JP4665211B2 - 光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、光計測装置等の光学系を構成する光学素子として好適な光学素子に関する。

自発光、プラズマ自発光、蛍光、燐光、放射光等の物理・化学反応の諸特性は、この物理・化学反応の微細構造とその時間変化に大きく依存しており、そのような微細構造を計測することによって、物理・化学反応量の特性やそれらの相関を知ることができる。また、計測された物理・化学反応の微細構造と、それらの高時間分解能計測データからの時間変動量等から、構造データのフィードバックによる物理・化学反応の制御や、物理・化学反応を発生する装置の改良のためのデータを得ることが可能となる。このような計測は、例えば、自動車のエンジンやガスタービンにおける燃焼解析など、様々な燃焼装置の制御及び改良において非常に重要である。

前述した物理・化学反応の微細構造を計測するためには、まず、局所計測、すなわち、物理・化学反応の構造の空間スケールに比して充分に小さい測定体積に対する計測が必要となる。また、時系列計測、すなわち、物理・化学反応の構造変化の時間スケールに比して充分に短い測定時間について繰り返して連続的に行う計測も必要となる。

このような計測を実現するものとして、「Proceedings of the Thirty-FifthJapanese Symposium on Combustion,
p.54-56 (1997)」には、物理・化学反応による自然発光であ
る自発光を計測する光計測装置が記載されている。この光計測装置は、局所点計測用に最適設計された反射光学系を集光光学系として適用し、測定体積を１．６mm×φ０．２mmと小さくし、また、高速処理が可能な受光素子として光電子増倍管を使用して、２５０kHz
の高速のサンプリングレートで計測を行うことにより、物理・化学反応についての局所的な時系列計測を実現している。また、この文献には、自発光については、ＯＨ＊、ＣＨ＊、Ｃ２＊の３つの成分からの発光について、各々の対応する波長を測定することによって同時に計測を行うことが記載されている。

また、このような計測装置について、自動車のエンジンに関して複数の測定点について別個に計測を行った例が「Proceedings of the Fourth InternationalSymposium on Diagnostics and
Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines, p.411-416 (1998)」に記載されている。

さらに、本発明者らは、先に、特許文献１に記載されているように、複数の測定点からの光の局所的な時系列計測を効率的に行うことができるようにした光計測装置を提案している。この光計測装置は、反射光学系を用いて、燃焼室内の局所の物理・化学反応（燃焼）による発光計測を行い、局所的な物理・化学反応特性の検出を行うものである。

反射光学系は、図１７に示すように、物点１０１からの光を第１凹面鏡１０２により反射して集光させ、この反射光を第２凸面鏡１０３によって再び反射させ、この反射光を第１凹面鏡１０２の中央部に設けられた透孔１０４を介してこの第１凹面鏡１０２の後方側に出射させて、焦点を結ばせる光学系である。

この光計測装置においては、反射光学系の焦点位置１０５に光ファイバ１０６の入射端面１０７を配置し、この光ファイバ１０６によって導かれた光を分光することにより、この反射光学系の物点１０１にあたる燃焼室内の局所における物理・化学反応による光の計測を行う。反射光学系は、結像に寄与する面が反射面であるため、色収差の発生がなく、物理・化学反応による光の良好な計測を実現することができる。

特開２０００−１１１３９８公報

ところで、上述のような光計測装置において使用されている反射光学系は、２枚の反射鏡を向かい合わせに配置して構成されるものであるため、各反射鏡間の位置合わせが困難であり、また、小型化が困難である。すなわち、この反射光学系は、例えば、エンジンの燃焼プラグに組み込むことができる程度に小型化することは困難である。

また、この反射光学系においては、結像特性が、各反射鏡間の空気の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率の変化や、各反射鏡間の乱気流の影響を受ける虞れがある。また、この反射光学系においては、各反射鏡間に塵挨が侵入して各反射鏡が汚れ、結像特性が劣化する虞れがある。

したがって、この反射光学系は、例えば、エンジンの燃焼プラグに組み込んだ場合には、エンジンの発する熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨などにより、光学特性を維持することが困難となる虞れがある。

そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、製造が容易で、小型化が可能であって、また、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨によって光学特性が影響を受けることがなく、例えば、光計測装置等の光学系を構成する光学素子として好適な光学素子を提供しようとするものである。

本発明の請求項１２に記載の光学素子は、第１面及び第２面を有して一体的な媒質により形成され、前記第１面及び前記第２面がそれぞれ複数の第１領域と第２領域とを有し、物点からの光が前記第１面の各第１領域に入射され、この光を前記第２面の各第１領域において対応して反射し、この反射光を前記第１面の各第２領域において反射し、この反射光を前記第２面の各第２領域を透過させて像点に集光させる光学素子であって、前記第１面の第１領域は、前記物点を曲率中心とした凹球面の透過面であって、前記物点からの光が屈折されることなく直進し、前記第２面の第１領域は、互いに異なる曲率中心、または、焦点を有する複数の部分に分割された凹面からなる反射面であって、前記第２面の前記像点側表面に反射物質膜が被着されて形成され、前記第１面の第１領域に入射した光を反射して集光させ、前記第１面の第２領域における反射光の入射側から見て凹面となるように該第２面の前記第２領域が該第２面の第１領域の分割された複数の部分に連続して設けられており、前記第１面の各第２領域は、凸面反射面であって、前記第１面の前記物点側表面に反射物質膜が被着されて形成されており、前記第２面の第１領域及び前記第１面の第２領域においては、反射物質膜と光学素子をなす媒質との界面が反射面となり、前記反射物質膜の外側表面が熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨により損傷し、または、汚れ、あるいは、粗面であっても、光学特性が劣化することがなく、前記第２面の第２領域毎に、前記第１面の第１領域から入射され、前記第２面の第１領域において反射して、前記第１面の第２領域において反射した物点からの光を像点に集光させることで、複数の像点を形成するものである。

本発明の請求項１２に記載の光学素子は、第１面及び第２面を有する一体的な媒質により形成された光学素子であるため、第１面及び第２面間の媒質の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率変化が少なく、各面間には、乱流、ガス種変動が生じたり、塵挨が侵入する虞れがなく、また、結像に寄与する面が反射面であるため、色収差の発生がなく、良好な結像特性を有する。さらに、この光学素子においては、第２面の第１領域が、互いに異なる曲率中心、または、焦点を有する複数の部分に分割された凹面からなる反射面であるので、単数、または、複数の物点からの光を、同時に複数の像点に集光させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する前に参考形態について図面を参照しながら説明する。

〔光学素子の参考形態〕
参考形態の光学素子は、図１に示すように、第１面１及び第２面２を有する一体的な光学素子である。これら第１面１及び第２面２間は、いわゆる光学ガラスや合成石英等の一様な媒質となっている。

第１面１及び第２面２は、それぞれ外周側の第１領域１ａ，２ａと、中央部の第２領域１ｂ，２ｂとを有している。なお、各面１，２における第２領域１ｂ，２ｂは、各面１，２における中心部である必要はなく、各面１，２に対して偏芯した位置に形成されていてもよい。

この光学素子においては、物点Ｏからの光は、第１面１の第１領域１ａに入射し、第１面１及び第２面２間の媒質中を進行して、第２面２の第１領域２ａにおいて反射される。そして、第２面２の第１領域２ａにおいて反射された光は、第１面１の第２領域１ｂにおいて反射され、第２面２の第２領域２ｂを通して出射され、像点Ｉに集光する。

第１面１の第１領域１ａは、物点Ｏを曲率中心とした凹球面の透過面となっている。すなわち、物点Ｏからの光は、第１面１の第１領域１ａを透過するときには、屈折されることがなく、直進する。

第２面２の第１領域２ａは、凹面反射面であり、入射光を集光させる特性を有する。第１面１の第２領域１ｂは、反射面である。

第２面２の第２領域２ｂは、平面や、第２面２の第１領域２ａに連続した（光の入射側から見て）凹球面となっている。この第２面２の第２領域２ｂに対する入射光の角度は垂直に近いので、実用上問題となるような大きな収差が発生することはない。この光学素子においては、結像に寄与する面が反射面であるため、色収差の発生がなく、良好な結像特性を有する。

そして、この光学素子においては、第１面１は、第２面２よりも小径の面となされている。そして、第１面１及び第２面２との間には、これら第１面１の外径から第２面２の外径に拡径する段差部３が形成されている。この段差部３は、物点Ｏ以外の点から第１面１を経て第２面２に入射する不要光の一部を遮断するので、この光学素子の光学特性を向上させる。

また、この光学素子においては、図２に示すように、第１面１及び第２面２との間を、テーパ状に拡径する拡径部３ａとして形成してもよい。この場合にも、この拡径部３ａの外面部に遮光物質を塗布したり遮光部材を配置することにより、物点Ｏ以外の点から第１面１を経て第２面２に入射する不要光を遮断することができ、この光学素子の光学特性を向上させることができる。

さらに、この光学素子においては、図３に示すように、第１面１及び第２面２の間の媒質の側面部に切欠き部３ｂを形成し、この切欠き部３ｂ切欠き部により、不要光が遮断されるようにしてもよい。この場合には、この切欠き部３ｂ内に遮光物質を塗布したり遮光部材を配置するようにしてもよい。また、この場合には、第１面１と第２面２とは、同一の径の面となっていてもよい。

さらに、この光学素子においては、第２面２の第１領域２ａ及び第１面１の第２領域１ｂには、金属材料などの反射材料、例えば、アルミニウムからなる反射膜４，５が被着形成されている。これら反射膜４，５は、第２面２の第１領域２ａ及び第１面１の第２領域１ｂにおける反射率を向上させる。

この光学素子においては、これら反射膜４，５と光学素子をなす媒質との界面が反射面となるので、これら反射膜４，５の外側表面が熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨などにより損傷し、または、汚れていたとしても、光学特性が劣化することがない。また、この光学素子においては、これら反射膜４，５の外側表面の面形状が粗面であったとしても、第２面２の第１領域２ａ及び第１面１の第２領域１ｂにおける反射特性が劣化することがない。

また、第１面１の第２領域１ｂに形成された反射膜４は、この反射膜４の外面側に形成された防護層４ａによって保護されている。この防護層４ａは、反射膜４の表面部及び外周縁部を保護し得るように、この反射膜４よりも広い領域に亘って形成され、外周側を光学素子の第１面１に接合されている。

この防護層４ａは、耐熱性、耐プラズマ性、耐電磁波性、耐食性、耐蝕性、耐触性の少なくともいずれか一を有するものである。すなわち、この防護層４ａは、反射膜４を、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波及び塵挨などによる腐食、腐蝕、接触などの損傷から防護するものである。

このような防護層４ａをなす材料としては、耐熱性等の特性と、合成石英などの媒質に対する親和性の点から、例えば、クロム（Ｃｒ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、二酸化ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などが好ましい。この防護層４ａは、これらいずれかの材料からなる単層膜としてもよいし、また、これらのうちの二以上の材料からなる多層膜としてもよい。

なお、この防護層４ａは、第１面１の全面に亘って形成してもよい。この場合において、防護層４ａは、第１面１の第１領域１ａへの入射光についての反射防止膜の機能を有するものとすることができる。このように、防護層４ａに反射防止膜の機能を持たせるには、この防護層４ａの厚さを、入射光の波長λに対する一定の関係、例えば、〔ｎλ／４〕となっているものとする必要がある。

また、この光学素子は、図４に示すように、防護層４ａを光学素子をなす媒質と同一材料からなるものとするとともに、この防護層４ａを十分な厚さを有して第１面１の全面に亘って形成されたものとしてもよい。

この場合には、この防護層４ａは、反射膜４を挟んで、第１面１に対して溶着などによって接合されたものとすることができる。なお、この場合には、防護層４ａの物点側の面は、物点Ｏを曲率中心とした凹球面とすることが望ましい。そして、この場合には、防護層４ａと第１面１との接合面は、物点Ｏを曲率中心とした凹球面とする必要はないので、平面としたり、あるいは、反射膜４の形状（すなわち、第１面１の第２領域１ｂの面形状）が望ましい形状となる面形状とすることができる。

そして、この光学素子においては、第２面２の第１領域２ａは、物点Ｏを焦点とする回転楕円面とすることが好ましい。第２面２の第１領域２ａが回転楕円面であることにより、この回転楕円面の第１焦点から発した光は、無収差で第２焦点に集光することとなるので、良好な結像特性を実現することができる。

また、この光学素子においては、第１面１の第２領域１ｂは、凸面反射面とすることが望ましい。第１面１の第２領域１ｂが凸面反射面であることにより、像点Ｉの位置を、第２面２の後方側に十分に離れた位置とすることができ、この像点Ｉにおける光検出等を容易に行うことができるようになる。

このような光学素子は、一体的な光学素子であるため、第１面及び第２面間の媒質の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率変化が少なく、各面間には、乱流、ガス種変動が生じたり、塵挨が侵入する虞れがない。すなわち、この光学素子は、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨の影響による光学特性の劣化が極めて少ないので、温度変化の激しい環境下や、塵挨の多い環境下や、ラジカル、プラズマに接触し得る環境下においても、良好な光学特性を維持することができる。

また、この光学素子は、第２面２の直径を１ｍｍ程度としても容易に高精度のものを作成することができる。さらに、この光学素子は、透過面及び反射面における収差が生じないので、容易に高い開口数（ＮＡ）のものを作成することができる。なお、第２面２の直径を１ｍｍ程度とした場合において、物点Ｏから第１面１までの距離（ワーキングディスタンス）が０．８ｍｍ程度、第２面２から像点Ｉまでの距離（バックフォーカス）が０．３ｍｍ程度のものを作成することができる。また、第２面２の直径を３．６ｍｍとした場合においては、例えば、物点Ｏから第１面１までの距離（ワーキングディスタンス）が３．０ｍｍ、第２面２から像点Ｉまでの距離（バックフォーカス）が１．２ｍｍのものを作成することができる。
〔光学素子の実施形態〕

また、この光学素子は、図５に示すように、第２面２の第１領域２ａを、互いに異なる曲率中心、または、焦点を有する複数の部分に分割された凹面からなる面として構成してもよい。この場合には、第２面２の第１領域２ａの各部分がそれぞれ異なる焦点を結ぶので、一つの光学素子によって複数の像点を形成することができる。

また、第２面２の第１領域２ａの反射膜５は、例えば、誘電体膜等によって形成することにより、反射率について分光特性を有するものとすることもできる。この場合には、特定の波長帯域の光のみを反射させて結像させる光学素子を構成することができる。

さらに、第２面２の第１領域２ａを、互いに異なる曲率中心、または、焦点を有する複数の部分に分割された凹面からなる面として構成した場合において、これら各部分の分光反射特性を互いに異なるものとすることもできる。

〔光学系及び受光器の参考の形態〕
そして、参考形態の光学系は、図１に示すように、前述の光学素子と、光ファイバ６とからなり、光学素子の像点Ｉに、光ファイバ６の入射端面６ａが配置されて構成されている。光学素子からの出射光は、迷光絞り７を介して、光ファイバ６の入射端面６ａに入射される。

この光学系においては、光ファイバ６の入射端面６ａに対して共役な領域、すなわち、物点Ｏの周囲の光ファイバ６の径に対応する領域からの光を、この光ファイバ６を介して検出することできる。

この光学系は、例えば、エンジンなど内燃機関の燃焼室内における燃焼状態を光学的にモニタするための光計測装置に用いることができる。すなわち、図６に示すように、この光学系は、ケース２０１内に収納することにより、エンジンの点火プラグ２０５等に組込むことができる。このケース２０１は、ステンレス等の材料により、内径が前述の光学素子の第２面２の直径に略々等しい円筒状に形成されている。このケース２０１の先端部には、光学素子の第１面１の直径に略々等しい内径の開口部２０１ａが形成されている。

このケース２０１内においては、光学素子は、先端側に収納されて、第１面１を開口部２０１ａより外方側に臨ませる。そして、この光学素子の後面側には、Ｏ−リング２０２を介して、光ファイバ６を保持するフェルール２０３が挿入される。そして、このケース２０１の後端側は、キャップ２０４が螺入されることにより、閉塞される。なお、光ファイバ６は、フェルール２０３及びキャップ２０４の中心軸に沿って形成された透孔を介して、後方側に引き出される。

このケース２０１内に収納された光学素子及び光ファイバ６は、図７に示すように、それぞれがケース２０１及びフェルール２０３によって保持されることによって、互いに所定の位置関係となされる。また、フェルール２０３の先端側の光ファイバ６の入射端面６ａが臨む開口部は、その開口径や開口形状を適宜に設定することにより、光ファイバ６の入射端面６ａに対する開口絞りとしての機能を有するものとすることができる。

このようにケース２０１内に収納された光学系は、このケース２０１ごとエンジンの点火プラグ２０５等に組込むことができる。エンジンの点火プラグ２０５等に組込まれた光学系は、燃焼室内の所定の局所を物点Ｏとして、この物点Ｏの周囲の領域からの光を、光ファイバ６を介して図示しない分光器に導くことができ、この分光器によって分光することにより該所定の局所における物理・化学反応（燃焼）による光の計測を行うことを可能とする。

そして、この光学系においては、前述の光学素子に対して、光ファイバ６の入射端面６ａの位置を移動させることにより、検出対象となる領域を光学素子に対して移動させることができる。この場合には、光の検出対象となる領域から光ファイバ６の入射端面６ａに至る光に若干の球面収差やコマ収差が生じ得るが、この収差量が光ファイバ６の径よりも小さい範囲のものであれば、光の検出結果に対する影響は少ない。

また、この光学系においては、図８に示すように、複数の光ファイバ６を、それぞれの入射端面６ａを像点Ｉを含む領域内に２次元状（マトリクス状）に配列させて配置することにより、検出対象となる領域を、物点Ｏを含む領域内において２次元状に配列された領域とすることができる。すなわち、各光ファイバ６の各入射端面６ａには、複数の物点Ｏ１２、Ｏ２、Ｏ３・・・Ｏｎからの光が対応して入射される。

さらに、このように配置された複数の光ファイバ６を光学素子に対する接離方向に移動させたり、または、各光ファイバ６の入射端面６ａの位置を光学素子までの距離が異なる位置とすることにより、検出対象となる領域を、物点Ｏを含む領域内において三次元状に配列された領域とすることができる。

また、この光学系は、図９に示すように、光学素子における像点が第２面２の第２領域２ａ上に形成されるようにし、あるいは、図１０に示すように、光学素子における像点が第２面２よりも第１面１の側の位置に形成されるようにし、光ファイバ６の入射端面６ａを、光学素子の第２面２の第２領域２ａ上、または、第２面２よりも第１面１の側の像点の位置に配置して構成してもよい。この場合には、光ファイバ６の入射端面６ａに対して共役な領域である物点からの光を、光学素子から光ファイバ６に直接導入することができる。

さらに、前述の説明中において、光ファイバ６の入射端面６ａが配置されていた位置、すなわち、光学素子における像点の位置に、複数の受光部が位置するように受光素子を配置することにより、参考形態の受光器を構成することができる。この受光器においては、光ファイバを用いる必要がない。

この受光器において、受光素子は、光学素子の物点側の複数の測定点における光の光学素子による複数の像点からの光を検出することができる。この受光素子の受光部は、複数の測定点に対応させて、１次元配列としたり、マトリクス状に２次元配列としたり、または、３次元配列とすることができる。

〔光計測装置の参考の形態〕
前述のように、多点からの光を検出できるようにした光学系、または、受光器を光計測装置に用いることにより、燃焼室内における複数箇所における自発光、蛍光、燐光、または、放射光等の物理・化学反応による光の計測を、同時に、または、順次的に行うことができる。

例えば、エンジン等の内燃機関の燃焼室内における物理・化学反応の発生箇所の移動（燃焼面の移動）や、移動中の物理・化学反応状態の変化や、燃焼室内における化学反応特性の測定などを行うことができる。

図１１は、光計測装置の一参考形態の概略構成を示すブロック図である。なお、この図１１においては、測定点の個数をｎ個（ｎは２以上の整数）とし、単一の測定点からの光の集光のみを示している。

本参考形態においては、例えば、燃焼等の物理・化学反応領域Ｆ内の測定点ＦＰ（ただし、物理・化学反応領域Ｆの挙動によって、この測定点ＦＰは、物理・化学反応領域Ｆの外部に位置することもあり得る）からの光は、集光光学系３０１によって集光面上の対応する集光点（図示していない）に集光される。

この例における光は、燃焼等の物理・化学反応において、ＯＨ＊、ＣＨ＊、Ｃ２＊などに起因して自然発光している物理・化学反応発光を言い、物理・化学反応の反応強度、あるいは、熱発生との相関を有し、物理・化学反応状態の直接的な指標となるものである。

集光光学系３０１には、光ファイバアレイ３０２が接続されている。光ファイバアレイ３０２は、ｎ点の測定点に対応してｎ本の光ファイバ３２０１〜３２０ｎから構成され、入射端面及び出射端面以外では、光ファイババンドル３０２ａを形成している。その入射端面は、集光光学系３０１による集光面上に、各測定点からの集光点にそれぞれ対応されて配置されている。これによって、集光点に集光された複数の測定点からの光は、光ファイバ３２０１〜３２０ｎによって光計測系に高効率で導光される。

なお、ここで、物理・化学反応発光は紫外線を含んでいるため、光ファイバとしては紫外線透過型の石英ファイバを用いることが望ましい。また、光ファイバのコア径を小さくすることによって計測の位置分解能を高めることができるが、一方で、コア径を小さくすると導光される光量が減少するので、測定において必要とされる条件によって、最適のものを選択する必要がある。

例えば、コア径２００μｍのものを用いた場合に、測定体積は、１．６ｍｍ×φ０．２ｍｍ程度となる。この測定体積は、レーザ・ドップラー流速計（ＬＤＶ）、または、フェイズ・ドップラー流速計（ＰＤＡ）の測定体積と同じオーダーである。

本参考形態における光計測系は、ｎ個の光計測装置３０３１〜３０３ｎ及び信号増幅手段３０４１〜３０４ｎと、それらからの信号を一括して処理する信号処理手段３０５と、この信号処理手段３０５を制御し、かつ、信号処理手段３０５からのデータを取り込むコンピュータ３０６と、このコンピュータ３０６に接続されデータを表示・記録するモニタ３０７及び記録装置３０８とからなる。

ｎ本の光ファイバ３２０１〜３２０ｎの出射端面は、それぞれ光計測装置３０３１〜３０３ｎの接続部３３０１〜３３０ｎに接続されて、各測定点からの光は、その分光・測定等が行われる光計測装置３０３１〜３０３ｎに入射される。このように構成することによって、多点からの光を、それぞれに対して別個に配置された光計測装置３０３１〜３０３ｎを用いて同時に計測することができ、例えば、リアルタイムで２次元の物理・化学反応状態及びその時間変化を観測することが可能となる。

光計測装置３０３１〜３０３ｎからそれぞれ出力された１つまたは複数の信号は、それぞれ対応する信号増幅手段３０４１〜３０４ｎに入力され、さらに信号処理回路などからなる信号処理手段３０５に入力される。信号処理手段３０５は、コンピュータ３０６に接続されている。コンピュータ３０６は、信号処理等について信号処理手段３０５を制御するとともに、信号処理手段３０５からのデータを取り込み、解析ソフト等に基づいて、それらのデータの解析、データ及びその解析結果のモニタ３０７への表示、記録装置３０８への記録などを行う。

なお、図１２に示すように、光計測装置を単一の光計測装置３０３のみとして光計測系を構成してもよい。この場合には、光計測装置３０３の接続部３３０は、光ファイバの出射端面が容易に着脱可能なものとされており、光ファイバ３２０１〜３２０ｎの出射端面を順次接続して計測を行うことによって、光ファイバの着脱のみによって、測定点の切り換えを行う多点計測を実現することができる（図１２中においては、ｉ番目の光ファイバ３２０iが接続されている）。

集光光学系３０１としては、上述したように充分な位置分解能及び集光効率によって集光が可能（局所計測）なものを用いる必要がある。

図１３は、本参考形態における集光光学系３０１の構成を示す側面図である。

この集光光学系３０１は、図１３に示すように、前述した参考形態の光学素子１１を有して構成されている。この光学素子１１は、一体的な光学素子であるため、第１面１及び第２面２間の媒質の温度変動、密度変動、圧力変動による屈折率変化が少なく、各面１，２間には、乱流、ガス種変動が生じたり、塵挨が侵入する虞れがない。すなわち、この光学素子１１は、熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨の影響による光学特性の劣化が極めて少ないので、温度変化の激しい環境下や、塵挨の多い環境下においても、良好な光学特性を維持することができる。

また、この光学素子１１は、第２面２の直径を１ｍｍ程度としても容易に高精度のものを作成することができ、前述したように、エンジンの燃焼プラグに組み込むことができる程度に小型化することができる。さらに、この光学素子１１は、透過面及び反射面における収差が生じないので、容易に高い開口数（ＮＡ）のものを作成することができる。

この光学素子１１においては、多点である測定点Ｆ１〜Ｆｎからの光は、各面１，２において反射され、第２面２の第２領域２ｂを通過して、集光面ＦＰ上の集光点Ｐ１〜Ｐｎにそれぞれ集光・結像される。なお、本光学系においては、第２面２の第２領域２ｂによって第２面２の第１領域２ａの有効反射面積が小さくなり、特に視野中心から離れた測定点に対する集光光量は減少する。

なお、図１３においては図示していないが、集光点Ｐ１〜Ｐｎの位置には、それぞれ対応する光ファイバ３２０１〜３２０ｎの入射端面が配置される。また、これらの測定点Ｆ１〜Ｆｎに対応する集光点Ｐ１〜Ｐｎ及び光ファイバ３２０１〜３２０ｎは、１次元配列、または、マトリクス状の２次元配列、あるいは、３次元配列とすることができ、これによって、より効率的に、物理・化学反応状態の計測及び観測を行うことができる。

これらの集光光学系及び光ファイバ等の設定・選択については、計測に必要とされる位置分解能・測定体積や、多点間の間隔等に基づいて好適なものを適宜選択することができる。例えば、集光光学系の作業距離（Working Distance）としては、エンジンや小型バーナーを対象とした短距離焦点（１５０ｍｍ以下）から、中距離焦点（１５０〜６００ｍｍ）、長距離焦点（６００ｍｍ以上）まで、様々に設定可能である。

図１４に、図１１または図１２に示した参考形態に用いられる光計測装置３０３の一構成例を示す。

光計測装置３０３においては、光ファイバ３２０によって導光された光のうち、観測したい物質からの光成分を選択して測定を行うこと、及び、時系列計測を効率的に行うために高速での計測が可能な測定系とすることが必要とされる。

図１４に示す光計測装置３０３においては、炭化水素燃焼反応において特に重要な中間生成物であるＯＨ＊、ＣＨ＊及びＣ２＊からの光成分を測定するように装置が構成されている。また、Ｃ２＊に関しては、２成分について（以下Ｃ２＊（１）及びＣ２＊（２）と表記する）測定を行う。ＯＨ発光は燃焼反応及び高温ガスに対応して観測され、ＣＨ＊／Ｃ２＊発光は燃焼反応領域（反応帯）と高い相関があり、さらに、Ｃ２＊発光は反応及びすす生成と強い関係がある。

したがって、これらラジカルによる光を計測することによって、燃焼反応に関する重要な情報を得ることができる。また、同一ラジカル（例えば、Ｃ２＊）についての２波長成分以上の同時測定を行うことによって、温度に関する情報等を得ることができる。

このように、複数の化学種についての計測を同時に行う場合、従来のレーザを用いた計測法では、化学種毎にレーザ光源が必要であり、装置が大型化・複雑化し、実用上そのような測定は困難であった。これに対して、本参考形態においては、光計測を利用することによって、容易に複数の化学種についての同時計測を行うことができる。

光計測装置３０３は、それぞれ、ＯＨ＊、ＣＨ＊、Ｃ２＊（１）及びＣ２＊（２）による光に対応している４つの分光計測装置３０３ａ〜３０３ｄを有して構成される。各分光計測装置３０３ａ〜３０３ｄの選択波長は、
分光計測装置３０３ａでは、波長３０６．
４ｎｍ、半値幅１０〜１５ｎｍ、分光計測装置３０３ｂでは、波長４３１．５ｎｍ、半値幅１〜２ｎｍ、分光計測装置３０３ｃでは、波長４７３．３ｎｍ、半値幅１〜２ｎｍ、分光計測装置３０３ｄでは、波長５１６．５ｎｍ、半値幅１〜２ｎｍと設定されている。

分光計測装置３０３ａは、ダイクロイックミラー３３１ａ、干渉フィルタの如き光学フィルタ３３２ａ及び光電子増倍管の如き受光素子３３３ａから構成されている。ダイクロイックミラー３３１ａによって入射光から分離された光は、光学フィルタ３３２ａに入射され、ＯＨ＊からの光に対応する上述の選択波長の光成分が選択・透過され、受光素子３３３ａに入射される。

受光素子３３３ａに入射した光成分は、この受光素子３３３ａによって光電変換されて増倍され、信号増幅手段３０４に出力される。他の分光計測装置３０３ｂ〜３０３ｄについても、その構成は同様であるが、それぞれの選択波長が前述の対応した光成分の波長に設定されている。

本参考形態においては、特に、光計測に高速動作が可能な、光電子増倍管の如き受光素子３３３ａ〜３３ｄを用いることによって、高速での時系列計測を可能にしている。これに対応して、測定のサンプリングレートも、例えば、１００ｋＨｚ〜数百ＭＨｚ程度に設定することができる。

以上に示したように、図１３に示したような集光光学系を適用することによって、高位置分解能での局所計測が可能となり、また、図１４に示したような光計測装置を適用することによって、高速・高時間分解能での時系列計測が可能となる。これらを用いて、例えば、図１１に示したように、光計測装置を構成することによって、多点についての光の局所・時系列計測が実現され、これによって、プラズマ、蛍光、燃焼等の物理・化学反応の微細構造についての情報を得ることが可能となる。

このような計測装置を様々な燃焼装置等における物理・化学反応の解析に用いることによって、多くの重要な情報を得ることができる。例えば、自動車のエンジンにおいては、物理・化学反応は、図１５に示すように、その幅ＷＦが０．１ｍｍオーダーの物理・化学反応帯Ｆを形成して、移動速度ＶＦで移動・伝播する。このとき、測定点ＦＰにおいて光を測定すると、物理・化学反応帯Ｆの通過に対応した光の強度の立ち上がり（ピーク）が観測される。このピークの時間ｔから通過時刻、ピーク幅Δｔから通過に要した時間、またピーク強度ｈから物理・化学反応の強度についての情報をそれぞれ得ることができる。

ただし、前述したような光計測を行っても、単一の測定点についての測定によっては、幅ＷＦ及び移動速度ＶＦを求めることはできず、多点計測を行って、各測定点での光変化の相関をみることによって、はじめてそれらの物理・化学反応状態及びその時間変化についての直接的な情報を得ることが可能となる。さらに、例えば、多点をマトリクス状の２次元構成、または、３次元構成とすることによって、物理・化学反応の移動方向など多くの情報を効率的に得ることができる。また、高分解タイプの測定を行うことによって、物理・化学反応帯内部の反応強度分布など、さらに微細な構造を解明することができる。その他にも、各化学種からの光の変化・相関等から、局所的な空燃比（Ａ／Ｆ）、乱流構造とそれに関する局所ダムケラー数等、多くの情報を得ることができる。

なお、このような計測の適用対象は自動車のエンジンに限らず、オイルバーナーを用いた噴霧燃焼方式の火炉やボイラー、航空機や火力発電に使用されるガスタービン、ラム、スクラムジェットエンジン燃焼器、給湯器、燃料電池、水素エンジンなど、様々な燃焼装置や除菌、滅菌装置に対して適用することができる。

また、光計測以外の従来の物理・化学反応状態の計測法を併用することによって、さらに多くの情報を得ることが可能になる。特に、参考形態の光計測装置における集光光学系は、通常のレンズ系と比較して非常に高い集光率を有しているので、物理・化学反応についてのレーザ計測の集光系としても適用することも可能である。

例えば、参考形態の光計測の測定体積は、レーザ・ドップラー流速計（ＬＤＶ）やフェイズ・ドップラー流速計（ＰＤＡ）と同程度またはそれ以下であり、それらの計測と光計測の同時計測を行うことにより、局所的なガス流速速度と物理・化学反応の移動速度から、局所燃焼速度を見積もることができる。また、レーザ・ドップラー流速計（ＬＤＶ）やフェイズ・ドップラー流速計（ＰＤＡ）の測定体積は、一般に光軸方向に数百ｎｍ〜数十ｍｍ程度の長さを持つので、光計測装置を高分解タイプの設定として同時計測を行うことによって、レーザ・ドップラー流速計（ＬＤＶ）やフェイズ・ドップラー流速計（ＰＤＡ）の測定体積内の流速測定値の分布などを計測することが可能になる。また、ＬＩＦ法による測定を併用することによって、化学反応メカニズムについての知見を得ることが可能となる。

光計測装置については、図１４に示した光学フィルタ及び受光素子を用いたものに限られず、様々な形態のものを適用することができる。図１６に、そのような光計測装置３０３の他の構成例を示す。ここでは、光成分の分光に分光素子として回折格子３３５を用い、それぞれＯＨ＊、ＣＨ＊、Ｃ２＊（１）及びＣ２＊（２）による光に対応して、例えば、マルチアノード型光電子増倍管の如き４つの受光素子３３６ａ〜３３６ｄを配置して、高分解能分光計測装置である光計測装置を構成している。

このとき、光ファイバによって導光された光は、回折格子３３５によって波長分解され、各光成分の波長帯の光が対応する受光素子３３６ａ〜３３６ｄに入射される。受光素子３３６ａ〜３３６ｄは、図１６に示すように、波長分解の方向にアノードの分割の方向が一致されて配置されており、これによって、選択された各波長帯をさらに高分解能によって波長分解して計測し、各光成分の強度を計測するたけでなく、その微細構造スペクトルを高速・時系列で測定して、燃焼温度や圧力などについてのさらに詳しい情報を得ることができる。

干渉フィルタなどの光学フィルタを用いた計測の場合には、選択波長帯が数ｎｍ〜数十ｎｍの広いバンド幅によって計測される。しかし、温度解析や詳細な化学反応解析においては、１ｎｍ以下の波長分解能での光スペクトル計測が必要とされる場合がある。前述したような分光素子（回折格子）及び受光素子（マルチアノード型光電子増倍管）を用いた高分解能分光により、０．１〜０．５ｎｍ程度の高波長分解能での光スペクトル時系列計測が可能となり、これによって、従来困難であった局所温度の時系列測定等を実現することができる。

なお、受光素子３３６ａ〜３３６ｄとしてマルチアノード型光電子増倍管を用いることによって、複数の受光素子を配置するなどの構成とした場合に比較して、装置を大幅に小型化することができるが、このようなマルチアノード型光電子増倍管の適用は分光素子（回折格子）を用いた場合に限られるものではなく、例えば、光学フィルタ（干渉フィルタ）と組み合わせて用いることも可能である。

また、光計測の方法としては、各測定点からの光にそれぞれ光計測装置を適用する方法に限らず、例えば、光による２次元の光像を位置検出型光計測装置である受光素子によって計測または撮像することもできる。高感度・高速の位置検出型光計測装置としては、高速動作可能なＣＣＤなどのイメージセンサや、それを用いたもの、例えば、イメージインテンシファイアなどのイメージ管にＣＣＤを接続したものや、蛍光面に電子打ち込み型ＣＣＤが用いられているイメージ管、または、位置検出が可能な受光素子、例えば、マルチアノード型光電子増倍管などを用いることができる。

この場合、このような位置検出型光計測装置は、光ファイバアレイによる導光を行わずに集光面に直接配置するか、または、光ファイバアレイの出射端面に配置することが可能である。また、ファイバアレイにより導光された複数点からの光を、光学フィルタ（干渉フィルタ等）を配置した上記したような位置検出型光計測装置により、同時に分光・検出することによって、多点についての光計測装置の小型化が可能になる。

参考形態の光学素子及び光学系の構成を示す側断面図である。 参考形態の光学素子の構成の他の例を示す側断面図である。 参考形態の光学素子の構成のさらに他の例を示す側断面図である。 参考形態の光学素子及び光学系の構成の他の例を示す側断面図である。 本発明に係る光学素子及び光学系の構成のさらに他の例を示す側断面図であ る。 上記光学系の応用例を示す側断面図である。 上記光学系の応用例の要部を示す側断面図である。 上記光学系の他の参考形態における構成を示す側断面図である。 上記光学系のさらに他の参考形態における構成を示す側断面図である。 上記光学系のさらに他の参考形態における構成を示す側断面図である。 光計測装置の一参考形態の概略構成を示すブロック図である。 光計測装置の他の参考形態の概略構成を示すブロック図である。 前記光計測装置における集光光学系の構成を示す側面図である。 前記光計測装置における光計測装置の構成を示すブロック図である。 物理・化学反応と光との関係を説明するための模式図である。 前記光計測装置における光計測装置の他の例を示す構成図である。 従来の光計測装置において使用される光学系の構成を示す側面図である。

１ 第１面
１ａ 第１領域
１ｂ 第２領域
２ 第２面
２ａ 第１領域
２ｂ 第２領域
３ 段差部
３ａ 拡径部
３ｂ 切欠き部
４，５ 反射膜
６ 光ファイバ
１１ 光学素子
３０１ 集光光学系
３０２ 光ファイバアレイ
３０２ａ 光ファイババンドル
３２０、３２０１〜３２０ｎ 光ファイバ
３０３、３０３１〜３０３ｎ 光計測装置
３３０、３３０１〜３３０ｎ 接続部
３０３ａ〜３０３ｄ 分光計測装置
３３１ａ〜３３１ｄ ダイクロイックミラー
３３２ａ〜３３２ｄ 光学フィルタ）
３３３ａ〜３３３ｄ 受光素子
３３５ 回折格子
３３６ａ〜３３６ｄ 受光素子
３０４、３０４1〜３０４n 信号増幅手段
３０５ 信号処理手段
３０６ コンピュータ
３０７ モニタ
３０８ 記録装置
Ｆ 物理・化学反応領域
ＦＰ、Ｆ1〜Ｆn 測定点
ＦＰ 集光面
Ｐ1〜Ｐn 集光点

Claims (1)

1. 第１面及び第２面を有して一体的な媒質により形成され、前記第１面及び前記第２面がそれぞれ複数の第１領域と第２領域とを有し、物点からの光が前記第１面の各第１領域に入射され、この光を前記第２面の各第１領域において対応して反射し、この反射光を前記第１面の各第２領域において反射し、この反射光を前記第２面の各第２領域を透過させて像点に集光させる光学素子であって、
   前記第１面の第１領域は、前記物点を曲率中心とした凹球面の透過面であって、前記物点からの光が屈折されることなく直進し、
   前記第２面の第１領域は、互いに異なる曲率中心、または、焦点を有する複数の部分に分割された凹面からなる反射面であって、前記第２面の前記像点側表面に反射物質膜が被着されて形成され、前記第１面の第１領域に入射した光を反射して集光させ、前記第１面の第２領域における反射光の入射側から見て凹面となるように該第２面の前記第２領域が該第２面の第１領域の分割された複数の部分に連続して設けられており、
   前記第１面の各第２領域は、凸面反射面であって、前記第１面の前記物点側表面に反射物質膜が被着されて形成されており、
   前記第２面の第１領域及び前記第１面の第２領域においては、反射物質膜と光学素子をなす媒質との界面が反射面となり、前記反射物質膜の外側表面が熱、ラジカル、プラズマ、電磁波、気流及び塵挨により損傷し、または、汚れ、あるいは、粗面であっても、光学特性が劣化することがなく、
   前記第２面の第２領域毎に、前記第１面の第１領域から入射され、前記第２面の第１領域において反射して、前記第１面の第２領域において反射した物点からの光を像点に集光させることで、複数の像点を形成する
   ことを特徴とする光学素子。
   

Images