JP2015206689A - 可視化流体の流速計測方法及び流速計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハレーション又はブルーミング現象を抑制し又は防止し、内燃機関の燃焼・爆発反応の反応場のように短時間に輝度が変化する高輝度の流れ場をＰＩＶ計測法等により計測する。
【解決手段】印加電圧に応答して光透過率が低減する液晶パネルの光減衰器(31,32)が流れ場(55)と撮像装置(3,11,12)の撮像素子との間の光路に配置される。流れ場の可視化流体に含まれる微粒子群(P)は、光源(1)が発光したレーザ光(L,S)を反射し、撮像装置の撮像素子は、光減衰器を介して微粒子群を撮像する。撮像装置の露光中に光減衰器の光透過率が変化するのを阻止すべく、連続２時刻のレーザ発光時間および撮像装置の露光時間を包含する撮影時間中、光減衰器に印加される電圧が実質的に一定の値に保持される。
【選択図】図３

Description

本発明は、可視化流体の流速計測方法及び流速計測装置に関するものであり、より詳細には、微小粒子群により流体を可視化してなる可視化流体の流れ場を撮像装置によって撮影し、画像解析により可視化流体の速度ベクトル又は速度成分等を求めるＰＩＶ計測法等のための流速計測方法及び流速計測装置に関するものである。

流体を可視化するためのトレーサ粒子をマーカとして流体の流れに混入し、流れ場の流体速度等を計測する可視化計測技術が知られている。可視化流体計測技術として知られる直接撮影法においては、二重露光撮影又は高速度カメラ撮影や、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の方法によって、トレーサ粒子を微小時間間隔（例えば、１ms間隔)で連続撮影することにより、粒子の移動距離が測定される。粒子の速度は、移動距離を時間間隔で除すことによって演算される。

可視化流体計測技術の一種として知られたＰＩＶ（Particle Image Velocimetry、粒子像流速計測）は、このような可視化流体の速度分布を調べる直接撮影法として普及した計測技法である。ＰＩＶ計測法は、流体にレーザシート光を照射して、流体に含まれる寸法１０μm程度の微小粒子を微小時間間隔(時刻t及び時刻t＋Δt)の連続撮影により撮像し、粒子又は粒子群の速度を画像解析により求め、これにより、流速分布等を測定する流速計測方法である。このようなＰＩＶ計測法によれば、レーザシート光内における面内２成分の速度成分を計測することができる。

また、レーザシート光（２次元）内の速度３成分を得る計測技法として、ステレオＰＩＶ計測法が知られている。ステレオＰＩＶ計測法は、異なる角度方向から可視化流体を撮影する少なくとも２台のＣＣＤカメラによって流体中の微粒子を微小時間間隔で連続撮影し、複数のカメラ映像の視差に基づいて、粒子又は粒子群の三次元移動量を画像解析により求め、これにより、可視化流体の速度３成分（ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向）を計測する流速計測方法である。

このようなＰＩＶ計測法又はステレオＰＩＶ計測法は、例えば、特開２０１１−２４７６０１号公報、特開２００４−２８６７３３号公報（特許文献１及び２）等に記載されている。

ＰＩＶ計測等の流速計測技術を車両用エンジン等の内燃機関のシリンダ（気筒）内における速度場測定に適用した場合、燃料噴霧の液滴速度場を測定することが可能となる（特開２０１３−２１７９０２号公報（特許文献３））。一般に、内燃機関は、シリンダ内で燃料を燃焼させ、燃焼時に生じる膨張圧力を動力に変換する構成のものであるので、ファイアリング状態（燃焼作動状態）の内燃機関のシリンダ内速度場をＰＩＶ計測法により計測する場合、燃料の爆発時に発生する極めて高輝度の発光によって撮影装置の画像にハレーション又はブルーミング現象が発生するのを防止すべく、光減衰手段を内燃機関のシリンダ内領域と撮影装置の受光部との間の光路に配置する必要が生じる。このような光減衰手段として、機械的な絞り機構や、印加電圧に応答して光の透過率を変化させるブルーミング抑制用液晶パネル（例えば、特開昭６２−２８５５８２号公報（特許文献４））を採用することが考えられる。

特開２０１１−２４７６０１号公報 特開２００４−２８６７３３号公報 特開２０１３−２１７９０２号公報 特開昭６２−２８５５８２号公報

機械的な絞り機構は、絞り機構の高速作動が困難であり、しかも、使用時に微細な粉塵等が絞り機構から発生し得る点を考慮すると、極めて高輝度の発光が瞬時に発生する流れ場又は流動場を微小時間のレーザシート光の照射で撮像するＰＩＶ計測用の撮影装置においては、機械的な絞り機構を容易に使用し難い。他方、従来のブルーミング抑制用液晶パネルは、フィードバック制御に依存した構成のものであるので、従来の方式のブルーミング抑制用液晶パネルも又、減衰手段として採用し難い事情がある。

即ち、ＰＩＶ計測においては、流体に照射されるレーザ光の照射時間は、数ｎｓ（ナノ秒）〜数十ｎｓ程度の微小時間であるので、比較的多くの粒子画像を極めて短時間に取得することが可能であるが、内燃機関の燃焼反応は、極めて短時間に大きく輝度が変化する現象であるので、撮像装置の絞りを極めて短時間に調節しなければならない。例えば、内燃機関は、一般に数百ｒｐｍ〜数千ｒｐｍの回転数で運転されるので、燃焼サイクルの全行程は、１ms以下の時間で実行され、従って、単一の燃焼サイクルにおいて多数の粒子画像を取得する場合、遅くとも0.1ms程度の時間間隔で絞りの開度を変化させ又は調節する必要が生じる。しかし、機械的な絞り機構は、このように高速作動させることが困難であり、仮に高速作動し得たとしても、微細な粉塵等が絞り機構から発生するといった問題が生じる。

他方、ブルーミング抑制用液晶パネルは、光量の検出値に基づいて印加電圧をフィードバック制御するように構成されたものであり、ＰＩＶ計測の計測誤差及び計測精度を考慮すると、フィードバック制御系のループ帯域を１００ｋＨｚ程度（１０μｓ程度）に拡大し得るにすぎない。このため、フィードバック制御に依存した従来のブルーミング抑制用液晶パネルでは、フィードバック制御系の応答時間が長く、従って、内燃機関における燃焼・爆発反応の反応場のように短時間に輝度が変化する高輝度の流れ場のＰＩＶ計測においては、採用し難い事情がある。

また、ブルーミング抑制用液晶パネルは、劣化防止等のため、液晶パネルの電位極性を周期的に反転駆動させる構成を有する。電位極性の反転は、比較的短時間の時間間隔で反復実施される。ＰＩＶ計測において、このような極性反転がＣＣＤカメラの撮像時に実行され、或いは、連続２時刻の撮像間隔中に実行されると、ＰＩＶ計測を所望の如く実施できないという問題が生じる。

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、ハレーション又はブルーミング現象を抑制し又は防止し、内燃機関の燃焼・爆発反応の反応場のように短時間に輝度が変化する高輝度の流れ場をＰＩＶ計測法等により計測することができる流速計測方法及び流速計測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、微小粒子群により可視化された可視化流体の流れ場にレーザ光を照射し、前記微粒子群の反射光によって該微粒子群を撮像し、微小時間間隔を隔てた連続２時刻の粒子像の画像データに基づく画像解析を行なう可視化流体の流速計測方法において、
印加される電圧に応答して光透過率が低減する液晶パネル又は液晶フィルムを光減衰器として前記流れ場と撮像装置の撮像素子との間の光路に配置し、
該撮像装置の露光中に前記光透過率が変化するのを阻止すべく、連続２時刻のレーザ発光時間および前記撮像装置の露光時間を包含する撮影時間中、前記液晶パネル又は液晶フィルムに印加される電圧を実質的に一定の値に保持し、
前記レーザ光を照射したときに生じる前記微粒子群の反射光を前記光減衰器によって減衰させた状態で、前記撮像装置により前記微粒子群を撮像することを特徴とする流速計測方法を提供する。

本発明は又、微小粒子群により可視化された可視化流体の流れ場にレーザ光を照射する光源と、前記微粒子群の反射光によって該微粒子群を撮像する撮像装置と、微小時間間隔を隔てた連続２時刻の粒子像の画像データに基づく画像解析を行なう画像処理装置とを有する可視化流体の流速計測装置において、
前記流れ場と前記撮像装置の撮像素子との間の光路に配置された光減衰器と、
該光減衰器の光透過率を可変制御する制御装置とを有し、
該光減衰器は、印加される電圧に応答して光透過率を低減する液晶パネル又は液晶フィルムを有し、
前記制御装置は、前記撮像装置の露光中に前記光透過率が変化するのを阻止すべく、連続２時刻のレーザ発光時間および前記撮像装置の露光時間を包含する撮影時間中、前記液晶パネル又は液晶フィルムに印加される電圧を実質的に一定の値に保持する電圧保持手段を備えることを特徴とする流速計測装置を提供する。

本発明の上記構成によれば、光減衰器の光透過率を制御して微粒子群の反射光を減衰させることにより、極めて高輝度の発光が瞬時に発生する流れ場を撮像装置によって撮影することができる。液晶パネル又は液晶フィルムは、印加電圧に応答して極めて短時間に光透過率を変化させるので、ハレーション又はブルーミング現象を抑制し又は防止しつつ、高輝度の流れ場を微小時間のレーザ光の照射により撮影することができる。

また、本発明者等の実験によれば、撮影時間中の光透過率は、流れ場の状態に相応して予め設定された輝度データ、或いは、先行するＰＩＶ計測等によって得られた既存の輝度データに基づいて設定することができる。しかも、液晶パネル又は液晶フィルムの光透過率は、印加電圧の変化に応答して極めて短時間に変化する。即ち、液晶パネル又は液晶フィルムの制御方式として必ずしもフィードバック制御法を採用する必要がなく、連続２時刻のレーザ発光時間および撮像装置の露光時間を包含する撮影時間中、印加電圧を実質的に一定の値に保持し（従って、撮影時間中、液晶パネル又は液晶フィルムの光透過率を一定の値に保持し）、これにより、内燃機関の燃焼・爆発反応の反応場のように短時間に輝度が変化する高輝度の流れ場を所望の如く撮影し得ることが、本発明者等の実験により判明した。このため、本発明においては、電圧保持手段は、撮像装置の露光中に光減衰器の光透過率が変化するのを阻止すべく、連続２時刻のレーザ発光時間および撮像装置の露光時間を包含する撮影時間中、前記液晶パネル又は液晶フィルムに印加される電圧を実質的に一定の値に保持する。

好ましくは、上記流れ場は、内燃機関の燃焼室又は燃焼域であり、上記制御装置は、内燃機関の運転状態及び／又は燃焼状態を示すエンジン指標（例えば、クランク角）に基づいて、液晶パネル又は液晶フィルムに印加すべき電圧を設定する。

また、液晶パネル又は液晶フィルムの光透過率は、計測時の環境（温度条件等）によって変化し、或いは、液晶製品の個体差により相違する性質を有する。このため、流速計測装置は、液晶パネル又は液晶フィルムの光透過率を随時測定可能な光透過率測定手段を備えることが望ましい。

本発明の流速計測方法及び流速計測装置によれば、ハレーション又はブルーミング現象を抑制し又は防止し、内燃機関の燃焼・爆発反応の反応場のように短時間に輝度が変化する高輝度の流れ場をＰＩＶ計測法等により計測することができる。

図１は、ＰＩＶ計測方式の流速計測システムの基本構成を概略的に示す概略斜視図である。 図２は、このような流速計測システムをモータリング状態の車両用エンジンのエンジン内速度場測定に応用した構成を概略的に示す概略縦断面図である。 図３は、本発明の好適な実施形態に係る流速計測システムの全体構成を示すシステム構成図であり、図３において、流速計測システムは、ファイアリング状態の車両用エンジンのエンジン内速度場測定に適用されている。 図４は、光源のレーザ発光、ＣＣＤカメラの露光および光減衰器の減衰量保持のタイミングを示すタイミングチャートである。 図５は、タイミングコントローラによって実行される制御の態様を示すフローチャートである。 図６は、光減衰器を構成する液晶パネルの透過光量を安定させるための制御手段の構成を概略的に示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、ＰＩＶ計測方式の流速計測システムの基本構成を概略的に示す概略斜視図である。

本発明に係る流速計測システムは、レーザ光Ｌを発光する光源1と、レーザ光Ｌを薄いシート光Ｓに変換する光学系２と、撮影対象領域αの可視化流体（気体）Ｆを撮像するＣＣＤカメラ等の撮像装置３と、撮像装置３によって撮像した画像の画像処理及び画像解析等を行う画像処理装置４とから構成される。光源１は、Nd:YAGレーザー発振器等のパルスレーザー発振器からなり、シート光Ｓは、微粒子（トレーサ粒子）Ｐを注入した撮影対象領域αの流れ場に照射される。画像処理装置４は、記憶装置、演算処理装置、画像表示（ディスプレイ）装置及び各種入・出力装置等を備える。

可視化流体中の微粒子Ｐの寸法は、例えば、１０μｍ程度である。撮像装置３は、微粒子Ｐが反射したシート光Ｓを受光して微粒子群の画像を撮像する。撮像装置３は、微粒子群の画像を取得するための撮像素子を備えるとともに、露光状態を制御する機械的な絞り機構を備える。画像処理装置４は、微小時間間隔を隔てた連続２時刻の粒子像の画像データを画像解析して可視化流体の速度ベクトル又は速度成分を求めるように構成される。

図２は、このような流速計測システムを車両用エンジンのエンジン内速度場測定に応用した構成を概略的に示す概略縦断面図である。なお、図２においては、エンジンは、シリンダブロック上部及びシリンダヘッド部のみが図示されている。

車両用エンジン５０は、コンロッド５６に連結されたピストン５２をシリンダブロック部５１の気筒内に往復動可能に配置し、吸気弁５４及び排気弁（図示せず）をシリンダヘッド部５３の吸気流路及び排気流路に配設した構造を有する。シート光Ｓを透過可能な透光部６０がシリンダブロック部５１とシリンダヘッド部５２との間に介装される。光源１が発光したーザ光Ｌは、光学系２によってシート光Ｓに変換され、透光部６０を透過して燃焼室５５内の可視化流体に照射される。

撮影用の検査窓又は観察窓を構成する可視化部６１が、例えば、シリンダヘッド部５３に配設され、燃焼室５５内の可視化流体（可視化流体中のトレーサ粒子の粒子群）が、撮像装置（図示せず）によって撮影される。図２は、エンジン５０のクランク軸を外部モータ等によって回転させるモータリング状態において燃焼室５５内の流れ場を計測するＰＩＶ計測法を例示したものである。

図２に示す従来のエンジン内速度場測定試験は、主として、モータリング状態におけるシリンダ内の流れ場の計測を行う構成のものであるが、本発明に係る流速計測システムは、主として、ファイアリング状態におけるシリンダ内の流れ場の計測を意図したものである。ファイアリング状態の計測においては、トレーサ粒子の耐熱性の確保や、レーザ発光のタイミングおよび撮像装置のフレーミングタイミングをエンジンのクランクアングル等に同期させる必要性等の課題が存在するのみならず、燃料の着火・爆発時に瞬時に発生する極めて高輝度の現象を撮影しなければないことから、画像解析に適した良好な粒子画像を取得することが困難であるという課題が潜在的に存在する。

図３は、本発明の好適な実施形態に係る流速計測システムの全体構成を示すシステム構成図であり、流速計測システムをファイアリング状態の車両用エンジンのエンジン内速度場測定に用いた状態が示されている。なお、図３において、画像処理装置４（図１）の図示は、図を簡略化するために省略されている。また、図３において、図２に示すエンジン構成要素と実質的に同じ構成要素については、同一の参照符号が付されている。

図３には、実際の車両用エンジンを模擬した試験用エンジンが、エンジン５０として示されている。また、図３には、ファイアリング状態における燃焼室５５内の流れ場をＰＩＶ計測法で計測するための流速計測システムが示されている。図３に示す流速計測システムによれば、燃料の着火・爆発により作動するエンジン５０の燃焼作動状態（即ち、ファイアリング状態）において燃焼室５５内の流れ場のＰＩＶ計測を実施することができる。

図３に示すエンジン５０においては、シート光Ｓを透過可能な耐熱性透光材料の透光部６２がシリンダブロック部５１とシリンダヘッド部５２との間に介装されるとともに、撮影用の検査窓又は観察窓を構成する耐熱性透光材料の可視化部６３が、シリンダブロック部５１の側面に配設される。また、可視化部６３を介して燃焼室５５内の流れ場をエンジン５０の外部から可視化すべく、シリンダブロック部５１内に反射板６４が配置されるとともに、耐熱性透光材料で製作されたピストン５２が気筒内に配置される。透光部６２、可視化部６３及びピストン５２を構成する耐熱性透光材料として、例えば、石英ガラスが使用される。

可視化部６３の側方には、撮像装置３が配置される。撮像装置３は、第１及び第２のＣＣＤカメラ１１、１２と、各カメラ１１、１２の受光側に配置された第１及び第２のハーフミラー２１、２２と、カメラ１１、１２の受光部とハーフミラー２１、２２との間に配置された第１及び第２の光減衰器３１、３２とを有する。ＣＣＤカメラ１１、１２は、微粒子群の画像を取得するための撮像素子を備えるとともに、露光状態を制御するための機械的な絞り機構を備える。但し、絞り機構の開度は、予め設定された所定の開度に固定される。

撮像装置１は、カメラ１１、１２及び光減衰器３１、３２の作動を制御するタイミングコントローラ４０を更に備える。タイミングコントローラ４０の駆動信号又は制御信号等は、制御信号線４１、４２、４３、４４を介してカメラ１１、１２及び光減衰器３１、３２に出力されるとともに、制御信号線４５を介して光源１のパルスレーザー発振器に出力される。タイミングコントローラ４０には、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ５９等の各種検出器に接続される。

カメラ１１、１２は、ハーフミラー２１、２２及び反射板６３によって燃焼室５５内の同一領域を観察しており、シート光Ｓによって発光した可視化流体中の微粒子群の画像を撮像する。光減衰器３１、３２は、燃料の着火・爆発時に瞬時に発生する極めて高輝度の現象によってブルーミング現象又はハレーション現象が画像に発生するのを防止すべく、カメラ１１、１２に入射する光の光量を減衰させる。

光減衰器３１、３２は、印加電圧の増大に相応して透過光量を減少させるブルーミング抑制用液晶パネルからなり、燃焼室５５内に発生する高輝度の着火・爆発現象に相応して透過光量を減少させる。光減衰器３１、３２の光減衰量を最適化することにより、カメラ１１、１２による微粒子群の撮像条件を最適化することができる。一般に、このような液晶パネルは、液晶の劣化を防止するために電位極性を周期的に反転駆動させる構成を有する。電位極性の反転は、比較的短時間の時間間隔で周期的に実施されるが、ＰＩＶ計測において、このような極性反転がカメラ１１、１２の露光中に実行され、或いは、連続２時刻の撮像間隔の間に実行されると、ＰＩＶ計測を所望の如く実施し難いことから、タイミングコントローラ４０は、少なくともカメラ１１、１２の露光時間中は、光減衰器３１、３２の駆動電圧を所定時間保持するように構成される。

図４は、光源1のレーザ発光、カメラ１１、１２の露光および光減衰器３１、３２の減衰量保持のタイミングを示すタイミングチャートである。図５は、タイミングコントローラ４０によって実行される制御の態様を示すフローチャートである。

図５に示す如く、タイミングコントローラ４０は、ＰＩＶ測定動作の開始時に起動される。流速計測システムのシステム異常が起動時に検出された場合、流速計測システムの作動が停止され、異常を報知する表示又は警報音等が発せられる。異常の表示又は警報音等は、タイミングコントローラ４０によって実行しても、画像処理装置４（図１）によって実行しても良い（S1,S3）。タイミングコントローラ４０は、流速計測システムのシステム異常が検出された場合を除き、エンジン５０の現状の運転状態を示す情報を読み込む（S1,S2）。運転状態を示す情報として、クランク角センサ５９によって検出されたクランク角の他、エンジン回転数、カム角、環境温度、燃焼温度、運転時間、空燃比等のエンジン指標又はエンジン運転指標が挙げられる。

タイミングコントローラ４０は、減衰器３１、３２の透過光量の初期設定値、或いは、先行するＰＩＶ測定において既に設定された減衰器３１、３２の透過光量の既定値が、エンジン４０の運転状態に適合するか否かを判定する(S4)。透過光量の初期設定値又は既定値が、エンジン４０の運転状態に適合しない場合、タイミングコントローラ４０は、エンジン４０の運転状態に基づいて光減衰器３１、３２の透過光量を設定するとともに、透過光量の設定値に相応する印加電圧を設定し、印加電圧の設定値に相当する駆動電圧を光減衰器３１、３２に印加する(S5,S6,S7)。

透過光量の初期設定値、既定値又は設定値が、エンジン４０の運転状態に適合する場合、タイミングコントローラ４０は、図５に示す如く、光減衰器３１、３２の駆動電圧を保持する(S8)。図４には、光減衰器３１、３２の駆動電圧を上昇させ、エンジン４０の運転状態に適応した印加電圧に保持した状態が示されている。タイミングコントローラ４０は、露光トリガー信号をカメラ１１に対して出力し、カメラ１１は、燃焼室５５の可視化流体を撮像可能な露光状態で所定時間、待機する(S9,S10)。この状態では、光源１のパルスレーザー発振器は、レーザ光Ｌを未だ発光しておらず、従って、燃焼室５５の可視化流体に含まれる微粒子（トレーサ粒子）に対してシート光Ｓが照射されていない状態であるので、カメラ１１は、微粒子の粒子画像を未だ撮像していない。

図５に示す如く、タイミングコントローラ４０は、レーザ駆動パルスを光源１に出力し(S11)、光源１のパルスレーザー発振器は、レーザ光Ｌを微小時間だけ発光する。燃焼室５５の可視化流体の微粒子群は、シート光Ｓを反射し、カメラ１１の撮像素子は、微粒子群の粒子画像を撮像する。レーザ光Ｌの発光時期は、カメラ１１が露光状態を維持している時間帯に設定され、レーザ光Ｌの発光時間は、例えば、10nsに設定される。

所定の露光時間が経過してカメラ１１が露光状態を終了すると、タイミングコントローラ４０は、露光トリガー信号をカメラ１２に対して出力し、カメラ１２は、燃焼室５５の可視化流体を撮像可能な露光状態で所定時間、待機する(S13,S14)。タイミングコントローラ４０は、レーザ駆動パルスを光源１に出力し(S15)、光源１のパルスレーザー発振器は、レーザ光Ｌを微小時間だけ発光する。燃焼室５５の可視化流体の微粒子群は、シート光Ｓを反射し、カメラ１２の撮像素子は、微粒子群の粒子画像を撮像する。レーザ光Ｌの発光時期は、カメラ１２の撮像素子が露光状態を維持している時間帯に設定され、レーザ光Ｌの発光時間は、例えば、10nsに設定される。

図４に示す如く、レーザ光Ｌの発光時期は、所定の時間間隔（例えば、100ns）を隔てており、カメラ１１、１２の切換時期は、この時間間隔の範囲内に設定される。また、光減衰器３１、３２の駆動電圧の保持状態(S8)は、カメラ１２の露光時間が完了するまで維持される。即ち、微粒子画像の撮像は、光減衰器３１、３２を構成する液晶パネルが一定の減衰量を保持した状態で実行される。従って、カメラ１１、１２の露光時間中は、一定の駆動電圧が光減衰器３１、３２に印加されるので、ＰＩＶ計測が液晶パネルの電位極性反転の影響を受けるのを防止することができる。

図６は、光減衰器３１、３２を構成する液晶パネルの透過光量を安定させるための制御手段の構成を概略的に示す断面図である。

光減衰器３１、３２を用いた上記構成の流速計測システムは、光減衰器３１、３２の透過光量を印加電圧によって制御することを前提としたものである。しかしながら、実際のＰＩＶ計測環境においては、環境温度等の環境条件の相違や、各液晶パネル製品の個体差等により、液晶パネルの光透過率が相違する。このため、流速計測システムは、図６に示す光減衰量安定化手段を備える。

光減衰量安定化手段は、図６（Ａ）に示す如く、光減衰の片側に配置された発光素子３３と、光減衰器３１、３２の反対側に配置された受光素子３４とから構成される。発光素子３３及び受光素子３４は、制御信号線３５、３６によってタイミングコントローラ４０に接続される。タイミングコントローラ４０は、矢印Ｌａで示す如く、発光素子３３を発光させるとともに、受光素子３４の受光量を検出し、光減衰器３１、３２の光透過率を検出する。発光素子３３及び受光素子３４は、カメラ１１、１２の受光部と可視化流体の微粒子群との間の光路と干渉しない領域に配置される。

図６（Ｂ）に示す如く、光減衰器３１、３２の片側に発光素子３３及び受光素子３４の双方を配置し、光減衰器３１、３２の反対側に反射板等の反射素子３７を配置し、矢印Ｌｂで示す如く、反射素子３７によって反射した発光素子３３の発光を受光素子３４によって受光するように構成しても良い。

このような光減衰量安定化手段によれば、環境条件の相違等により光減衰器３１、３２の光透過率が変化した場合、タイミングコントローラ４０は、光減衰器３１、３２の光透過率を変化を検出することができるので、光減衰器３１、３２に印加すべき印加電圧を補正して光減衰器３１、３２の光透過率を常に正確に制御することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態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、上記実施形態においては、ＣＣＤカメラは、開度を固定した機械的な絞り機構を備えるが、機械的な絞り機構を省略し、ＣＣＤカメラの撮像素子に入射する光量を光減衰器のみによって制御するように構成することも可能である。

また、上記実施形態では、２台のＣＣＤカメラによって連続２時刻の微粒子画像を取得しているが、単一のＣＣＤカメラ、或いは、３台以上のＣＣＤカメラによって連続２時刻の微粒子画像を取得しても良い。

更に、上記実施形態においては、光減衰器として液晶パネルを使用しているが、光減衰器として液晶フィルムを使用して良い。なお、液晶パネルは、液晶組成物（液晶材料）を２枚の透明な基板の間にサンドイッチし、その周囲を封止剤によってシールした構造のものであるが、液晶フィルムは、液晶組成物（液晶材料）を可撓性フィルム材料によってサンドイッチした構造の液晶部材として把握し得る。

本発明は、微小粒子群により可視化された可視化流体の流れ場にレーザ光を照射し、微粒子群の反射光によって微粒子群を撮像し、微小時間間隔を隔てた連続２時刻の粒子像の画像データに基づいて可視化流体の速度ベクトル又は速度成分等を計測する可視化流体の流速計測方法及び流速計測装置に適用される。本発明によれば、ハレーション又はブルーミング現象を抑制し又は防止し、内燃機関の燃焼・爆発反応の反応場のように短時間に輝度が変化する高輝度の流れ場をＰＩＶ計測法等により計測することができるので、その実用的効果は、顕著である。

１ 光源
２ 光学系
３ 撮像装置
４ 画像処理装置
１１、１２ ＣＣＤカメラ
２１、２２ ハーフミラー
３１、３２ 光減衰器
４０ タイミングコントローラ
５０ 車両用エンジン（内燃機関）
５１ シリンダブロック部
５２ ピストン
５３ シリンダヘッド部
５５ 燃焼室
５９ クランク角センサ
６２ 透光部
６３ 可視化部
６４ 反射板
Ｐ 微粒子
Ｌ レーザ光
Ｓ シート光

Claims (8)

1. 微小粒子群により可視化された可視化流体の流れ場にレーザ光を照射し、前記微粒子群の反射光によって該微粒子群を撮像し、微小時間間隔を隔てた連続２時刻の粒子像の画像データに基づく画像解析を行なう可視化流体の流速計測方法において、
   印加される電圧に応答して光透過率が低減する液晶パネル又は液晶フィルムを光減衰器として前記流れ場と撮像装置の撮像素子との間の光路に配置し、
   該撮像装置の露光中に前記光透過率が変化するのを阻止すべく、連続２時刻のレーザ発光時間および前記撮像装置の露光時間を包含する撮影時間中、前記液晶パネル又は液晶フィルムに印加される電圧を実質的に一定の値に保持し、
   前記レーザ光を照射したときに生じる前記微粒子群の反射光を前記光減衰器によって減衰させた状態で、前記撮像装置により前記微粒子群を撮像することを特徴とする流速計測方法。
2. 計測時の測定環境における前記液晶パネル又は液晶フィルムの光透過率を測定する光透過率測定手段を有することを特徴とする請求項１に記載の流速計測方法。
3. 前記流れ場の状態に相応して予め設定された輝度データ、或いは、先行する計測によって得られた既存の輝度データに基づいて前記液晶パネル又は液晶フィルムの印加電圧の値を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の流速計測方法。
4. 前記流れ場は、内燃機関の燃焼室又は燃焼域であり、前記液晶パネル又は液晶フィルムに印加される電圧は、内燃機関の運転状態及び／又は燃焼状態を示すエンジン指標に基づいて設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流速計測方法。
5. 微小粒子群により可視化された可視化流体の流れ場にレーザ光を照射する光源と、前記微粒子群の反射光によって該微粒子群を撮像する撮像装置と、微小時間間隔を隔てた連続２時刻の粒子像の画像データに基づく画像解析を行なう画像処理装置とを有する可視化流体の流速計測装置において、
   前記流れ場と前記撮像装置の撮像素子との間の光路に配置された光減衰器と、
   該光減衰器の光透過率を可変制御する制御装置とを有し、
   該光減衰器は、印加される電圧に応答して光透過率を低減する液晶パネル又は液晶フィルムを有し、
   前記制御装置は、前記撮像装置の露光中に前記光透過率が変化するのを阻止すべく、連続２時刻のレーザ発光時間および前記撮像装置の露光時間を包含する撮影時間中、前記液晶パネル又は液晶フィルムに印加される電圧を実質的に一定の値に保持する電圧保持手段を備えることを特徴とする流速計測装置。
6. 前記液晶パネル又は液晶フィルムの光透過率を測定する光透過率測定手段を有することを特徴とする請求項５に記載の流速計測装置。
7. 前記制御装置は、前記流れ場の状態に相応して予め設定された輝度データ、或いは、先行する計測によって得られた既存の輝度データに基づいて前記液晶パネル又は液晶フィルムの印加電圧の値を設定する印加電圧設定手段を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の流速計測装置。
8. 前記流れ場は、内燃機関の燃焼室又は燃焼域であり、前記制御装置は、内燃機関の運転状態及び／又は燃焼状態を示すエンジン指標に基づいて、前記液晶パネル又は液晶フィルムに印加すべき電圧を設定することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の流速計測装置。

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