JP5288484B2 - 粒子可視化装置 - Google Patents

Description

本発明は、濃密に気体中又は液体中を分散飛翔する微粒子群挙動の計測技術において使用される粒子可視化装置に関するものである。本発明は殊に、気体中又は液体中に濃密に分散飛翔した微粒子群における粒子個々の粒子速度、粒子径、粒子形状等の粒子特徴量を計測する粒子撮影・計測システム用のプローブ形粒子可視化装置に関するものである。

気体中又は液体中を分散飛翔する微粒子群に含まれる粒子個々の粒子速度、粒子径を計測する方法として、位相ドップラ法、シャドウドップラ法、直接撮影法、レーザ干渉画像法等が知られている。

直接撮影法は、非特許文献１に記載されるように、分散飛翔する粒子群の後方から照明し、照明装置と対向する位置に配置されたＣＣＤカメラ等の撮像装置によって粒子の影写真を撮影し、これにより、個々の粒子の速度及び大きさを計測する手法である。直接撮影法は、比較的安価な装置を用いて計測システムを構成することができ、しかも、複雑な調整や校正等を必要とせずに手軽に計測し得ることから、従来より、様々な分野において利用されてきた。

直接撮影法においては、撮影された粒子の影写真を画像解析することによって、粒子径や粒子形状等を測定することができる。また、二重露光撮影、高速度カメラ撮影、パルスレーザ及びデジタルＣＣＤカメラを用いたフレームまたぎ撮影等により、飛翔する粒子を短い時間間隔で連続撮影して粒子の飛翔距離を測定し、飛翔距離の測定値を時間間隔で除すことにより、粒子の飛翔速度を測定することができる。

直接撮影法は、粒子形状の影響を受けずに測定を実施し得るので、粒子形状が真球であることを仮定する位相ドップラ法やレーザ干渉画像法に比べ、幅広い適用範囲を有する点で有利である。

このような直接撮影法においては、微粒子を前方から照明した場合、粒子形状や材質に依存した複雑な光散乱特性を示す。このため、撮影される粒子像は粒子の大きさや粒子形状を反映せず、従って、粒子計測上の要求を満たすことができない。このような事情より、直接撮影法においては、粒子を後方から照らす背景照明を行う必要があり、従って、照明装置及び撮像装置は、特許文献１に示されるように、計測対象の粒子群を挟んで互いに対向した位置に配置される。

特開２００１−７４６３８号公報

Chigier, N.著, 1983年 "DROP SIZE AND VELOCITY INSTRUMENTATION"(Progress inEnergy and Combustion Science, Vol. 9, pp. 155-177)

このように照明装置と撮像装置とを対向配置した装置形態においては、撮像装置と照明装置とを分離・離間した状態に配設しなければならず、従って、装置の全体形状及び全体寸法が大型化する。

また、撮像装置及び照明装置の双方に電源供給線及び制御信号線等を接続する必要があり、このため、両装置の駆動系及び制御系等をコンパクトに一体化することは困難である。

更には、気体中又は液体中を濃密に飛翔する粒子群の内部を計測する場合、粒子群内部の計測箇所の近傍に撮像装置と照明装置とを設置し又は挿入し、手前に存在する粒子群に遮られぬようにする必要が生じるが、撮像装置と照明装置とを分離する結果として外形寸法が大型化していた従来の計測装置では、このような使用形態又はレイアウトは、構造的に採用し難く、仮に採用し得たとしても、粒子群の飛翔状態を変化させてしまうといった問題が生じ、これは、濃密粒子群の内部の正確な測定を困難にする。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、同一方向からの撮影及び照明を可能にするとともに、撮影系及び照明系をコンパクトなプローブとして一体化することによって濃密粒子群の内部に挿入することができ、これにより、濃密粒子群の内部の粒子特徴量を正確に計測することができる粒子撮影・計測システム用の粒子可視化装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成すべく、飛翔粒子群を含む流体を撮影して該流体中の粒子の粒子特徴量を測定する光学系に使用され又は組み込まれる粒子可視化装置において、
軸部の基端側から先端部に向かって撮影用の照明光を供給する光路と、該光路を横断するように前記軸部を貫通する貫通流路とを備えており、前記飛翔粒子群の流れの中に挿入されるプローブ部と、
前記プローブ部の先端部に配置されるとともに、前記照明光を反射して、前記貫通流路内を通過する粒子を撮影するための背景光を前記流路に差し向ける第１反射手段と、
前記第１反射手段に入射する前記照明光の特性と、前記背景光の特性とが相違するように前記照明光又は背景光の特性を変化させ又は変換する特性変換手段と、
前記流路を通過した前記背景光を前記プローブの側方に偏向又は変向し、或いは、反射する第２反射手段とを有することを特徴とする粒子可視化装置を提供する。

本発明の粒子可視化装置によれば、濃密に飛翔する粒子群の内部にプローブ部分を挿入することにより、流体中に浮遊した粒子をプローブ部の貫通流路内に流入せしめるとともに、粒子を撮影するための背景光によって粒子の画像データを取得し、これにより、粒子群内部の計測箇所における粒子のサイズ、面積、径、形状、粒子速度等の粒子特徴量を計測することが可能となる。

また、本発明の粒子可視化装置は、背景照明を供給する光学系と、粒子群を撮影する光学系の二つの光学系が同一の軸部又は筒体に設けられた計測用探子（プローブ）形態のプローブ状装置構成を有する。このようなプローブ形態の粒子可視化装置は、その検知部又は検出部を粒子群内部の所望の位置に容易に挿入することができるので、極めて有利である。

更に、本発明によれば、粒子群を撮影する光学系の方向から照明光を供給し、これを背景光に変換することにより、撮影と照明とを同一の方向から行う直接撮影法が実現する。

また、本発明の粒子可視化装置は、背景照明を提供する機能を内蔵しているので、撮像装置と照明装置とを分離することなく、限られた計測スペースの範囲内で飛翔粒子の撮影を行うことができる。

他の観点より、本発明は、上記構成の粒子可視化装置と、前記背景光の結像面を有する撮像装置とを備え、前記流体内の粒子の特徴を光学的に撮影して該粒子の粒子特徴量を計測するようにしたことを特徴とする粒子撮影・計測システムを提供する。

本発明の粒子撮影・計測システムによれば、撮影系及び照明系をコンパクトに一体化したプローブ部を濃密粒子群の内部に挿入し、これにより、濃密粒子群の内部の粒子特徴量を正確に計測することができる。

本発明の粒子可視化装置によれば、同一方向からの撮影及び照明を可能にするとともに、撮影系及び照明系をコンパクトなプローブとして一体化することによって濃密粒子群の内部に挿入することができ、これにより、濃密粒子群の内部の粒子特徴量を正確に計測することが可能となる。

本発明の好適な実施例に係る粒子可視化装置の構成を示す平面図、側面図及び背面図である。 粒子可視化装置を含む粒子撮影・計測システムの装置系構成を全体的に示す概略斜視図である。 本発明の第１実施例に係る粒子可視化装置の内部構成及び機能を概略的に示すブロック図である。 本発明の第２実施例に係る粒子可視化装置の内部構成及び機能を概略的に示すブロック図である。 本発明の第３実施例に係る粒子可視化装置の内部構成及び機能を概略的に示すブロック図である。

本発明の好適な実施形態においては、特性変換手段によって変化させ又は変換すべき光の特性は、光の波長、位相及び／又は波形である。

好ましくは、第２反射手段は、背景光をプローブ部の軸芯と直交する方向に反射する。更に好ましくは、第２反射手段は、入射した直線偏光の光の偏光成分に応じて、透過し又は直角に反射する偏光ビームスプリッタ、或いは、入射した光をその一部（例えば、半分）の光量だけ反射するとともに、残部（例えば、半分）の光量、即ち、非反射分のレーザ光を透過して直進させるビームスプリッタ（例えば、５０／５０ビームスプリッタ）からなる。好適には、プローブ部は、軸芯部に光路を有する円形断面のボアスコープと、ボアスコープの先端部に着脱可能に連結された円形断面のアダプタとから構成され、第１反射手段は、背景光をプローブ部の軸線方向に反射する。

本発明の好ましい実施形態においては、第２反射手段は、第１反射手段に入射する照明光の特性と実質的に同じ特性を有する光を透過する一方、特性変換手段が特性を変化させ又は変換した光を反射する選択的な光の透過性及び反射性を有する。

本発明の他の好ましい実施形態においては、光学フィルタが第２反射手段と撮像装置との間に介装され、光学フィルタは、第１反射手段に入射する照明光の特性と実質的に同じ特性を有する光の透過を阻止する一方、特性変換手段が特性を変化させ又は変換した光を透過させる選択的な光の透過性を有する。

好ましくは、特性変換手段は、以下の構成を有する。

(1)特性変換手段は、光の偏光方向を変換する偏光素子を有し、偏光素子は、軸部の貫通流路と第１反射手段との間に配置された波長板を構成する。偏光素子を用いて、照明光の偏波方向を変換して背景照明を形成することにより、撮影方向から供給された照明光が粒子によって散乱された成分と、背景照明として供給された背景光とを偏光方向の相違を利用して分離することができ、これにより、直接撮影法に必要な背景照明の成分のみを取り出すことが可能となる。

(2)特性変換手段は、光の波長を変化させる蛍光発光素子を有し、螢光発光素子は、第１反射手段の反射面をも構成する。蛍光発光素子を用いて照明光を波長の異なる光に変換して背景照明を形成することにより、撮影方向から供給された照明光が粒子によって散乱された成分と、背景照明として供給された背景光とを波長の相違を利用して分離することができ、これにより、直接撮影法に必要な背景照明の成分のみを取り出すことが可能となる。

(3)特性変換手段は、光の成分を高調波成分に変換する波長変換素子を有し、波長変換素子は、第１反射手段の反射面をも構成する。照明光の成分を波長変換素子を用いて高調波成分に変換して背景照明を形成することにより、撮影方向から供給された照明光が粒子によって散乱された成分と、背景照明として供給された背景光とを波長の相違を利用して分離することができ、これにより、直接撮影法に必要な背景照明の成分のみを取り出すことが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明の好適な実施例に係る粒子可視化装置の構成を示す平面図、側面図及び背面図である。

粒子可視化装置１は、粒子撮影のための背景照明機能を有する一体的且つコンパクトな計測プローブ形装置であり、粒子群の流路に挿入可能な円形断面のプローブ部１ａを有する。プローブ部１ａは、撮影用の光を供給する光路を軸芯部に有するボアスコープ３と、ボアスコープ３の先端部分に同心状且つ一体的に連結されたアダプタ４とから構成される。

ボアスコープ３の基端部は、台座部２に着脱可能に装着される。例えば、ボアスコープ３の基端部には、台座部２に形成された螺子部に螺合する螺子部が形成されており、ボアスコープ３及び台座部２の相対回転によって螺子部同士を螺合し又は解放せしめ、これにより、ボアスコープ３を台座部２に一体的に取り付け又は台座部２から取り外すことができる。

アダプタ４は、ボアスコープ３の先端部分に着脱可能に装着される。例えば、ボアスコープ３及びアダプタ４の接合部分には、互いに螺合する螺子部が形成されており、アダプタ４及びボアスコープ３の相対回転によって螺子部同士を螺合し又は解放せしめ、アダプタ４をボアスコープ３の先端部分に取り付け、或いは、ボアスコープ３の先端部から取り外すことができる。使用において粒子等がアダプタ４に付着してアダプタ４が汚染した場合には、アダプタ４のみを取り外して洗浄することができる。

アダプタ４には、粒子が通過する貫通流路としてスリット５が形成される。スリット５は、アダプタ４の実質的に全周に亘って開口した間隙であり、接続片部分５ａを除いて周囲に開放している。スリット５は、ボアスコープ３の軸芯部から延びる光路を横断する方向にプローブ部１ａを貫通する。プローブ部１ａは、図１（Ｂ）に破線矢印で示す飛翔粒子群の流れＰに挿入され、飛翔粒子群の一部は、スリット５によって形成された通過孔又は貫通孔を通過する。スリット５を通過する粒子が、粒子撮影・計測システムの計測対象である。

アダプタ４は、１／４波長板６及び反射板７を内蔵する。反射板７は、プローブ部１ａの最先端部に配置され、１／４波長板６は、反射板７とスリット５との間に配置される。１／４波長板６は、特性変換手段を構成し、反射板７は、粒子撮影用の背景光をスリット５内に差し向ける第１反射手段を構成する。

台座部２は、ビームスプリッタ８及び１／２波長板９を内蔵する。ビームスプリッタ８は、スリット５を通過した背景光をプローブ部１ａの側方に向けて反射する第２反射手段を構成する。

デジタルＣＣＤカメラ等の撮像装置１０が台座部２の側部に連結され又は隣接配置される。ビームスプリッタ８によって側方に反射した光は、撮像装置１０の受光部に入射する。撮像装置１０は、背景光の結像面を有し、プローブ部１ａの軸芯部の光路を介して上記粒子群の粒子を撮影する。

図２は、粒子可視化装置１を含む粒子撮影・計測システムの装置系構成を全体的に示す概略斜視図である。

粒子撮影・計測システムは、粒子可視化装置１、撮像装置１０、光学レンズユニット１１、レーザ装置１２、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）１３、パルスジェネレータ１４及びディレイジェネレータ１５を有する。粒子撮影・計測システムを構成する各装置は、仮想線（一点鎖線）で示す制御信号線を介して相互に接続されており、スリット５を通過する粒子を可視化して撮影し、撮影した画像を保存するとともに、粒子画像処理アルゴリズムを用いた粒子特徴量（粒子速度、粒子径、粒子形状等）の計測を実行する。

撮像装置１０として、例えば、以下のデジタルＣＣＤカメラを好適に使用し得る。
・製品名：JAI社製「jAi CV-M2CL」
・有効画素サイズ：1600（h）×1/200（v）
・ＣＣＤ素子サイズ：11.84mm（h）×8.88mm（v）
・ビット数：10bit
・撮影速度：30fps/dual channel

撮像装置１０は、Ｃマウントリレーレンズ（図示せず）等を介して、粒子可視化装置１の台座部２に連結される。撮像装置１０と粒子可視化装置１との間に介装されるＣマウントリレーレンズとして、例えば、町田製作所製「Ｃマウントリレーレンズ T732RFP」を好適に使用し得る。

レーザ装置１２は、撮影用の照明光を供給するためのものであり、レーザ装置１２としてダブルパルスNd：YAGレーザ(ネオジウム・ヤグレーザ)等を使用することができる。例えば、以下のNd：YAGレーザをレーザ装置１２として好適に使用し得る。
・製品名：New Wave Research社製「Pegasus
PIV laser」
・最高発光周波数：10KHz
・出力：20mJ/pulse＠537nm
・パルス幅：10〜180ns

本実施例では、直線偏光レーザ光源、波長532nmのNd：YAGレーザ（１台）がレーザ装置１２として使用される。光学レンズユニット１１は、レーザ装置１２のレーザ光を適当な厚さ、幅及び角度に調整するのに使用される。光学レンズユニット１１は、単一のレンズからなり、或いは、複数のレンズを組合せた構成を有する。ＰＣ１３は、撮像装置１０によって撮影された画像の画像データを読込んで記憶し且つ画像データを保存するとともに、ディレイジェネレータ１５の微少時間間隔の長さを調整する。パルスジェネレータ１４は、同期信号を発生させる。パルスジェネレータ１４として、東陽テクニック社製「WAVTEK」を好適に使用し得る。ディレイジェネレータ１５は、レーザ装置１２のパルス間隔を制御する。ディレイジェネレータ１５としてフローテック・リサーチ社製「VSD1000」を好適に使用し得る。

パルスジェネレータ１４のパルス信号がディレイジェネレータ１５に入力される。ディレイジェネレータ１５は、パルスジェネレータ１４のパルス信号に基づき、所定の時間間隔（微小時間）だけ遅延した信号をトリガ信号としてレーザ装置１２及び撮像装置１０に出力する。ディレイジェネレータ１５のトリガ信号が入力されたレーザ装置１２は、シングルパルスのレーザビーム、或いは、所定の遅延時間を設定したダブルパルスのレーザビームを発光する。ディレイジェネレータ１５のトリガ信号が入力された撮像装置１０は、粒子径の撮影等においては少なくとも１枚の画像を撮影し、粒子速度の計測等においては、微少時間間隔を隔てて少なくとも一組（２枚）の画像を撮影する。実際の計測においては、多数枚又は多数組の画像が撮影される。撮像装置１０によって撮影された画像の画像データは、ＰＣ１３に出力され、ＰＣ１３に記憶され、データ保存される。

このような粒子撮影・計測システムを構成する粒子可視化装置１は、以下に説明するとおり、レーザ光の偏光特性を利用した偏光照明によって、入射したレーザ光を背景照明に変換するように構成される。粒子可視化装置１のプローブ部１ａは、例えば、外径8mm、長さ160mm、焦点距離2mm、被写界深度100μmの設計条件で設計することができる。

図３は、粒子可視化装置１の内部構成及び機能を概略的に示すブロック図である。

偏光照明の原理が図３に示されている。図３を参照して、本発明の粒子可視化装置１の構成及び機能を説明する。

レーザ装置１２が出射した直線偏光レーザビームＬは光学レンズユニット１１によって適切な幅厚及び方向に調節され、照明光として粒子可視化装置１に入射する。粒子可視化装置１に入射したレーザビームＬは、その偏光方位角を１／２波長板９によって調整される。粒子可視化装置は、ビームスプリッタ８を有し、ビームスプリッタ８は、入射した直線偏光の偏光成分に応じて、光を透過し又は直角に反射する偏光ビームスプリッタからなる。１／２波長板９を出射したレーザビームは、矢印αで示す如く、その全光量がビームスプリッタ８を透過し、ボアスコープ３に入射する。レーザビームは、ボアスコープ３内の光路を通過して１／４波長板６に入射し、１／４波長板６は、レーザビームの偏光状態を円偏光に変換する。

円偏光レーザビームは、矢印βで示す如く、反射板７に入射して反射し、１／４波長板６を再度通過する。１／４波長体６は、レーザビームの偏向状態を直線偏光に変換する。１／４波長体６を通過したレーザビームは、ボアスコープ３を通過してビームスプリッタ８に入射する。ビームスプリッタ８に入射するレーザビームの偏光方位角は、先にビームスプリッタ８を透過した照明光のレーザビーム（矢印α）の偏光方位角に対し、角度９０°相違（回転）している。このため、ボアスコープ３からビームスプリッタ８に入射したレーザビームは、矢印γで示す如く、その全光量がビームスプリッタ８の４５°面で反射し、撮像装置１０の像面に結像する。

スリット５内を通過する測定対象の粒子Ｑは、ビームスプリッタ８と１／４波長板６との間に存在する粒子であるが、スリット５内に粒子が全く存在しない場合には、レーザ光は背景光として撮像装置１０に結像する。

このように偏光照明を使用した光学系を有する粒子可視化装置１によれば、撮像装置１と離間し且つ対向する位置に背景光用の光源を配設することなく、コンパクトな装置構成によって効率的に撮影用の背景光を確保することができる。なお、粒子Ｑにレーザビームを効果的に照射するために、ボアスコープ３が、ビームスプリッタ８とスリット５との間に配設されるが、本発明者の実験によれば、ボアスコープ３を取り付けた場合であっても、偏光照明の背景光は、撮像装置１０の像面に明るい背景を結像する。

スリット５内の粒子Ｑは、ボアスコープ３と１／４波長板６との間においてスリット５を通過する粒子であり、粒子Ｑから反射したレーザ光は、１／４波長板６を通過していないレーザビームの反射光、即ち、ビームスプリッタ８を透過した照明光のレーザビームの反射光であり、その全光量がビームスプリッタ８を透過し得る偏向特性（偏向方位角）を有する。従って、粒子Ｑからの反射光は、図３（Ｂ）に破線矢印δで示す如く、ビームスプリッタ８の４５°面で反射せずに全光量がビームスプリッタ８を透過するので、撮像装置１０に結像しない。即ち、粒子Ｑは、撮像装置１０の画像中において真っ黒な塊、点又は領域として表出する。この結果、粒子撮影システム（図２）は、粒子及びその背景を容易に識別することができるので、粒子画像処理アルゴリズムを用いて粒子サイズ及び粒子速度等を計測することができる。

以上説明したとおり、粒子可視化装置１は、プローブ部１ａの基端部側からその先端部に向かって撮影用のレーザ光を供給するとともに、プローブ部１ａの先端に装着されたアダプタ４の内部でレーザ光を背景光に変換する。従って、粒子可視化装置１によれば、撮影及び照明の双方を実質的に同一の方向から行うことができる。このため、撮像装置に対して粒子群の反対側から背景照明を照射していた従来の構成において必要とされていた背景光照射用光源の設置スペースを省略するとともに、計測条件設定、計測手法設定、計測システム設計等の自由度、利便性、応用性等を大幅に向上することができる。

図４は、本発明の第２実施例に係る粒子可視化装置の内部構成及び機能を概略的に示すブロック図である。図４において、図１〜図３に示す各構成要素又は構成部品と実質的に同じ構成要素又は構成部品については、同一の参照符号が付されている。

本実施例の粒子可視化装置１においては、反射面を蛍光発光素子によって形成した反射板１７と、ビームスプリッタ１８及び撮像装置１０の間に介装された光学フィルタ１６とを有する。光学フィルタ１６は、波長選択性を有し、反射板１７の蛍光発光素子によって反射される前の波長の光を透過させず、カットする一方、反射板１７の蛍光発光素子が反射した波長域の光を透過させる。なお、本実施例の粒子可視化装置１は、第１実施例において設けられた１／４波長体６及び１／２波長板９を備えていない。

本実施例の粒子可視化装置１がレーザ光を背景照明に変換する原理について、図４を参照して説明する。

レーザ装置１２から出射したレーザビームＬは、必要に応じて、光学レンズユニット１１によって適切な幅厚及び方向に調節され、粒子可視化装置１に入射する。レーザビームＬは、矢印αで示す如く、ビームスプリッタ１８に入射する。ビームスプリッタ１８は、入射したレーザ光を部分光量（例えば、半分の光量）だけ反射するとともに、残部の光量（例えば、半分の光量）、即ち、非反射分のレーザ光を透過して直進させるビームスプリッタ（例えば、５０／５０ビームスプリッタ）である。

ビームスプリッタ１８を透過したレーザビームはボアスコープ３を通過して更に直進し、矢印βで示す如く、反射板１７の反射面によって反射される。反射板１７の反射面を構成する蛍光発光素子は、反射する光の波長を入射光の波長と異なる波長に変換する。従って、反射板１７による反射の前後で光の波長が変化する。光学フィルタ１６は、反射板１７の螢光発光素子によって波長を変化させた光のみを透過する。

反射板１７によって反射したレーザビームは、矢印γで示すようにビームスプリッタ１８に向かってボアスコープ３の光路を通過し、ビームスプリッタ１８は、レーザビームの一部（例えば、５０％）を直進させ（矢印δ）、その残部（例えば、５０％）を撮像装置１０の方向に反射する。撮像装置１０の側に反射したレーザビームは、光学フィルタ１６を通過して撮像装置１０に入射し、撮像装置１０の像面に明るい背景を結像する。

他方、スリット５内の粒子Ｑから反射した光も又、ボアスコープ３を通過し、ビームスプリッタ１８は、光の一部（例えば、５０％）を直進させ、光の残部（例えば、５０％）を撮像装置１０の方向に反射する。粒子から反射する光は、粒子可視化装置１に入射するレーザビームＬ（矢印α）と同じ波長を有する。このため、粒子から反射した光は、光学フィルタ１６によってカットされる。即ち、撮像装置１０に入射する光は、反射板１７で反射して波長が変化した反射光のみであり、反射板１７に入射する前の光の波長と同じ波長を有する粒子Ｑの反射光は、光学フィルタ１６によって完全に遮蔽され、撮像装置１０に入射しない。従って、粒子は、撮像装置１０の画像中に真っ黒な塊、点又は領域として表出するので、粒子とその背景とを容易に識別することができる。

図５は、本発明の第３実施例に係る粒子可視化装置の内部構成及び機能を概略的に示すブロック図である。図５において、図１〜図４に示す各構成要素又は構成部品と実質的に同じ構成要素又は構成部品については、同一の参照符号が付されている。

本実施例の粒子可視化装置１は、反射面をレーザ波長変換素子によって形成した反射板２７と、ビームスプリッタ２８と撮像装置１０との間に介装された光学フィルタ２６とを有する。光学フィルタ２６は、波長選択性を有し、反射板２７のレーザ波長変換素子によって反射される前の波長の光を透過せず、カットするが、反射板２７のレーザ波長変換素子が反射した後の波長の光を透過する。なお、本実施例の粒子可視化装置１も又、第１実施例において設けられた１／４波長体６及び１／２波長板９を備えていない。

本実施例の粒子可視化装置１がレーザ光を背景照明に変換する原理について、図５を参照して説明する。

レーザ装置１２から出射したレーザビームＬは、必要に応じて、光学レンズユニット１１によって適切な幅厚及び方向に調節され、粒子可視化装置１に入射する。レーザビームＬは、矢印αで示す如く、ビームスプリッタ２８に入射する。ビームスプリッタ２８は、入射したレーザ光をその一部（例えば、半分）の光量だけ反射するとともに、残部（例えば、半分）の光量、即ち、非反射分のレーザ光を透過して直進させるビームスプリッタ（例えば、５０／５０ビームスプリッタ）である。

直進したレーザビームはボアスコープ３を通過して更に直進し、矢印βで示す如く、反射板２７の反射面によって反射される。反射板２７の反射面を構成するレーザ波長変換素子は、反射する光の波長を入射光の波長と異なる波長に変換するレーザ高調波発生素子からなる。レーザ波長変換素子が反射した光の波長は、反射前の光の波長の１／２又は１／３に変換され、従って、反射板２７による反射の前後で光の波長が変化する。光学フィルタ２６は、このように波長が変化した光を透過する一方、波長変換前の光を遮蔽し、カットする。

図５に矢印γで示すように、反射板２７が反射したレーザビームは、ビームスプリッタ２８に向かってボアスコープ３を通過し、矢印δで示す如く、ビームスプリッタ２８によって一部（例えば、半分）の光量が直進し、残部（半分）の光量が撮像装置１０の方向に反射される。撮像装置１０の側に反射したレーザビームは、光学フィルタ２６を通過して撮像装置１０に入射し、撮像装置１０の像面に明るい背景を結像する。

一方、粒子Ｑから反射した光は、ボアスコープ３を通過し、ビームスプリッタ２８によりその一部（例えば、半分）の光量が直進し、その残部（例えば、半分）の光量が撮像装置１０の方向に反射する。粒子から反射する光は、粒子可視化装置１に入射したレーザビームＬ（矢印α）の波長と同じ波長を有する。

光学フィルタ２６は、反射板２７に入射する前の光（矢印α）の波長と同じ波長の光をカットし、反射板２７によって波長が変化した反射光のみを撮像装置１０に入射せしめる。従って、粒子Ｑから反射した光は、光学フィルタ２６によって実質的に完全にカットされるので、粒子Ｑの反射光は、撮像装置１０に映らない。即ち、画像中の粒子は真っ黒な塊、点又は領域として画像に表出するので、粒子とその背景とを容易に識別することができる。

以上、本発明の好適な実施形態及び実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。

例えば、プローブ部及び台座部の機械的構成、断面構造及び寸法・形状・形態等は、本発明に従って設計変更することができる。

また、粒子可視化装置が接続される粒子撮影・計測システムの構成機器等は、本発明の目的の範囲内で任意に設計変更し得るものである。

更に、本発明の実施において、ボアスコープの内壁面に塗装を施す等の様々な改良を画像品質向上等のために考慮し又は採用することができる。

本発明は、濃密に気体中又は液体中を分散飛翔する微粒子群挙動の計測技術、例えば、ディーゼル排気、ボイラ排気、微粉炭燃焼、燃料噴霧、洗浄スプレー、噴霧コーティング、噴霧塗装、粉体輸送、農薬散布等の広範な分野に亘る基盤計測技術に適用される。本発明によれば、コンパクトなプローブ部を濃密粒子群の流れの内部に挿入することにより、濃密粒子群の内部の粒子特徴量を正確に計測することが可能となるので、その実用的効果は、顕著である。

１ 粒子可視化装置
２ 台座部
３ ボアスコープ
４ アダプタ
５ スリット
６ １／４波長板
７ 反射板
８、１８、２８ ビームスプリッタ
９ １／２波長板
１０ 撮像装置
１１ 光学レンズユニット
１２ レーザ装置
１３ ＰＣ
１４ パルスジェネレータ
１５ ディレイジェネレータ
１６、２６ 光学フィルタ
１７ 反射板（蛍光発光素子）
２７ 反射板（レーザ波長変換素子）

Claims (8)

1. 飛翔粒子群を含む流体を撮影して該流体中の粒子の粒子特徴量を測定する光学系に使用され又は組み込まれる粒子可視化装置において、
   軸部の基端側から先端部に向かって撮影用の照明光を供給する光路と、該光路を横断するように前記軸部を貫通する貫通流路とを備えており、前記飛翔粒子群の流れの中に挿入されるプローブ部と、
   前記プローブ部の先端部に配置されるとともに、前記照明光を反射して、前記貫通流路内を通過する粒子を撮影するための背景光を前記流路に差し向ける第１反射手段と、
   前記第１反射手段に入射する前記照明光の特性と、前記背景光の特性とが相違するように前記照明光又は背景光の特性を変化させ又は変換する特性変換手段と、
   前記流路を通過した前記背景光を前記プローブの側方に偏向又は変向し、或いは、反射する第２反射手段とを有することを特徴とする粒子可視化装置。
2. 前記特性変換手段によって変化させ又は変換すべき光の特性は、光の波長、位相及び／又は波形であることを特徴とする請求項１に記載の粒子可視化装置。
3. 前記第２反射手段は、前記第１反射手段に入射する前記照明光の特性と実質的に同じ特性を有する光を透過する一方、前記特性変換手段が特性を変化させ又は変換した光を反射する選択的な光の透過性及び反射性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子可視化装置。
4. 前記第２反射手段と、前記背景光の結像面を有する撮像装置との間に介装された光学フィルタを更に有し、該光学フィルタは、前記第１反射手段に入射する前記照明光の特性と実質的に同じ特性を有する光の透過を阻止する一方、前記特性変換手段が特性を変化させ又は変換した光を透過させる選択的な光の透過性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子可視化装置。
5. 前記特性変換手段は、光の偏光方向を変換する偏光素子を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の粒子可視化装置。
6. 前記特性変換手段は、光の波長を変化させる蛍光発光素子を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の粒子可視化装置。
7. 前記特性変換手段は、光の成分を高調波成分に変換する波長変換素子を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の粒子可視化装置。
8. 請求項１乃至７に記載された粒子可視化装置と、前記背景光の結像面を有する撮像装置とを備え、前記流体内の粒子の特徴を光学的に撮影して該粒子の粒子特徴量を計測するようにしたことを特徴とする粒子撮影・計測システム。

Images