JP2008051757A

JP2008051757A - レーザライトシート形成装置

Info

Publication number: JP2008051757A
Application number: JP2006230593A
Authority: JP
Inventors: Harutsugu Mori; 治嗣森; Hideaki Tezuka; 英昭手塚
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-03-06

Abstract

【課題】 1メートル四方程度で、縞模様の発生が確認できないライトシートを形成する
ことができる技術を提供する。
【解決手段】レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望するライトシートを得
るためのレーザライトシート形成装置であって、ライトシートを形成する最終レンズの手
前側には、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光を拡散させる乱反射体を備える。乱
反射体としては、筒状体であって内曲面に細かな凹凸を備えた凹凸鏡面チューブのほか、
レーザライトシート側に向かって拡開する筒状体であって内曲面を鏡面としたテーパ鏡面
チューブなどを採用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、遠方の被測定流体の流れ場を解析する長距離型の流体計測システムに用いる
ライトシート形成装置に関する。

例えば、発電施設などの煙突から排出される煙を遠方から観測するシステムとして、特
許文献１、特許文献２に開示された技術が知られている。これらは、ＩＴＶカメラやカラ
ーカメラを複数台用い、各カメラ間の視差や色差を利用して煙突から排出される煙の有無
を検知する。
特開昭６３−８８４２８号公報特開平１０−２３２１９８号公報

一方、近年、複雑な流れ場の流動を、粒子画像の処理により高精度かつ精密に測定する
画像相関法及び粒子追跡法（ＰＴＶ）などの粒子画像流速測定法（以下、「ＰＩＶ」とい
う）が知られている。例えば、被測定流体の流れ場にレーザ光をシート状に投入してライ
トシートを形成して、そのライトシート上の複数の時刻における粒子画像を撮像し、その
輝度パターン分布を比較して流体の流速や方向を測定する。

現状のＰＩＶは、水・オイルなどの液体の流れ場解析、燃焼の流れ場解析、自動車等の
移動物体周囲における風洞実験による流れ場解析など、主として、閉空間における流体の
流れ場解析に用いられているに過ぎない。すなわち、従来のＰＩＶは、被測定流体までの
距離が１メートル以下程度といった近距離のいわゆる実験室用において、５〜３０センチ
四方のライトシートとして開発されているに過ぎない。一方、実用レベルでの利用には、
1メートル四方程度のライトシートが望まれている。

さて、1メートル四方程度のライトシートを形成しようとすると、図７に示すように、
ライトシートが何重ものシートになってしまう（縞模様ができてしまう）という問題点が
ある。このため、複数のカメラによって撮影しても、対象となるライトシートが特定でき
ず、速度場の測定ができない。

ライトシートが何重ものシートになってしまう原因としては、レーザ光を発射するレー
ザ光発生装置の性能にある。このため、性能向上には特別注文のレーザ光発生装置が必要
となってしまい、コストが膨らんでしまう。

本発明は上記に鑑みなされたものである。
すなわち、特別なレーザ光発生装置を用いずに、1メートル四方程度で、縞模様が発生
しないライトシートを形成することができる技術を提供することを課題とする。

上記課題を解決するにあたって、本発明者らは、レーザ光発生装置から発せられるレー
ザ光を乱反射させることによって縞模様を消すことができることに着目し、本発明を完成
するに至った。

（請求項１）
請求項１記載の発明は、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望するライト
シートを得るためのレーザライトシート形成装置に係る。すなわち、ライトシートを形
成する最終レンズの手前側には、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光を拡散させる
素子を内蔵したホログラフィックディフューザーを備えたことを特徴とする。

（作用）
ホログラフィックディフューザーを通過したレーザ光は、内蔵された素子によって拡散
され、縞模様を数多く形成することとなり、結果として縞模様の存在が確認できなくなる
。

（請求項２）
請求項２に記載の発明もまた、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望する
ライトシートを得るためのレーザライトシート形成装置に係る。すなわち、ライトシー
トを形成する最終レンズの手前側には、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光を拡散
させる乱反射体を備えたことを特徴とする。

（請求項３）
より具体的には、請求項３に示すように、前記の乱反射体は、筒状体であって内曲面に
細かな凹凸鏡面を備えた凹凸鏡面チューブとしたことを特徴とする。

（作用）
乱反射体である凹凸鏡面チューブに取り込まれたレーザ光は、凹凸鏡面によって拡散さ
れ、縞模様を数多く形成することとなり、結果として縞模様の存在が確認できなくなる。

（請求項４）
請求項４に記載の発明もまた、請求項２に記載のレーザライトシート形成装置を、より
具体的に限定したものである。
すなわち、前記乱反射体は、レーザライトシート側に向かって拡開する筒状体であって
内曲面を鏡面としたテーパ鏡面チューブとしたことを特徴とする。

（作用）
乱反射体であるテーパ鏡面チューブに取り込まれたレーザ光は、拡開する内曲面にて不
規則な反射をして拡散され、縞模様を数多く形成することとなり、結果として縞模様の存
在が確認できなくなる。

（請求項５）
請求項５に記載の発明もまた、請求項２に記載のレーザライトシート形成装置を、より
具体的に限定したものである。
すなわち、前記乱反射体は、複数の光ファイバを束ねた内面乱反射チューブとしたこと
を特徴とする。

（作用）
乱反射体である内面乱反射チューブを通過したレーザ光は、複数の光ファイバによって
不規則な反射をし、各光ファイバから出たレーザ光は乱反射して拡散された状態となる。
その結果、レーザシートには縞模様を数多く形成することとなり、結果として縞模様の存
在が確認できなくなる。

（請求項６）
請求項６に記載の発明もまた、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望する
ライトシートを得るためのレーザライトシート形成装置に係る。
すなわち、レーザ光を複数に分割する第一ハーフミラー(c)と、その第一ハーフミラー(
c)によって分割されたレーザ光を、それぞれ異なる倍率にて拡大する当該複数の拡大光学
系(α，β)と、その複数の拡大光学系(α，β)から出されたレーザ光を収束させる第二
ハーフミラー(d)とを備えたことを特徴とする。

（作用）
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光は、第一ハーフミラー(c)によって複数のレ
ーザ光に分割される。分割されたレーザ光は、それぞれ拡大光学系(α，β)に入り、異な
る倍率にて拡大される。そして、各拡大光学系(α，β)から出されたレーザ光は、第二ハ
ーフミラー(d)によって収束される。拡大倍率が異なるので光の波長が干渉し合い、縞模
様を数多く形成することとなり、結果として縞模様の存在が確認できなくなる。

本発明によれば、1メートル四方程度で、縞模様の発生が確認できないライトシートを
形成することができる技術を提供することができた。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて更に詳しく説明する。ここで使用する図面は
図１から図６であり、それぞれ第一から第六の実施形態を示す。

（図１）
図１には、第一の実施形態を示す。
第一の実施形態に係るレーザライトシート形成装置は、レーザ光発生装置から発光され
るレーザ光に対して、ライトシートを形成する最終レンズの手前側には、レーザ光発生装
置から発光されるレーザ光を拡散させる素子を内蔵したホログラフィックディフューザー
を配置している。具体的には、光学ガラスＢＫ７製の焦点距離200mm程度のものを使用する。

このホログラフィックディフューザーを通過したレーザ光は、内蔵された素子によって
拡散され、縞模様を数多く形成することとなる。このため、形成されるレーザシートにお
いては、縞模様の存在が確認できなくなる。

（図２）
図２に示す第二の実施形態では、前述のホログラフィックディフューザーに代わって凹
凸鏡面チューブを配置している。この凹凸鏡面チューブとは、内曲面に細かな凹凸鏡面を
備えた筒状体である。
凸レンズａを介して取り込まれたレーザ光は、前記の凹凸鏡面によって乱反射を引き起
こし、凸レンズｂを介してレーザ光を出力する。出力されたレーザ光によって形成される
レーザシートには、乱反射によって縞模様を数多く形成することとなり、結果として縞模
様の存在が確認できなくなる。

（図３）
図３に示す第三の実施形態では、前述の凹凸鏡面チューブに代わって、テーパ鏡面チュ
ーブを配置している。このテーパ鏡面チューブとは、レーザライトシート側に向かって拡
開する筒状体であって、内曲面を鏡面としたものである。
凸レンズａを介して取り込まれたレーザ光は、拡開する内曲面にて不規則な反射をして
拡散され、凸レンズｂを介してレーザ光を出力する。出力されたレーザ光によって形成さ
れるレーザシートには、縞模様を数多く形成することとなり、結果として縞模様の存在が
確認できなくなる。

（図４）
図４に示す第四の実施形態では、前述のテーパ鏡面チューブに代わって、複数の光ファ
イバを束ねた内面乱反射チューブを配置している。内面乱反射チューブに取り込まれたレ
ーザ光は、複数の光ファイバによって不規則な反射をし、各光ファイバから出たレーザ光
は乱反射して拡散された状態となる。その結果、レーザシートには縞模様を数多く形成す
ることとなり、結果として縞模様の存在が確認できなくなる。

（図５、図6）
図５および図６に示す第五および第六の実施形態は、複数の拡大光学系を用いて干渉縞
を打ち消すことで縞模様の存在が確認できなくなる技術である。すなわち、レーザ光を複
数に分割する第一ハーフミラー(c)と、その第一ハーフミラー(c)によって分割されたレ
ーザ光を、それぞれ異なる倍率にて拡大する当該複数の拡大光学系(α，β)と、その複
数の拡大光学系(α，β)から出されたレーザ光を収束させる第二ハーフミラー(d)とを備
える。

図５に示す実施形態は、第一ハーフミラー(c)によってレーザ光を複数に分割し、第一
ハーフミラー(c)を通過させたレーザ光を拡大光学系(α)に通す。第一ハーフミラー(c)に
よって反射されたレーザ光は、ミラー(e)にて反射させて拡大光学系(β)に通す。そして
、ミラー(f)によって拡大光学系(α)から出るレーザ光に収束させることが可能な方向に
反射させる。二つの拡大光学系(α，β)から出たレーザ光は、第二ハーフミラー(d)によ
って収束させる。すると、拡大倍率が異なるレーザ光は干渉縞を打ち消し合うこととなる
。

図６に示す実施形態は、図５に示した実施形態におけるミラー(f)を省略し、各部材の配
置を変更したものである。

図５および図６に示す第五および第六の実施形態の相違は、装置全体の大きさなど、所
望される条件によって適宜選択すればよい。

図示は省略するが、所望のレーザライトシートが得られたら、そのレーザライトシート
を用いて連続的に撮影し、当該レーザライトシートに照らされた流体の動きを解析する、
といったことに用いる。
撮像手段として、ＣＣＤ撮像素子を備えたカメラ（ＣＣＤカメラ）、ＣＭＯＳ撮像素子
を備えたカメラなどを用いる。

以上のことから、本発明では、長焦点光学系を用いて撮像して得られた画像を、ＰＩＶ
手法を用いて処理することにより、接近困難な遠方の被測定流体の流れ場を解析すること
ができる。例えば、煙突の煙の流れ場を解析することによる発電所の運転管理、原子力発
電所や地熱発電所のクーリングタワーからの蒸気の流れ場を解析することによる運転管理
、火山灰や黄砂の流れ場を解析することによる環境への影響評価などに利用することがで
きる。

また、大規模火災現場から発生した煙の流れ場を解析して、その対策や避難誘導等に資
することができる。また、遠方の被測定流体にレーザ光を投入可能とすることにより、空
気流の解析も可能である。このほか、雲（雲底部）の流れ場を解析することにより、地域
的な天気予報に利用することもできる。
送電線や送電鉄塔周りの風の解析や花粉の流れの測定に利用することもできる。また、
火山の噴火や大規模火災などにおいては、本発明の流体計測システムを車両に搭載し、移
動しながら流れ場を解析していくこともでき、災害の発生状況のリアルタイムでの把握や
有効な災害対策にも役立つ。

第一の実施形態に係るレーザライトシート形成装置の概要を示す図である。第二の実施形態に係るレーザライトシート形成装置の概要を示す図である。第三の実施形態に係るレーザライトシート形成装置の概要を示す図である。第四の実施形態に係るレーザライトシート形成装置の概要を示す図である。第五の実施形態に係るレーザライトシート形成装置の概要を示す図である。第六の実施形態に係るレーザライトシート形成装置の概要を示す図である。従来技術の問題点を示すための概念図である。

Claims

レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望するライトシートを得るためのレー
ザライトシート形成装置であって、
ライトシートを形成する最終レンズの手前側には、レーザ光発生装置から発光されるレ
ーザ光を拡散させる素子を内蔵したホログラフィックディフューザーを備えたことを特徴
とするレーザライトシート形成装置。
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望するライトシートを得るためのレー
ザライトシート形成装置であって、
ライトシートを形成する最終レンズの手前側には、レーザ光発生装置から発光されるレ
ーザ光を拡散させる乱反射体を備えたことを特徴とするレーザライトシート形成装置。
前記乱反射体は、筒状体であって内曲面に細かな凹凸を備えた凹凸鏡面チューブとした
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザライトシート形成装置。
前記乱反射体は、レーザライトシート側に向かって拡開する筒状体であって内曲面を鏡
面としたテーパ鏡面チューブとしたことを特徴とする請求項２に記載のレーザライトシー
ト形成装置。
前記乱反射体は、複数の光ファイバを束ねた内面乱反射チューブとしたことを特徴とす
る請求項２に記載のレーザライトシート形成装置。
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望するライトシートを得るためのレーザ
ライトシート形成装置であって、
レーザ光を複数に分割する第一ハーフミラーと、
その第一ハーフミラーによって分割されたレーザ光を、それぞれ異なる倍率にて拡大する
当該複数の拡大光学系と、
その複数の拡大光学系から出されたレーザ光を収束させる第二ハーフミラーとを備えたこ
とを特徴とするレーザライトシート形成装置。