JP2024056329A - Planar infrared light source and airflow measuring device - Google Patents
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Abstract
【課題】高感度で高再現性の気流計測を可能にする平面型赤外光源及びそれを備えた気流計測装置を提供することである。【解決手段】本発明の平面型赤外光源１００は、気流Ｇの背景に設置して気流計測を可能とする平面型赤外光源であって、黒体加工された赤外線放射面１０ａと、気流Ｇが赤外線放射面１０ａに入射するのを阻止するように赤外線放射面１０ａから離隔して配置すると共に、赤外線放射面１０ａから放射される赤外線を透過する赤外透過窓２０と、を備える。【選択図】図１[Problem] To provide a flat infrared light source that enables airflow measurement with high sensitivity and high reproducibility, and an airflow measurement device equipped with the same. [Solution] The flat infrared light source 100 of the present invention is a flat infrared light source that enables airflow measurement by being placed against the background of an airflow G, and is equipped with an infrared emitting surface 10a that has been subjected to blackbody processing, and an infrared transmitting window 20 that is disposed away from the infrared emitting surface 10a so as to prevent the airflow G from being incident on the infrared emitting surface 10a, and that transmits infrared rays emitted from the infrared emitting surface 10a. [Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、平面型赤外光源及び気流計測装置に関する。 The present invention relates to a planar infrared light source and an airflow measurement device.
二酸化炭素（ＣＯ２）分子を可視化できる赤外カメラを用い、ＣＯ２分子をトレーサ粒子として気流を計測する技術が特許文献１に提案されている。ＣＯ２分子の濃度分布に基づく濃淡像に動きベクトル検出法を適用することにより、気流が定量的に計測できる。このように赤外カメラで気体分子を可視化する場合、背景の室温の物体が自然に放射している赤外光を光源として利用するのが一般的である。 Patent Document 1 proposes a technique for measuring airflow using an infrared camera capable of visualizing carbon dioxide ( CO2 ) molecules and using CO2 molecules as tracer particles. By applying a motion vector detection method to a grayscale image based on the concentration distribution of CO2 molecules, airflow can be quantitatively measured. When visualizing gas molecules with an infrared camera in this way, it is common to use infrared light naturally emitted by room temperature objects in the background as a light source.
自然の背景赤外光の強度は、室温での最大放射輝度がプランクの法則により厳密に規定されており、それを超えることはできない。気流測定のための信号量は、その背景赤外光の強度で制限され、また、実際の光量は背景にある個々の物体の放射率で決まるので、背景が何であるかによっても左右される。 The intensity of natural background infrared light is strictly limited by Planck's law as to its maximum radiance at room temperature, and cannot exceed that limit. The amount of signal for airflow measurement is limited by the intensity of the background infrared light, and the actual amount of light is also affected by the nature of the background, since it is determined by the emissivity of each object in the background.
気流計測の高感度化、再現性向上には、大面積で均一で安定した赤外光を放射できる、持ち運び可能な照明光源が望まれている。有望な形態は、黒体塗装した平面を加熱する、平面型赤外光源である。しかし、測定対象である気流が赤外光源表面に照射されると、光源の表面に温度むらが生じ、赤外照明光自体が不均一になってしまう。このように、高感度で高再現性の気流計測に必要な均一な赤外光源の実現は、現実には容易ではない。 To improve the sensitivity and reproducibility of airflow measurement, a portable illumination light source that can emit uniform and stable infrared light over a large area is needed. A promising form is a flat infrared light source that heats a black-painted flat surface. However, when the airflow to be measured is irradiated onto the surface of the infrared light source, temperature variations occur on the surface of the light source, and the infrared illumination light itself becomes non-uniform. As such, it is not easy in reality to realize the uniform infrared light source required for highly sensitive and highly reproducible airflow measurement.
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、高感度で高再現性の気流計測を可能にする平面型赤外光源及びそれを備えた気流計測装置を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a planar infrared light source that enables highly sensitive and highly reproducible airflow measurement, and an airflow measurement device equipped with the same.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 To solve the above problems, the present invention provides the following means.
本発明の態様１は、気流の背景に設置して気流計測を可能とする平面型赤外光源であって、黒体加工された赤外線放射面と、前記気流が前記赤外線放射面に入射するのを阻止するように前記赤外線放射面から離隔して配置すると共に、前記赤外線放射面から放射される赤外線を透過する赤外透過窓と、を備える平面型赤外光源である。 Aspect 1 of the present invention is a flat infrared light source that can be installed in the background of an airflow to enable airflow measurement, and is equipped with an infrared emitting surface that has been blackbody processed, and an infrared transmitting window that is disposed away from the infrared emitting surface so as to prevent the airflow from being incident on the infrared emitting surface and that transmits infrared rays emitted from the infrared emitting surface.
本発明の態様２は、態様１の平面型赤外光源において、前記気流を構成する気体の吸収帯中心波長が２．４～１６μｍである。 In the second aspect of the present invention, in the planar infrared light source of the first aspect, the central wavelength of the absorption band of the gas that constitutes the airflow is 2.4 to 16 μm.
本発明の態様３は、態様２の平面型赤外光源において、前記気体が二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、一酸化窒素、二酸化窒素、水蒸気及びアンモニアからなる群から選択された１種の気体である。
本発明の態様４は、態様３の平面型赤外光源において、前記赤外透過窓は、前記１種の気体の吸収波長に対して吸収率が５％以下の材料からなる。
本発明の態様５は、態様４の平面型赤外光源において、前記材料が、サファイア、Ｓｉ、Ｇｅ、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、及び、高分子フィルムからなる群から選択された１種である。
本発明の態様６は、態様３の平面型赤外光源において、前記赤外透過窓は、前記１種の気体の吸収波長に対して反射率が５％以下である。
本発明の態様７は、態様１の平面型赤外光源において、前記赤外透過窓は、その表面が反射防止の処理又は加工が施されている。
本発明の態様８は、態様２の平面型赤外光源において、前記赤外透過窓は、前記１種の気体の吸収帯以外の波長に対して反射率が９０％以上である。
本発明の態様９は、態様１の平面型赤外光源において、前記赤外透過窓は板状又はフィルム状の部材である。
本発明の態様１０は、態様１の平面型赤外光源において、前記赤外透過窓は前記赤外線放射面に対して傾斜する傾斜部を有する。
本発明の態様１１は、態様１の平面型赤外光源において、前記赤外線放射面と前記赤外透過窓との間の空間が減圧又は真空とされている。
In
本発明の態様１２は、態様１０の平面型赤外光源において、前記傾斜部で反射された赤外光を吸収する吸収板、又は、前記傾斜部で反射された赤外光を前記傾斜部に均一で安定な反射光として戻す反射安定板を備える。
本発明の態様１３は、態様１～１２のいずれか一つの平面型赤外光源と、赤外カメラと、を備える気流計測装置である。
本発明によれば、高感度で高再現性の気流計測を可能にする平面型赤外光源を提供できる。 The present invention provides a flat infrared light source that enables highly sensitive and reproducible airflow measurement.
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であり、その効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。 The present embodiment will be described in detail below with reference to the drawings as appropriate. The drawings used in the following description may show characteristic parts in an enlarged scale for the sake of convenience in order to make the features easier to understand, and the dimensional ratios of each component may differ from the actual ones. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are merely examples, and may be modified as appropriate within the scope of their effects.
（平面型赤外光源）
図１に、本実施形態に係る平面型赤外光源の一例を示す斜視模式図を示す。
図１に示す平面型赤外光源１００は、気流Ｇの背景に設置して気流計測を可能とする平面型赤外光源であって、黒体加工された赤外線放射面１０ａと、気流Ｇが赤外線放射面１０ａに入射するのを阻止するように赤外線放射面１０ａから離隔して配置すると共に、赤外線放射面１０ａから放射される赤外線を透過する赤外透過窓２０と、を備える。
ここで、「黒体加工された」とは、赤外放射面を作る最も一般的な方法として高い放射率が保証された黒体塗料を塗布する方法や、それ以外に表面の微細な凹凸を制御することで表面を黒体にする方法や、表面に垂直にカーボンナノチューブのようなナノ材料を成長させて黒体にする方法によって表面が黒体に加工されたことを指す。
赤外線放射面１０ａと赤外透過窓２０との間の空間Ｓは減圧又は真空とされていてもよい。
(Flat infrared light source)
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of a flat infrared light source according to this embodiment.
The flat
Here, "blackbody processed" refers to a surface that has been processed into a black body by applying black body paint that is guaranteed to have a high emissivity, which is the most common method for creating an infrared radiating surface, or by other methods such as turning the surface into a black body by controlling the minute irregularities on the surface, or by growing nanomaterials such as carbon nanotubes perpendicular to the surface to turn it into a black body.
The space S between the infrared radiating
本実施形態に係る平面型赤外光源は、大面積で均一で高強度な平面型赤外光源の使用により、高感度、簡便な特定のガス分子（気体分子）をトレーサとした気流計測を可能にするものである。また、本実施形態に係る平面型赤外光源は、平面型赤外光源への気流の照射を防止する赤外透過窓を備えることによって、均一な赤外光の照射を可能とし、安定で周囲状況に左右されない高再現性の気流計測を可能とする。 The flat infrared light source according to this embodiment uses a large-area, uniform, and high-intensity flat infrared light source, enabling highly sensitive and simple airflow measurement using specific gas molecules as a tracer. In addition, the flat infrared light source according to this embodiment is equipped with an infrared-transparent window that prevents the airflow from being irradiated onto the flat infrared light source, enabling uniform irradiation of infrared light and enabling stable, highly reproducible airflow measurement that is not affected by the surrounding conditions.
図１においては、赤外カメラ２００も図示しており、全体として、平面型赤外光源１００と赤外カメラ２００とを備えた本実施形態に係る気流計測装置１０００を概念的に図示している。
In FIG. 1, an
（気流計測装置）
図２に、本実施形態に係る気流計測装置１０００の一例を示すブロック図を示す。
図２に示すように、気流計測装置１０００は気流計測用平面型赤外光源１００と赤外カメラ２００とを備え、さらに画像処理ユニット３００を備え、さらに必要に応じて統合制御手段４００により画像処理ユニット３００や赤外カメラ２００とが統合制御できることが好ましい。
気流計測装置１０００は、平面型赤外光源１００を移動させる光源移動手段を備えることが好ましい。
(Airflow measuring device)
FIG. 2 is a block diagram showing an example of the
As shown in FIG. 2, the
The
気流計測装置１０００は、バッテリーで駆動可能であることが好ましい。
統合制御手段４００は、光量設定など平面型赤外光源１００と赤外カメラ２００の連携や、観察対象気流に対して適切な位置への平面型赤外光源の移動、位置合わせなど光源移動手段との連携を統合制御できることが好ましい。
The
It is preferable that the integrated control means 400 be capable of integrated control of the coordination between the planar infrared
また、気流計測装置１０００は、特定のガス分子の気流可視化において、ガス分子の共鳴散乱を利用して照明光がカメラの視野に直接収まらない暗視野配置にて、照明されたガス分子がその吸収帯において共鳴散乱を起こし、散乱光をカメラで捉えることにより、特定のガスを可視化することも可能である。
In addition, the
＜特定のガス分子を可視化する気流計測の原理＞
図３に、特定のガス分子を可視化する赤外カメラによる気流計測の原理を説明するための概念図を示す。
背景の物体が自然に放射している赤外光を光源とし、その特定のガス分子を含む気流を透過した赤外光を赤外カメラで検出する。なお、以下では特定のガス分子として主にＣＯ２分子を対象として説明する。ＣＯ２分子の吸収帯（短波長吸収帯）中心波長は４．２６μｍであるが、この波長をその分子の固有の吸収帯中心波長に置き換えて考えると、以下の説明は赤外活性な任意のガス分子にそのまま適用できる。ここで、本明細書において、「吸収帯中心波長」とは、注目している吸収帯において、中心付近に現れる谷あるいは山（中心付近に谷が現れるか山が現れるかは分子に依存する）の波長のことである。
<Principle of airflow measurement to visualize specific gas molecules>
FIG. 3 shows a conceptual diagram for explaining the principle of airflow measurement using an infrared camera that visualizes specific gas molecules.
The infrared light naturally emitted by the background object is used as the light source, and the infrared light transmitted through the airflow containing the specific gas molecule is detected by the infrared camera. Note that the following description will be mainly directed to CO2 molecules as the specific gas molecule. The central wavelength of the absorption band (short wavelength absorption band) of the CO2 molecule is 4.26 μm, but if this wavelength is replaced with the central wavelength of the absorption band specific to the molecule, the following description can be applied directly to any infrared-active gas molecule. Here, in this specification, the "absorption band central wavelength" refers to the wavelength of the valley or peak that appears near the center in the absorption band of interest (whether a valley or peak appears near the center depends on the molecule).
気流計測可能なガス分子として例えば、その吸収帯中心波長が２．４～１６μｍのガス分子を挙げることができる。吸収帯中心波長がこの範囲に入るガス分子としては二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）及びアンモニア（ＮＨ３）からなる群から選択されたガス分子が挙げられる。具体的には、ＣＯ分子（４．６７μｍ）、ＣＨ４分子短波長吸収帯（４．６７μｍ）、ＣＨ４分子長波長吸収帯（７．６６μｍ）、ＮＯ分子（５．３３μｍ）、ＮＯ２分子（６．１８μｍ）、Ｈ２Ｏ分子短波長吸収帯（２．６４μｍ）、Ｈ２Ｏ分子長波長吸収帯（６．２６μｍ）、ＮＨ３分子（１０．３μｍ）を挙げることができる。また、ＣＯ２分子の長波長吸収帯の中心波長は１５．０μｍである。 Examples of gas molecules that can measure airflow include gas molecules with absorption band central wavelengths of 2.4 to 16 μm. Examples of gas molecules with absorption band central wavelengths in this range include gas molecules selected from the group consisting of carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ), nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ), water vapor (H 2 O), and ammonia (NH 3 ). Specifically, CO molecules (4.67 μm), CH 4 molecule short wavelength absorption band (4.67 μm), CH 4 molecule long wavelength absorption band (7.66 μm), NO molecules (5.33 μm), NO 2 molecules (6.18 μm), H 2 O molecule short wavelength absorption band (2.64 μm), H 2 O molecule long wavelength absorption band (6.26 μm), and NH 3 molecules (10.3 μm). The central wavelength of the long wavelength absorption band of CO 2 molecules is 15.0 μm.
背景とカメラの間にＣＯ２分子が存在すると、ＣＯ２分子の吸収帯の赤外光の光量が変化する。赤外カメラには例えば、ＣＯ２吸収帯に透過帯域を一致させたＣＯ２用バンドパスフィルタが赤外撮像素子と共に冷却チャンバに納められ、冷却されている。これにより、ＣＯ２分子による赤外光の吸収量の変化を、高いコントラストで検出できる。ＣＯ２分子の濃度には一般に不均一さがあるので、その濃度分布パターンをトレーサとして利用し、気流の動きを可視化できる。特に、時間微分画像を用いると、ＣＯ２分子の分布のわずかな動的変化を敏感に抽出することができる。さらにオプティカルフローなどの動きベクトル検出処理法を適用することにより、気流を定量的に測定できる。 When CO2 molecules are present between the background and the camera, the amount of infrared light in the absorption band of the CO2 molecules changes. For example, in the infrared camera, a bandpass filter for CO2 whose transmission band matches the CO2 absorption band is housed in a cooling chamber together with an infrared imaging element and cooled. This allows the change in the amount of infrared light absorbed by the CO2 molecules to be detected with high contrast. Since the concentration of CO2 molecules is generally non-uniform, the concentration distribution pattern can be used as a tracer to visualize the movement of the airflow. In particular, by using a time differential image, it is possible to sensitively extract slight dynamic changes in the distribution of CO2 molecules. Furthermore, by applying a motion vector detection processing method such as optical flow, the airflow can be quantitatively measured.
背景からの赤外光の放射スペクトルはプランクの法則で与えられる。その最大値は、完全黒体の放射スペクトルとして絶対温度の関数で厳密に規定されており、それを超えることはできない。これがカメラで捉えられる信号量の理論的な上限を与える。現実の赤外光量は、完全黒体の放射スペクトルに背景物体の放射率（０以上１以下）を乗じた値となる。従って、天然の背景物体が放射する赤外光は、背景各部の材質や表面性状によっても左右され、背景からの赤外光は場所によって均一ではない。そのため、気流計測の感度、再現性ともに不十分である。そこで、気流計測の感度、再現性を高めるために、平面型赤外光源を気流の背景に配置する構成について次に説明する。 The radiation spectrum of infrared light from the background is given by Planck's law. Its maximum value is strictly defined as a function of absolute temperature as the radiation spectrum of a perfect black body, and cannot be exceeded. This gives the theoretical upper limit of the amount of signal that can be captured by the camera. The actual amount of infrared light is the radiation spectrum of a perfect black body multiplied by the emissivity of the background object (0 to 1). Therefore, the infrared light emitted by natural background objects is also influenced by the material and surface properties of each part of the background, and the infrared light from the background is not uniform from place to place. As a result, both the sensitivity and reproducibility of airflow measurement are insufficient. Therefore, the following describes a configuration in which a flat infrared light source is placed behind the airflow in order to improve the sensitivity and reproducibility of airflow measurement.
＜平面型赤外光源を用いた気流計測＞
図４は、平面型赤外光源を気流の背景に配置することにより気流計測を行っている様子を概念的に示す図である。黒体塗装した平面を加熱する平面型赤外光源を気流の背後に起き、室温よりも高い温度に維持した均一な黒体で、ＣＯ２可視化カメラの視野を満たす。入射する信号量を大きくすることで感度を向上し、均一な表面から安定した、よく制御された赤外光を放射することにより、再現性を向上することが可能となる。
<Airflow measurement using a flat infrared light source>
Figure 4 is a conceptual diagram showing how airflow measurement is performed by placing a flat infrared light source in the background of the airflow. A flat infrared light source that heats a black-painted flat surface is placed behind the airflow, and the field of view of the CO2 visualization camera is filled with a uniform black body maintained at a temperature higher than room temperature. The sensitivity is improved by increasing the amount of incident signal, and the stable, well-controlled infrared light emitted from the uniform surface makes it possible to improve reproducibility.
図５を用いて、均一に黒体塗装した平面型赤外光源を用いた気流計測の高感度化の効果を示す。図５（ａ）は実験の様子を示す写真である。純度１００％のＣＯ２ガスを、ボンベから背景と平行に噴射し、背景の違いによるＣＯ２可視化画像の違いを比較した。表面温度を５５℃に設定した平面型赤外光源の前でＣＯ２ガスボンベを背景と平行に噴射している。ただし、本実施形態に係る赤外透過窓を設置する前の状態である。平面型赤外光源は、３００ｍｍ角のホットプレートを改造したもので、表面に放射率０．９４の黒体塗料を塗布してあり、その温度を高精度に制御できるようにしたものである。 FIG. 5 shows the effect of increasing the sensitivity of airflow measurement using a uniformly black-painted flat infrared light source. FIG. 5(a) is a photograph showing the state of the experiment. 100% pure CO2 gas was sprayed from a cylinder parallel to the background, and the difference in CO2 visualization images due to differences in background was compared. The CO2 gas cylinder was sprayed parallel to the background in front of the flat infrared light source with a surface temperature set to 55°C. However, this is the state before the infrared transmission window according to this embodiment was installed. The flat infrared light source is a modified 300 mm square hot plate, with a black body paint with an emissivity of 0.94 applied to the surface, allowing the temperature to be controlled with high precision.
図５（ｂ）～（ｄ）はレンズ焦点距離２５ｍｍ、Ｆ値２．５，露光時間２０ｍｓ、フレームレート３０ｆｐｓの条件で撮影した画像に、過去５フレームの平均画像を減算する時間微分処理を施した結果で、共通の輝度範囲を表示している。なお、図５（ｂ）～（ｄ）では、過去５フレームの平均画像を減算する時間微分処理を施したが、平均画像をとるフレーム数として５フレームは一例であり、これより多いフレーム数にしたり、少ないフレーム数にしてもよい。
図５（ｂ）は背景に平面型赤外光源を置かなかった場合の代わりに、加熱せず室温（２５℃）のまま平面型赤外光源を置いた場合のＣＯ２可視化画像である。図５（ｃ）は、背景に加熱して５５℃にした平面型赤外光源を置いた場合のＣＯ２可視化画像である。時間微分処理前の生画像では、背景が２５℃から５５℃になったことで光量が増大していたことがわかった。時間微分処理を行い、同じスケールで表示した図５（ｂ）と（ｃ）からは、同じＣＯ２ガスを対象としていながら、コントラストが劇的に向上したことがわかる。こうして、平面型赤外光源の使用により、気流計測の感度が向上できることがわかる。
5(b) to (d) show a common luminance range, which is the result of performing a time differentiation process in which the average image of the past five frames is subtracted from images taken under the conditions of a lens focal length of 25 mm, an F value of 2.5, an exposure time of 20 ms, and a frame rate of 30 fps. Note that in FIG. 5(b) to (d), a time differentiation process in which the average image of the past five frames is subtracted is performed, but five frames is just one example for the number of frames to obtain an average image, and the number of frames may be more or less than this.
FIG. 5(b) is a CO2 visualization image when a flat infrared light source is placed at room temperature (25°C) without heating instead of when a flat infrared light source is not placed in the background. FIG. 5(c) is a CO2 visualization image when a flat infrared light source heated to 55°C is placed in the background. In the raw image before time differentiation processing, it was found that the amount of light increased when the background changed from 25°C to 55°C. From FIG. 5(b) and (c) which are displayed on the same scale after time differentiation processing, it can be seen that the contrast is dramatically improved even though the same CO2 gas is the target. Thus, it can be seen that the sensitivity of airflow measurement can be improved by using a flat infrared light source.
図５（ｄ）は、赤外透過窓２０（図１参照）を備えた、本実施形態に係る平面型赤外光源を用いた場合のＣＯ２可視化画像である。
赤外透過窓として、厚さ３ｍｍのサファイアを用いた。サファイアの赤外透過窓（サファイア窓）の表面には何もコーティングしておらず、透過率０．８４、反射率０．１２、吸収率０．０２である。図５（ｄ）ではサファイア窓の領域を破線で示しているが、その内側では図５（ｃ）同様にＣＯ２ガスがコントラスト高く可視化されている。破線の外側は窓を固定するためのアルミニウム板で覆われており、奥にある光源からの赤外光は遮蔽されている。
FIG. 5D is a CO 2 visualized image obtained using the flat infrared light source according to this embodiment, which is equipped with the infrared-transmitting window 20 (see FIG. 1).
A 3 mm thick sapphire window was used as the infrared transmission window. The surface of the sapphire infrared transmission window (sapphire window) was not coated with anything and had a transmittance of 0.84, a reflectance of 0.12, and an absorptance of 0.02. In Fig. 5(d), the area of the sapphire window is shown by a dashed line, and inside the area, CO2 gas is visualized with high contrast as in Fig. 5(c). The outside of the dashed line is covered with an aluminum plate to fix the window, and infrared light from the light source behind is blocked.
図５では、平面型赤外光源の表面（赤外線放射面）に対して、測定対象であるＣＯ２の気流は平行に噴射されていた。実際の気流計測では、平面型赤外光源の表面に垂直な成分を持った気流を対象とする場合も起こる。そこで、測定対象である気流が垂直な成分を持っていて、平面型赤外光源の表面に直接噴射されている状況での画像を記録した。図６はこの場合の気流計測を行っている様子を概念的に示す図である。図７を用いて、平面型赤外光源の表面（赤外線放射面）に気流が直接照射された効果を示す。気流が光源表面に噴射された影響だけを可視化するために、この実験では赤外不活性なために赤外カメラでは原理的に可視化できない窒素（Ｎ２）ガスをブロアを用いて噴射した。 In FIG. 5, the CO2 airflow to be measured was injected parallel to the surface (infrared radiation surface) of the flat infrared light source. In actual airflow measurement, there are cases where the airflow has a component perpendicular to the surface of the flat infrared light source. Therefore, an image was recorded in a situation where the airflow to be measured has a perpendicular component and is injected directly onto the surface of the flat infrared light source. FIG. 6 is a conceptual diagram showing the state of airflow measurement in this case. FIG. 7 shows the effect of the airflow being directly irradiated onto the surface (infrared radiation surface) of the flat infrared light source. In order to visualize only the effect of the airflow being injected onto the light source surface, nitrogen ( N2 ) gas, which is infrared inert and therefore cannot be visualized in principle by an infrared camera, was injected using a blower in this experiment.
図７（ａ）、（ｃ）は実験の様子で、図７（ａ）では比較実験として、平面型赤外光源の前でＮ２ガスを背景と平行に噴射している。図７（ｃ）では、背景に垂直に近い角度で平面型赤外光源の表面に向かってＮ２ガスを噴射している。図７（ｂ）は図７（ａ）の場合（平行噴射）で赤外透過窓を備えない平面型赤外光源を用いた結果であり、図７（ｄ）～（ｆ）は図７（ｃ）の場合（垂直噴射）の結果であり、図７（ｄ）は赤外透過窓を備えない平面型赤外光源を用いた結果であり、図７（ｅ）、（ｆ）は、赤外透過窓を備えた平面型赤外光源を用いた結果である。 7(a) and (c) show the experimental conditions. In FIG. 7(a), as a comparative experiment, N2 gas is injected parallel to the background in front of the flat infrared light source. In FIG. 7(c), N2 gas is injected toward the surface of the flat infrared light source at an angle close to perpendicular to the background. FIG. 7(b) shows the results of using a flat infrared light source without an infrared transmission window in the case of FIG. 7(a) (parallel injection), and FIG. 7(d) to (f) show the results of using a flat infrared light source without an infrared transmission window in the case of FIG. 7(c) (perpendicular injection), and FIG. 7(d) shows the results of using a flat infrared light source without an infrared transmission window, and FIG. 7(e) and (f) show the results of using a flat infrared light source with an infrared transmission window.
図７（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、（ｅ）を除いてはレンズ焦点距離２５ｍｍ、（ｅ）だけはレンズ焦点距離１７ｍｍである。その他のパラメータはＦ値２．５，露光時間２０ｍｓ、フレームレート３０ｆｐｓで共通で、得られた画像に、過去５フレームの平均画像を減算する時間微分処理を施した結果で、共通の輝度範囲を表示している。
図７（ｂ）は平面型赤外光源の表面（赤外線放射面）に平行に噴射したＮ２ガスは、赤外不活性なため、確かに見えないことを示している。ところが、平面型赤外光源の表面（赤外線放射面）に垂直に近い角度でＮ２ガスを噴射した図７（ｄ）では、赤外カメラでは見えないはずのＮ２ガスにより、放射状のパターンが発生している。これは、光源表面（赤外線放射面）に気流が照射されたことにより、局所的に冷却され、光源表面に温度むらが生じたことを示している。平面型赤外光源の表面材料には熱伝導が高いアルミニウムを用いている。アルミニウムは、銀、銅、金に次いで熱伝導率の高い材料で、表面の冷却が生じても、即座に熱伝導で均一化するはずであるが、赤外カメラの感度が高いので、そのわずかな温度分布すら識別可能となり、アルミニウム表面ですらこのような温度むらが可視化されたものである。このように、光源表面に気流が照射されてしまうと、光源の放射分布そのものが不均一になるため、ＣＯ２の吸収分布と光源自体の温度分布は識別できなくなり、気流計測には利用できない。
7(b), (d), (e), and (f) have a lens focal length of 25 mm except for (e), which is 17 mm. The other parameters are common, F-number 2.5,
FIG. 7(b) shows that N2 gas injected parallel to the surface (infrared radiation surface) of the flat infrared light source is certainly invisible because it is infrared inactive. However, in FIG. 7(d) where N2 gas is injected at an angle close to perpendicular to the surface (infrared radiation surface) of the flat infrared light source, a radial pattern is generated by the N2 gas that should not be visible to an infrared camera. This indicates that the light source surface (infrared radiation surface) is locally cooled due to the airflow being irradiated, and temperature unevenness occurs on the light source surface. Aluminum, which has high thermal conductivity, is used as the surface material of the flat infrared light source. Aluminum is a material with a high thermal conductivity next to silver, copper, and gold, and even if the surface is cooled, it should be immediately uniformed by thermal conduction, but since the sensitivity of the infrared camera is high, even the slightest temperature distribution can be identified, and such temperature unevenness is visualized even on the aluminum surface. In this way, if an airflow is irradiated to the light source surface, the radiation distribution of the light source itself becomes uneven, so the absorption distribution of CO2 and the temperature distribution of the light source itself cannot be distinguished, and it cannot be used for airflow measurement.
＜赤外透過窓を有する平面型赤外光源を用いた気流計測＞
そこで、このような気流の直接照射に起因する平面型赤外光源の表面（赤外線放射面）の温度むら（温度不均一部）の発生を防止するために、本実施形態に係る平面型赤外光源１００は、平面型赤外光源の表面（赤外線放射面）１０ａの前方に離間して赤外透過窓２０を設けたものである（図１参照）。赤外透過窓２０は、気流Ｇが赤外線放射面１０ａに入射するのを阻止するように赤外線放射面１０ａから離隔して配置すると共に、赤外線放射面１０ａから放射される赤外線を透過する構成である。
<Airflow measurement using a flat infrared light source with an infrared-transmitting window>
In order to prevent the occurrence of temperature unevenness (temperature nonuniformity) on the surface (infrared radiation surface) of the flat infrared light source caused by direct irradiation of such airflow, the flat infrared
赤外透過窓２０としては例えば、気流計測する特定の気体（ガス）の吸収波長に対して吸収率が５％以下の材料からなるものを用いることができる。かかる材料として例えば、サファイア、Ｓｉ、Ｇｅ、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、及び、高分子フィルムからなる群から選択された１種を用いることができる。
赤外透過窓２０は、気流計測する特定の気体（ガス）の吸収波長に対して反射率が５％以下であることが好ましい。
赤外透過窓２０は、その表面が反射防止の処理又は加工が施されていることが好ましい。
赤外透過窓２０は、気流計測する特定の気体（ガス）の吸収帯以外の波長に対して反射率が９０％以上であることが好ましい。
赤外透過窓２０は、板状又はフィルム状の部材とすることができる。
For example, a material having an absorptivity of 5% or less for the absorption wavelength of a specific gas for which airflow is to be measured can be used as the
The
The surface of the infrared-transmitting
The
The infrared-transmitting
図７（ｅ）は、赤外透過窓として厚さ３ｍｍのサファイアを用いた本実施形態に係る平面型赤外光源において、この赤外透過窓に垂直に近い角度でＮ２ガスを噴射した結果を示すものである。平面型赤外光源の画像は図７（ｄ）と異なって均一であり、赤外透過窓の設置により、光源表面に温度分布が生じることが防止できていることがわかる。ここで、サファイアの赤外透過窓（サファイア窓）の表面には何もコーティングしておらず、透過率０．８４、反射率０．１２、吸収率０．０２である。図７（ｅ）において、サファイア窓の領域を破線で示している。 FIG. 7(e) shows the result of injecting N2 gas at an angle close to perpendicular to the infrared transmission window in the flat infrared light source according to the present embodiment, which uses sapphire with a thickness of 3 mm as the infrared transmission window. The image of the flat infrared light source is uniform, unlike that of FIG. 7(d), and it can be seen that the installation of the infrared transmission window prevents temperature distribution from occurring on the light source surface. Here, the surface of the sapphire infrared transmission window (sapphire window) is not coated with anything, and has a transmittance of 0.84, a reflectance of 0.12, and an absorptance of 0.02. In FIG. 7(e), the area of the sapphire window is indicated by a dashed line.
図７（ｆ）は、赤外透過窓として厚さ１ｍｍ、表面に何もコーティングしていない透過率０．１０、反射率０．０９、吸収率０．８１のポリカーボネートを用いた平面型赤外光源において、この赤外透過窓に垂直に近い角度でＮ２ガスを噴射した場合の結果である。
ポリカーボネート等、多くの透明高分子材料は４．２６μｍを中心とするＣＯ２の吸収帯にて顕著な吸収はないとされており、透明材料として使用可能な材料である。しかし、透明材料として利用可能なのは厚さ１００μｍ程度のフィルムだけであり、この場合のように厚さ１ｍｍ程度にもなると吸収率はかなりの高さになる。図７（ｆ）では、図７（ｄ）同様に放射状のパターンが発生している。このとき、ポリカーボネート窓自体の温度は４０．５℃に上昇していた。これは、０．８１もの吸収率のため、５５℃の平面型赤外光源からの赤外光をポリカーボネート窓（ポリカーボネートの赤外透過窓）が吸収して温度が上昇し、事実上、赤外透過窓自体が平面型赤外光源として動作しているためである。従って、測定対象である気流自体による平面型赤外光源の表面への影響を防止するには、赤外透過窓に十分な赤外透過性が必要である。
FIG. 7(f) shows the result when N2 gas was injected at an angle close to perpendicular to an infrared-transmitting window in a flat infrared light source using an infrared-transmitting window made of polycarbonate with a thickness of 1 mm and no coating on the surface, and with a transmittance of 0.10, a reflectance of 0.09, and an absorptance of 0.81.
Many transparent polymeric materials, such as polycarbonate, are said to have no significant absorption in the CO2 absorption band centered at 4.26 μm, and can be used as transparent materials. However, only films with a thickness of about 100 μm can be used as transparent materials, and when the thickness is about 1 mm as in this case, the absorptivity becomes quite high. In FIG. 7(f), a radial pattern is generated as in FIG. 7(d). At this time, the temperature of the polycarbonate window itself rose to 40.5° C. This is because, due to the absorptivity of 0.81, the polycarbonate window (polycarbonate infrared transmission window) absorbs the infrared light from the flat infrared light source at 55° C., causing the temperature to rise, and the infrared transmission window itself is in fact operating as a flat infrared light source. Therefore, in order to prevent the air flow itself, which is the object of measurement, from affecting the surface of the flat infrared light source, the infrared transmission window needs to have sufficient infrared transmittance.
＜赤外透過窓の表面反射の影響＞
図８（ａ）は気流計測前の画像、（ｂ）は気流計測中の画像、（ｃ）及び（ｄ）は赤外カメラを操作するために操作者が手を伸ばした瞬間の画像、（ｅ）は気流計測前の生画像、（ｆ）は気流計測前の時間微分処理を施した後の画像である。
図８（ａ）～（ｄ）は、上述のサファイア赤外透過窓（厚さ３ｍｍ、表面にコーティング無し、透過率０．８４、反射率０．１２、吸収率０．０２）を用いた場合の結果であり、図８（ｅ）～（ｆ）は、ポリオレフィンフィルム赤外透過窓（厚さ１００μｍ、表面にコーティング無し、吸収率０．１１、反射率０．０９、透過率０．８０）を用いた場合の結果である。
また、図８（ａ）～（ｄ）は、レンズ焦点距離２５ｍｍ、Ｆ値２．５，露光時間２０ｍｓ、フレームレート３０ｆｐｓ、図８（ｅ）、（ｆ）は、レンズ焦点距離１７ｍｍ、Ｆ値２．５，露光時間２５ｍｓ、フレームレート３０ｆｐｓで撮影した。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）は時間微分処理をしていない生の画像で、共通の輝度範囲を表示している。図８（ｄ）、（ｆ）は得られた画像に、過去５フレームの平均画像を減算する時間微分処理を施した結果で、共通の輝度範囲を表示している。
<Effect of surface reflection of infrared-transmitting window>
Figure 8 (a) is an image before airflow measurement, (b) is an image during airflow measurement, (c) and (d) are images at the moment when the operator stretches out his hand to operate the infrared camera, (e) is a raw image before airflow measurement, and (f) is an image after time differentiation processing before airflow measurement.
8(a) to (d) show the results when the above-mentioned sapphire infrared-transmitting window (
In addition, Fig. 8 (a) to (d) were taken with a lens focal length of 25 mm, F value of 2.5, exposure time of 20 ms, and frame rate of 30 fps, while Fig. 8 (e) and (f) were taken with a lens focal length of 17 mm, F value of 2.5, exposure time of 25 ms, and frame rate of 30 fps. Fig. 8 (a), (b), (c), and (e) are raw images that have not been subjected to time differentiation processing, and show a common luminance range. Fig. 8 (d) and (f) are the results of time differentiation processing in which the average image of the past five frames is subtracted from the obtained images, and show a common luminance range.
時間微分処理をしていない生画像の図８（ａ）には、赤外透過窓の表面反射により、赤外カメラ自体が写り込んでいる。サファイア窓（サファイアの赤外透過窓）として、ここでは安価な材料で済ませるために、１８０ｍｍ×６０ｍｍの板２枚を並べて大きな窓を実現している。図８（ａ）の生画像には窓中央に水平にその境界が見えている。サファイアの４．２６μｍでの屈折率１．６６によるフレネル反射のために、各面６％、２面合計で１２％の表面反射が生じる。図８（ｂ）は図５（ｄ）に対応する生画像で、ＣＯ２ガスと同時にカメラが写り込んでいる。しかし、図５（ｄ）で既に見たように、時間微分処理をすれば固定されたカメラは消える。 In the raw image of FIG. 8(a) without time differential processing, the infrared camera itself is reflected due to the surface reflection of the infrared transmission window. In this case, two 180 mm x 60 mm plates are arranged side by side to realize a large window as a sapphire window (sapphire infrared transmission window) in order to use inexpensive materials. In the raw image of FIG. 8(a), the boundary is visible horizontally in the center of the window. Due to Fresnel reflection due to the refractive index of 1.66 at 4.26 μm of sapphire, surface reflection of 6% occurs on each surface, and 12% in total on the two surfaces. FIG. 8(b) is a raw image corresponding to FIG. 5(d), in which the camera is reflected together with the CO2 gas. However, as already seen in FIG. 5(d), the fixed camera disappears if time differential processing is performed.
しかし、周辺に動く物体がある場合、その写り込み画像は時間微分処理では消えず、時間微分処理をしていても問題になる。図８（ｃ）、（ｄ）は、カメラを操作するために操作者が手を伸ばした瞬間の映像である。図８（ｃ）の生画像には、ＣＯ２ガスの分布の他にカメラと手が写り込んでいる。図８（ｄ）の時間微分処理画像では、動かないカメラの反射像は消えているが、動いている手は写り込んでいる。図８（ｃ）、（ｄ）では、写り込んだ手を○で示している。
このように時間微分処理画像に反射像の変化が見えてしまうことを防止するために、表面反射防止機構を導入することができる。
However, if there is a moving object in the vicinity, the reflected image will not disappear by time differentiation processing, and will be a problem even if time differentiation processing is performed. Figures 8(c) and (d) show images of the moment when an operator reaches out his hand to operate the camera. In addition to the distribution of CO2 gas, the raw image in Figure 8(c) also shows the camera and hand. In the time differentiation processing image in Figure 8(d), the reflected image of the stationary camera disappears, but the moving hand is still reflected. In Figures 8(c) and (d), the reflected hand is indicated by a circle.
In order to prevent such changes in the reflected image from appearing in the time-differential processed image, a surface reflection prevention mechanism can be introduced.
＜赤外透過窓の表面反射防止方法＞
最も簡単な表面反射防止方法は、平面型赤外光源の赤外透過窓をカメラに対して正立させずに傾斜配置する構成とすることである。図９にかかる構成を模式的に示す。
図９（ａ）に示す平面型赤外光源１０１は、赤外線放射面１１に対して傾斜する赤外透過窓２１を備える。
図９（ａ）に示す例では、赤外透過窓２１を垂直方向に対して４５度、上端がカメラに近くなるように傾斜配置する。
<Method for preventing surface reflection of infrared-transmitting window>
The simplest method for preventing surface reflection is to arrange the infrared-transmitting window of the flat infrared light source at an angle to the camera, rather than upright. Such a configuration is shown diagrammatically in FIG.
The flat infrared
In the example shown in FIG. 9A, the infrared-transmitting
図９（ｂ）に示す平面型赤外光源１０２は、図９（ａ）に示した平面型赤外光源１０１に加えて、さらに傾斜する赤外透過窓２１で反射された赤外光を吸収する吸収板３０、又は、傾斜する赤外透過窓２１で反射された赤外光を赤外透過窓２１に均一で安定な反射光として戻す反射安定板３０を備える。
吸収板３０は赤外透過窓２１で反射された赤外光が赤外透過窓２１へ戻らないように吸収率の高い材料からなるものである。吸収板３０の材料としては例えば、高い放射率が保証された黒体塗料を塗布した金属板や、表面に垂直にカーボンナノチューブのようなナノ材料を成長させて黒体に加工した金属板などから選択することができる。
反射安定板３０は赤外透過窓２１で反射された赤外光を反射するが、時間的に一定でかつ空間的に均一な反射光（安定した反射光）を反射することが可能な材料からなるものである。反射安定板３０の材料としては例えば、高い放射率が保証された黒体塗料を塗布した金属板や、表面に垂直にカーボンナノチューブのようなナノ材料を成長させて黒体に加工した金属板のほか、適度に高い放射率を持った塗料を塗布した金属板などから選択することができる。
図９（ｂ）に示す例では、吸収板又は反射安定板は赤外透過窓２１の下方に配置し、カメラに写り込む反射光を均一で安定なものとする。以下、吸収板及び反射安定板のうち、反射安定板を例に挙げて説明する場合がある。
The flat infrared
The absorbing
The reflective stabilizing
In the example shown in Fig. 9(b), the absorbing plate or the reflective stabilizing plate is disposed below the
図１０を用いて、実際に傾斜配置により反射防止の効果を確認した結果を示す。レンズ焦点距離２５ｍｍ、Ｆ値２．５，露光時間２０ｍｓ、フレームレート３０ｆｐｓとした。赤外透過窓としては、上述と同様の、１８０ｍｍ×６０ｍｍの板２枚を並べたサファイア窓（サファイアの赤外透過窓）を用いた。各サファイア板は厚さ３ｍｍ、垂直透過率０．８４、垂直反射率０．１２、吸収率０．０２のサファイアで、表面にコーティング無しである。 Figure 10 shows the results of confirming the anti-reflection effect of an inclined arrangement. The lens focal length was 25 mm, F-number was 2.5, exposure time was 20 ms, and frame rate was 30 fps. As for the infrared-transmitting window, a sapphire window (sapphire infrared-transmitting window) consisting of two 180 mm x 60 mm plates was used as described above. Each sapphire plate was 3 mm thick, had a vertical transmittance of 0.84, a vertical reflectance of 0.12, and an absorptance of 0.02, and had no coating on the surface.
図１０（ａ）、（ｂ）は、時間微分処理をしていない生画像で、共通の輝度範囲を表示している。図１０（ａ）の生画像には図８（ａ）の生画像と同様に、窓中央に水平にその境界が見えている。図１０（ｂ）の生画像にもカメラや周辺物体の写り込みはなく、純粋にＣＯ２ガス濃度分布のみが可視化されている。
図１０（ｃ）は得られた画像に、過去５フレームの平均画像を減算する時間微分処理を施した結果である。赤外透過窓は観察方向に対して水平面内に４５度、右端がカメラに近くなるように傾斜配置している。さらに、赤外透過窓のカメラから見て左側に反射安定板として放射率０．９４の黒体塗装した室温のアルミニウム板を置き、その表面が赤外透過窓で反射してカメラに写り込むように配置している。図１０（ｃ）では、図８（ｄ）と異なり、カメラ自体の写り込みがないし、カメラを操作する周辺の動きも写り込まない。
図１０（ｂ）、（ｃ）はＣＯ２ガスを噴射している様子であるが、図１０（ｃ）の時間微分処理画像だけでなく、図１０（ｂ）の生画像にもカメラや周辺物体の写り込みはなく、ＣＯ２ガス濃度分布のみが可視化されている。
Figures 10(a) and (b) are raw images that have not been subjected to time differentiation processing, and show a common luminance range. In the raw image of Figure 10(a), the horizontal boundary is visible in the center of the window, as in the raw image of Figure 8(a). In the raw image of Figure 10(b), the camera and surrounding objects are not reflected, and only the CO2 gas concentration distribution is visualized.
Figure 10(c) shows the result of time differentiation processing in which the average image of the past five frames is subtracted from the obtained image. The infrared transmission window is tilted at 45 degrees in the horizontal plane with respect to the observation direction, with the right end closer to the camera. Furthermore, a room temperature aluminum plate with a black body coating with an emissivity of 0.94 is placed as a reflective stabilizing plate on the left side of the infrared transmission window as seen from the camera, and is positioned so that its surface is reflected by the infrared transmission window and captured by the camera. In Figure 10(c), unlike Figure 8(d), the camera itself is not captured, and the surrounding movements of operating the camera are not captured.
10(b) and (c) show the state of CO2 gas being injected, but the camera and surrounding objects are not reflected in either the time differential processed image of FIG. 10(c) or the raw image of FIG. 10(b), and only the CO2 gas concentration distribution is visualized.
赤外透過窓がフィルム状である場合例えば、薄い樹脂フィルムを用いた場合などは、気流の噴射により表面が変形し、反射像が変化してしまい、時間微分処理画像に反射像の変化が見えてしまうことがある。
図８（ｅ）は、ポリオレフィンフィルムを赤外透過窓とした場合の生画像で、気流の照射により、表面にしわが生じ、カメラの反射像や周囲の赤外放射光が反射して濃淡を作っている。図８（ｆ）の時間微分処理画像では、フィルム表面が気流で揺らいで、反射像が動いている様子が写っている。この状態でＣＯ２ガスを撮影すると、反射像の揺らぎとガスの動きは分離できないので、気流を正しく計測することはできない。このような場合に、図９で示したような表面反射防止法が有効である。
If the infrared-transmitting window is in the form of a film, for example a thin resin film, the surface may be deformed by the airflow, causing a change in the reflected image, which may then be seen in the time-differential processed image.
Figure 8(e) is a raw image when a polyolefin film is used as an infrared-transmitting window. The surface wrinkles due to the irradiation of the air flow, and the reflected image of the camera and the surrounding infrared radiation are reflected to create shading. The time-differential processed image of Figure 8(f) shows that the film surface is fluctuating due to the air flow, and the reflected image is moving. If CO2 gas is photographed in this state, the fluctuation of the reflected image and the movement of the gas cannot be separated, so the air flow cannot be measured correctly. In such cases, the surface reflection prevention method shown in Figure 9 is effective.
図１１及び図１２に、赤外透過窓の表面反射防止機構の様々な態様を示す。
図１１（ａ）に示す平面型赤外光源１００Ａは、図１に示した配置と同様に赤外透過窓が観察方向に対して正立している場合であるが、表面にＡＲ（反射防止）コーティング２０ａを施された赤外透過窓２０Ａを用いた場合であり、赤外透過窓を垂直に設置したままでも、同様の反射防止効果がある。
図１１（ｂ）に示す平面型赤外光源１０２は、図９（ｂ）に示した４５度反射法による構成である。
図１１（ｃ）に示す平面型赤外光源１０４は、放射板１１の赤外線放射面１１と赤外透過窓２１が平行配置のまま、放射板１１の赤外線放射面１１及び赤外透過窓２１を４５度傾斜した構成である。この構成は、図１１（ｂ）と比べて、熱放射のコサイン則のため、光量は７１％に低下する。しかし、事実上、図１１（ａ）の放射板１０と赤外透過窓２０Ａのユニットを傾けて置くだけなので、図１１（ｂ）のようなかさばる構成は不要になる。
図１２（ｄ）に示す平面型赤外光源１０５は、赤外透過窓２２が、互いに逆向きの４５度配置の２枚の赤外透過窓２２Ａ、２２Ｂがカメラ側に頂点が向くように山折り型に配置する構成である。反射安定板３１は上下にそれぞれ配置する（３１Ａ、３１Ｂ）。一般に赤外透過材料は高価であるので、面積が小さい方が入手しやすい。その点でも、一つの平面型赤外光源の面積を複数の赤外透過窓でカバーする構成は利点がある。
図１２（ｅ）に示す平面型赤外光源１０６は、赤外透過窓２３が、互いに逆向きの４５度配置の２枚の赤外透過窓２３Ａ、２３Ｂが赤外線放射面側に谷が向くように谷折り型に配置する構成である。反射安定板３１は図１２（ｄ）と同様に上下にそれぞれ配置する（３１Ａ、３１Ｂ）。この構成では、２回反射した光路で赤外カメラや周辺物体が写り込んでしまうが、反射率は１回反射に比べると２乗になり、弱くなる。
図１２（ｆ）に示す平面型赤外光源１０７は、赤外透過窓２３が、さらに細かく分割して波形表面とした構成すなわち、赤外透過窓２３が、互いに逆向きの４５度配置の６枚の赤外透過窓２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ、２４Ｅ、２４Ｆからなる構成である。赤外透過窓の枚数は６枚に限らず、６枚より多くてもよいし、少なくてもよい。
11 and 12 show various aspects of the surface anti-reflection mechanism of the infrared-transmitting window.
The flat infrared light source 100A shown in Figure 11(a) is an example in which the infrared-transmitting window is upright with respect to the observation direction, similar to the arrangement shown in Figure 1, but uses an infrared-transmitting
The flat infrared
The flat infrared
The flat infrared
The flat infrared
12(f) shows a flat infrared
＜観察対象や環境への影響防止方法＞
本実施形態に係る平面型赤外光源の赤外透過窓にバンドパスフィルタコーティングを施すことが好ましい。
赤外光は熱線であるため、平面型赤外光源の赤外線放射面から十分な赤外透過性を持った赤外透過窓を通じて照射される高輝度の赤外光は、観察対象物や周囲の物体、カメラなどの機器そのものなどを加熱する働きを持つ。これにより新たに対流が発生し、観察したい気流自体が乱されてしまう可能性が生じる。この問題を防ぐため、平面型赤外光源からは、ＣＯ２ガスの可視化に必要な赤外光だけが照射されることが望ましいからである。そのためには、このバンドパスフィルタコーティングは、１面がＡＲコーティングされているのであれば、もう１面だけに施すので十分である。また、ＣＯ２ガスの非吸収帯における透過率の高さと、既に述べた吸収の小ささを両立するためには、このバンドパスフィルタは吸収ではなく、高い効率での反射により非吸収帯を除去するものであることが好ましい。
<How to prevent impact on observation subjects and the environment>
It is preferable to provide a bandpass filter coating on the infrared-transmitting window of the flat infrared light source according to this embodiment.
Since infrared light is a heat ray, the high-intensity infrared light irradiated from the infrared radiation surface of the flat infrared light source through an infrared transmission window with sufficient infrared transmittance heats the observation target, surrounding objects, and the equipment itself, such as a camera. This may cause new convection, which may disturb the air current to be observed. To prevent this problem, it is desirable that only infrared light necessary for visualizing CO2 gas is irradiated from the flat infrared light source. For this purpose, if one surface is AR coated, it is sufficient to apply this bandpass filter coating to only one surface. In addition, in order to achieve both high transmittance in the non-absorption band of CO2 gas and the small absorption already mentioned, it is preferable that this bandpass filter is one that removes the non-absorption band by reflection with high efficiency, rather than absorption.
＜モデルを使った赤外透過窓の特性検討＞
さらに赤外透過窓に必要な具体的な特性を明らかにするために、図１３に示すモデルに従って、定量的に検討する。図１３（ａ）は赤外透過窓を有さない平面型赤外光源の場合であり、図１３（ｂ）は平面型赤外光源の表面（赤外線放射面）に平行に離間して赤外透過窓が配置する場合、図１３（ｃ）は、図９（ｂ）に対応するものであり、平面型赤外光源の表面（赤外線放射面）に対して４５°傾斜して赤外透過窓が配置する場合である。
<Studying the characteristics of infrared-transmitting windows using a model>
Furthermore, in order to clarify the specific characteristics required for the infrared-transmitting window, a quantitative study will be made according to the model shown in Fig. 13. Fig. 13(a) shows the case of a flat infrared light source having no infrared-transmitting window, Fig. 13(b) shows the case where an infrared-transmitting window is arranged parallel to and spaced from the surface (infrared radiation surface) of the flat infrared light source, and Fig. 13(c) corresponds to Fig. 9(b) and shows the case where an infrared-transmitting window is arranged at an angle of 45° to the surface (infrared radiation surface) of the flat infrared light source.
カメラから見て、観察したい気流の奥に平面型赤外光源を置いた状況において、波長λを中心とし、波長帯域Δλを持ったバンドパスフィルタを通してカメラで検出される信号強度Ｉを考える。温度Ｔの完全黒体の表面から垂直向きの、波長λを中心としたバンドパスフィルタの波長帯域Δλに対する放射強度をＢ（Ｔ）と表す。Ｂ（Ｔ）［Ｗ／ｍ２］は正確にはプランクの法則により以下のように表される。 Consider a situation in which a flat infrared light source is placed deep inside the airflow to be observed as seen from the camera, and the signal intensity I detected by the camera through a bandpass filter with a wavelength band Δλ and centered on wavelength λ. Let B(T) be the radiation intensity for the wavelength band Δλ of the bandpass filter centered on wavelength λ, in the vertical direction from the surface of a perfect black body at temperature T. To be precise, B(T) [W/ m2 ] is expressed as follows according to Planck's law:
ここで、ｈ：プランク定数、ｃ：光速、ｋB：ボルツマン定数である。また、この計算の時には温度Ｔとして絶対温度（単位Ｋ）を用いる。
Here, h is Planck's constant, c is the speed of light, and k B is the Boltzmann constant. In this calculation, absolute temperature (unit: K) is used as temperature T.
平面型赤外光源は温度Ｔｂで、黒体塗装により表面の放射率は１に十分近いものとする（反射率、透過率は０となる）。その放射強度はＢ（Ｔｂ）で与えられる。
図１３（ａ）は、赤外透過窓を有さない平面型赤外光源の場合の気流計測の状況を示す。周囲の環境の温度をＴｅとし、その環境に置かれたカメラ自体やその周辺の物体（操作者も含む）も簡単のため環境と温度が等しいとする。また、それらの物体も簡単のため放射率が１に近いとする。赤外カメラに内蔵された赤外撮像素子の温度をＴｄとし、ＴｄはＴｅやＴｂに比べて十分に低いものとする。このとき、環境側も平面型赤外光源に向かってＢ（Ｔｅ）の強度で放射しているが、平面型赤外光源の表面は反射率０であるので、検出器には単に、平面型赤外光源により発せられたＩ＝Ｂ（Ｔｂ）の信号が入射する。光路上にＣＯ２が分布していると、その吸収により信号が減衰し、ＣＯ２分布から気流が計測されることとなる。
The flat infrared light source has a temperature of T b , and is painted with a black body paint so that the surface emissivity is sufficiently close to 1 (reflectance and transmittance are 0). The radiation intensity is given by B(T b ).
FIG. 13(a) shows the state of airflow measurement in the case of a flat infrared light source without an infrared-transmitting window. The temperature of the surrounding environment is T e , and the camera itself and its surrounding objects (including the operator) placed in that environment are assumed to have the same temperature as the environment for simplicity. In addition, for simplicity, the emissivity of these objects is assumed to be close to 1. The temperature of the infrared imaging element built into the infrared camera is assumed to be T d , and T d is assumed to be sufficiently lower than T e and T b . At this time, the environment side also radiates toward the flat infrared light source with an intensity of B (T e ), but since the surface of the flat infrared light source has a reflectance of 0, the detector simply receives a signal of I = B (T b ) emitted by the flat infrared light source. If CO 2 is distributed on the light path, the signal is attenuated by its absorption, and the airflow is measured from the CO 2 distribution.
ここで、図１３（ｂ）のように、平面型赤外光源と気流の間に、２面合わせた反射率ｒｗ、放射率εｗの赤外透過窓をカメラに対して正立させて置いたとする。その透過率ｔｗはｔｗ＝１－ｒｗ－εｗと表される。また、赤外透過窓は平面型赤外光源からの赤外光を吸収することにより、環境温度Ｔｅとは異なる温度Ｔｗに維持されているものとする。このときの赤外透過窓の吸収率ａｗはキルヒホッフの法則により放射率と等しい（ａｗ＝εｗ）。赤外透過窓はＴｅとＴｂの中間の温度Ｔｗとなる。
この時、カメラで検出される信号強度は
Ｉ＝ｒｗＢ（Ｔｅ）＋εｗＢ（Ｔｗ）＋ｔｗＢ（Ｔｂ）
と表される。右辺第１項は、環境側からの熱放射が赤外透過窓で反射されてカメラに入射する透過窓反射光である。右辺第２項は、赤外透過窓自体が放射する透過窓放射光である。右辺第３項が、平面型赤外光源から赤外透過窓を通して取り出した透過窓透過光である。
また、検出された信号Ｉに対するそれぞれの成分の比を、透過窓反射強度比ｒｗＢ（Ｔｅ）／Ｉ、透過窓放射強度比εｗＢ（Ｔｗ）／Ｉ、透過窓透過強度比ｔｗＢ（Ｔｂ）／Ｉと定義する。これら３項の和は１となる。
Here, as shown in Fig. 13(b), assume that an infrared-transmitting window with a combined reflectance rw and emissivity εw is placed upright with respect to the camera between the flat infrared light source and the airflow. The transmittance tw is expressed as tw = 1 - rw - εw . Also assume that the infrared-transmitting window is maintained at a temperature Tw different from the environmental temperature Te by absorbing the infrared light from the flat infrared light source. In this case, the absorptance aw of the infrared-transmitting window is equal to the emissivity according to Kirchhoff's law ( aw = εw ). The infrared-transmitting window has a temperature Tw intermediate between Te and Tb .
At this time, the signal strength detected by the camera is I = r w B (T e ) + ε w B (T w ) + t w B (T b ).
The first term on the right side is the transmitted window reflected light that is thermal radiation from the environment and reflected by the infrared transmitting window and enters the camera. The second term on the right side is the transmitted window emitted light that is emitted by the infrared transmitting window itself. The third term on the right side is the transmitted window transmitted light that is extracted from the flat infrared light source through the infrared transmitting window.
The ratios of the respective components to the detected signal I are defined as the transmission window reflection intensity ratio rwB ( Te )/I, the transmission window radiation intensity ratio εwB ( Tw )/I, and the transmission window transmission intensity ratio twB ( Tb )/I. The sum of these three terms is 1.
図５、図７、図８、図１０で見てきた実際の観察事例において、時間微分処理後に得られていた画像の信号強度は、総信号量１００００カウントに対して、１００カウント程度であった。つまり、気流計測においては、ＣＯ２による１％（０．０１）程度の信号変化を議論するのが一般的である。この程度の微弱な信号が、赤外透過窓による反射光の変化や、赤外透過窓、赤外光源表面そのものの温度変化により放射光の変化により埋もれてしまい得る。このことから、典型的には、透過窓反射強度比や透過窓放射強度比を、いずれも１％以下に抑制することが再現性の高い気流計測には求められると言える。 In the actual observation cases shown in Figures 5, 7, 8, and 10, the signal intensity of the image obtained after time differentiation processing was about 100 counts out of a total signal amount of 10,000 counts. In other words, in airflow measurement, it is common to discuss a signal change of about 1% (0.01) due to CO2 . Such a weak signal may be buried by changes in reflected light due to the infrared transmission window, or changes in emitted light due to temperature changes of the infrared transmission window and the infrared light source surface itself. For this reason, it can be said that it is typically required to suppress the transmission window reflection intensity ratio and the transmission window emission intensity ratio to 1% or less for highly reproducible airflow measurement.
典型的な条件として、λ＝４．２６μｍ、Δλ＝０．２０μｍ、Ｔｅ＝２５℃、ｒｗ＝０～０．５、εｗ＝０～０．５として、Ｔｂ＝５０℃、５５℃、８０℃、１００℃のケースについて、透過窓反射強度比、透過窓放射強度比を計算した結果を図１４、図１５、図１６、図１７に示す。各図の（ａ）が横軸にｒｗ、縦軸にεｗを取ったときの透過窓反射強度比、各図（ｂ）が透過窓放射強度比を等高線の形で示している。ここで、Ｔｄ＝８０Ｋ（－１９３℃）で、Ｔｅ、Ｔｂに対して十分に低い。 As typical conditions, λ=4.26 μm, Δλ=0.20 μm, T e =25°C, r w =0-0.5, ε w =0-0.5, and the results of calculating the transmission window reflection intensity ratio and transmission window radiation intensity ratio for the cases of T b =50°C, 55°C, 80°C, and 100°C are shown in Figures 14, 15, 16, and 17. (a) of each figure shows the transmission window reflection intensity ratio when the horizontal axis is r w and the vertical axis is ε w , and (b) of each figure shows the transmission window radiation intensity ratio in the form of contour lines. Here, T d =80K (-193°C), which is sufficiently low compared to T e and T b .
赤外透過窓の温度Ｔｗは吸収ａｗの比較的大きな材質であるポリカーボネート（例：厚さ１ｍｍ、ａｗ＝εｗ＝０．８１）を赤外透過窓の材料としたときの窓表面の実測温度（例：赤外光源表面からの距離９ｍｍ、Ｔｂ＝５５℃に対してＴｗ＝４０．５℃）から内挿して、εｗ、Ｔｂ、Ｔｅの関数として求めた。 The temperature Tw of the infrared-transmitting window was calculated as a function of εw , Tb, and Te by interpolating the actual measured temperature of the window surface (e.g., Tw = 40.5°C at a distance of 9 mm from the surface of the infrared light source and Tb = 55°C) when the infrared-transmitting window was made of polycarbonate (e.g., thickness 1 mm, aw = εw = 0.81 ) , a material with a relatively high absorption aw.
図１５（ａ）から、Ｔｂ＝５５℃ではｒｗ≦０．０２であれば広いεｗ範囲にて透過窓反射強度比≦０．０１を満足できる。図１６、図１７から、Ｔｂが高いほど、ｒｗやεｗが大きな値でも透過窓反射強度比≦０．０１が満足できるようになることがわかる。逆に低い方では、図１４より、ｒｗ≦０．０２であれば、Ｔｂ＝５０℃でも透過窓反射強度比≦０．０１が達成可能である。 From Fig. 15(a), it is seen that if rw ≦0.02 at Tb = 55°C, the transmission window reflection intensity ratio ≦ 0.01 can be satisfied over a wide εw range. From Figs. 16 and 17, it is seen that the higher Tb is, the more likely it is that the transmission window reflection intensity ratio ≦ 0.01 can be satisfied even at large values of rw and εw . Conversely, at the lower end, from Fig. 14, if rw ≦ 0.02, the transmission window reflection intensity ratio ≦ 0.01 can be achieved even at Tb = 50°C.
ｒｗ≦０．０２が実現できない場合でも、図１６より、光源温度を高めに設定し、Ｔｂ≧８０℃とすれば、ｒｗ≦０．０５が実現できれば透過窓反射強度比≦０．０１は達成できることがわかる。しかし、現実には、屋外での気流計測のためにバッテリー駆動の赤外光源として用いる場合には、温度Ｔｂが低ければ低いほど実用性が高まるので、そのためにはできるだけ低いｒｗを実現するのが望ましいことになる。 16, even if rw ≦0.02 cannot be realized, it can be seen that if rw ≦0.05 can be realized, a transmission window reflection intensity ratio ≦0.01 can be achieved by setting the light source temperature higher and making Tb ≧80° C. In reality, however, when used as a battery-powered infrared light source for measuring airflow outdoors, the lower the temperature Tb , the higher the practicality, and therefore it is desirable to achieve as low rw as possible.
昇温した赤外透過窓への気流照射による放射強度分布を生じさせる透過窓放射強度比に関してもほぼ同様の議論が成り立ち、εｗ≦０．０２により透過窓放射強度比≦０．０１を実現することが望ましい。あるいは、εｗ≦０．０５が実現できれば、光源温度Ｔｂを高めに設定することで、透過窓放射強度比≦０．０１が実現できる。 A similar argument can be made for the transmission window radiation intensity ratio that produces a radiation intensity distribution caused by airflow irradiation of a heated infrared transmission window, and it is desirable to realize a transmission window radiation intensity ratio ≦0.01 by ε w ≦0.02. Alternatively, if ε w ≦0.05 can be realized, a transmission window radiation intensity ratio ≦0.01 can be realized by setting the light source temperature T b higher.
次にこれらの条件を実現するための赤外透過窓の具体的な材料の選択について検討する。赤外透過窓のεｗは材料と厚さで決まる。波長４．２６μｍにおいて、サファイア、Ｓｉ、Ｇｅ、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、ＺｎＳ、ＺｎＳｅは、εｗ≦０．０２を達成できる。サファイアは波長４．２６μｍでは吸収が始まっているが、厚さ３ｍｍであればεｗ≦０．０２を実現できる。 Next, we will consider the selection of specific materials for the infrared transmission window to achieve these conditions. The ε w of the infrared transmission window is determined by the material and thickness. At a wavelength of 4.26 μm, sapphire, Si, Ge, calcium fluoride, magnesium fluoride, barium fluoride, ZnS, and ZnSe can achieve ε w ≦0.02. Although sapphire begins to absorb light at a wavelength of 4.26 μm, a thickness of 3 mm can achieve ε w ≦0.02.
赤外透過窓のｒｗは表面にコーティングをしない場合には、材料の屈折率だけで決まる。しかし、両面にＡＲコーティングをすれば、多くの材料でｒｗをｒｗ≦０．０１まで劇的に改善することができる。赤外透過窓としてＳｉやＧｅを用いた場合には、強力な保護膜となるダイヤモンドライクカーボンの屈折率がちょうどＡＲコーティングに必要な屈折率に近いので、ダイヤモンドライクカーボンコーティングをＡＲコーティングの代用として用いることもできる。 The rw of an infrared-transmitting window is determined only by the refractive index of the material when no coating is applied to the surface. However, by applying an AR coating to both sides, the rw can be dramatically improved to rw ≦0.01 for many materials. When using Si or Ge as an infrared-transmitting window, the refractive index of diamond-like carbon, which acts as a strong protective film, is close to the refractive index required for AR coating, so diamond-like carbon coating can be used as a substitute for AR coating.
図８のサファイア窓はｒｗ＝０．１２、εｗ＝０．０２で、Ｔｂ＝５５℃に対する結果であった。図１５（ａ）から、このときの透過窓反射強度比は０．０５であるが、図８で見たように、この程度の透過窓反射強度比では生画像にはカメラが写り込み、カメラの周辺で動きがある場合には時間微分処理画像にはＣＯ２の挙動に加えてそれが写り込んでしまう。したがって、透過窓反射強度比０．０５は十分低い値とは言えず、透過窓反射強度比≦０．０１という目標は妥当である。 The sapphire window in Fig. 8 has rw = 0.12, εw = 0.02, and the results are for Tb = 55°C. From Fig. 15(a), the transmission window reflection intensity ratio at this time is 0.05, but as seen from Fig. 8, with this level of transmission window reflection intensity ratio, the camera is reflected in the raw image, and if there is movement around the camera, this will be reflected in the time differential processed image in addition to the behavior of CO2 . Therefore, a transmission window reflection intensity ratio of 0.05 cannot be said to be a sufficiently low value, and a target of a transmission window reflection intensity ratio ≦ 0.01 is reasonable.
しかし同じサファイアでも、図１２（ｅ）、図１２（ｆ）のように環境の放射が２回反射してカメラに届く場合には、総合的な反射率は、屈折率１．６６に対する４５度入射に対するフレネル則に基づいて偏光の平均値を取るとｒｗ＝０．００８となるので、透過窓反射強度比≦０．０１を十分に満足できる。 However, even with the same sapphire, when environmental radiation is reflected twice to reach the camera, as in Figures 12(e) and 12(f), the overall reflectance is rw = 0.008 when the average polarized light is taken based on the Fresnel law for a 45-degree incidence angle with a refractive index of 1.66, which is fully sufficient to satisfy the transmission window reflection intensity ratio ≦ 0.01.
サファイアは、フッ化マグネシウムなど、赤外吸収が無視でき、屈折率がサファイアの屈折率の１／２乗に近い低屈折率材料をＡＲコーティングすることにより、ｒｗ≦０．０２を実現することは可能である。また、表面にモスアイ構造と呼ばれる波長よりも微細な凹凸構造を加工することでもｒｗ≦０．０２を実現することができる。 It is possible to realize rw ≦0.02 by AR coating sapphire with a low refractive index material such as magnesium fluoride, whose infrared absorption is negligible and whose refractive index is close to the 1/2 power of that of sapphire. It is also possible to realize rw ≦0.02 by processing a concave-convex structure finer than the wavelength, known as a moth-eye structure, on the surface.
図１２（ｂ）、（ｃ）で見たように、４５度配置の場合には、図１３（ｃ）のモデルに基づいて計算することとなる。ｒｗ、ｔｗ、εｗが、垂直入射ではなく、４５度入射に対する値となる違いは生じるが、これまで見てきた数式と違いはない。傾斜配置による反射防止は、平面型赤外光源の部分に体積を要するという欠点はあるが、透過窓反射強度比≦０．０１が実現できなくても、反射先が温度的、機械的に安定であれば、気流計測には影響しない。ただし、透過窓透過強度比が高いほど信号が増大し、高感度な気流測定が可能になるので、透過窓反射強度比が小さい方が良いことに違いはない。 As seen in Fig. 12(b) and (c), in the case of a 45-degree arrangement, calculations are made based on the model in Fig. 13(c). There is a difference in that rw , tw , and εw are values for 45-degree incidence rather than perpendicular incidence, but there is no difference from the formulas seen so far. Although the reflection prevention by the inclined arrangement has the disadvantage that a volume is required for the flat infrared light source, even if the transmission window reflection intensity ratio ≦ 0.01 cannot be realized, as long as the reflection destination is thermally and mechanically stable, it does not affect the airflow measurement. However, the higher the transmission window transmission intensity ratio, the larger the signal and the more sensitive the airflow measurement becomes, so there is no doubt that a smaller transmission window reflection intensity ratio is better.
赤外透過窓として高分子フィルムなど剛直でない材料を用いる場合には、高性能の反射防止コーティングが確立していないので、傾斜配置法に基づく構成を用いることが好ましい。 When using a non-rigid material such as a polymer film as an infrared-transmitting window, a configuration based on the tilted arrangement method is preferable, since high-performance anti-reflection coatings have not yet been established.
本実施形態に係る平面型赤外光源が備える赤外透過窓は、気流計測の対象である気体の吸収帯以外の波長に対して反射率が９０％以上であることが好ましい。
不要な加熱を防止するためのバンドパスフィルタリングでは、ＣＯ２分子の吸収帯中心波長だけでなく、吸収帯と非吸収帯の境界を明確にする必要がある。上述の通り、本明細書において、注目している吸収帯において、中心付近に現れる谷あるいは山（中心付近に谷が現れるか山が現れるかは分子に依存する）の波長を吸収帯中心波長と定義する。また、吸光度がピーク吸光度の１／２０（０．０５）以上である領域を短波長側、長波長側にそれぞれ０．１μｍずつ拡大した波長域を吸収帯、それ以外を非吸収帯と呼ぶことにする。非吸収帯において、反射率９０％以上、さらには９５％以上が実現できれば物体の過熱にだけ寄与する不要赤外光は十分に除去できると言える。赤外透過窓を傾斜配置する場合にも、適切な多層膜設計をすれば各波長で必要な反射率を持つコーティングは実現できる。なお、バンドパスフィルタには、ＳｉＯ、ＺｎＳ、Ｇｅなどから構成された多層膜などを用いることができる。
The infrared-transmitting window of the flat infrared light source according to this embodiment preferably has a reflectance of 90% or more for wavelengths outside the absorption band of the gas that is the target of airflow measurement.
In bandpass filtering to prevent unnecessary heating, it is necessary to clarify not only the absorption band central wavelength of the CO2 molecule, but also the boundary between the absorption band and the non-absorption band. As described above, in this specification, the wavelength of the valley or peak (whether a valley or peak appears near the center depends on the molecule) that appears near the center in the absorption band of interest is defined as the absorption band central wavelength. In addition, the wavelength range in which the absorbance is 1/20 (0.05) or more of the peak absorbance is expanded by 0.1 μm on the short wavelength side and the long wavelength side is called the absorption band, and the rest is called the non-absorption band. In the non-absorption band, if a reflectance of 90% or more, or even 95% or more can be achieved, it can be said that unnecessary infrared light that only contributes to overheating of the object can be sufficiently removed. Even when the infrared transmission window is arranged at an angle, a coating with the necessary reflectance at each wavelength can be realized by appropriate multilayer film design. In addition, a multilayer film composed of SiO, ZnS, Ge, etc. can be used for the bandpass filter.
以上、本発明の平面型赤外光源は以下の内容を含むものである。
高輝度で制御された赤外光で気流を背後から大面積で照明するために、空洞型の黒体放射炉ではなく、黒体加工した表面を５０℃以上、さらには８０℃以上に加熱することにより赤外光を放射する平面型赤外光源を提供するものである。
気流計測するガス分子の吸収帯中心波長において、吸収率５％以下、さらには２％以下の赤外透過窓を有する平面型赤外光源を提供するものである。赤外透過窓の具体的な材料としては、サファイア、Ｓｉ、Ｇｅ、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、ＺｎＳ、ＺｎＳｅが挙げられる。また、赤外透過窓として、ポリエチレン、ポリオレフィンなど高分子ポリマーの厚さ１００μｍよりも薄いフィルムが挙げられる。
平面型赤外光源の赤外透過窓が観察方向に対して正立配置する構成である場合、ガス分子の吸収帯中心波長において、反射率５％以下、さらには２％以下の赤外透過窓を有する平面型赤外光源を提供するものである。それを実現する方法として例えば、赤外透過窓よりも低い屈折率を持つ材料による反射防止（ＡＲ）コーティング、波長よりも微細な凹凸構造を加工するモスアイ構造の使用が挙げられる。
平面型赤外光源の赤外透過窓が観察方向に対して傾斜配置する構成である場合、環境の機械的変化や温度的変化が赤外カメラに入射しないようにした平面型赤外光源を提供するものである。環境の機械的変化や温度的変化が赤外カメラを入射させない方法として例えば、赤外カメラから見た反射先に吸収板や反射安定板を設置する方法がある。また、赤外カメラに反射光が戻るまでに、傾斜配置した赤外透過窓にて２回以上反射する構造とする方法がある。
計測対象のガス分子の非吸収帯において、反射率９０％以上、さらには９５％以上の赤外透過窓を有する平面型赤外光源を提供するものである。ＡＲコーティングとこの構成とを満たすことは、赤外透過窓にガス分子の吸収帯に合わせたバンドパスフィルタコーティングを施すことに相当する。
As described above, the flat infrared light source of the present invention includes the following.
In order to illuminate a large area of an airflow from behind with high-brightness controlled infrared light, a flat infrared light source is provided that radiates infrared light by heating a blackbody-processed surface to 50°C or higher, or even 80°C or higher, rather than using a cavity-type blackbody radiation furnace.
The present invention provides a flat infrared light source having an infrared transmission window with an absorptivity of 5% or less, or even 2% or less, at the central wavelength of the absorption band of the gas molecules to be measured for airflow. Specific materials for the infrared transmission window include sapphire, Si, Ge, calcium fluoride, magnesium fluoride, barium fluoride, ZnS, and ZnSe. In addition, the infrared transmission window may be a film of a high molecular weight polymer, such as polyethylene or polyolefin, having a thickness of less than 100 μm.
When the infrared transmission window of the flat infrared light source is arranged upright with respect to the observation direction, the flat infrared light source has an infrared transmission window with a reflectance of 5% or less, and further 2% or less, at the central wavelength of the absorption band of gas molecules. Methods for achieving this include, for example, anti-reflection (AR) coating made of a material with a refractive index lower than that of the infrared transmission window, and the use of a moth-eye structure in which a concavo-convex structure finer than the wavelength is processed.
When the infrared-transmitting window of the flat infrared light source is arranged at an angle with respect to the observation direction, a flat infrared light source is provided that prevents mechanical changes or temperature changes in the environment from entering the infrared camera. As a method for preventing mechanical changes or temperature changes in the environment from entering the infrared camera, for example, there is a method of installing an absorbing plate or a reflective stabilizing plate at the reflection point as seen by the infrared camera. Another method is to use a structure in which reflected light is reflected two or more times by the tilted infrared-transmitting window before returning to the infrared camera.
The present invention provides a flat infrared light source having an infrared transmission window with a reflectance of 90% or more, and even 95% or more, in the non-absorption band of the gas molecules to be measured. The AR coating and the configuration are equivalent to providing the infrared transmission window with a bandpass filter coating that matches the absorption band of the gas molecules.
本発明は以下の効果を奏し得る。
大面積で均一で高強度な平面型赤外光源の使用により、高感度、簡便な特定のガス分子をトレーサとした気流計測技術を提供する。光源への気流照射の防止により、均一な赤外光の照射を可能とし、安定で周囲状況に左右されない高再現性の気流計測を可能とする。赤外透過窓自体の吸収を抑制し、温度上昇を防止することにより、赤外透過窓への気流照射が生じた場合にも、安定で周囲状況に左右されない高再現性の気流計測を可能とする。また、周囲環境からの赤外光の反射を抑制することにより、安定で周囲状況に左右されない高再現性の気流計測を可能とする。加熱黒体面と赤外透過窓の間の空間を減圧または真空とすることにより、加熱された黒体表面での対流による気流を抑制し、安定で周囲状況に左右されない高再現性の気流計測を可能とする。さらに、持ち運んで必要な場所に配置することにより、様々な気流に対して、安定で周囲状況に左右されない高再現性の気流計測を可能とする。光源部と気流計測部の統合制御により、自由度の高い、インテリジェントな気流計測を可能とする。
The present invention can provide the following advantages.
By using a large-area, uniform, and high-intensity flat infrared light source, a highly sensitive and simple airflow measurement technique is provided that uses specific gas molecules as a tracer. By preventing airflow irradiation on the light source, uniform infrared light irradiation is possible, enabling stable, highly reproducible airflow measurement that is not affected by the surrounding conditions. By suppressing absorption by the infrared-transmitting window itself and preventing temperature rise, stable, highly reproducible airflow measurement that is not affected by the surrounding conditions is possible even when airflow irradiation occurs on the infrared-transmitting window. In addition, by suppressing reflection of infrared light from the surrounding environment, stable, highly reproducible airflow measurement that is not affected by the surrounding conditions is possible. By reducing the pressure or creating a vacuum in the space between the heated blackbody surface and the infrared-transmitting window, airflow due to convection on the heated blackbody surface is suppressed, enabling stable, highly reproducible airflow measurement that is not affected by the surrounding conditions. Furthermore, by being portable and placed wherever necessary, stable, highly reproducible airflow measurement that is not affected by the surrounding conditions is possible for various airflows. Integrated control of the light source and airflow measurement units enables highly flexible and intelligent airflow measurement.
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、その効果を奏する範囲で適宜変更して実施することができる。 The following examples will make the effects of the present invention clearer. Note that the present invention is not limited to the following examples, and can be modified as appropriate within the scope of the effects.
（実施例１）
ＣＯ２可視化による気流計測が本実施形態に係る平面型赤外光源により高感度化、高再現性化できることを示すために、濃度既知のＣＯ２ガスを本実施形態に係る平面型赤外光源を用いて観察し、少ない濃度変動でも気流が観測できることを示す検証実験を行った。
Example 1
In order to demonstrate that airflow measurement by CO2 visualization can be made highly sensitive and reproducible by using the planar infrared light source according to this embodiment, a verification experiment was conducted in which CO2 gas of known concentration was observed using the planar infrared light source according to this embodiment, demonstrating that airflow can be observed even with small fluctuations in concentration.
濃度１０％～０．２％、流量１０ＳＬＭのＮ２で希釈したＣＯ２ガスを直径６４ｍｍのビニールダクトに設けた直径１０ｍｍの円形開口から空気中に噴出し、ＣＯ２可視化赤外カメラで観察した。用いたカメラは、ＦＬＩＲ社製Ａ６７９６型で、６４０×５１２画素のＩｎＳｂ赤外撮像素子を用いたカメラに、波長４．２６μｍの８０Ｋ以下に冷却されたバンドパスフィルタを内蔵したものである。赤外レンズはレンズ焦点距離２５ｍｍ、Ｆ値２．５とし，撮影条件は図１８が露光時間４０ｍｓ、フレームレート２５ｆｐｓ、図１９と図２０が露光時間２０ｍｓ、フレームレート３０ｆｐｓとした。 CO2 gas diluted with N2 at a concentration of 10% to 0.2% and a flow rate of 10 SLM was ejected into the air from a circular opening of 10 mm diameter provided in a vinyl duct of 64 mm diameter, and observed with a CO2 visualization infrared camera. The camera used was a FLIR A6796 model, which uses a 640 x 512 pixel InSb infrared imaging element and has a built-in bandpass filter with a wavelength of 4.26 μm cooled to 80 K or less. The infrared lens had a lens focal length of 25 mm and an F value of 2.5, and the shooting conditions were an exposure time of 40 ms and a frame rate of 25 fps for Figure 18, and an exposure time of 20 ms and a frame rate of 30 fps for Figures 19 and 20.
図１８は、比較例として、室温の背景、つまり本実施形態に係る平面型赤外光源を用いない場合の結果である。図１８（ａ）～（ｃ）は過去５フレームの平均画像を減算する時間微分処理を施した画像、図１８（ｄ）～（ｆ）は生画像である。 Figure 18 shows the results for a comparative example where the background is at room temperature, that is, when the flat infrared light source according to this embodiment is not used. Figures 18(a) to (c) show images that have been subjected to a time differentiation process in which the average image of the past five frames is subtracted, and Figures 18(d) to (f) show raw images.
図１８（ａ）より濃度１０％のＣＯ２は可視化できている。しかし、図１８（ｂ）の濃度１％のＣＯ２は、わずかに視認できるかどうかの限界で、図１８（ｃ）の濃度０．２％のＣＯ２は時間微分画像ですら可視化できていない。 In Fig. 18(a), CO2 at a concentration of 10% can be visualized. However, in Fig. 18(b), CO2 at a concentration of 1% is barely visible, and in Fig. 18(c), CO2 at a concentration of 0.2% cannot be visualized even in the time differential image.
上述濃度のＣＯ２ガスを高いコントラストで可視化するために、本実施形態に係る平面型赤外光源を用いた。平面型赤外光源は、３００ｍｍ角のホットプレートを改造したもので、表面に放射率０．９４の黒体塗料を塗布してあり、その温度を高精度に制御できるようにしたものである。この平面型赤外光源はバッテリー駆動が可能で、任意の場所に持ち出して測定することができる。バッテリーとして、電圧１４．４Ｖ、容量９．９Ａｈのリチウムイオン電池４個が接続でき、最大８０℃まで昇温できる。 In order to visualize the above-mentioned concentration of CO2 gas with high contrast, a flat infrared light source according to this embodiment was used. The flat infrared light source is a modified 300 mm square hot plate, with a black body paint with an emissivity of 0.94 applied to its surface, allowing the temperature to be controlled with high precision. This flat infrared light source can be battery-powered and can be taken to any location for measurement. Four lithium-ion batteries with a voltage of 14.4 V and a capacity of 9.9 Ah can be connected as batteries, allowing the temperature to rise to a maximum of 80°C.
図１９は、図１に示した本実施形態に係る平面型赤外光源（赤外透過窓を観察方向に対して正立して配置した場合）を用いた結果である。図２０は、図９（ｂ）に示した本実施形態に係る平面型赤外光源（赤外透過窓を観察方向に対して傾斜配置した場合）を用いた結果である。平面型赤外光源の温度を５５℃と設定した。また、赤外透過窓としてはサファイア窓を取り付けた。表面には何もコーティングしていない。サファイア窓として、１８０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ３ｍｍのもの２枚を並べたものである。 Figure 19 shows the results when using the flat infrared light source according to this embodiment shown in Figure 1 (when the infrared-transmitting window is placed upright with respect to the observation direction). Figure 20 shows the results when using the flat infrared light source according to this embodiment shown in Figure 9 (b) (when the infrared-transmitting window is placed at an angle with respect to the observation direction). The temperature of the flat infrared light source was set to 55°C. A sapphire window was attached as the infrared-transmitting window. No coating was applied to the surface. Two sapphire windows measuring 180 mm x 60 mm and 3 mm thick were arranged side by side.
赤外透過窓を観察方向に対して正立して配置する場合には、赤外光源表面から９ｍｍの間隔を開けてスペーサにて平行に配置した。傾斜配置の場合には、観察方向に対して水平面内に４５度、左端がカメラに近くなるように配置した。４５度配置の時には、赤外透過窓のカメラから見て右側に反射安定板として放射率０．９４の黒体塗装した室温の３００ｍｍ角のアルミニウム板を置き、その表面が赤外透過窓で反射してカメラに写り込むように配置した。 When the infrared-transmitting window was placed upright in the observation direction, it was placed parallel to the infrared light source surface with a spacer at a distance of 9 mm. When placed at an angle, it was placed at a 45-degree angle in the horizontal plane to the observation direction, with the left end closest to the camera. When placed at a 45-degree angle, a 300 mm square aluminum plate at room temperature that had been black-painted with an emissivity of 0.94 was placed as a reflective stabilizing plate on the right side of the infrared-transmitting window as seen from the camera, and was placed so that its surface was reflected by the infrared-transmitting window and captured by the camera.
図１９（ａ）～（ｃ）は過去５フレームの平均画像を減算する時間微分処理を施した画像、図１９（ｄ）～（ｆ）は生画像である。図１８と異なり、図１９（ｃ）の濃度０．２％のＣＯ２ガスまで明瞭に視認できる。ここでは定量的な検討のためにコントラスト強調処理を行っていないが、種々のコントラスト強調法が知られており、それに時間微分処理を組み合わせると遙かに小さなコントラストの違いを浮かび上がらせることができ、図１９（ｃ）のコントラストがあれば、高精度な気流計測が可能である。この構成では、赤外透過窓の設置により、図７で見たような気流が光源に与える影響を受けることなく、高感度な気流計測が可能となる。しかし、生画像を示した図１９（ｄ）～（ｆ）ではカメラの写り込みが顕著で、周囲物体の移動など、環境側に変化があれば、画像に影響し、気流計測の障害となる。 19(a)-(c) are images that have been subjected to a time differential process in which the average image of the past five frames is subtracted, and FIG. 19(d)-(f) are raw images. Unlike FIG. 18, CO2 gas with a concentration of 0.2% in FIG. 19(c) can be clearly seen. Although contrast enhancement processing was not performed here for quantitative consideration, various contrast enhancement methods are known, and by combining them with time differential processing, much smaller contrast differences can be highlighted, and highly accurate airflow measurement is possible with the contrast of FIG. 19(c). In this configuration, the installation of an infrared transmission window enables highly sensitive airflow measurement without the influence of the airflow on the light source as seen in FIG. 7. However, in FIG. 19(d)-(f) showing raw images, the camera is clearly reflected, and any change in the environment, such as the movement of surrounding objects, will affect the image and hinder airflow measurement.
図２０（ａ）～（ｃ）は過去５フレームの平均画像を減算する時間微分処理を施した画像、図２０（ｄ）～（ｆ）は生画像である。図１９（ｃ）と同様に、図２０（ｃ）の濃度０．２％のＣＯ２ガスまで明瞭に視認できる。さらに、生画像を示した図２０（ｄ）～（ｆ）にもカメラや周辺物体の写り込みはなく、高感度な気流計測が安定で再現性高く実現できる。 Figures 20(a) to (c) show images that have been subjected to time differentiation processing in which the average image of the past five frames is subtracted, and Figures 20(d) to (f) show raw images. As in Figure 19(c), CO2 gas with a concentration of 0.2% in Figure 20(c) is clearly visible. Furthermore, the raw images in Figures 20(d) to (f) do not show any reflections of the camera or surrounding objects, and highly sensitive airflow measurement can be achieved stably and with high reproducibility.
（実施例２）
これまで、特定のガス分子としてＣＯ２分子を対象として説明してきたが、他のガスの気流計測にも、そのガスに合わせた波長に置き換えれば、気流計測用の赤外光源を実現することができる。いくつかの代表的なガスについて、具体的な波長の選択方法の一例を示す。図２１（ａ）に二酸化炭素（ＣＯ２）の吸光度スペクトルを示し、（ｂ）に一酸化炭素（ＣＯ）の吸光度スペクトルを示す。また、図２２（ａ）に一酸化窒素（ＮＯ）の吸光度スペクトルを示し（ｂ）に二酸化窒素（ＮＯ２）の吸光度スペクトルを示す。図２３（ａ）に水（水蒸気、Ｈ２Ｏ）の吸光度スペクトルを示し、（ｂ）にアンモニア（ＮＨ３）の吸光度スペクトルを示す。図２４にメタン（ＣＨ４）の吸光度スペクトルを示す。これらの吸光度は１気圧、２５℃の空気中にそのガス分子が柱密度１００ｐｐｍ・ｍ含まれた状態の吸光度で、指数の底として１０を用いている（自然対数ではなくて常用対数を使用している）。柱密度とは吸光性の気体の吸光度を指定する上で必要な濃度と光路長の両方を加味した実質的に光の減衰を規定する量のことで、例えば体積濃度１００ｐｐｍの気体が長さ１ｍに渡って分布している状態が柱密度１００ｐｐｍ・ｍである。これらの吸光度は、株式会社エス・ティ・ジャパンのＨＡＮＳＴガス定量データベースの分解能１．０ｃｍ－１のものを用いた。
Example 2
So far, the specific gas molecule has been described as CO2 molecule, but if the wavelength is replaced with a wavelength suited to the gas, an infrared light source for airflow measurement can be realized. An example of a specific wavelength selection method for some representative gases is shown. FIG. 21(a) shows the absorbance spectrum of carbon dioxide ( CO2 ), and (b) shows the absorbance spectrum of carbon monoxide (CO). FIG. 22(a) shows the absorbance spectrum of nitric oxide (NO), and (b) shows the absorbance spectrum of nitrogen dioxide ( NO2 ). FIG. 23(a) shows the absorbance spectrum of water (water vapor, H2O ), and (b) shows the absorbance spectrum of ammonia ( NH3 ). FIG. 24 shows the absorbance spectrum of methane ( CH4 ). These absorbances are those when the gas molecules are contained in air at 1 atm and 25°C at a column density of 100 ppm m, and 10 is used as the base of the exponent (common logarithm is used instead of natural logarithm). Column density is an amount that essentially specifies the attenuation of light, taking into account both the concentration and the optical path length required to specify the absorbance of an absorbing gas; for example, a column density of 100 ppm m is a state in which a gas with a volume concentration of 100 ppm is distributed over a length of 1 m. These absorbances were taken from the HANST Gas Quantitative Database of ST Japan Co., Ltd., with a resolution of 1.0 cm -1 .
これらの吸光度スペクトルから、各ガスの吸収帯中心波長、吸収帯下限波長、吸収帯上限波長を抽出した結果を表１に示す。赤外域において複数の吸収帯があり、それぞれが気流計測に利用可能な場合には、それぞれについての主要波長を記載した。 The absorption band center wavelength, absorption band lower limit wavelength, and absorption band upper limit wavelength for each gas were extracted from these absorbance spectra and are shown in Table 1. In cases where there are multiple absorption bands in the infrared range and each can be used for airflow measurement, the main wavelength for each is listed.
１０ 放射板
１０ａ 赤外線放射面
２０、２０Ａ、２１、２２、２３、２４ 赤外透過窓
３０、３１、３２ 吸収板又は反射安定板
１００、１００Ａ、１０１、１０２、１０４、１０５、１０６、１０７ 平面型赤外光源
２００ 赤外カメラ
３００ 画像処理ユニット
４００ 統合制御手段
１０００ 気流計測装置
10
Claims (13)
黒体加工された赤外線放射面と、
前記気流が前記赤外線放射面に入射するのを阻止するように前記赤外線放射面から離隔して配置すると共に、前記赤外線放射面から放射される赤外線を透過する赤外透過窓と、を備える、平面型赤外光源。 A flat infrared light source that can be installed in the background of an air flow to enable air flow measurement,
A blackbody-processed infrared radiation surface;
a flat infrared light source comprising: an infrared-transparent window that is disposed away from the infrared radiating surface so as to prevent the airflow from being incident on the infrared radiating surface, and that transmits infrared light radiated from the infrared radiating surface.
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