバ 型 式 MB-2000（旭化成） 開口数 NA 0.5 [mm] 端面直径 2 [mm] コア径 f 20 [mm] 画素数 2000本
こで，本手法で使用したレンズの収差特性を図 6 に示し， 収差の大きさを評価する。 図 6 から，以下のことが確認できる。 ① (a) より，片側の画角 7.5 [deg] の範囲内では，焦点位 置のばらつきが小さい。 ② (b) より，片側の画角 7.5 [deg] の範囲内では空間周波 数 40 [cycle/mm] までの解像能力を有する。これは， 20 [mm] までの解像能力を有することを意味してい る。本手法で用いたイメージファイバの 1 画素は 20 [mm] であるため，レンズとしての分解能は十分な特 性を持っている。 ③ (c) より，歪曲は 0.20 [%] 未満であるため，像上の点 全体の変位は極めて小さい。さらに，波長差による 影響もほとんど見られないため，色収差が極めて小 さく無視可能。 ④ (d) より，球欠面における収差（図中の SR, SG, SB） と子午面（図中の TR, TG, TB）における収差の差は きわめて小さいため，像面湾曲の影響は小さい。さ らに，波長差による影響も小さいため，色収差の影 響は無視可能。 以上より，本手法で用いた非球面レンズはイメージファ イバに対して十分な特性であることがわかる。 2.3.3 微粒子画像伝送に用いた光ファイバ 前節では，イメージファイバに画像を伝達するレンズ について論じた。本節では，微粒子画像伝送用の光ファ イバについて述べる。本手法では微粒子画像の伝送用と して，以下の理由からイメージファイバを用いた。 図 5 レンズ外観及び光線追跡結果
External appearance, Ray-tracing result of lens. (a) External appearance of lens. (b) Ray-tracing result of lens
図 6 使用した非球面レンズの光学特性
Optical characteristics of lens. (a) Spot diagram. (b) M.T.F. (c) Distortion. (d) Image plane curve
①耐水性に優れることから，水中に直接ファイバを入 れることができる。 ②電磁ノイズの影響，すなわち静電気や火花が発生す る場所に，CCD カメラ（電子回路）を直接入れて測 定することはできない。これに対して，本手法で用 いた光ファイバは電磁ノイズ，さらには耐熱性，耐 放射線性にも優れる特性がある。これにより，様々 な液中に対応が期待できる。 ③半径数 10200 mm 位に曲げられる，すなわち可撓 性がある。これは排水管内にファイバを通して，管 内の微粒子観察が可能なことを意味する。 ④安価でありながら，伝送損失特性が比較的良好なプ ラスチックを成分とし，画像伝送を可能としている ことから，離れた場所に微粒子画像を伝送する意味 で有効。 ⑤画素構造を有し，各画素の相互配列が同じであるの で，画像伝送に適している。 本手法で用いたイメージファイバの仕様は表 2 に示し た通りである。 また，ファイバの断面写真を図 7 に示した。これを見 ると，本手法で用いたイメージファイバの画素構造は 20 [mm] 一律であることが確認できる。 次に実際に印刷物（ドット間隔： 0.16 [mm]）をファイ バで伝送して得られた画像の一例を図 8 に示す。これよ り，歪みの影響が小さく鮮明な像が伝送できていること が確認できる。 2.3.4 接眼レンズ部の構成 本節では，イメージファイバにより伝送された画像を 撮像するために構成した接眼レンズ部の仕様について述 べる。本手法で構成した接眼レンズ部を図 9 に示す。本 手法では，イメージファイバの端面から接眼レンズ部の 距離を 50 [mm] として伝送画像を取得した。さらに，長 さ 150 [mm] の拡大用拡張筒内で取得画像を伝送し，C マ ウント式 CCD カメラ（CCD 面）で撮像している。本手 法の場合では，長さ 150 [mm] の拡大用拡張筒を使用して いることから，接眼レンズ部での倍率は 3 倍となる。 CCDカメラ上で撮像された微粒子が 14 インチ CRT に 表示されたことによる倍率 m を求める。 m14/(1/40.8)70［倍］ ここで，接眼レンズまでの倍率は 3.143 より，9.42 倍で あったので，全体の倍率 mtotalは，mtotal9.4270660 倍 と求まる。 3．微粒子測定の手順 本論文では，微粒子画像を画像伝送した後に，CCD カ メラによって PC に入力している。ここでは，微粒子の 判定方法について述べる。 図 7 イメージファイバの断面写真
Photograph of image fiber
図 8 画像伝送例
Sample of transmitted image
図 9 接眼レンズ部詳細
3.1 ノイズの除去の手順 測定する際に測定液体を照射する光の影響によって， 所望の微粒子以外の不要な情報が混入することが考えら れる。このような場合には，画像間演算を行うことが有 効であると考えられる。本手法で行った処理により得ら れた画像は図 10, 11 に示した通りである。なお，比較の 意味で光源にハロゲンランプ及び，He–Ne レーザを用い て，緑茶の液を被評価液とし，微粒子検出を行った3)。 ①お茶の微粒子を含む画像，および含まない画像を 1 回のショットにつき，4 フレーム分キャプチャし， アベレージング処理を施した。これは，キャプチャ 画像のフレーム相関性に起因するノイズ成分の軽減 を目的としている。 ②微粒子を含まない画像を背景ノイズ成分とみなし， 微粒子を含む画像から減算した。 ③さらに，得られた画像のコントラストを強調する目 的で二階調化処理を施した。なお，2 値化における しきい値は，図 10 の場合で赤緑青それぞれ 2, 3, 3 で あり，図 11 の場合では，赤緑青それぞれ 11, 9, 13 で あった。このようにして得られた微粒子画像の RGB チャネルの OR 画像を作成し，1 チャネルに統合し た。 これより，光源の種別に依存せず，微粒子情報を抽出で きることが確認できる。なお，図 10，図 11 の (a) を比較 すると，He–Ne レーザを用いた場合に，微粒子と背景と の明暗がはっきりしていることが確認できる。これは， 光源として光が収束しているレーザを用いたことにより 微粒子のみに光が照射された結果であると考えられる。 さらに，光源としてハロゲンランプを用いた場合にバッ クグラウンド光によって抽出が困難な場合があった。一 方レーザを用いた場合には細かい微粒子までが観察可能 となることがわかった。このことは，図 11(b) からも確認 できる（なお，図 10(b), 11(b) において記載されている数 字については次節で述べる)。なお，図 10(a), 11(a) におい て測定した粒子パターンが異なるのは，同一の被測定液 を用いたが，液が流動しているために測定場所が同一で ないためである。 3.2 微粒子の判定方法 前節では，微粒子情報の抽出方法について論じた。こ こでは，微粒子の判定方法について述べる。本手法で 図 10 ハロゲンランプを用いた場合
Halogen-lamp as a light source. (a) Captured image. (b) Extracted Particle
図 11 He–Neレーザを用いた場合
He–Ne laser as a light source. (a) Captured Image. (b) Extracted Particle
は，前節のようにして取得した微粒子画像の 1 ピクセル あたりの長さを定めた上で，繋がったピクセル数を数え ることにより，微粒子として検出することが可能となる。 （微粒子として認識する範囲を点線でマーキングしてあ る。）ここで，1 ピクセルあたりの長さを 1.0 [mm] とする と，図 12 の場合では縦横ともに 7.0 [mm] となる。なお， 本論文の条件では，1 ピクセルあたりの長さは 0.658 [mm] （縦横とも同じ）であった。 ここで，得られた縦横の画素数をそれぞれ ny, nxとし， 縦横の 1 画素あたりの長さを a, b とすると，検出された 微粒子の縦横の長さ Ly, Lxは (2) 式で与えられる。 (2) L n a L n b y y x x ⋅ ⋅ 表 3 図 10(b) から得られた微粒子サイズ
The size of detected particle from Fig. 10(b)
微粒子 微粒子 番 号 面 積 周囲長 サイズ サイズ S [mm2] P [ mm] （横） （縦） Lx[mm] Ly[mm] 0 261.0 81.4 20.4 21.1 1 228.0 67.0 20.4 16.5 2 209.0 65.5 19.7 16.5 3 49.0 27.7 9.2 8.6 4 152.0 55.6 13.8 17.1 5 87.0 39.3 15.1 9.9 6 48.0 27.7 10.5 7.2 7 48.0 27.0 9.9 7.2 8 46.0 27.3 9.9 6.6 9 121.0 47.3 10.5 17.1 合 計 1248.0 465.6 139.5 127.7 最 小 46.0 27.0 9.2 6.6 最 大 261.0 81.4 20.4 21.1 平 均 125.0 46.6 14.0 12.8 標準偏差 83.0 20.0 4.7 5.4 表 4 図 11(b) から得られた微粒子サイズ
The size of detected particle from Fig. 11(b)
微粒子 微粒子 番 号 S [面 積 周囲長 サイズ サイズ mm2] P [mm] （横） （縦） Lx[mm] Ly[mm] 0 125.0 31.2 10.6 14.2 1 100.0 27.1 14.2 10.6 2 5047.0 272.9 92.0 70.8 3 1515.0 155.9 49.5 46.0 4 1566.0 165.0 46.0 49.5 5 175.0 38.3 14.2 14.2 6 138.0 36.2 14.2 14.2 7 4960.0 279.6 95.6 74.3 8 29395.0 691.7 208.8 191.1 9 5912.0 299.6 95.6 84.9 10 726.0 91.7 31.9 28.3 合 計 49660.0 2089.3 672.4 598.1 最 小 100.0 27.1 10.6 10.6 最 大 29395.0 691.7 208.8 191.1 平 均 4515.0 189.9 61.1 54.4 標準偏差 8545.0 197.1 59.6 52.8 図 12 取得画像の例
また，検出された微粒子の周囲長 P，面積 S は (3), (4) 式 で与えられる。 P2·(LyLx) (3) SLy· Lx (4) そこで，図 9(b), 10(b) の微粒子画像から微粒子の大きさ を (2)–(4) 式より求めたものを表 3，表 4 に示す。ここで， 表中の番号は図 10(b)–11(b) に記述されている番号に対応 している。 これより，検出された微粒子面積は ハロゲンランプ使用時で 46–261 [mm2] He–Neレーザ使用時で 100–29395 [mm2] であることが確認できる。これらより，光源によらず本 計測システムを用いて 5 [mm] 程度の粒子を検出すること が可能であることがわかる。レーザを用いた場合に粒子 サイズが全体に大きめになっているが，入射光強度と粒 子サイズの関係については今後更に検討を行う予定であ る。 4．む す び 本論文では，イメージファイバによる画像伝送を行っ て得られた微粒子画像をその場で検出する方法について 検討を行った。本手法により，人間の手の届かない水中 を観察することが可能となることがわかった。今後は本 手法を用いて，河川や海水中の微粒子の計測を行う予定 である。本研究を行うにあたり，熱心に協力をいただき ました，本学卒業生の對比地康之氏，中村佳史氏，立木 伸治氏，熊坂真一氏，板橋陽子氏，齋藤正敏氏，平岡 靖氏に心より感謝をいたします。 文 献 1) 大森豊明 編：“センサ光学”，株式会社テクノ． 2) 田村誠也，斉藤鉱史，西端 健：“光散乱法による ポリエチレン粒子の直径の精密測定”，計測自動制 御学会誌 vol. 25, No. 9, pp. 38–44 (1989). 3) 佐藤甲癸，立木伸治，石附英昭：“光ファイバによ
る環境計測”，Proc. of Optics Japan ’99, pp. 379–380
(1999).
4) 石附英昭：“非球面レンズを用いた高精度画像観
