JP5778974B2 - 内部観察装置および内部観察方法 - Google Patents
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Description
これに対し、従来における通常のカメラのバリフォーカル光学系は、光軸方向の寸法を小さくするために、レンズの外周部には、次のように、ピント調節機構や焦点距離変更機構などを設けている。バリフォーカル光学系の各レンズの外周には、当該レンズを保持する保持移動片が取り付けられる。保持移動片は、レンズと共に、バリフォーカル光学系の光軸方向に移動可能である。保持移動片を駆動するための駆動装置(ピント調節機構や焦点距離変更機構など)は、光軸に対する径方向に関して、保持移動片よりも外側に設けられる(例えば、特許文献2)。
そのため、このような寸法の光学系構成を収容した箱体を、内部空間形成体(例えば、炉壁)に形成された狭隘な点検穴から内部空間形成体内へ挿入することは困難である。
前記レーザ投光装置は、内部空間形成体の壁に設けられた穴から内部空間形成体内に挿入され、投光窓を有する箱体と、
前記箱体の内部に設けられ、レーザ光源からの前記レーザ光が通過するバリフォーカル光学系と、を備え、
前記バリフォーカル光学系からの前記レーザ光が、前記投光窓を通して前記箱体内から内部空間形成体内へ投光されるようになっており、
前記バリフォーカル光学系は、直列に配置された複数のレンズ体を有し、
各レンズ体は、前記レーザ光が通過する1つまたは複数のレンズと、該1つまたは複数のレンズを保持するとともに前記バリフォーカル光学系の光軸方向に移動可能な保持移動片と、を有し、
前記箱体の内部に設けられ、前記複数のレンズ体を互いに独立して前記光軸方向に移動させることにより、前記バリフォーカル光学系より上流側での前記レーザ光を内部空間形成体内側で結像する結像位置と結像サイズを調節可能な駆動装置を備え、
前記駆動装置は、
前記保持移動片毎に設けられ、前記バリフォーカル光学系の前記光軸方向に該保持移動片を駆動するアクチュエータを有し、
前記各保持移動片において対応する前記アクチュエータから駆動力を受ける駆動力伝達部分は、前記バリフォーカル光学系の光軸を回る周方向において互いにずれて配置されており、各アクチュエータは、前記光軸方向から見て、対応する前記駆動力伝達部分に重なるように配置されており、
前記撮像装置は、前記箱体の内部であって前記レーザ投光装置に前記光軸方向の直列に設けられ、撮像素子の受光面に前記観察対象部を結像させるバリフォーカル光学系を備え、前記観察対象部を前記箱体に設けられた覗き窓から撮像することを特徴とする。
保持移動片毎に、検出した該保持移動片の位置に基づいて、対応する前記アクチュエータを制御することにより、予め求められた設定位置まで該保持移動片を移動させる制御装置と、をさらに備え、
前記箱体を前記穴から内部空間形成体内へ挿入した状態において、前記バリフォーカル光学系から内部空間形成体内側の観察対象部までの既知の距離に対して、該観察対象部における複数の前記結像サイズが予め定められており、
前記結像サイズ毎に、前記観察対象部において該結像サイズを得るための各保持移動片の位置が、前記設定位置として予め求められて前記制御装置の記憶部に記憶されている。
前記各保持移動片を前記光軸方向に案内するように該保持移動片に係合する案内機構と、
前記光軸方向に延び、前記保持移動片に螺合するネジ軸と、を有し、
前記各アクチュエータは、対応する前記ネジ軸を回転させることにより、前記案内機構の案内で、前記保持移動片を前記光軸方向に移動させるモータである。
前記撮像装置において、少なくとも2つの前記保持移動片は、前記バリフォーカル光学系の前記光軸方向に互いに独立して移動可能な前記保持移動片であり、
前記撮像装置は、前記箱体の内部に設けられ、前記少なくとも2つの前記保持移動片を互いに独立して前記光軸方向に移動させることにより、前記バリフォーカル光学系による前記受光面での前記観察対象部の結像倍率を調節する駆動装置を備える。
人に操作されることにより、前記各アクチュエータを互いに独立して制御可能な指令装置と、を備える。
(A)前記箱体を内部空間形成体内に挿入し、
(B)前記バリフォーカル光学系と前記投光窓を通して前記レーザ光を、内部空間形成体内側の前記観察対象部へ照射し、
(C)前記観察対象部を、前記撮像装置により撮像してディスプレイに表示させ、
(D)前記表示された観察対象部において、照射されているレーザ照射範囲の周縁がシャープになるように、前記レンズ体の位置を調整する、ことを特徴とする。
前記各保持移動片において対応する前記アクチュエータから駆動力を受ける駆動力伝達部分は、バリフォーカル光学系の光軸を回る周方向において互いにずれて配置されており、各アクチュエータは、前記光軸方向から見て、対応する前記駆動力伝達部分に重なるように配置されているので、箱体の内径を小さく抑えることができる。従って、箱体を狭い点検穴から内部空間形成体内へ挿入できる。
よって、内部空間形成体内側の観察対象部にレーザ光を結像させつつ、レーザ光の結像サイズを調節可能であるとともに、箱体を狭隘な点検穴から内部空間形成体内へ挿入できる。
内部観察装置10は、レーザ投光装置20と撮像装置30を備える。本実施形態では、レーザ投光装置20によりレーザ光が照射された観察対象部Rを、撮像装置30により撮像する。なお、図1において、符号3bは、炉内3aと炉外を区画する炉壁を示す。
以下、レーザ投光装置20、撮像装置30の順に説明する。
図2、図3は、本発明の実施形態によるレーザ投光装置20を示す。図2(A)は、図1の内部観察装置10の部分拡大図であり、レーザ投光装置20を示す。図2(B)は、図2(A)の2B−2B矢視断面図である。図2(C)は、図2(B)の2C−2C矢視図であり、箱体の内部を透視した図である。なお、図2(A)は、図2(B)の2A−2A矢視断面図でもある。
図3(A)は、図2(A)の3A−3A矢視断面図であり、図3(B)は、図2(A)の3B−3B矢視断面図である。図3(A)において、後述する保持移動片13a、特に、保持移動片13aにおけるネジ軸17aとの螺合部分の図示を省略している。図3(B)において、後述する保持移動片13a,13b、特に、保持移動片13a,13bにおけるネジ軸17a,17bとの螺合部分の図示を省略している。
図3(C)は、図3(B)の3C−3C矢視図であり、箱体5の内部を透視した図である。
このような構成により、箱体5内の温度上昇を抑えることができる。
レンズ12は、両凸レンズ、平凸レンズ、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズ、平凹レンズまたは両凹レンズである。
制御装置22は、記憶部22aを有し、この記憶部22aに、前記各設定位置が記憶されている。
また、このように求めた距離(光路長)と結像サイズと各レンズ体11a,11b,11cの設定位置とを互いに関連付けた制御データを記憶部22aに記憶させておく。
例えば、前記制御データに誤差が存在する場合に、保持移動片13a(レンズ体11a)の位置を微調整することにより、レーザ光を観察対象部Rに正確に結像させることができる。すなわち、観察対象部Rにおけるレーザ光の照射領域の周縁がシャープになるように、保持移動片13aの位置を調整(微調整)することができる。
また、観察対象部Rに奥行があり、投光窓5aから観察対象部Rにおける複数の局所位置までの距離が、局所位置に応じて変化する場合に、保持移動片13aの位置を調整することにより、所望の局所位置にレーザ光を正確に結像させることができる。
また、前記挿入状態で、箱体5の軸回りに箱体5を回転させて、異なる観察対象部Rにレーザ光を照射するときに、投光窓5aから観察対象部Rまでの距離が観察対象部Rに応じて変化する場合に、保持移動片13aの位置を調整することにより、各観察対象部Rにレーザ光を正確に結像させることができる。
穴3cに挿入したときの箱体5の向きによって上記ステップS1で求める距離が大きく異なり、各向きで、炉内3aを観察する場合。
複数の炉3の穴3cに箱体5を挿入するときに、対象とする炉3によって上記ステップS1で求める距離が異なる場合。
このような場合には、異なる距離毎に、上述のステップS1〜S3を行い、その後、ステップS4では、入力装置24を人が操作することにより、これら複数の距離のいずれかを選択し、さらに、選択した距離についてステップS2で定めた複数の結像サイズのいずれかを選択する。その後、ステップS5、S6を行う。
ミラー駆動装置25は、揺動ミラー23を揺動軸C1回りに所望の角度だけ揺動させることにより、揺動ミラー23の姿勢を調節する。ミラー駆動装置25は、図示しない制御装置により制御される。
ミラー駆動装置25は、図3(C)の例では、アクチュエータ27とネジ軸29と移動片31と案内機構33とリンク機構35とを有する。
ネジ軸29は、前記光軸方向に延びており、移動片31に螺合している。
移動片31は、モータ27によりネジ軸29が回転させられると、案内機構33により案内されて光軸方向に移動させられる。
案内機構33は、この例では、箱体5に固定された固定部材34に形成された貫通孔である。貫通孔33は、固定部材34を光軸方向に貫通している。貫通孔33に移動片31が嵌合していることにより、移動片31の移動方向が光軸方向に案内される。
リンク機構35は、移動片31の直線運動を、揺動ミラー23の揺動運動に変換する。リンク機構35は、図3(C)の例では、第1リンク35aと第2リンク35bとからなる。第1リンク35aの一端部は、軸C2回りに回転可能に移動片31に結合される。第1リンク35aの他端部は、軸C3回りに回転可能に第2リンク35bの一端部に結合される。第2リンク35bの他端部は、揺動軸C1回りに回転可能になっている。第2リンク35bには揺動ミラー23が固定されている。揺動軸C1は、箱体5に固定されている。
一例として、内部の光束の最大直径が12mm程度であり、光ファイバ端面8a側焦点距離を6mm〜15mmの範囲で調整可能なバリフォーカル光学系7を用い、直径8mm程度のモータ19c、19b、19dを用いた場合に、箱体5の内径を50mm程度にすることができる。
また、従来においては、このような配管内に十分な光量でレーザ光を照射できなかったが、本実施形態では、レーザ光の結像サイズを調節することにより、前記配管内に十分な光量でレーザ光を照射できる。さらに、後述の撮像装置30により撮像範囲と撮像倍率を調節することにより、従来では不明瞭であった前記配管内の画像を改善することができる。
この場合、後述の撮像装置30のバリフォーカル光学系41により、所望の倍率で観察対象部Rの画像を得ることができるので、短時間で炉壁3bを詳細に観察できる。
図7は、図1の内部観察装置10に設けられる撮像装置30を示す。図7(A)は、図1の内部観察装置10の部分拡大図であり、撮像装置30を示す。図7(B)は、図7(A)の7B−7B矢視断面図である。なお、図7(A)は、図7(B)の7A−7A矢視図であり、内部を透視した図でもある。
図8(A)は、図7(B)の8A−8A矢視図であり、内部を透視した図である。図8(B)は、図7(B)の8B−8B矢視図であり、内部を透視した図である。
図9(A)は、図7(A)の9A−9A矢視断面図である。図9(B)は、図9(A)の9B−9B矢視図であり、内部を透視した図である。
図7(A)では、後述のレンズ体45b,45cとこれらに関連する部材の図示を省略している。図8(A)では、レンズ体45a,45cとこれらに関連する部材の図示を省略している。図8(B)では、レンズ体45a,45bとこれらに関連する部材の図示を省略している。図9(B)では、レンズ体45a,45b,45cとこれらに関連する部材の図示を省略している。
鏡筒55は、箱体5内に設けられ箱体5に固定されている。鏡筒55は、複数のレンズ体45a,45b,45c,45dを内部に収容する。鏡筒55の側壁には、その軸方向に延びる複数の長孔49a,49b,49c,49dとして形成されている。長孔49a,49b,49c,49dは、鏡筒55の厚み方向に鏡筒55の側壁を貫通しているとともに、光軸方向に延びている。長孔49a,49b,49c,49dは、アクチュエータ53a,53b,53cにより保持移動片47a,47b,47c,47dが駆動された時に、それぞれ、保持移動片47a,47b,47c,47dを光軸方向に案内するように当該保持移動片に係合する。
各保持移動片47a,47b,47cは、それぞれ、鏡筒55内においてレンズ体45a,45b,45cに結合しており、鏡筒55内から長孔49a,49b,49cを通って鏡筒55外まで延びており、鏡筒55外においてネジ軸51a,51b,51cと螺合している。
また、このように求めた距離(光路長)と結像倍率と各レンズ体45a,45b,45cの設定位置とを互いに関連付けた制御データを記憶部59aに記憶しておく。
なお、ステップS14とステップS4における箱体5の挿入は、1つの動作である。すなわち、ステップS14において箱体5を前記挿入状態にすることにより、ステップS4において箱体5を挿入状態にすることになる。
例えば、前記制御データに誤差が存在する場合に、保持移動片47a,47d(レンズ体45a、45d)の位置を微調整することにより、観察対象部Rを前記受光面39aに正確に結像させることができる。
また、観察対象部Rに奥行があり、覗き窓5bから観察対象部Rにおける複数の局所位置までの距離が、局所位置に応じて変化する場合に、保持移動片47a,47dの位置を調整することにより、所望の局所位置を前記受光面39aに正確に結像させることができる。
また、前記挿入状態で、箱体5の軸回りに箱体5を回転させて、異なる観察対象部Rを撮像するときに、覗き窓5bから観察対象部Rまでの距離が観察対象部Rに応じて変化する場合に、保持移動片47a,47dの位置を調整することにより、各観察対象部Rを前記受光面39aに正確に結像させることができる。
穴3cに挿入したときの箱体5の向きによって上記ステップS11で求める距離が大きく異なり、各向きで、炉内3aを観察する場合。
複数の炉3の穴3cに箱体5を挿入するときに、対象とする炉3によって上記ステップS11で求める距離が異なる場合。
このような場合には、異なる距離毎に、上述のステップS11〜S13を行い、その後、ステップS14では、入力装置24を人が操作することにより、これら複数の距離のいずれかを選択し、さらに、選択した距離についてステップS12で定めた複数の結像倍率のいずれかを選択する。その後、ステップS15、S16を行う。
ミラー駆動装置63は、揺動ミラー61を揺動軸C4回りに所望の角度だけ揺動させることにより、揺動ミラー61の姿勢を調節する。ミラー駆動装置63は、図示しない制御装置により制御される。
ミラー駆動装置63は、図9(B)の例では、アクチュエータ65とネジ軸67と移動片69と案内機構71とリンク機構73とを有する。
ネジ軸67は、前記光軸方向に延びており、移動片69に螺合している。
移動片69は、モータ65によりネジ軸67が回転させられると、案内機構71により案内されて光軸方向に移動させられる。
案内機構71は、この例では、箱体5に固定された固定部材75に形成された貫通孔である。貫通孔71は、固定部材75を光軸方向に貫通している。貫通孔71に移動片69が嵌合していることにより、移動片69の移動方向が光軸方向に案内される。
リンク機構73は、移動片69の直線運動を、揺動ミラー61の揺動運動に変換する。リンク機構73は、図9(C)の例では、第1リンク73aと第2リンク73bとからなる。第1リンク73aの一端部は、軸C5回りに回転可能に移動片69に結合される。第1リンク73aの他端部は、軸C6回りに回転可能に第2リンク73bの一端部に結合される。第2リンク73bの他端部は、揺動軸C4回りに回転可能になっている。第2リンク73bには揺動ミラー61が固定されている。揺動軸C4は、箱体5に固定されている。
光学フィルタ77は、箱体5内に設けられ、撮像素子39の上流側に位置する。図7(A)の例では、光学フィルタ77は、撮像素子39とレンズ体45aとの間であって、鏡筒55の端部に位置する。光学フィルタ77は、一例では、レーザ投光装置20によるレーザ光と同じ波長の光のみを透過させるものである。代わりに、光学フィルタ77は、前記レーザ光の波長を有する光だけでなく、所望の他の波長を有する光も透過させるものであってもよい。
コールドフィルタ79は、箱体5内に設けられ、炉内3aからの熱線をカットする。図7(A)の例では、レンズ体45dの上流であって、鏡筒55の端部に位置する。
一例として、内部の光束の最大直径が12mm程度であり、0.5インチ程度の受光面39aを持つ撮像素子39に結像でき、受光面側の焦点距離を36mm〜180mmの範囲で調整可能なバリフォーカル光学系41を用い、直径8mm程度のモータ53a,53b,53cを用いた場合に、箱体5の内径を50mm程度にすることができる。
上述したレーザ投光装置20と撮像装置30を備える内部観察装置10を用いて、熱風炉3の内部空間3a内側の観察対象部Rを観察した結果について説明する。
使用したレーザ:YAGレーザの第2高調波(波長532nm)
観察対象部Rにおけるレーザ強度:0.7W/cm2
撮像素子39:CCD
箱体5の内径:50mm
光学フィルタ77:波長が532nmの光を主に透過させる透過フィルタ
観察対象部Rとして、箱体5から3mの位置にある炉壁3bと、箱体5から13mの位置にある連絡管の内面とを選んだ。連絡管は、炉壁3bに形成された接続穴に接続されている配管である。
比較例において、レーザ光を投光する光学系と撮像装置の光学系は、箱体5から3mの位置に固定焦点を有する。比較例では、観察対象部Rにおけるレーザ強度は、観察対象部Rが箱体5から3mの位置にある炉壁3bである場合には、上述と同じであるが、観察対象部Rが箱体5から13mの位置にある連絡管の内面である場合には、前記固定焦点のため低下している。比較例において、それ以外の点は上述した本発明の場合と同じである。
なお、本発明のレーザ投光装置20と内部観察装置10は、内部空間形成体3内の冷間観察でも熱間観察にも使用可能であるが、内部が1100℃以上になっており輻射により発光している熱風炉や加熱炉などの炉内の熱間観察に特に適している。すなわち、内部が1100℃以上の炉内の観察対象部に対しレーザ投光装置20によりレーザ光を照射する場合に、当該レーザ照射領域において、レーザ投光装置20が照射するレーザ光の強度(単位面積当たりのレーザ光のエネルギー)を、輻射光の強度(単位面積当たりの輻射光の放出エネルギー)以上にすることができ、これにより、当該観察対象部のより鮮明な画像を撮像装置30で獲得することができる。
Claims (7)
- 内部空間を有する内部空間形成体内へレーザ光を投光するとともに、内部空間形成体内側における前記レーザ光の結像位置と結像サイズを調節可能なレーザ投光装置と、前記レーザ光が照射された内部空間形成体内側の観察対象部を撮像する撮像装置と、を備える内部観察装置であって、
前記レーザ投光装置は、内部空間形成体の壁に設けられた穴から内部空間形成体内に挿入され、投光窓を有する箱体と、
前記箱体の内部に設けられ、レーザ光源からの前記レーザ光が通過するバリフォーカル光学系と、を備え、
前記バリフォーカル光学系からの前記レーザ光が、前記投光窓を通して前記箱体内から内部空間形成体内へ投光されるようになっており、
前記バリフォーカル光学系は、直列に配置された複数のレンズ体を有し、
各レンズ体は、前記レーザ光が通過する1つまたは複数のレンズと、該1つまたは複数のレンズを保持するとともに前記バリフォーカル光学系の光軸方向に移動可能な保持移動片と、を有し、
前記箱体の内部に設けられ、前記複数のレンズ体を互いに独立して前記光軸方向に移動させることにより、前記バリフォーカル光学系より上流側での前記レーザ光を内部空間形成体内側で結像する結像位置と結像サイズを調節可能な駆動装置を備え、
前記駆動装置は、
前記保持移動片毎に設けられ、前記バリフォーカル光学系の前記光軸方向に該保持移動片を駆動するアクチュエータを有し、
前記各保持移動片において対応する前記アクチュエータから駆動力を受ける駆動力伝達部分は、前記バリフォーカル光学系の光軸を回る周方向において互いにずれて配置されており、各アクチュエータは、前記光軸方向から見て、対応する前記駆動力伝達部分に重なるように配置されており、
前記撮像装置は、前記箱体の内部であって前記レーザ投光装置に前記光軸方向の直列に設けられ、撮像素子の受光面に前記観察対象部を結像させるバリフォーカル光学系を備え、前記観察対象部を前記箱体に設けられた覗き窓から撮像する、ことを特徴とする内部観察装置。 - 前記レーザ投光装置は、前記保持移動片毎に設けられ、該保持移動片の位置を検出する位置センサと、
保持移動片毎に、検出した該保持移動片の位置に基づいて、対応する前記アクチュエータを制御することにより、予め求められた設定位置まで該保持移動片を移動させる制御装置と、をさらに備え、
前記箱体を前記穴から内部空間形成体内へ挿入した状態において、前記バリフォーカル光学系から内部空間形成体内側の観察対象部までの既知の距離に対して、該観察対象部における複数の前記結像サイズが予め定められており、
前記結像サイズ毎に、前記観察対象部において該結像サイズを得るための各保持移動片の位置が、前記設定位置として予め求められて前記制御装置の記憶部に記憶されている、ことを特徴とする請求項1に記載の内部観察装置。 - 前記レーザ投光装置の前記駆動装置は、
前記各保持移動片を前記光軸方向に案内するように該保持移動片に係合する案内機構と、
前記光軸方向に延び、前記保持移動片に螺合するネジ軸と、を有し、
前記各アクチュエータは、対応する前記ネジ軸を回転させることにより、前記案内機構の案内で、前記保持移動片を前記光軸方向に移動させるモータである、ことを特徴とする請求項1または2に記載の内部観察装置。 - 前記撮像装置の前記バリフォーカル光学系は、直列に配置された複数のレンズ体を有し、該各レンズ体は、前記観察対象部からの光が通過する1つまたは複数のレンズと、該1つまたは複数のレンズを保持するとともに該バリフォーカル光学系の光軸方向に移動可能な保持移動片と、を有し、
前記撮像装置において、少なくとも2つの前記保持移動片は、前記バリフォーカル光学系の前記光軸方向に互いに独立して移動可能な前記保持移動片であり、
前記撮像装置は、前記箱体の内部に設けられ、前記少なくとも2つの前記保持移動片を互いに独立して前記光軸方向に移動させることにより、前記バリフォーカル光学系による前記受光面での前記観察対象部の結像倍率を調節する駆動装置を備える、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の内部観察装置。 - 前記撮像装置の前記バリフォーカル光学系は、直列に配置された複数の前記レンズ体を内部に収容し前記光軸方向に延びる鏡筒を有し、
前記鏡筒は、該鏡筒の厚み方向に該鏡筒の側壁を貫通しているとともに前記光軸方向に延びる長孔を有し、
前記撮像装置の前記駆動装置は、前記撮像装置の前記保持移動片の移動を案内する案内機構と、
前記光軸方向に延びるネジ軸と、
前記撮像装置の前記ネジ軸を回転させるアクチュエータと、を有し、
前記撮像装置の前記ネジ軸と前記撮像装置の前記アクチュエータとは、前記鏡筒の外に位置し、
前記撮像装置の前記案内機構は、前記長孔であり、
前記保持移動片は、前記鏡筒の内部から前記長孔を通って該鏡筒の外部まで延び前記撮像装置の前記ネジ軸に螺合し、前記撮像装置の前記アクチュエータが前記撮像装置の前記ネジ軸を回転させることにより前記長孔の案内で前記光軸方向に移動する、ことを特徴とする請求項4に記載の内部観察装置。 - 前記撮像装置により得た画像データを表示するディスプレイと、
人に操作されることにより、前記各アクチュエータを互いに独立して制御可能な指令装置と、を備える、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の内部観察装置。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の内部観察装置を用いた内部観察方法であって、
(A)前記箱体を内部空間形成体内に挿入し、
(B)前記バリフォーカル光学系と前記投光窓を通して前記レーザ光を、内部空間形成体内側の前記観察対象部へ照射し、
(C)前記観察対象部を、前記撮像装置により撮像してディスプレイに表示させ、
(D)前記表示された観察対象部において、照射されているレーザ照射範囲の周縁がシャープになるように、前記レンズ体の位置を調整する、ことを特徴とする内部観察方法。
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