JP4474509B2 - 粒子画像流速装置のためのレーザシート形成装置、粒子計測装置、レーザシート形成方法および粒子計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザシート作成技術に関し、より詳細には、高精度な計測を可能とする粒子画像流速装置のためのレーザシートを提供する、レーザシート形成装置、粒子計測装置、レーザシート形成方法および粒子計測方法に関する。

近年、流体速度を計測する方法として粒子画像流速計（ＰＩＶ）が注目されている。ＰＩＶは、通常流体内に微小な粒子を混入してシート状のレーザ光を照射し、粒子による散乱光をカメラで撮影する。その後、撮影された画像を画像解析して流体速度を求める。多くのＰＩＶでは、一面のレーザシートが使用され、１つの２次元断面における速度を、時間的に遅延させた複数のレーザシート・パルスを形成して計測を行う。

レーザを使用した流速計測技術はこれまでにも提案されている。例えば、特開平８−５４４０８号公報（特許文献１）では、レーザを用いて被測定流体中の微粒子の速度を測定し、当該速度を被測定流体速度として出力する流速計が提案されている。特許文献１では、レーザ光を幅の異なる２つのレーザ光に分割するビームスプリッタと、ビームスプリッタからの分割された２つのレーザ光を測定領域に２つの幅の異なる焦点として集光させる集光手段と、２つの幅の異なる焦点からの光を受光する半導体受光素子と、半導体受光素子の出力信号の時間間隔で２つの焦点間距離を除算して流速を測定する。

特開平５−２４９１２９号公報（特許文献２）では、レーザ装置と、レーザ装置からの出力レーザ光を２つのレーザ光に分割し、かつ偏光方向を変える偏光プリズムと、この２つのレーザ光を測定領域に２つの焦点として集光させる集光手段とを備え、２つの光電変換素子からの出力の時間間隔を測定し、２つの焦点間距離を時間間隔で除算して流速を得る流速計が開示されている。

さらに特開２００５−１４０７５６号公報（特許文献３）では、励起による屈折率の変化を光の偏向により検出する検出光照射手段と偏光検出器とを備え、屈折率検出時の時間差を用いて流体流速を計測する微細流路用流速計が開示されている。

この他、特開２００１−２８１２６３号公報（特許文献４）では、計測対象の雰囲気中で高輝度領域が形成されるようにレーザ光を交差させて照射する、少なくとも１つのレーザ装置と高輝度領域を撮影する撮像手段と、所定以上の輝度の領域を抽出し、抽出した領域を仮想粒子として出力する出力手段とを備えた計測対象可視化装置を開示している。

特許文献１〜４では、レーザ光線を使用して粒子計測を行うことは開示するものの、レーザ光線を２つの焦点に集光させ、その間を計測対象が移動する時間を測定し焦点間距離を移動時間で除算して速度を取得するか、またはレーザ光線を交差させてガウス分布の測定領域を形成させ、当該測定領域を複数形成して計測領域を移動する時間間隔で除算することで粒子速度を取得するものである。

一方、レーザシートを使用して計測を行う技術も提案されており、例えば特開２００３−８４００５号公報（特許文献５）では、レーザシート形成用走査光学系とレーザシート上の２次元粒子軌跡画像を撮像する画像撮像手段と、レーザ発信装置と画像撮像手段のタイミングを取って同期化駆動するタイミングコントロール手段とを備える流動計測システムが開示されている。

さらに、特開２００４−２０３８５号公報（特許文献６）では、レーザ装置と、レーザシート生成光学系と１台または複数台のＣＣＤあるいはＣＭＯＳ撮像素子を搭載した高速ビデオカメラを備え、光源と画像取得システムとを同期させ、微少時間差を与えて連続撮影し、時間スペクトルを生成し、生成した時間スペクトルをフーリエ変換・フィルタリング・逆フーリエ変換することにより時間スペクトルを再生して流体速度を計測するシステムが開示されている。

また、特開２００５−１４０５２８号公報（特許文献７）では、トレーサ粒子と気泡とを含む気液２相流の流体にレーザ光を照射するレーザ発振装置を備え、トレーサ粒子の発光と気泡からの散乱光とを分離して画像情報を取得して計測を行う、流体計測装置を開示する。

この他、特開２００６−１７６１６号公報（特許文献８）では、レーザシートの２次元粒子軌跡画像を撮影する画像撮影手段と撮影のタイミングを同期させる制御手段とを備え、放射線環境下で撮影を行う流体流動計測システムを開示している。
特開平８−５４４０８号公報 特開平５−２４９１２９号公報 特開２００５−１４０７５６号公報 特開２００１−２８１２６３号公報 特開２００３−８４００５号公報 特開２００４−２０３８５号公報 特開２００５−１４０５２８号公報 特開２００６−１７６１６号公報

上述したように、レーザを利用した流体計測技術は種々提案されているものの、レーザシートを使用したものではなく、またレーザシートを使用したとしても１平面のレーザシートを使用するものである。この理由として種々考えられるが、２平面のレーザシート光の生成に必要となる平行なレーザ光を生成するために、連続するパルスを与えるレーザシート分の台数のパルスレーザ、または内部でダブルパルス化されたレーザをレーザシート数分だけ用意しなければならないことからシステムコストが高まってしまうこと、およびレーザシートを空間的に有意義な領域に近接して、充分平行に形成することが必要とされていたこと、などの問題点を挙げることができる。

一方、２平面ＰＩＶとして参照される計測法は、微小間隔だけ離間させた２つのレーザシートを形成させ、２つのレーザシートで同時に速度計測することにより、計測平面に沿った方向の他、計測平面に垂直な方向の速度変化も計測可能とし、レーザシートによる従来の２次元的測定ばかりではなく、多点での同時的２次元観測による３次元流速情報を提供することが可能となる。

さらに、２つのレーザシートの間隔をレーザ装置の大幅な設定変更を伴うことなく調節することができれば、２次元ばかりではなく３次元的に連続した流速計測を行うことが可能となり、従来と同程度の装置／スペースを保ちながら、より高精度な流体速度計測のために使用できる粒子計測装置、粒子計測方法を提供できることが期待できる。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明は、従来と同一のレーザ装置およびレーザシート生成光学系を使用しながら最小の光学要素を追加するだけで近接した複数のレーザシートを形成し、粒子計測を可能とする粒子画像流速装置のためのレーザシート形成装置、粒子計測装置、レーザシート形成方法および粒子計測方法を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、複数のレーザシートの間隔を、主要な光学要素の大幅な変更を伴わずに外部制御することを可能とする粒子画像流速装置のためのレーザシート形成装置、粒子計測装置、レーザシート形成方法および粒子計測を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、レーザ装置を、レーザシートを提供するために必要な台数以下使用し、近接した複数のレーザシートを効率的に形成する。本発明は、上記目的を達成するために偏光軸が平行とされた第１偏光子、第２偏光子および光路変更手段を備えるタンデム偏光子を使用する。レーザ光線は、第１偏光子により互いに垂直な偏光成分に分離され、一方は、第１偏光子を透過し、他方は、第１偏光子により反射され、光路変更手段により第２偏光子に再帰的に反射され、近接した並列レーザビームとされる。

生成された並列レーザビームは、シリンドリカル・レンズなどを備えるレーザシート生成光学系へと入射され、入射した間隔の２つのレーザシートが形成され、粒子からの散乱光計測のために使用できる。

本発明では、反射ミラーと、タンデム偏光子の各偏光子との間の空間的配置を制御することにより、外部制御により、間隔の異なる並列するレーザシートが提供できる。

さらに、本発明によれば、最小のレーザ装置および光学系を使用して近接した略平行のレーザシートを提供でき、この並列したレーザシートの間隔は、光路変更手段により調節可能とされる。

すなわち、本発明によれば、
２つのレーザシートを形成するためのレーザ装置と、
偏光軸が平行で対となった第１偏光子および第２偏光子を含むタンデム偏光子と、前記第１偏光子からの反射光を前記第２偏光子へと反射させるための単一の反射ミラーからなる光路変更手段とを含み、レーザ光線を、前記偏光軸に平行な偏光成分を透過させ、垂直な偏光成分を反射させて並列レーザビームを生成する並列ビーム生成手段とを含み、前記並列ビーム生成手段は、
前記第１偏光子が、前記レーザ装置からの前記第１偏光子の偏光軸に対して４５°傾斜した偏光面を有するレーザ光線のうち、前記偏光軸に平行な偏光成分を透過させ、垂直な偏光成分を前記光路変更手段に反射させ、かつ前記光路変更手段が前記第２偏光子へと前記垂直な偏光成分を反射させ、
前記第２偏光子が、前記平行な偏光成分を透過させると共に、反射された前記垂直な偏光成分を、前記平行な偏光成分の入射されるのとは反対側の面上で前記平行な偏光成分から離間した位置で反射させることにより、
偏光成分が互いに直交し、前記第１偏光子、前記光路変更手段、および前記第２偏光子の反射効率に依存する強度差の前記並列レーザビームを生成する、粒子画像流速装置のためのレーザシート形成装置が提供される。

本発明では、前記並列ビーム生成手段の上流側に配置され、前記タンデム偏光子の前記偏光軸に相対して前記レーザ光線の偏光面を４５°回転させる１／２波長板と、前記並列ビーム生成手段により生成された前記並列レーザビームから並列したレーザシートを形成するレーザシート生成光学系と、を含むことができる。本発明では、前記レーザ装置は、形成される前記レーザシートの数以下とすることができる。本発明では、前記光路変更手段の並進運動により前記レーザシートの離間幅を可変とすることができる。

本発明によれば、
２つのレーザシートを形成するための２台のレーザ装置と、
偏光軸が平行で対となった第１偏光子および第２偏光子を含むタンデム偏光子と、前記第１偏光子からの反射光を前記第２偏光子へと反射させるための単一の反射ミラーからなる光路変更手段とを含み、レーザ光線を、前記偏光軸に平行な偏光成分を透過させ、垂直な偏光成分を反射させて並列レーザビームを生成する並列ビーム生成手段と、
前記並列ビーム生成手段に入射される前記２台のレーザ装置のうちの１のレーザ光線の偏光面を回転させ、互いに直交した偏光面を与える第１の１／２波長板と、
前記第１の１／２波長板の下流側、かつ前記並列ビーム生成手段の上流側に配置され、前記タンデム偏光子の前記偏光軸に相対して前記レーザ光線の互いに直交する偏光面をそれぞれ４５°回転させる第２の１／２波長板と、
を含み、前記並列ビーム生成手段は、
前記第１偏光子が、前記レーザ装置からの前記第１偏光子の偏光軸に対してそれぞれ４５°傾斜した偏光面を有するレーザ光線のうち、前記偏光軸に平行な偏光成分をそれぞれ透過させ、垂直な偏光成分をそれぞれ前記光路変更手段に反射させ、かつ前記光路変更手段が前記第２偏光子へと前記垂直な偏光成分をそれぞれ前記第２偏光子へと反射させ、
前記第２偏光子が、前記平行な偏光成分をそれぞれ透過させると共に、反射された前記垂直な偏光成分を、前記平行な偏光成分の入射されるのとは反対側の面上で前記平行な偏光成分から離間した位置でそれぞれ反射させることにより、
偏光成分が互いに直交し、前記第１偏光子、前記光路変更手段、および前記第２偏光子の反射効率に依存する強度差の前記並列レーザビームを生成する、粒子画像計測装置のためのレーザシート形成装置が提供される。

本発明によれば、上記いずれか１項に記載のレーザシート形成装置と、
各偏光面を分離して粒子からの散乱光を測定する撮像手段とを含む、粒子計測装置が提供される。本発明の前記粒子計測装置は、流体速度計測装置とすることができる。

本発明によれば、
２つのレーザシートの形成方法であって、
レーザ装置からのレーザ光を、偏光軸が平行で対となった第１偏光子および第２偏光子を含むタンデム偏光子と、前記第１偏光子からの反射光を前記第２偏光子に反射させるための単一の反射ミラーからなる光路変更手段とを含む並列ビーム生成手段に入射し前記レーザ光線を、前記偏光軸に平行な偏光成分を透過させ、垂直な偏光成分を反射させて並列レーザビームを生成するステップと、
レーザシート生成光学系に前記並列レーザビームを入射させ、並列したレーザシートを形成するステップとを含み、
前記並列レーザビームを生成するステップは、
前記第１偏光子が、前記レーザ装置からの前記第１偏光子の偏光軸に対して４５°傾斜した偏光面を有するレーザ光線のうち、前記偏光軸に平行な偏光成分を透過させ、垂直な偏光成分を前記光路変更手段に反射させ、かつ前記光路変更手段が前記第２偏光子へと前記垂直な偏光成分を反射させ、
前記第２偏光子が、前記平行な偏光成分を透過させると共に、反射された前記垂直な偏光成分を、前記平行な偏光成分の入射されるのとは反対側の面上で前記平行な偏光成分から離間した位置で反射させることにより、
偏光成分が互いに直交し、前記第１偏光子、前記光路変更手段、および前記第２偏光子の反射効率に依存する強度差の前記並列レーザビームを生成する、粒子画像流速装置のためのレーザシート形成方法が提供できる。

本発明では、前記並列ビーム生成手段の上流側に配置された１／２波長板により前記レーザ光の偏光面を、前記並列ビーム生成手段の前記偏光軸に相対して４５°回転させるステップを含むことができる。本発明では、さらに、前記光路変更手段の並進運動により前記レーザシートの離間幅を変化するステップを含むことができる。

本発明によれば、
２つのレーザシートの形成方法であって、
２台のレーザ装置からのレーザ光線のうちの１のレーザ光線を第１の１／２波長板に入射して偏光面を回転させ、互いに直交した偏光面を生成するステップと、
前記第１の１／２波長板の下流側、かつ前記並列ビーム生成手段の上流側に配置された第２の１／２波長板により前記タンデム偏光子の前記偏光軸に相対して前記レーザ光線の互いに直交する偏光面をそれぞれ４５°回転させるステップと、
前記第２の１／２波長板から出力された前記レーザ光線を、偏光軸が平行で対となった第１偏光子および第２偏光子を含むタンデム偏光子と、前記第１偏光子からの反射光を前記第２偏光子に反射させるための単一の反射ミラーからなる光路変更手段とを含み、レーザ光線を、前記偏光軸に平行な偏光成分を透過させ、垂直な偏光成分を反射させて並列レーザビームを生成するステップと、
レーザシート生成光学系に前記並列レーザビームを入射させ、並列したレーザシートを形成するステップと
を含み、前記並列レーザビームを生成するステップは、
前記第１偏光子が、前記レーザ装置からの前記第１偏光子の偏光軸に対してそれぞれ４５°傾斜した偏光面を有するレーザ光線のうち、前記偏光軸に平行な偏光成分をそれぞれ透過させ、垂直な偏光成分をそれぞれ前記光路変更手段に反射させ、かつ前記光路変更手段が前記第２偏光子へと前記垂直な偏光成分をそれぞれ前記第２偏光子へと反射させ、
前記第２偏光子が、前記平行な偏光成分をそれぞれ透過させると共に、反射された前記垂直な偏光成分を、前記平行な偏光成分の入射されるのとは反対側の面上で前記平行な偏光成分から離間した位置でそれぞれ反射させることにより、
偏光成分が互いに直交し、前記第１偏光子、前記光路変更手段、および前記第２偏光子の反射効率に依存する強度差の前記並列レーザビームを生成する、粒子画像流計装置のためのレーザシート形成方法が提供される。

本発明では、上記のいずれかに記載のレーザシート形成方法により形成されたレーザシートを粒子により散乱させて散乱光を発生させるステップと、撮像手段により前記各偏光面を分離して粒子からの前記散乱光を測定するステップとを含む、粒子計測方法が提供される。本発明では、流体中に存在する粒子を計測することにより、流体速度を計測するステップを含むことができる。

以下、本発明を図面に示した特定の実施形態を以て説明するが、本発明は、図面に示した特定の実施形態に限定されるものではない。図１は、本発明のレーザシート形成装置を含む粒子計測装置の実施形態を示す。図１に示した粒子計測装置１０は、本発明の特定の実施形態では、流体速度計測装置として構成することができる。しかしながら、本発明は、粒子からの散乱光を使用して、粒子からの散乱光を使用する粒子濃度、粒径、粒子分布などを測定する粒子計測装置に適用することができる。

図１は、本発明による粒子計測装置１０の第１の実施形態を示した図である。図１に示した粒子計測装置１０は、流体速度計測装置として構成され、流体中に存在する粒子からの散乱を使用して流体の速度を計測している。レーザ装置１２は、本発明の特定の実施形態では、２６．７ｋＨｚの繰返し周波数で駆動されるＮｄ：ＹＡＧレーザとされており、シングルパルス駆動でも良く、ダブルパルス駆動でも良く、特に限定されるものではない。しかしながら、高速・高精度測定のためには、例えば、特開２００４−２０３８５号公報に開示のタイミングパルスを発生させることができる、レーザ装置を使用することが好ましい。なお、本発明では上述したＮｄ：ＹＡＧレーザ以外にも、Ａｒイオンレーザ、Ｃｕ蒸気レーザなどの気体レーザ、半導体レーザなど、偏光面の規定されたレーザ装置であれば、いかなるレーザ装置でも用いることができる。

レーザ装置１２からは、紙面垂直方向の偏光面を有するレーザ光１８が射出され、ビームサンプラー１４を通過して、１／２波長板１６に到達する。ビームサンプラー１４で反射されたレーザ光は、光電変換素子２６により光電変換され、レーザ光のモニタとして使用される。１／２波長板１６は、その光学主軸（高速軸または進相軸）がレーザ光の偏光面をπ／４ラジアン回転させるようにアラインメントされている。ビームサンプラー１４を通過して、レーザ光はタンデム偏光子３０、３２に入射する。タンデム偏光子３０は、偏光面に対してπ／４ラジアン傾斜した偏光軸が与えられている。レーザ光１８が、タンデム偏光子３０に入射すると、偏光軸に対して平行成分であるＰ_||偏光成分２０および垂直成分であるＰ_⊥偏光成分２２が分離される。タンデム偏光子３０では、Ｐ_||偏光成分２０が透過し、Ｐ_⊥偏光成分２２が等しい強度で反射されて、再度、タンデム偏光子３２により透過および反射が発生し、並列レーザビームが生成される。

タンデム偏光子３０により反射されたＰ_⊥偏光成分２２は、光路変更手段として提供される反射ミラー３４でタンデム偏光子３２へと再帰的に反射される。なお、タンデム偏光子３０、３２および反射ミラー３４は、本発明の並列ビーム生成手段を構成する。このとき、反射ミラー３４は、Ｐ_⊥偏光成分２２がタンデム偏光子３２の表面でタンデム偏光子３０を通過したＰ_||偏光成分２０から所定の距離だけ離間した位置で反射するようにアライメントされる。タンデム偏光子３２で反射されたＰ_⊥偏光成分２２およびタンデム偏光子３２を通過したＰ_||偏光成分２０は、ともにレーザシート生成光学系３６に入射される。なお、本発明では、反射ミラー３４に代えて、偏光子など同様の機能を有する光学要素を使用することができる。

レーザシート生成光学系３６は、シリンドリカル・レンズなどの光学要素を備えており、入射したレーザ光線を２次元的に広がったレーザシートに変換する。レーザシート生成光学系３６を通過した並列レーザシートは、さらにシリンドリカル・レンズ３８により平行度が調整され、略平行なレーザシートとされて測定セル４０内の測定スポットＳに照射される。

測定セル４０に近接して偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４２、４８を介して、撮像手段として使用されるＣＭＯＳカメラ４４、４６、５０、５２が配置されている。ＣＭＯＳカメラ４４、４６、５０、５２は、測定セル４０の測定スポットＳからの散乱光を検出し、２平面ＰＩＶ計測データを取得する。ＣＭＯＳカメラ４４、４６、５０、５２としては、本発明では、例えば、５１２×５１２ピクセル以上、シャッタ周波数１ｋＨｚ以上の高速ＣＭＯＳカメラを使用することが好ましい。また、ＣＭＯＳカメラ４４、４６、５０、５２は、タイミング制御装置５８により同期制御され、時間分解測定を行う。

本発明では、近接したレーザシートからの散乱光は、偏光面が異なっているので、ＰＢＳ４２により分離され、ＣＭＯＳカメラ４４、４６により計測することができる。また、ＣＭＯＳカメラ５０、５２についても同様に、各レーザシートからの散乱光を区別して測定が行われる。なお、本発明では、測定光学系の配置および測定シーケンスなどについては特に限定されるものではない。

各ＣＭＯＳカメラ４４、４６、５０、５２の出力は、信号／トリガライン５４を介して高速フーリエ変換・フィルタ処理・逆フーリエ変換および画像処理を実行するコンピュータ装置５６に取込まれる。コンピュータ装置５６は、取込んだデータを、例えば特開２００４−２０３８５号公報に開示された方法を使用して処理し、２次元画像、または３次元画像として流体速度計測結果を出力する。

図１に示した第１の実施形態では、レーザ１２から出力されたレーザ光をタンデム偏光子３０、３２を使用して効率的に分離し、最小の光学系で近接した並列レーザシートを提供することができる。

図２には、本発明の他の実施形態を示す。図２に示す実施形態では、粒子計測装置７０は、近接する並列レーザシートを生成するための２台のレーザ装置７２、７４を備えている。レーザ装置７４から射出された第１レーザ光は、１／２波長板７６に導入され、反射ミラー７８により、レーザ装置７２から射出された第２レーザ光と偏光子８０により同軸または近接して平行にアライメントされ、反射ミラー８２へと導入される。偏光子８０は、第２レーザ光の偏光面に沿った偏光軸を備え、第２レーザ光を高効率で通過させる。一方、１／２波長板７６は、本発明の特定の実施形態では、その光学主軸が第１レーザ光の偏光面に対して＋π／４ラジアン回転してアライメントされる。このため、第１レーザ光の偏光面は、１／２波長板７６を通過した後、第２レーザ光の偏光面から−π／２ラジアン（９０°）回転した偏光面とされる。第１レーザ光は、その後、偏光子８０へと反射され、偏光子８０は、第１レーザ光を反射させ、同時に第２レーザ光を透過させることにより、第１レーザ光および第２レーザ光の偏光面を含むレーザ光として反射ミラー８２へと伝搬してゆく。

その後、レーザ光は、反射ミラー８２で反射された後、ビームサンプラー８４を通過して第２の１／２波長板に導入される。第２の１／２波長板２８は、その光学主軸が第１レーザ光の偏光面を、＋３／４πラジアン回転させ、第２レーザ光の偏光面を−π／４ラジアン回転させるようにアライメントされている。このため、第２の１／２波長板２８を通過した後、第２レーザ光は、第１レーザ光に対して９０°ずれた偏光面が与えられる。その後、変調レーザ光は、タンデム偏光子３０、３２に入射する。

形成された並列レーザビームは、レーザシート生成光学系３６へと入射され、並列レーザシートが与えられる。さらに、図２に示した本発明の実施形態では、２台のレーザ装置で、偏光面が異なる２つの並列レーザシートを提供でき、２平面ＰＩＶ計測を、既存のシステムに対して最小の光学系を追加するだけで、低コスト、省スペースで効率的に行うことができる。なお、図２に示した実施形態では、１／２波長板７６を、レーザ装置７２の外部ではなく内部に配置して外見上、１／２波長板をレーザ装置７２内に設置することもできる。

図３は、図１および図２で説明した本発明における変調レーザ光が含む偏光面の実施形態を示した図である。図３（ａ）、図３（ｂ）が偏光面を１つだけ含むレーザ光の場合にも適用できる光ビーム分離機構を説明した図（図１の実施形態に対応する。）であり、図３（ｃ）〜図３（ｅ）が直交する複数の偏光面を含む場合（第２実施形態）に使用することができる、第２の光ビーム分離機構を説明した図である。なお、図３（ａ）、（ｂ）で説明する実施形態においては、レーザ装置は、シングルパルス・レーザでも、ダブルパルス・レーザでも使用することができるし、また複数の偏光面を含むレーザ光を分離する場合にも適用することができる。本発明の、並列ビーム生成手段の光ビーム分離機構の第１の実施形態では、図３（ａ）に示すように、光学主軸Ｐ_ａ１を、偏光面に対して＋π／８ラジアンまたは−π／８ラジアン回転させた１／２波長板で、レーザビームの偏光面を＋π／４ラジアンまたは−π／４ラジアン回転させる。その後、タンデム偏光子３０の偏光軸Ｐを図３（ｂ）のように、偏光面に対してπ／４ラジアンだけ傾斜して配置し、４５°の角度でレーザビームを入射させることで、偏光軸に対して平行な成分Ｐ_||および垂直の成分Ｐ_⊥に分離する。

一般に、偏光子の偏光軸に対して偏光が角度θだけ傾斜して入射したとき、透過光強度は、偏光分離が理想的である場合、下記式（１）で与えられる。

透過光を除く入射光は、反射される。また、透過光は、偏光子の偏光軸で規定される偏光面を有し、一方、反射光は、偏光軸に直交する偏光面を有する。したがって、タンデム偏光子３０、３２に入射させるレーザ光の偏光方向を、偏光軸に対してπ／４ラジアン傾斜させておくことにより、互いに垂直な偏光面を含む等強度のレーザビームを形成することができる。

その後、平行なＰ_||偏光成分は、タンデム偏光子３２を通過し、垂直なＰ_⊥偏光成分は、タンデム偏光子３２により反射され、レーザシート生成光学系３６に入射される時点では、偏光面が直交した並列レーザビームが形成される。形成された並列ビームは、レーザシート生成光学系３６に入射され、並列レーザシートを形成する。なお、図３（ｂ）で示した実施形態は、特に１／２波長板を使用することなく、レーザ装置からの偏光面が良好に規定されている限り、タンデム偏光子の偏光軸のアライメント調節により、レーザ光線の偏光面と、タンデム偏光子の偏光軸とが４５°の角度をなすように設置することでも達成することができる。

図３（ｃ）〜図３（ｅ）は、図３（ａ）および図３（ｂ）とは異なり、偏光子の偏光軸をレーザ光の偏光面に一致させて分離させる実施形態である。第１レーザ光６０および第２レーザ光６２は、図３（ｃ）に示すように、各レーザ装置から射出した段階では共通の偏光面を有している。第１レーザ光６０は、図２の矢線Ａで示されるポイントでは、光学主軸Ｐ_ａ２を有する第１の１／２波長板１６により相対的にπ／２ラジアン（９０°）偏光面が回転され、図３（ｄ）に示す偏光面とされる。第２の１／２波長板２８は、その光学主軸Ｐ_ａ３が第２レーザ光６２の偏光面を相対的にπ／４ラジアン回転させ、かつ第１レーザ光６０を、第１の１／２波長板１６とは相対する回転方向に３／４πラジアンだけ偏光面を回転させるようにアライメントされている。

この結果、図２の矢線Ｂで示したポイントでは、図３（ｅ）で示すように、第１レーザ光６０および第２レーザ光６２のそれぞれの偏光面は、π／４ラジアン（４５°）回転され、直交する偏光面を含むレーザ光が提供される。

また、本発明では、必ずしも偏光軸Ｐを第１レーザ光の偏光面と合わせる必要はない。まず、シングルパルス・レーザ装置を２台使用し、それぞれのレーザ光の偏光面を、偏光軸Ｐについて互いにπ／４ラジアン（４５°）ずらしておくことでも、同様の偏光面構成、および透過光および反射光を与えることができる。さらに図２に示した実施形態について説明すると、図３（ｅ）に示した偏光面とされた後、直交する偏光面を含むレーザ光は、タンデム偏光子３０に入射する。このとき、タンデム偏光子３０の偏光軸Ｐを第１レーザ光６０の偏光方向となるようにアライメントすることで、第１レーザ光６０を透過させ、第２レーザ光６２を反射させることができる。この場合、第２レーザ光６２は、タンデム偏光子３２による反射効率分だけ強度が低下するものの、一方のレーザ光線だけを複数回反射させることによる並列レーザビームの強度差を最小にしたままで並列レーザシートを生成することができる。

本発明では、タンデム偏光子３０、３２に入射される第１レーザ光および第２レーザ光の偏光面成分は必ずしも直交する必要はなく、測定系により各レーザシートからの散乱光を検出できる限り、測定系、光学要素、Ｓ／Ｎ比に応じて適宜設定することができるし、また各レーザシートの強度比についても測定系の設定により対応できる限り、必ずしも同程度の強度とされずとも良い。

また、本発明の粒子計測装置では、光路変更手段として使用される、反射ミラー３４を、ステッピング・モータにより並進運動させることで、間隔の異なる並列レーザシートを外部的に制御して形成することができる。このため、この実施形態では、所定の空間範囲内におけるほぼ同時的な３次元粒子計測を行うことを可能とし、計測範囲および計測情報をより高精度に得ることができる。

なお、本発明の粒子計測装置を流体速度計測装置として使用する場合、１レーザシートあたりの測定には、２パルスを要する。レーザ装置として２６．７ｋＨｚのレピテーション・レートのレーザ装置を使用すると、最高、１３．４ｋＨｚ（測定間隔＝７４．６μｓ）間隔で３次元空間の流体速度計測を行うことが可能となり、高精度の流体速度計測装置が提供できる。

図４は、本発明で生成された並列レーザシートの近接性を、並列レーザシートの第１レーザシートの水平偏光および垂直偏光成分について観測したときの強度プロファイル（○、△）および第２レーザシートを水平偏光および垂直偏光成分について観測した時（●、黒三角）の強度プロファイルを示す。また、図４には、破線で第１レーザシートの強度をフィッティングした結果を示す。同様に、実線で第２レーザ光の強度分布をフィッティングした結果を示す。図４に示されるように、２つのレーザシートは、約６００μｍのピーク間隔で離間しており、その幅（ＦＷＨＭ）は、約５００μｍであった。

図５は、本発明のレーザシート形成装置を使用して生成された並列レーザシートのレーザシート面内で入射方向に対して垂直な方向の強度分布を示した図である。図５中、○および●は、レーザシートの水平偏光の強度分布であり、■および□は、垂直偏光の強度分布を、垂直方向の位置に対してプロットした図である。図５に示すように、第１レーザ光および第２レーザ光について水平偏光成分に関して垂直方向にわずかにレーザ強度が異なるものの、両レーザシートはほとんど同一の特性を有していることがわかる。また、垂直偏光成分については、どちらのレーザシートについても良好な均一性が得られていることが示され、本発明により均一な強度特性を有する並列レーザシートが得られることが示された。図４および図５に示すように、本発明により、シート幅程度にまで近接した、ほぼ平行のレーザシートが提供できたことが示された。

図６は、本発明で形成された並列レーザシートを使用して計測した流体速度ベクトル分布および計測した流体速度から算出した渦度分布（濃淡）の結果を示す。図６は、粒子を含む流体からの散乱を、レーザシート間隔を約６００μｍに設定し、（時間分解能を７．９ｋＨｚとして流体速度計測を行い、計測結果のある時刻をｔ＝０（図６（ａ））の基準として、ｔ＝２５３μｓ（図６（ｂ））およびｔ＝５０６μｓ（図６（ｃ））後の流体速度計測結果を示したものである。図６に示されるように、２面のレーザシートからの粒子散乱光が明確に分離されて観測されるのが示された。

本発明ではレーザシートの数を特に限定するものではなく、特定の用途および目的に応じて適宜選択して１レーザシートについて最小コストで、近接した並列レーザシートを増加することができる。さらに、本発明において、レーザシート生成光学系をレーザ光の入射方向に等価なシリンドリカル・レンズ系を使用する光学系を用いることにより、容易に並列レーザシートの離間幅に対する調整マージンを広げることができる。

これまで本発明を図面に示した実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、他の実施の形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

以上説明したように本発明によれば、従来と同一のレーザ装置およびレーザシート形成光学系を使用しながら最小の光学要素を追加するだけで、近接した複数のレーザシートを形成し、流体速度計測を可能とする粒子画像流速装置のためのレーザシート形成装置、粒子計測装置、レーザシート形成方法および粒子計測方法を提供することができる。

さらに、本発明によれば、複数のレーザシートの間隔を、主要な光学要素の大幅な変更を伴わずに外部制御することを可能とする、粒子画像流速装置のためのレーザシート形成装置、粒子計測装置、レーザシート形成方法および粒子計測方法を提供することができる。

本発明の粒子計測装置の実施形態を示した図。 本発明による粒子計測装置の第２の実施形態を示した図。 本発明のレーザ光の偏光分離機能を説明した図。 本発明で生成される並列レーザシートの強度プロファイルを示したプロット。 本発明で生成される並列レーザシートの強度プロファイルを示したプロット。 本発明の粒子計測装置による測定例を示した図。

１０…粒子計測装置、１２…レーザ装置、１４…ビームサンプラー、１６…１／２波長板、１８…レーザ光、２０…Ｐ_||偏光成分、２２…Ｐ_⊥偏光成分、２６…光電変換素子、２８…１／２波長板、３０、３２…タンデム偏光子、３４…反射ミラー、３６…レーザシート生成光学系、３８…シリンドリカル・レンズ、４０…測定セル、４２…ＰＢＳ、４４、４６…高速ＣＭＯＳカメラ、４８…ＰＢＳ、５０、５２…高速ＣＭＯＳカメラ、５４…信号／トリガライン、６０…第１レーザ光、６２…第２レーザ光、７０…粒子計測装置（第２の実施形態）、７２…レーザ装置、７４…レーザ装置、７６…１／２波長板、７８…反射ミラー、８０…偏光子、８２…反射ミラー、８４…ビームサンプラー

Claims (14)

1. ２つのレーザシートを形成するためのレーザ装置と、
   偏光軸が平行で対となった第１偏光子および第２偏光子を含むタンデム偏光子と、前記第１偏光子からの反射光を前記第２偏光子へと反射させるための単一の反射ミラーからなる光路変更手段とを含み、レーザ光線を、前記偏光軸に平行な偏光成分を透過させ、垂直な偏光成分を反射させて並列レーザビームを生成する並列ビーム生成手段とを含み、前記並列ビーム生成手段は、
   前記第１偏光子が、前記レーザ装置からの前記第１偏光子の偏光軸に対して４５°傾斜した偏光面を有するレーザ光線のうち、前記偏光軸に平行な偏光成分を透過させ、垂直な偏光成分を前記光路変更手段に反射させ、かつ前記光路変更手段が前記第２偏光子へと前記垂直な偏光成分を反射させ、
   前記第２偏光子が、前記平行な偏光成分を透過させると共に、反射された前記垂直な偏光成分を、前記平行な偏光成分の入射されるのとは反対側の面上で前記平行な偏光成分から離間した位置で反射させることにより、
   偏光成分が互いに直交し、前記第１偏光子、前記光路変更手段、および前記第２偏光子の反射効率に依存する強度差の前記並列レーザビームを生成する、粒子画像流速装置のためのレーザシート形成装置。
2. 前記並列ビーム生成手段の上流側に配置され、前記タンデム偏光子の前記偏光軸に相対して前記レーザ光線の偏光面を４５°回転させる１／２波長板と、前記並列ビーム生成手段により生成された前記並列レーザビームから並列したレーザシートを形成するレーザシート生成光学系と
   を含む、請求項１に記載のレーザシート形成装置。
3. 前記レーザ装置は、形成される前記レーザシートの数以下である、請求項１または２に記載のレーザシート形成装置。
4. 前記光路変更手段の並進運動により前記レーザシートの離間幅が可変である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザシート形成装置。
5. ２つのレーザシートを形成するための２台のレーザ装置と、
   偏光軸が平行で対となった第１偏光子および第２偏光子を含むタンデム偏光子と、前記第１偏光子からの反射光を前記第２偏光子へと反射させるための単一の反射ミラーからなる光路変更手段とを含み、レーザ光線を、前記偏光軸に平行な偏光成分を透過させ、垂直な偏光成分を反射させて並列レーザビームを生成する並列ビーム生成手段と、
   前記並列ビーム生成手段に入射される前記２台のレーザ装置のうちの１のレーザ光線の偏光面を回転させ、互いに直交した偏光面を与える第１の１／２波長板と、
   前記第１の１／２波長板の下流側、かつ前記並列ビーム生成手段の上流側に配置され、前記タンデム偏光子の前記偏光軸に相対して前記レーザ光線の互いに直交する偏光面をそれぞれ４５°回転させる第２の１／２波長板と、
   を含み、前記並列ビーム生成手段は、
   前記第１偏光子が、前記レーザ装置からの前記第１偏光子の偏光軸に対してそれぞれ４５°傾斜した偏光面を有するレーザ光線のうち、前記偏光軸に平行な偏光成分をそれぞれ透過させ、垂直な偏光成分をそれぞれ前記光路変更手段に反射させ、かつ前記光路変更手段が前記第２偏光子へと前記垂直な偏光成分をそれぞれ前記第２偏光子へと反射させ、
   前記第２偏光子が、前記平行な偏光成分をそれぞれ透過させると共に、反射された前記垂直な偏光成分を、前記平行な偏光成分の入射されるのとは反対側の面上で前記平行な偏光成分から離間した位置でそれぞれ反射させることにより、
   偏光成分が互いに直交し、前記第１偏光子、前記光路変更手段、および前記第２偏光子の反射効率に依存する強度差の前記並列レーザビームを生成する、粒子画像流速装置のためのレーザシート形成装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザシート形成装置と、
   各偏光面を分離して粒子からの散乱光を測定する撮像手段と
   を含む、粒子計測装置。
7. 前記粒子計測装置は、流体速度計測装置である、請求項６に記載の粒子計測装置。
8. ２つのレーザシートの形成方法であって、
   レーザ装置からのレーザ光を、偏光軸が平行で対となった第１偏光子および第２偏光子を含むタンデム偏光子と、前記第１偏光子からの反射光を前記第２偏光子に反射させるための単一の反射ミラーからなる光路変更手段とを含む並列ビーム生成手段に入射し前記レーザ光線を、前記偏光軸に平行な偏光成分を透過させ、垂直な偏光成分を反射させて並列レーザビームを生成するステップと、
   レーザシート生成光学系に前記並列レーザビームを入射させ、並列したレーザシートを形成するステップとを含み、
   前記並列レーザビームを生成するステップは、
   前記第１偏光子が、前記レーザ装置からの前記第１偏光子の偏光軸に対して４５°傾斜した偏光面を有するレーザ光線のうち、前記偏光軸に平行な偏光成分を透過させ、垂直な偏光成分を前記光路変更手段に反射させ、かつ前記光路変更手段が前記第２偏光子へと前記垂直な偏光成分を反射させ、
   前記第２偏光子が、前記平行な偏光成分を透過させると共に、反射された前記垂直な偏光成分を、前記平行な偏光成分の入射されるのとは反対側の面上で前記平行な偏光成分から離間した位置で反射させることにより、
   偏光成分が互いに直交し、前記第１偏光子、前記光路変更手段、および前記第２偏光子の反射効率に依存する強度差の前記並列レーザビームを生成する、粒子画像流速装置のためのレーザシート形成方法。
9. 前記並列ビーム生成手段の上流側に配置された１／２波長板により前記レーザ光の偏光面を、前記並列ビーム生成手段の前記偏光軸に相対して４５°回転させるステップを含む、請求項８に記載のレーザシート形成方法。
10. さらに、前記光路変更手段の並進運動により前記レーザシートの離間幅を変化するステップを含む、請求項９に記載のレーザシート形成方法。
11. ２つのレーザシートの形成方法であって、
    ２台のレーザ装置からのレーザ光線のうちの１のレーザ光線を第１の１／２波長板に入射して偏光面を回転させ、互いに直交した偏光面を生成するステップと、
    前記第１の１／２波長板の下流側、かつ前記並列ビーム生成手段の上流側に配置された第２の１／２波長板により前記タンデム偏光子の前記偏光軸に相対して前記レーザ光線の互いに直交する偏光面をそれぞれ４５°回転させるステップと、
    前記第２の１／２波長板から出力された前記レーザ光線を、偏光軸が平行で対となった第１偏光子および第２偏光子を含むタンデム偏光子と、前記第１偏光子からの反射光を前記第２偏光子に反射させるための単一の反射ミラーからなる光路変更手段とを含み、レーザ光線を、前記偏光軸に平行な偏光成分を透過させ、垂直な偏光成分を反射させて並列レーザビームを生成するステップと、
    レーザシート生成光学系に前記並列レーザビームを入射させ、並列したレーザシートを形成するステップと
    を含み、前記並列レーザビームを生成するステップは、
    前記第１偏光子が、前記レーザ装置からの前記第１偏光子の偏光軸に対してそれぞれ４５°傾斜した偏光面を有するレーザ光線のうち、前記偏光軸に平行な偏光成分をそれぞれ透過させ、垂直な偏光成分をそれぞれ前記光路変更手段に反射させ、かつ前記光路変更手段が前記第２偏光子へと前記垂直な偏光成分をそれぞれ前記第２偏光子へと反射させ、
    前記第２偏光子が、前記平行な偏光成分をそれぞれ透過させると共に、反射された前記垂直な偏光成分を、前記平行な偏光成分の入射されるのとは反対側の面上で前記平行な偏光成分から離間した位置でそれぞれ反射させることにより、
    偏光成分が互いに直交し、前記第１偏光子、前記光路変更手段、および前記第２偏光子の反射効率に依存する強度差の前記並列レーザビームを生成する、粒子画像流速装置のためのレーザシート形成方法。
12. さらに、前記光路変更手段の並進運動により前記レーザシートの離間幅を変化するステップを含む、請求項１１に記載のレーザシート形成方法。
13. 請求項８〜１２のいずれか１項に記載のレーザシート形成方法により形成されたレーザシートを粒子により散乱させて散乱光を発生させるステップと、
    撮像手段により各偏光面を分離して粒子からの前記散乱光を測定するステップと
    を含む、粒子計測方法。
14. さらに、流体中に存在する粒子を計測することにより、流体速度を計測するステップを含む、請求項１３に記載の粒子計測方法。

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