上述のレーザ光をシート光に形成するための照明光学系は、シート光における計測に適した厚さを有する計測可能範囲をより広く確保し、かつこの計測可能範囲を光軸方向に変更できれば都合がよい。このため、照明光学系は、サイズの大きいレンズを含む4枚以上のレンズを用いて形成された焦点距離が可変な光学系で構成される。したがって、プローブ部において照明光学系が占める体積は、かなり大きい。
これによれば、計測対象の流体中にプローブ部を配置したとき、大きな照明光学系によって流体の流れ場が大きく乱されるおそれがある。そうすると、流体中の速度分布を正確に計測できなくなるおそれがある。また、狭い個所における速度分布を計測する場合には、大きな照明光学系が邪魔になって、プローブ部の配置が困難となるおそれもある。
また、光ファイバからのレーザ光をシート状に形成した照明光を用いるPIVでは、撮影範囲において適切に集光したシート状の照明光が得られない場合には、照明光の光量が不足しがちである。この場合、撮像部による撮像結果としての画像データに光量不足によるノイズが生じ易い。したがって、良好な精度で粒子の位置を特定し難く、正確な速度分布の計測に支障を来すおそれがある。
本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、コンパクトな照明光学系を有し、さらには極力不足の無い光量による照明光で撮影できる粒子撮影装置及びこれを用いた流速計測装置を提供することにある。
本発明の粒子撮影装置は、粒子が分散した流体内に配置されるプローブ部と、端部からレーザ光を射出する光ファイバと、前記光ファイバの端部から射出されるレーザ光に基づいて照明される前記粒子を撮像する撮像部とを備え、前記プローブ部は、前記光ファイバの端部から射出されるレーザ光に基づいて前記粒子をシート状の照明光で照明する照明光学系と、前記光ファイバの端部と前記照明光学系との間の距離を変更することにより該照明光学系によるレーザ光の集光位置を調整するための調整部とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、ファイバの端部と照明光学系との間の距離を変更してレーザ光の集光位置、すなわちシート光の厚さを調整するようにしたので、照明光学系の焦点距離を変更することなく、照明光による照明位置を調整することができる。これにより、撮像部の撮像範囲に対して適切な照明位置を確保し、良好な精度で粒子を撮影することができる。
このように、集光位置の調整のために照明光学系の焦点距離を変更する必要がないので、照明光学系を、焦点距離の調整が可能な数枚以上のかつサイズの大きなレンズで構成する必要がない。したがって、照明光学系のレンズの数やサイズを低減させ、照明光学系のコンパクト化を図ることができる。また、レンズの数が少なくて済むので、より大きい光量による照明光で粒子を撮影することができる。
本発明において、前記光ファイバに、前記プローブ部に導入されるレーザ光を供給するレーザ装置を備え、前記調整部によるレーザ光の集光位置の調整は、前記レーザ装置におけるレーザ光の出力の設定値の変更に拘わらず、前記照明光学系が前記撮像部による撮像範囲を正確に照明するように、該出力設定値が増大されたとき、前記光ファイバの端部の位置が前記照明光学系から遠ざかり、該出力設定値が減少されたとき、該光ファイバの端部の位置が前記照明光学系に近づくように行われてもよい。
周知のように、光ファイバの端部から射出されるレーザ光の拡がり角は、そのレーザ光を供給するレーザ装置におけるレーザ光の出力値の変動に伴って変化する。このようにレーザ光の拡がり角が変化すると、照明光学系によるレーザ光の集光位置も変化する。
この点、本発明では、レーザ光の拡がり角の変化に対応して、照明光学系が撮像部による撮像範囲を正確に照明するように、レーザ光の集光位置が上述のようにして調整される。この結果、レーザ光の出力値の変動に拘わらず、適切な位置に集光したレーザ光により、劣化の無い十分な光量の照明光により、良好な精度で粒子を撮影することができる。
本発明において、前記調整部は、前記光ファイバの端部と前記照明光学系との間の距離を変更するためのモータと、前記モータを制御するモータ制御部とを備え、前記集光位置の調整は、前記モータ制御部により前記モータを介して行われてもよい。これによれば、上述の集光位置の調整を自動的に行い、常に、良好な精度で粒子を撮影することができる。
本発明において、前記プローブ部は、前記照明光学系を収容する筐体を備え、前記筐体は、前記照明光学系からの照明光が通過する平板状の透明板が設けられた前端面を有し、前記前端面における前記透明板の外側の板面の部分と、それ以外の他の部分とは同一面上に位置し、又は該透明板の外側の板面が該他の部分よりも突出し、その突出量は所定値以下であってもよい。
プローブ部が、油滴の粒子が分散した流れる気体内に配置された場合、油滴の粒子が透明板に付着し、照明光の通過を妨げたり、照明光を屈折させたりするおそれがある。この点、本発明では、筐体の前端面は、透明板の部分を含めて1つの面で構成され、又は前端面における透明板の板面の突出量は所定値以下である。
この所定値は、油滴の粒子が透明板に付着した場合でも、その粒子は透明板から容易に気体の流れによって移動されるように設定される。したがって、油滴の粒子が透明板に付着することによる上記の不都合を回避することができる。
本発明において、前記筐体は、前記調整部を前記照明光学系の後ろ側に収容するとともに、前記前端面とは反対側の後端面を備え、前記調整部は、前記光ファイバの端部が固定され、前記照明光学系の光軸方向に移動自在に案内された可動部と、前記可動部の前記光軸方向の位置を変更するために該可動部に螺合する駆動ねじとを備え、前記可動部における前記光ファイバが固定された部分及び前記駆動ねじの頭は、前記後端面上に突出していてもよい。
これによれば、筐体の外部に突出することが必要な調整部の駆動ねじの頭と、可動部における光ファイバが固定された部分とがともに後端面上に突出する。このため、筐体の前端面に付着した粒子を構成する液体が駆動ねじの頭や光ファイバが固定された部分に回り込むのが極力回避される。これにより、該液体による駆動ねじや光ファイバの汚損、これらに対する悪影響等を防止することができる。
本発明の流速計測装置は、上述の粒子撮影装置と、該粒子撮影装置により得られる流体中のトレーサ粒子の撮像データに基づいて該流体における流れの速度分布を求めるコンピュータとを備えることを特徴とする。これによれば、粒子撮影装置による上述の効果を享受しながら、流体における流れの速度分布を求めることができる。
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図1に示すように、実施形態の流速計測装置1は、流れ場F内を移動するトレーサ粒子を撮影する粒子撮影装置2と、粒子撮影装置2に接続されたコンピュータ3と、粒子撮影装置2及びコンピュータ3に接続されたタイミング制御装置4とを備える。流れ場Fは、例えば、風洞内を流れる空気により構成される。トレーサ粒子としては、図示していないシーディング装置により供給されるオイル粒子や水生液体粒子等の液体粒子が用いられる。
コンピュータ3は、粒子撮影装置2からの画像データに基づき、PIV(粒子画像流速測定法)により、流れ場Fにおける速度分布を算出する。すなわち、コンピュータ3は、例えば、粒子撮影装置2により得られる流れ場F内のトレーサ粒子の画像データに基づいてトレーサ粒子の微小時間における移動量を取得する。そして、取得したトレーサ粒子の移動量に基づいて、流れ場Fにおける速度分布を算出する。
粒子撮影装置2は、トレーサ粒子が分散した流れ場Fの流体内に配置されるプローブ部5と、トレーサ粒子の照明に供するレーザ光を導入するための光ファイバ7と、光ファイバ7にレーザ光を供給するレーザ装置8とを備える。
プローブ部5は、流れ場F内のトレーサ粒子を照明する照明部9と、照明部9により照明されるトレーサ粒子を撮像する撮像部6とを備える。ここでは、撮像部6を2台用いてプローブ部5を構成しているが、撮像部6の台数は1台、又は3台以上であってもよい。
タイミング制御装置4は、コンピュータ3を介してレーザ装置8及び撮像部6と接続されており、レーザ装置8における発光タイミング、撮像部6における撮像タイミング及びコンピュータ3における撮像部6からの画像データの取得タイミングを制御する。
図2(a)は、照明部9を上から見たときの断面図であり、図2(b)は、照明部9を側方から見たときの断面図である。図2に示すように、照明部9は、光ファイバ7からのレーザ光をシート状の照明光11に成形する照明光学系13と、該レーザ光の照明光学系13による集光位置を調整するための調整部14と、照明光学系13及び調整部14を収納する筐体15とを備える。
照明光学系13は、光ファイバ7の端部から射出されるレーザ光を上下方向に集光させる平凸シリンドリカルレンズ16と、平凸シリンドリカルレンズ16により集光されたレーザ光を左右方向に発散させる平凹シリンドリカルレンズ17とで構成される。平凸シリンドリカルレンズ16及び平凹シリンドリカルレンズ17は、その凸部側と凹部側とが対向するようにして筐体15内で支持される。
調整部14は、筐体15内面の案内面18により照明光学系13の光軸方向に移動自在に案内された可動部19を備える。可動部19は、光ファイバ7からのレーザ光を照明光学系13に導入する光導入部20と、光導入部20を案内面18に対して支持する支持部21とを備える。支持部21には、案内面18に対応する案内面22が設けられる。
光導入部20には、光ファイバ7の端部が接続される。光導入部20及び支持部21には、光ファイバ7の端部から射出されるレーザ光が照明光学系13に適切に入射するように、照明光学系13の光軸と同心の貫通孔23が設けられる。支持部21には、照明光学系13の光軸に平行な中心軸線を有する雌ねじ24が設けられる。雌ねじ24には、可動部19を案内面18及び22に従って移動させるための駆動ねじとして、雄ねじ25が螺合する。
筐体15の外形は、ほぼ四角柱状である。筐体15は、内部に照明光学系13及び可動部19を収容する空間が設けられた本体部26と、照明光学系13が収容された空間を閉塞する前端板27と、可動部19が収容された空間を閉塞する後端板28とで構成される。
前端板27及び後端板28は、本体部26の端部の形状に一致するほぼ長方形で平板状の形態を有する。前端板27の外側の板面により、筐体15の前端面27aが構成される。後端板28の外側の板面により、筐体15の後端面28aが構成される。
前端板27には、照明光学系13からのレーザ光を通過させる矩形状の透明板としてのガラス板29が設けられる。ガラス板29の外側の板面を含む前端面27aは、ほぼ平坦面となっている。すなわち、前端面27aにおけるガラス板29以外の部分とガラス板29の部分とは、それらの間に段差はなく、同一面上に位置する。あるいは、段差があったとしてもガラス板29の部分がガラス板29以外の部分よりも突出し、その突出量は、例えば0.1[mm]以下であり、極微小な量である。
後端板28には、光導入部20における光ファイバ7が接続される側の端部の外周に適合した径の貫通孔30が設けられる。光導入部20の該端部は、貫通孔30を経て、後端面28a上に突出している。これにより、光ファイバ7の端部が、光導入部20に接続可能となっている。
また、後端板28には、雄ねじ25が通る貫通孔31が設けられる。雄ねじ25は、貫通孔31を通り、その頭部が貫通孔31の周囲を外側から押圧しながら、支持部21の雌ねじ24と螺合するように設けられる。後端板28の内側と支持部21との間における雄ねじ25の外周には、この押圧力を生じさせるコイルばね32が配置される。
したがって、可動部19の光軸方向位置は、雄ねじ25の操作により、調整することができる。これにより、光ファイバ7の端部と照明光学系13との間の距離を変更し、照明光学系13によるレーザ光の集光位置を調整することができる。
図3は、照明光学系13によりシート状の照明光が形成される様子を示す。図3に示すように光ファイバ7からのレーザ光Lの射出方向をX方向、平凸シリンドリカルレンズ16の長さ方向をY方向、平凹シリンドリカルレンズ17の長さ方向をZ方向とする。光ファイバ7の端部から射出されるレーザ光Lは、平凸シリンドリカルレンズ16によりZ方向(上下方向)に集光され、さらにY方向(左右方向)に拡散される。
これにより、集光位置xaを中心とするX方向の所定範囲Wにおいて、ほぼXY面内に広がった、トレーサ粒子の照明に適したシート状の照明光11aが形成される。2つの撮像部6は、この所定範囲Wに対応する一定の撮像領域を撮像するように設定されている。
しかし、レーザ装置8の出力設定値が変更された場合、レーザ光Lの広がり角αも変動する。また、レーザ装置8においてレーザ媒体としての固体が変更されると、レーザ装置8の型番が同一であっても、レーザ光Lの広がり角α及び径が変化する。広がり角αが増大すると、集光位置xaも変動する。この変動の仕方は、固体レーザ、炭酸ガスレーザ等のレーザ装置8の種類によって大きく異なるが、概して出力設定値が増大すると、広がり角αも増大する。広がり角αが増大すると、集光位置xaが照明光学系13から離れ、上述の所定範囲Wも照明光学系13から遠ざかってゆく。
したがって、レーザ装置8の出力設定値の変化に対する広がり角αの変化特性に応じて調整部14の雄ねじ25を操作することにより、集光位置xaを、撮像部6による撮像領域に対応した適切な位置に維持する必要がある。
具体的には、上述の変化特性に応じ、出力設定値が増大されたときには光ファイバ7の端部の位置xbが照明光学系13から遠ざかり、出力設定値が減少されたとき、位置xbが照明光学系13に近づくように、調整部14の雄ねじ25が操作される。
この構成において、流速計測装置1により流れ場Fにおける流速分布を計測する際には、まず、風洞内に風を送り、トレーサ粒子を供給することにより、トレーサ粒子が風洞内の風に乗って移動する流れ場Fが形成される。
次に、流速計測装置1のプローブ部5が、流れ場Fにおける流速分布を計測すべき箇所に配置される。この配置は、流れ場Fにおける空気の流れの方向33に対し、照明部9が照射するシート状の照明光11のシート面が平行となるように行うのが好ましい。この配置は、操作員や、計測箇所についてのティーチングがなされたロボットにより行うことができる。
次に、レーザ装置8から、光ファイバ7を介してプローブ部5の照明部9にレーザ光が供給される。これにより、照明部9からシート状の照明光11が照射され、照射範囲内のトレーサ粒子12が、図1のように、照明される。
これと同時に、粒子撮影装置2の撮像部6により、照明されているトレーサ粒子12が撮像される。この照明及び撮像は、少なくとも微小時間離れた2時刻以上において行われる。このようにして得られる少なくとも2時刻以上のトレーサ粒子の撮像データに基づいて、コンピュータ3により、撮像範囲における流速分布が算出される。この流速分布の算出にあたっては、相互相関法、自己相関法等の公知の手法が用いられる。このような流速分布の計測は、粒子撮影装置2のプローブ部5を流れ場Fにおける任意の箇所に配置しながら、任意の箇所について行うことができる。
この間、レーザ装置8の出力が変更された場合には、必要に応じ、上述のようにして、光ファイバ7の端部の位置が調整部14の雌ねじ24の操作により調整され、照明部9による照明光の集光位置が、撮像部6による撮像領域に対し、適切な位置に維持される。
また、この間、流れ場F内のトレーサ粒子が、照明部9の前端板27の外面に付着することもあり得る。しかし、ガラス板29の部分を含む前端板27の外面は、上述のように実質的に1つの平坦面となっているので、トレーサ粒子が付着したとしても、直ちに流れ場Fの風圧によって吹き飛ばされる。このため、トレーサ粒子がガラス板29に付着することによって照明光11の通過が妨げられたり、照明光11の予期しない屈折が生じたりすることはない。
以上のように、本実施形態によれば、光ファイバ7の端部の位置を変更することにより照明光学系13によるレーザ光の集光位置を調整するための調整部14を設けたので、集光位置を、撮像部6による撮像領域に対し、適切な位置に維持することができる。したがって、十分な光量の照明光により、良好な精度によるトレーサ粒子の撮影を確保しつつ、照明光学系13のコンパクト化を図ることができる。
また、レーザ装置8の出力設定値が変更されたときは、調整部14における雄ねじ25を操作して光ファイバ7の端部の位置を変更することにより、照明光学系13によるレーザ光の集光位置を調整し、照明部9による照明位置を常に適切な位置に維持することができる。
また、照明部9の筐体15におけるガラス板29の板面を含む前端面27aは、平坦な1つの面を構成し、又はガラス板29の板面が前端面27aにおいて突出する場合でもその突出量は微小である。これにより、トレーサ粒子がガラス板29に付着することによる不都合を回避することができる。
また、調整部14の雄ねじ25の頭と、可動部19における光ファイバ7が固定された部分とがともに筐体15の後端面28a上に突出している。このため、筐体15の前端面27aに付着したトレーサ粒子のオイルが雄ねじ25の頭や光ファイバ7が固定された部分に回り込むのが極力回避される。これにより、該オイルによる雄ねじ25や光ファイバ7の汚損及びこれらに対する悪影響等を防止することができる。
図4は、本発明の他の実施形態に係る流速計測装置における照明部9の近傍を上から見た様子を示す。図4に示すように、この流速計測装置は、上述の照明部9における雄ねじ25に連結されたエンコーダ付きのモータ34と、モータ34を制御するモータ制御部35とを備える。
モータ制御部35は、コンピュータ3で構成してもよい。モータ制御部35には、レーザ装置8の出力設定値OPが入力される。本実施形態における他の構成は、図1〜図3の実施形態の場合と同様である。本実施形態では、上述の雄ねじ25の操作による可動部19の光軸方向位置の調整が、モータ制御部35によって行われる。
すなわち、モータ制御部35は、レーザ装置8の可能な各出力設定値OP対応するモータ34の回転量を対応付けた対応テーブルを記憶している。各出力設定値OP対応するモータ34の回転量とは、各出力設定値OPにおいて、図3の集光位置xaを、撮像部6の撮像領域に対応した適切な位置に位置させる雄ねじ25の回転位置に対応するモータ34の基準位置からの回転量である。
流速計測装置により流れ場Fにおける流速分布が計測される際には、モータ制御部35は、レーザ装置8の出力設定値OPに基づき、対応テーブルから、対応する回転量を取得し、その回転量に基づいてモータ34を駆動制御する。
これにより、出力設定値OPが変動した場合でも、光ファイバ7の端部と照明光学系13との間の距離が適切に変更される。これにより、常に、照明光学系13によるレーザ光の集光位置xaが、撮像部6による撮像領域に対応した適切な位置に維持される。
なお、レーザ装置8として種々のものが用いられる場合や、レーザ装置8に用いられるレーザ媒体として種々のものが用いられる場合には、対応テーブルとして、レーザ装置8の種類毎やレーザ媒体の種類毎のものを用いることができる。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、流れ場Fは、液体による流れ場であってもよい。また、トレーサ粒子は、個体の粒子であってもよい。また、撮像部6は、プローブ部5と分離してもよい。また、撮像部6は、上記実施例ではプローブ部5に設けられているが、これに代えて、プローブ部5とは分離した箇所に設けてもよい。