JP6748393B2 - 液体の境界面検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、高精度に、容器に収容された気体と液体の間や異種の液体間の境界面を検出する液体の境界面検出装置に関する。

液体を収容した容器の側面に光を照射して撮影して得られた画像から、その液体の液面を検出する技術が知られている（特許文献１）（特許文献２）。赤外線を照射して透過光をカメラで撮影して得られた画像から液面を検出する技術も紹介されている（特許文献３）。また、微量の液体を容器に正確に注入するために、液面に赤外線を照射して、ＣＣＤカメラにより撮影をして液面高さを計測する技術が紹介されている。ここでは、液体があるところと無いところの屈折率差を利用して液面位置を判定している（特許文献４）。

特開２００６−３００８７５号公報 特開平８−２７８１８６号公報 特開２００６−２４０６５９号公報 特開平７−２１８３９７公報

上記の既存技術には次のような解決すべき課題があった。
試験管の中の気体と液体の間や異種の液体間の境界面では、液体と容器が接触する部分の親和力による盛り上がりや、液体の境界面で発生した気泡が存在するために、既知の方法で撮影した画像では、境界面が判別できないかあるいは測定誤差が発生することがある。従って、液面の検出精度が１ｍｍ以下といった高精度の液面検出とその結果を利用した計量等を求められた場合には、従来技術では対応が困難である。
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものである。

以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。

＜構成１＞
気体と液体もしくは異種の液体により容器中に形成された境界面をはさむ領域に対して、その領域内で均質な近赤外線を容器の側面から照射する光源と、
上記境界面をはさむ領域の近赤外線の拡散反射光を撮影するカメラと、
上記カメラで撮影された画像中の、上記境界面と交差する直線に沿った検出信号の強度分布を求め、検出信号強度の下降点群を検出して、その下降点の最小値が閾値以下であって、上記カメラで撮影された画像中の上記境界面に平行な方向の線分を検出して、その位置を液面位置と判定する境界面判定部を備えたことを特徴とする境界面検出装置。

＜構成２＞
上記の光源は、容器の側面に配置した、上記領域内で赤外線を均質に照射するための半透明の板、もしくは上記領域内で赤外線を均質に反射させるボードを使用したものであることを特徴とする構成１に記載の境界面検出装置。

＜構成３＞
上記下降点群の上記閾値の部分の、境界面に交差する方向の幅は１ｍｍ以下であることを特徴とする構成１または２に記載の境界面検出装置。

＜構成４＞
上記光源から容器の方向を見たとき、容器の左右の側面のいずれか一方から、上記境界面をはさむ領域の近赤外線の拡散反射光を上記カメラで撮影することを特徴とする構成１乃至３のいずれかに記載の境界面検出装置。

＜構成５＞
気体と液体もしくは異種の液体により容器中に形成された境界面をはさむ領域に対して、その領域内で均質な近赤外線を容器の側面から照射する光源と、
上記境界面をはさむ領域の近赤外線の拡散反射光を撮影するカメラとを使用して、
上記カメラで撮影された画像中の、上記境界面と交差する直線に沿った検出信号の強度分布を求め、検出信号強度の下降点群を検出して、その下降点の最小値が閾値以下であって、上記カメラで撮影された画像中の上記境界面に平行な方向の線分を検出して、その位置を液面位置と判定することを特徴とする境界面の検出方法。

＜構成６＞
上記光源から容器の方向を見たとき、容器の左右の側面のいずれか一方から、上記境界面をはさむ領域の近赤外線の拡散反射光を上記カメラで撮影することを特徴とする構成５に記載の境界面の検出方法。

＜構成１の効果＞
強度ムラの無い均質な近赤外線を照射して、境界面での近赤外線の特徴的な散乱によって生じる検出信号強度の急峻な下降点群を検出すると、境界面の位置を高精度に検出できる。近赤外線の拡散反射光は容器の側壁から容器の中に進入した上記境界面の各所で発生するので、一箇所に集中した下降点群が取得でき、境界面の位置を高精度に検出できる。境界面と交差する直線に沿った検出信号の強度分布を求めた場合に、この直線が気泡等と交差していると、正確な境界面が検出できない。撮影された画像中に、境界面に平行な方向の一定以上の長さの線分を見つければ、気泡等によるものでないから、その位置が境界面と判定できる。
＜構成２の効果＞
強度ムラの無い均質な近赤外線を照射できる。
＜構成３の効果＞
幅が１ｍｍ以下の下降点群のところに閾値を設定すると、境界面の検出精度を１ｍｍ以下にすることができる。
＜構成４の効果＞
拡散反射光を撮影するので、カメラの位置に並べて光源を配置してもよい。しかし、光源から容器の方向を見たとき、容器の側面をカメラで撮影するほうが、外乱光を遮断し易く、装置を全体として小型化できる。

液体を収容した容器に、近赤外線ビームを照射して、液体の液面を検出する状態の側面図である。 （ａ）は、装置の全体構造例を示す斜視図で、（ｂ）は（ａ）の装置を上から見た平面図である。 上記の境界面検出装置の具体的な動作説明図である 容器に３種類の液体を収容した場合の検出信号例を示す。 境界面に気泡が発生した場合の検出信号例を示す。

以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。

図１（ａ）は、液体を収容した容器１４に、近赤外線ビーム２４を照射して、液体の液面を検出する状態の側面図である。
後で説明する別の液体と区別するために、この液体を第１の液体１６と呼ぶことにする。この第１の液体１６の液面とは、上方にある空気と第１の液体１６との境界面１８のことである。

光源２０は、例えば、近赤外線を発生させるＬＥＤである。半透明板２２は：例えば、すりガラスである。この構造により、境界面１８を挟む上側と下側の領域に対してその領域内で均質な強度に近赤外線ビーム２４を照射することができる。例えば、イメージラインセンサ２７によって近赤外線ビーム２４の反射光や透過光を検出した時に、境界面１８の位置が判別できる程度に均質であればよい。例えば、赤外線を均質に反射し散乱させるボードのようなものを使用しても構わない。

この実施例では容器１４の周囲にラベル１２が巻き付けられている。ラベル１２には、例えば第１の液体１６の種類や液量等の情報が記録されている。近赤外線ビーム２４は薄い紙のような素材であれば容易に通過して第１の液体１６に照射される。従って、可視光を使用した場合のようにラベル１２を剥がす必要はない。

イメージラインセンサ２７は、第１の液体１６を通り抜けた近赤外線ビーム２４か、あるいは第１の液体１６の表面や内部で拡散反射した近赤外線ビーム２４を検出するためのものである。近赤外線ビーム２４を検出するデバイスとしては、ダイオードアレイやイメージラインセンサーが適する。

なお、近赤外線ビーム２４は水を含む液体に吸収されやすく、その表面や内部でで反射し拡散する性質がある。図１（ｂ）の実施例は、この拡散反射光をＣＭＯＳカメラ２８で撮影する例を示している。

図１（ｂ）の例では、容器１４の中に第１の液体１６と第２の液体１７とが収容されている。この第１の液体１６と第２の液体１７境界面１８を検出する。この例の境界面１８は全体として完全に平坦ではなく泡のような凹凸が生じている。したがって、容器１４の側面から境界面１８を可視光を用いて撮影しても、平坦な境界面を撮影できないことがある。

これに対して、図のように近赤外線ビーム２４を照射すると、近赤外線ビーム２４は第１の液体１６の表面のみならず少し内部までに侵入した後に散乱反射するので、境界面１８を３次元的に捉えた拡散反射光を、ＣＣＤデバイスやＣＭＯＳカメラ２８等で撮影することができる。

なお、後で詳細に説明をするが、容器中の気体と液体の境界面や異種の液体の境界面を高精度に検出するには、波長が６００μｍから１０００μｍ程度のものが適することがわかった。また、近赤外線ビーム２４は容器１４のラベルを透過するが、ラベルに記載されたり容器に印刷された計量用の目盛りを撮影できれば、下記面位置の検出によって液体の量も正確に計量できる。

図２（ａ）は、装置の全体構造例を示す斜視図である。また、図２（ｂ）は図２（ａ）の装置を上から見た平面図である。
この装置の光源２０は、断面がコ字形のフード４０に取り囲まれており、半透明板２２を介して近赤外線を容器１４に向けて照射する構造になっている。ＣＭＯＳカメラ２８は容器１４の内部で拡散反射された赤外線の像を撮影する。この図には、撮影した画像を処理するための機能ブロックを示した。撮影した画像は、検出部５０と解析部５２と境界面判定部５４により処理される。

図２（ｂ）に示すように、この例では、容器１４の側方に配置されたフード４０内に、光源２０が取り付けられている。光源２０から容器１４の方向を見たときＣＭＯＳカメラ２８は容器１４の右側面を撮影している。なお、より十分鮮明な画像を撮影するために破線のように、容器１４を両側から照射しても良い。

上記のような構造を採用すると、光源２０をフード４０で完全に覆うことができるので、暗箱を構成しやすい。即ち、装置の各部で反射した不要な赤外光がＣＭＯＳカメラ２８に侵入するのを防ぐことができる。実際に、ＣＭＯＳカメラ２８のすぐ横に光源２０を配置して１４を照射したときに比べて、より鮮明な画像を撮影することができた。さらに透過光を検出する既知の装置よりも全体として小型化することが可能になる。

なお、検出部５０は、境界面１８をはさむ領域の近赤外線の透過光または反射光を検出して取得する部分である。解析部５２は、境界面１８と交差する直線（図３で説明する）に沿った検出信号３０の強度分布を求める部分である。境界面判定部５４は、検出信号３０強度の下降点群３２を検出して、その下降点の最小値が閾値３４以下であるとき、最小値の位置を境界面１８と判定する部分である。これらは画像処理のためのデバイスやマイクロコンピュータにより実現する。その具体的な動作は次の図面を用いて説明する。

図３は上記の境界面検出装置の具体的な動作説明図である
容器１４は、例えば、先に図１で説明したように、その外周面にラベル１２が巻き付けられたガラス管である。この容器１４には、第１の液体１６と第２の液体１７とが収容されている。画像３６は、図２（ａ）で示したＣＭＯＳカメラ２８で撮影をして得たものである。上記の検出部５０は、例えば、この画像３６を記憶する記憶装置等により構成される。

この画像３６には、境界面１８の部分で拡散反射された近赤外光による、境界面１８に平行な方向の線分３８が現れている。近赤外光は境界面１８の部分で大きく散乱吸収されるので、この線分３８の部分の検出信号は最も低レベルのもので他の部分よりも暗い線になっている。なお、第２の液体１７の上方の液面も検出可能であるが、この例では外乱により検出されていない。第１の液体１６と第２の液体１７の境界面１８の検出のみが目的であれば支障はない。

上記の解析部５２は、この画像３６中の境界面１８と交差するような直線３７に沿った検出信号３０の強度分布を求めて図のようにグラフ化する。これをディスプレイに表示することもできるし、演算処理用の一時メモリに記憶させて次の判定処理を実行してもよい。

図３の中央に示した検出信号３０は、縦軸を容器１４の高さと対応させており、横軸は検出信号の強度である。右側ほど信号強度が強いことを表す。境界面判定部５４は、このグラフ中に閾値３４を設定して境界面１８の位置を判定する。

図の一点鎖線の円で囲んだ部分は図の下方に拡大表示している。検出信号３０中に、このような信号強度の下降点群３２が検出されると、これと閾値３４とを比較する。閾値３４のレベルは、対象となる液体の性質や容器やその他の周辺条件を考慮して実験的に求める。

信号強度の下降点群３２の最小値が閾値３４以下であるとき、最小値の位置を境界面１８の位置と判定する。この閾値３４の設定によって、不要反射やノイズによる信号強度の低下点を境界面と誤判定するのを防止できる。

そして、さらに、境界面１８を高精度に検出するために、この図の円の中に示すように、下降点群３２と閾値３４とが交差する部分で、境界面に交差する方向の幅がＷ以下の場合に、下降点群３２の最小値の位置を境界面１８の位置と判定する。このＷは、例えば、１ｍｍに設定する。実際に試験管等で液体の計量をするような場合に、境界面１８の検出位置の誤差が１ｍｍ以上では必要な精度が得られない。

しかも、Ｗが１ｍｍ以上ある場合には、画像３６中に明瞭な線分３８が現れないことがある。これは、必ずしも境界面１８を検出した画像ではないことがある。従って、閾値３４とＷの両方を使用して境界面１８の位置検出を行うことが好ましい。さらに、下降点群３２の最小値の位置と線分３８の位置が一致していることも確認して、高精度に境界面１８の位置を判定するとよい。

図４は、容器１４に３種類の液体を収容した場合の検出信号例を示す。
この図の容器１４には、第１の液体１６と第２の液体１７と第３の液体４２とが収容されている。この容器１４を図２（ａ）で示したような装置のカメラ２８で撮影すると、右側に示すような検出信号が得られる。右側のグラフは、縦軸が容器１４の底からの高さを示し、横軸は左側に向かうほど検出信号強度が高いことを示している。

この図の例では、第１の液体１６と第２の液体１７の境界面と第２の液体１７と第３の液体４２の境界面の部分では、いずれも鋭く検出信号レベルが閾値以下に低下している。なお、第１の液体１６と第２の液体１７と第３の液体４２とは、それぞれ赤外線の反射吸収率が相違するため、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３というように、全体として出力信号レベルが相異する。従って、この反射吸収率の相異により境界面の概略位置は検出できる。

しかしながら、容器１４の外側から見える部分の反射光だけで検出信号を取得していると、鋭く検出信号レベルが閾値以下に低下する部分を検出することができない。境界面に相当する部分が幅広くレベル低下していることが多く、高精度の境界面検出ができない。また、真の境界面でなく気泡や容器１４と液体の接するせり上がり部分を境界面と誤判定することもある。

一方、本発明のように、鋭く検出信号レベルが閾値３４以下に低下し、かつ図３で説明したようにＷの幅以下であることを検出すれば、境界面の正確な位置を判定することができる。これにより、例えば第１の液体１６や第２の液体１７や 第３の液体４２の量を、正確に計算することもできる。

図５は、境界面に気泡が発生した場合の検出信号例を示す。
この図の右側のグラフは、図２に示したＣＭＯＳカメラ２８で取得した画像の、容器１４の高さ方向の検出信号レベルを示す。また、左側に示したグラフは、境界面に平行な方向の検出信号レベルを示す。容器１４の外側から見える部分の反射光だけで検出信号を取得すると、このように液面に多数の気泡４４が発生しているときに、境界面の検出ができない。

しかしながら、図２に示した装置によれば、右側のグラフに示すように、、鋭く検出信号レベルが閾値以下に低下した場所を検出できる。容器１４中の境界面１８に相当する部分は、気泡４４の部分よりも赤外線の拡散吸収の度合いが大きいので、明瞭に区別できる検出信号レベルの低下がみられる。また、容器の壁全体に気泡が付着していても、このとおり境界面１８が検出できる。即ち、この場合にも、上記の判定方法によれば、高精度で境界面１８の位置検出をすることができる。

１２ ラベル
１４ 容器
１６ 第１の液体
１７ 第２の液体
１８ 境界面
２０ 光源
２２ 半透明板
２４ 近赤外線ビーム
２７ イメージラインセンサ
２８ ＣＭＯＳカメラ
３０ 検出信号
３２ 下降点群
３４ 閾値
３６ 画像
３８ 線分
４０ フード
４２ 第３の液体
４４ 気泡
５０ 検出部
５２ 解析部
５４ 境界面判定部

Claims (6)

1. 気体と液体もしくは異種の液体により容器中に形成された境界面をはさむ領域に対して、その領域内で均質な近赤外線を容器の側面から照射する光源と、
   上記境界面をはさむ領域の近赤外線の拡散反射光を撮影するカメラと、
   上記カメラで撮影された画像中の、上記境界面と交差する直線に沿った検出信号の強度分布を求め、検出信号強度の下降点群を検出して、その下降点の最小値が閾値以下であって、上記カメラで撮影された画像中の上記境界面に平行な方向の線分を検出して、その位置を液面位置と判定する境界面判定部を備えたことを特徴とする境界面検出装置。
2. 上記の光源は、容器の側面に配置した、上記領域内で赤外線を均質に照射するための半透明の板、もしくは上記領域内で赤外線を均質に反射させるボードを使用したものであることを特徴とする請求項１に記載の境界面検出装置。
3. 上記下降点群の上記閾値の部分の、境界面に交差する方向の幅は１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の境界面検出装置。
4. 上記光源から容器の方向を見たとき、容器の左右の側面のいずれか一方から、上記境界面をはさむ領域の近赤外線の拡散反射光を上記カメラで撮影することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の境界面検出装置。
5. 気体と液体もしくは異種の液体により容器中に形成された境界面をはさむ領域に対して、その領域内で均質な近赤外線を容器の側面から照射する光源と、
   上記境界面をはさむ領域の近赤外線の拡散反射光を撮影するカメラとを使用して、
   上記カメラで撮影された画像中の、上記境界面と交差する直線に沿った検出信号の強度分布を求め、検出信号強度の下降点群を検出して、その下降点の最小値が閾値以下であって、上記カメラで撮影された画像中の上記境界面に平行な方向の線分を検出して、その位置を液面位置と判定することを特徴とする境界面の検出方法。
6. 上記光源から容器の方向を見たとき、容器の左右の側面のいずれか一方から、上記境界面をはさむ領域の近赤外線の拡散反射光を上記カメラで撮影することを特徴とする請求項５に記載の境界面の検出方法。