JP5029908B2 - フルネルレンズを用いた面照明装置 - Google Patents
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Description
本発明は、複雑な流動場における流体の流動を高精度かつ精密に測定する流体の流動計測技術において、特に閉空間内を流動する流体の流速および流れ方向を計測する際に用いる面照明装置に関する。
複雑な流動場における流体の流動を高精度かつ精密に測定することは、原子力発電プラントや火力発電プラント、化学プラント等におけるプラント挙動予測の高精度化、プラント診断、プラント性能評価や機器改良にとって極めて重要である。実機レベルのプラント、特に外界と環境を異にする厳しい環境下での流体の流動計測技術は、複雑な流れをもつ流体流動計測条件のために、流動計測が極めて困難な場合がある。
中でも、火力発電プラントの熱交換器内のように、厳しい環境下にある熱流動場における流体の流速や流れ方向等の流体流動測定は、アクセス性を含め複雑な流体流量計測条件のために極めて困難である。
しかしながら、近年熱流動場における可視化技術の研究が進み、複雑な流動場における流体の流動を高精度かつ精密に測定可能な粒子画像流速計（Ｐａｒｔｉｃｌｅ
Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：以下、ＰＩＶという。）が開発されつつある。このPIV技術を実施する際に必要となるのが、光源から発せられた光束を３次元の空間(閉空間でも良い)で平面シート状にするための面照明装置である。
従来の面照明技術としてＬＥＤ線光源装置(特許文献１)が開示されている。この発明では光源としてＬＥＤランプを用い、左右相対峙する１対のＬＥＤランプから照射される光をローレットカットを施した円筒形のレンズの下方両端及びローレットカットを施した部分で集光し、この光を前記レンズの側面から透過させて面照明とするものである。
また、気液混相流れ場の液体場可視化方法において、
光源から射出されたレーザービームをシリンドリカルレンズによりシート状に拡げ、可視化空間に照射する技術(特許文献２)が開示されている。
特開平０９−１６３０７９号公報
特開平０７−０６３６４２号公報
中でも、火力発電プラントの熱交換器内のように、厳しい環境下にある熱流動場における流体の流速や流れ方向等の流体流動測定は、アクセス性を含め複雑な流体流量計測条件のために極めて困難である。
しかしながら、近年熱流動場における可視化技術の研究が進み、複雑な流動場における流体の流動を高精度かつ精密に測定可能な粒子画像流速計（Ｐａｒｔｉｃｌｅ
Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：以下、ＰＩＶという。）が開発されつつある。このPIV技術を実施する際に必要となるのが、光源から発せられた光束を３次元の空間(閉空間でも良い)で平面シート状にするための面照明装置である。
従来の面照明技術としてＬＥＤ線光源装置(特許文献１)が開示されている。この発明では光源としてＬＥＤランプを用い、左右相対峙する１対のＬＥＤランプから照射される光をローレットカットを施した円筒形のレンズの下方両端及びローレットカットを施した部分で集光し、この光を前記レンズの側面から透過させて面照明とするものである。
また、気液混相流れ場の液体場可視化方法において、
光源から射出されたレーザービームをシリンドリカルレンズによりシート状に拡げ、可視化空間に照射する技術(特許文献２)が開示されている。
然しながら従来の発明には次のような問題点があった。特許文献１に記載の発明では、左右相対峙する１対のＬＥＤランプから照射される光をローレットカットを施した円筒形のレンズの下方両端及びローレットカットを施した部分で集光し、この光を前記レンズの側面から透過させて面照明とするもので、透過される光の強さが弱かった。
また、特許文献２に記載の発明は、光源から射出されたレーザビームをシリンドリカルレンズによりシート状に拡げ、可視化空間に照射するものであり、装置のコストが高くなり、レーザービームによってレンズが発熱し易いため長時間の使用に無理が生じやすく、またシリンドリカルレンズを使用するためにレンズの厚さが大きくなり，熱がある場合に破損しやすくなるという問題点があった。
また、特許文献２に記載の発明は、光源から射出されたレーザビームをシリンドリカルレンズによりシート状に拡げ、可視化空間に照射するものであり、装置のコストが高くなり、レーザービームによってレンズが発熱し易いため長時間の使用に無理が生じやすく、またシリンドリカルレンズを使用するためにレンズの厚さが大きくなり，熱がある場合に破損しやすくなるという問題点があった。
本発明は、上記の問題点を解決するために成されたものであり、消費電力が少なく、低コストで熱への耐性が比較的大きな面照明装置を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するためになされた本発明は、３次元空間にシート状の光を生成させる面照明装置であって、光源として用いるＬＥＤ管と、該ＬＥＤ管から照射された光を平行光に偏向させるためのコリメータレンズと、該コリメータレンズにより生成した平行光の熱を吸収し透過させるための熱線吸収フィルタと、該熱線吸収フィルタを透過してきた光を平面状に偏向させるための表面にフレネル加工を施した光学プリズムと、前記ＬＥＤ管を発光させるための電源とからなり、前記ＬＥＤ管と前記コリメータレンズと、前記熱線吸収フィルタと、前記フレネル加工を施した光学プリズムとをこの順序にて同一中心線上で配置して構成するものである。
本発明によれば、光源としてＬＥＤ管を使用するので、レーザービームを発生させるための機構が不要なため、面照明装置の構造を簡略化できるので装置のコストが低くなり、また、レーザー発生機構を使用しないため、面照明装置を使用する際の電力消費量を抑えることができる。
そして、ＬＥＤ管から照射された光をコリメータレンズで平行に偏向させることにより、照射された光の散逸を抑制することができる。
また、コリメータレンズを透過した光は熱線吸収フィルタで熱吸収されるので光学プリズムを透過光の熱で破損する危惧が少ない。
さらに、コリメータレンズを透過した平行光をフレネル加工を施した光学プリズムでＹ軸方向に偏光させることができるので、光源ＬＥＤランプの直径に応じた幅を有する平面状の光シートをＸ-Ｙ軸上の空間で生成することができる。
そして、ＬＥＤ管から照射された光をコリメータレンズで平行に偏向させることにより、照射された光の散逸を抑制することができる。
また、コリメータレンズを透過した光は熱線吸収フィルタで熱吸収されるので光学プリズムを透過光の熱で破損する危惧が少ない。
さらに、コリメータレンズを透過した平行光をフレネル加工を施した光学プリズムでＹ軸方向に偏光させることができるので、光源ＬＥＤランプの直径に応じた幅を有する平面状の光シートをＸ-Ｙ軸上の空間で生成することができる。
発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るフルネルレンズを用いた面照明装置の概略図である。
同図において、１は面照明装置全体を現すものであり、２は光源として使用するＬＥＤ管、３はＬＥＤの放射光束をコリメーションし、凸レンズの焦点に点光源を置くと，平行光線を得ることができるコリメータレンズ、４は前記コリメータレンズ３を透過してきた平行光、５は前記平行光４の熱を奪うための熱線吸収フィルタ、６は通常のレンズの湾曲面を平面化したフレネルレンズ、７は前記ＬＥＤ管２を発光させるための電源、８は前記フレネルレンズ６を透過した偏向光、9は前記フレネルレンズ６を透過した偏向光８がＸ-Ｙ平面上で形成する光シートである。
同図において、１は面照明装置全体を現すものであり、２は光源として使用するＬＥＤ管、３はＬＥＤの放射光束をコリメーションし、凸レンズの焦点に点光源を置くと，平行光線を得ることができるコリメータレンズ、４は前記コリメータレンズ３を透過してきた平行光、５は前記平行光４の熱を奪うための熱線吸収フィルタ、６は通常のレンズの湾曲面を平面化したフレネルレンズ、７は前記ＬＥＤ管２を発光させるための電源、８は前記フレネルレンズ６を透過した偏向光、9は前記フレネルレンズ６を透過した偏向光８がＸ-Ｙ平面上で形成する光シートである。
本発明の面照明装置１は光源として用いるＬＥＤ管２と、該ＬＥＤ管２から照射された光を平行光に偏向させるためのコリメータレンズ３と、該コリメータレンズ３により生成した平行光４の熱を吸収し透過させるための熱線吸収フィルタ５と、該熱線吸収フィルタ５を透過してきた光を平面状に偏向させるための表面にフレネル加工を施した光学プリズム６と、前記ＬＥＤ２管を発光させるための電源７とからなり、前記ＬＥＤ管２と前記コリメータレンズ３と、前記熱線吸収フィルタ５と、前記フレネル加工を施した光学プリズム６とをこの順序にて同一中心線上で配置されている。
本発明において用いるＬＥＤ管２としては、均一の集光照射が可能であり、かつ高輝度のものが望ましく、市販されている「高輝度スポットライト照明HLSシリーズ」を好適に用いることができる。電源７で電圧を付加することによって発光する前記ＬＥＤ管２の発光部分は凸コリメータレンズ３の焦点距離に置かれ、この状態で前記ＬＥＤ管２から照射された光は前記コリメータレンズ３で平行光に偏向される。コリメータレンズとしては様々なものが市販されており(スタンダードレンズＡＳシリーズ)、本発明においては、高輝度ＬＥＤに対応できるものであれば、好適に用いることができる。
前記コリメータレンズ３を透過した平行光４は熱線吸収フィルタ５で熱を吸収される。該熱線吸収フィルタ５はガラス中に分散した光吸収物質により、透過波長を制御する光学素子で、可視域を透過し、赤外域を吸収するフィルタであり、燐酸塩ガラス素材のものが用いられる。前記熱線吸収フィルタ５を透過した光束は、フレネルレンズ６でＹ軸方向上下に偏向される。該フレネルレンズ６は該レンズの側面図と上面図とを対比して表した図２に示すように、屈折面が連続した球面ではなく、階段状に屈折角の異なったプリズムが同心円状に形成されている。
このため、光は各屈折面で屈折され焦点に向かうため球面レンズと同様な効果を有し、さらに屈折面が不連続であるので各屈折面の角度は自由に設定でき、薄板状の短焦点レンズとすることができるので装置の小型化に有用である。また、フレネルレンズはプリズムの集合体であるので、各プリズムの角度を自由に設計・加工することができるという利点がある。このため、明るい球面収差の少ないレンズを作ることが可能になる。フレネルレンズはガラス又はプラスチック等によって作られるが、構造上微細な形状を必要とするため、一般的には、プラスチック樹脂を圧縮成形することによって作製している。材質としてはアクリル樹脂・ポリカーボネート・高密度ポリエチレン等から選択することができる。
フレネルレンズをガラスで作製する場合は，ガラスの耐熱性が高いことから，熱線吸収フィルタ５が不要になる場合がある。
前記フレネルレンズ６で偏向された光束８はＹ軸の上下方向に偏向され、Ｘ−Ｙ平面上で光がシート状になるので、測定に好適な領域を光シート９として利用することができる。
このため、光は各屈折面で屈折され焦点に向かうため球面レンズと同様な効果を有し、さらに屈折面が不連続であるので各屈折面の角度は自由に設定でき、薄板状の短焦点レンズとすることができるので装置の小型化に有用である。また、フレネルレンズはプリズムの集合体であるので、各プリズムの角度を自由に設計・加工することができるという利点がある。このため、明るい球面収差の少ないレンズを作ることが可能になる。フレネルレンズはガラス又はプラスチック等によって作られるが、構造上微細な形状を必要とするため、一般的には、プラスチック樹脂を圧縮成形することによって作製している。材質としてはアクリル樹脂・ポリカーボネート・高密度ポリエチレン等から選択することができる。
フレネルレンズをガラスで作製する場合は，ガラスの耐熱性が高いことから，熱線吸収フィルタ５が不要になる場合がある。
前記フレネルレンズ６で偏向された光束８はＹ軸の上下方向に偏向され、Ｘ−Ｙ平面上で光がシート状になるので、測定に好適な領域を光シート９として利用することができる。
次に、本発明のフルネルレンズを用いた面照明装置を特開２００３−８４００５で開示された液体の流動計測システムの、計測装置におけるレーザー光発振機構を除いて組み込んだ例を図３に示す。
図３は、流体の流動場３０として水の流動場の実験例を示すものである。流動場としては、容器３１あるいは配管内にノズル３２より水を噴出させて流体としての水の流動場３０を形成している。
図３は、流体の流動場３０として水の流動場の実験例を示すものである。流動場としては、容器３１あるいは配管内にノズル３２より水を噴出させて流体としての水の流動場３０を形成している。
面照明装置３３は、流体の流動場３０にＬＥＤ管による照射光をシート状に照射して前記流体流動場３０に光シート３４を形成し、該光シート３４により流体の流動場３０を可視化している。この流動計測システム例では、流体流動場３０の奥行き方向の空間分解能を確保するために、ＬＥＤ照射光をシート状に照射している。
面照明装置３３からシート状に照射されるＬＥＤ照射光により、流体の流動場３０に光シート３４が形成され、流体の流動場３０がシート状に可視化される。そして、光シート３４の測定範囲３４ａに対向して画像伝送手段３５が設けられる。該画像伝送手段３５に近い容器３１壁には、前記光シート３４上の画像が画像撮像手段３６で撮像可能となるように、透過用窓ガラス３７が設置されている。
面照明装置３３からシート状に照射されるＬＥＤ照射光により、流体の流動場３０に光シート３４が形成され、流体の流動場３０がシート状に可視化される。そして、光シート３４の測定範囲３４ａに対向して画像伝送手段３５が設けられる。該画像伝送手段３５に近い容器３１壁には、前記光シート３４上の画像が画像撮像手段３６で撮像可能となるように、透過用窓ガラス３７が設置されている。
前記画像撮像手段３６は、光シート３４上の画像を伝送する画像伝送手段３５と、２次元粒子軌跡画像を撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ３７とを有する。画像伝送手段３５は光シート３４上の２次元粒子軌跡画像を撮像手段としてのＣＣＤカメラ３７に伝送させるようになっている。該画像伝送手段３５は、数千本から数万本の光ファイバを束ねて一体化（溶融）させた可撓性のイメージガイド３８が用いられる。イメージガイド３８は、束ねられた光ファイバ（図示せず）の両端面の各位置が正確に対応するように並設されて束ねられる。イメージガイド３８の両端面は平面に仕上げられ、対物レンズ３９により一方のファイバ端面に結像された画像を各画素ファイバとしての光ファイバ（図示せず）に分解し、同一画像をＣＣＤカメラ３７側のファイバ端面まで伝送していき、ファイバ端面からカメラレンズ４０を経てＣＣＤカメラ３７に記録される。画像撮像手段３６はイメージガイド３８を備えずに、光シート３４上の２次元粒子軌跡画像を直接撮像できるようにしてもよい。
また、この流体の流動計測システム例では、タイミングコントロール手段５０が備えられている。該タイミングコントロール手段５０は、タイミングスケジューラ５１とシンクロナイザ５２とから構成されている。
タイミングスケジューラ５１からのタイミングでＬＥＤ管よりの照射がコントロールされる一方、この照射タイミングとシンクロナイザ５２で同期をとってＣＣＤカメラ３７が駆動される。すなわち、タイミングコントロール手段５０は、ＬＥＤによる照射と操作手段としてのＣＣＤカメラ３７との同期をとって駆動させるようになっている。
ＣＣＤカメラ３７には、例えば、近赤外線領域に感度を持つ解像度ＶＧＡ（６４０×４８０ｐｉｘｅｌｓ）、フレームレート３０Ｈｚ、８ビット（モノクロ２５６階調）のものが用いられる。ＣＣＤカメラ３７は、光シート３４上の２次元粒子軌跡画像をＬＥＤ管の照射タイミングと同期をとって撮像しており、ＣＣＤカメラ３７で撮像されたアナログの画像信号は画像処理手段３５に送られて画像処理され、粒子軌跡追跡法により流体の流動場３０における流体の流速分布や流れ方向が計測される。ＣＣＤカメラ３７には、例えば、逐次読出方式（プログレッシブスキャン）のカメラが用いられ、配列されたＣＣＤの奇数ライン、偶数ラインの電荷蓄積時間は同時に行われる。このＣＣＤカメラ３７は通常のカメラに較べ垂直方向の解像度に優れている。
タイミングコントロール手段５０を用いずに，ＬＥＤ管からは連続照射とし，ＣＣＤカメラ３７の撮像タイミングをコントロールしてもよい。
タイミングスケジューラ５１からのタイミングでＬＥＤ管よりの照射がコントロールされる一方、この照射タイミングとシンクロナイザ５２で同期をとってＣＣＤカメラ３７が駆動される。すなわち、タイミングコントロール手段５０は、ＬＥＤによる照射と操作手段としてのＣＣＤカメラ３７との同期をとって駆動させるようになっている。
ＣＣＤカメラ３７には、例えば、近赤外線領域に感度を持つ解像度ＶＧＡ（６４０×４８０ｐｉｘｅｌｓ）、フレームレート３０Ｈｚ、８ビット（モノクロ２５６階調）のものが用いられる。ＣＣＤカメラ３７は、光シート３４上の２次元粒子軌跡画像をＬＥＤ管の照射タイミングと同期をとって撮像しており、ＣＣＤカメラ３７で撮像されたアナログの画像信号は画像処理手段３５に送られて画像処理され、粒子軌跡追跡法により流体の流動場３０における流体の流速分布や流れ方向が計測される。ＣＣＤカメラ３７には、例えば、逐次読出方式（プログレッシブスキャン）のカメラが用いられ、配列されたＣＣＤの奇数ライン、偶数ラインの電荷蓄積時間は同時に行われる。このＣＣＤカメラ３７は通常のカメラに較べ垂直方向の解像度に優れている。
タイミングコントロール手段５０を用いずに，ＬＥＤ管からは連続照射とし，ＣＣＤカメラ３７の撮像タイミングをコントロールしてもよい。
また、画像処理手段６０は、ＣＣＤカメラ３７からのアナログ画像信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器としてのフレームグラバボード６１と、このフレームグラバボード６１からデジタル画像信号がＰＣＩバス等の信号線６２を介して送られ、デジタル画像処理するコンピュータ６３とを有する。
この流体の流動計測システム例では、ＣＣＤカメラ３７にてアナログ撮影し、画像処理手段６０によりデジタル処理し、デジタル録画するアナログ撮影・デジタル録画方式を採用している。
本発明の面照明装置を、以上の構成からなる流体の流動計測システムに用いれば、ランニングコストを低く抑えることができる。
この流体の流動計測システム例では、ＣＣＤカメラ３７にてアナログ撮影し、画像処理手段６０によりデジタル処理し、デジタル録画するアナログ撮影・デジタル録画方式を採用している。
本発明の面照明装置を、以上の構成からなる流体の流動計測システムに用いれば、ランニングコストを低く抑えることができる。
本発明の面照明装置は、複雑な流動場における流体の流動を高精度かつ精密に測定する流体の流動計測技術において、特に閉空間内を流動する流体の流速および流れ方向を計測する際に用いる面照明装置として利用することができる。
１：面照明装置全体
２：ＬＥＤ管
３：コリメータレンズ
４：平行光
５：熱線吸収フィルタ
６：フレネルレンズ
７：電源
８：偏向光
９：光シート
２：ＬＥＤ管
３：コリメータレンズ
４：平行光
５：熱線吸収フィルタ
６：フレネルレンズ
７：電源
８：偏向光
９：光シート
Claims (1)
- ３次元空間にシート状の光を生成させる面照明装置であって、光源として用いるＬＥＤ管と、該ＬＥＤ管から照射された光を平行光に偏向させるためのコリメータレンズと、該コリメータレンズにより生成した平行光の熱を吸収し透過させるための熱線吸収フィルタと、該熱線吸収フィルタを透過してきた光を平面状に偏向させるための表面にフレネル加工を施した光学プリズムと、前記ＬＥＤ管を発光させるための電源とからなり、前記ＬＥＤ管と前記コリメータレンズと、前記熱線吸収フィルタと、前記フレネル加工を施した光学プリズムとをこの順序にて同一中心線上で配置してなることを特徴とする面照明装置。
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| JP2008063038A JP5029908B2 (ja) | 2008-03-12 | 2008-03-12 | フルネルレンズを用いた面照明装置 |
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