JP6418591B2 - 火炎中の粒子の撮像方法および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は火炎中の粒子の撮像方法および撮像装置に関し、特に火炉中で燃焼される液体または固体の粒子の状態を計測する場合に適用して有用なものである。

空中に浮遊する粒子群を構成する粒子を撮像する場合、シャドウ法が利用されている。シャドウ法とは、ハロゲンランプやパルスレーザ光源といった光源が照射する光を背景光として液体および固体の粒子の影を撮影するもので、流れ場上の粒子の形状およびその速度を計測する際に適用される。

図４に、従来のシャドウ法による粒子の撮像装置を示す。同図に示すように、多数の粒子１からなる粒子群は、本例の光源であるパルスレーザ光源２と撮像手段であるカメラ３との間の空間に浮遊している。パルスレーザ光源の前方にはスペックルキラー４、凸フレネルレンズ５および拡散板６が、この順序で配設してある。また、カメラ３の前方には、長距離顕微鏡７が配設してある。

かくして、スペックルキラー４によりスペックルノイズを除去したレーザ光Ｌを、凸フレネルレンズ５を介して拡散板６に当てて背景光とし、粒子１の影を長距離顕微鏡７で拡大して撮像手段であるカメラ３で撮像する。そして、図示は省略しているが、撮像した粒子１の像に基づき粒子形状を計測するとともに、複数画像における特定の粒子１の距離に基づき移動速度を計測する。

上述の従来の撮像装置では、次の理由により火炎中の粒子を明瞭に撮像することはできない。図５は流れ場に浮遊する粒子およびカメラ部分を模式的に示す説明図、図６は図５の各場合のカメラによる撮像画像を示す説明図である。両図中、図４と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

図５（ａ）および図６（ａ）に示すように、火炎中ではない、通常の流れ場に浮遊している粒子１が、図５（ｂ）および図６（ｂ）に示すように、火炎８中に浮遊している場合は、粒子１とともに火炎８が写り込むことにより粒子１の形状が不明瞭になる。また、図５（ｃ）および図６（ｃ）に示すように、火炎８中に浮遊していなくても近傍に火炎８が存在する場合は、火炎８の粒子１による反射光により粒子１自体の像が不明瞭になる。

このように、シャドウ法では、火炎８中、またはその近傍の粒子１の撮影に対して適用すると火炎８の写り込みや赤熱した粒子１からの発光、粒子１表面での火炎８からの光の反射等によって、明瞭な粒子像を得ることが困難となってしまう。

実際に従来の方法で粒子１を撮影した場合には、火炎８の写り込み等により、所定の計測を行うことができなかった。また、火炎８が写り込まない火炎８の付近で計測した場合でも、コントラストが悪く、ぼやけた粒子像となった。

なお、係る場合に明瞭な粒子群の像を得る公知技術として、例えば特許文献１が存在するが、粒子個々の形状を計測することができず、粒子径やその粒子速度等の計測に利用する画像データとしては充分なものではない。したがって、粒子形状およびこれに基づく移動速度を高精度に計測することは困難である。

特開平０８−２０１４１３号公報

本発明は、上記従来技術に鑑み、火炎中の粒子であっても明瞭な粒子像を得ることができる火炎中の粒子の撮像方法および撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の態様は、火炎を挟んで一方側に光源を配置するとともに、相対向する他方側に撮像手段を配置し、前記火炎中の粒子をシャドウ法により前記粒子の影として撮像する火炎中の粒子の撮像方法であって、前記光源としてパルスレーザ光源を配置し、前記撮像手段の前記火炎側にシャッター及びバンドパスフィルタを配置し、前記火炎中の粒子に向けてパルスレーザ光を照射し、前記パルスレーザ光の照射と同期して前記パルスレーザ光の照射されている時間のみ前記シャッターを開くとともに、前記パルスレーザ光の波長のみを前記バンドパスフィルタで選択して前記撮像手段に入射させるようにすることにより前記粒子の影を撮像することを特徴とする火炎中の粒子の撮像方法にある。

本態様によれば、パルスレーザ光源からのパルスレーザ光を背景光として火炎中の粒子を撮像しても、前記パルスレーザ光の照射と同期してシャッターを開くことにより火炎の映り込みを可及的に防止するとともに、パルスレーザ光源の波長のみをバンドパスフィルタで選択しているので、パルスレーザ光源からのパルスレーザ光の波長のみが選択され、その影として取り込まれる粒子の画像を明瞭に撮像することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する火炎中の粒子の撮像方法において、前記パルスレーザ光源は、予め行った前記火炎の分光分析の結果、前記火炎の光強度が小さい領域の波長のパルスレーザ光を照射するものであることを特徴とする火炎中の粒子の撮像方法にある。

本態様によれば、パルスレーザ光源からのパルスレーザ光は火炎の光強度が小さい領域の波長を有しており、かつ係る波長のみのパルスレーザ光がバンドパスフィルタで選択されるので、より確実に火炎からのパルスレーザ光を遮断することができる。この結果、より確実に撮像手段による撮像画像に対する火炎の映り込みを防止して、コントラストが大きい明瞭な粒子像を得ることができる。

本発明の第３の態様は、火炎中の粒子に向けてパルスレーザ光を照射するパルスレーザ光源と、前記火炎を挟んで前記パルスレーザ光源と反対側に配設されたシャッターおよびバンドパスフィルタを介して前記火炎中の前記粒子をシャドウ法により前記粒子の影として撮像する撮像手段とを有する火炎中の粒子の撮像装置であって、前記パルスレーザ光の照射と同期して前記パルスレーザ光の照射されている時間のみ前記シャッターが開くように制御するとともに、前記バンドパスフィルタは前記パルスレーザ光源が照射する前記パルスレーザ光の波長のみを選択して前記撮像手段に入射させるものであり、前記撮像手段は、前記粒子の影を撮像するものであることを特徴とする火炎中の粒子の撮像装置にある。

本態様によれば、パルスレーザ光源からのパルスレーザ光を背景光として火炎中の粒子を撮像しても、前記パルスレーザ光の照射と同期してシャッターを開くことにより火炎の映り込みを可及的に防止するとともに、パルスレーザ光源の波長のみをバンドパスフィルタで選択しているので、パルスレーザ光源からのパルスレーザ光の波長のみが選択され、その影として取り込まれる粒子の画像を明瞭に撮像することができる。

本発明の第４の態様は、第３の態様に記載する火炎中の粒子の撮像装置において、前記パルスレーザ光源は、予め行った前記火炎の分光分析の結果、前記火炎の光強度が小さい領域の波長のパルスレーザ光を照射するものであることを特徴とする火炎中の粒子の撮像装置にある。

本態様によれば、パルスレーザ光源からのパルスレーザ光は火炎の光強度が小さい領域の波長を有しており、かつ係る波長のみの光がバンドパスフィルタで選択されるので、より確実に火炎からのパルスレーザ光を遮断することができる。この結果、より確実に撮像手段による撮像画像に対する火炎の映り込みを防止して、コントラストが大きい明瞭な粒子像を得ることができる。

本発明によれば、撮像手段のシャッターが光源からの光の照射に同期して開くとともに、バンドパスフィルタが光源からの光の波長のみを選択的に透過するようにしたので、火炎中の粒子であっても前記光を背景光として粒子の像（影）のみを選択的に撮像することが可能になる。

この結果、火炎中の粒子であってもコントラストが良好な、明瞭な画像を得ることができ、これに基づく粒子径の計測および粒子速度の高精度の計測に資することができる。

本発明の実施の形態に係る火炎中の粒子の移動速度の計測装置を示すブロック図である。 各種火炎の波長の強度特性を示す特性図である。 図１の装置で撮影した粒子像を示す写真である。 従来技術に係る火炎中の粒子の移動速度の計測装置を示すブロック図である。 流れ場に浮遊する粒子およびカメラ部分を模式的に示す説明図である。 図５の各場合のカメラによる撮像画像を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る火炎中の粒子の移動速度の計測装置を示すブロック図である。同図に示すように、本形態に係る計測装置は、図４に示す従来の計測装置にシャッター９とバンドパスフィルタ１０を追加したものである。さらに詳言すると、多数の粒子１からなる粒子群は、本例の光源であるパルスレーザ光源２と撮像手段であるカメラ３との間の火炎８中に浮遊している。パルスレーザ光源２の前方にはスペックルキラー４、凸フレネルレンズ５および拡散板６が、この順序で配設してある。火炎８中の粒子１の像は、長距離顕微鏡７を介し、シャッター９およびバンドパスフィルタ１０を経てカメラ３で撮像される。ここで、シャッター９は、火炎８が写り込む時間を可及的に短くするため、パルスレーザ光源２の発振によりパルスレーザ光Ｌが照射されている時間（例えば、１０ｎｓｅｃ程度の極短時間）以外は物理的にレーザ光Ｌを遮光してカメラ３の露光時間を最適化している。ちなみに、パルスレーザ光Ｌは、１０ｎｓｅｃ程度のパルスレーザ光Ｌとすることができるので、これに合わせてシャッター速度を選定する。本形態におけるシャッター９は複数枚の映像の連写が可能なように、連続して動作する。この結果、２枚の映像を比較して特定の粒子１の移動距離を計測し、この移動距離と移動時間に基づき移動速度を計測することができる。

このように、シャッター９の動作タイミングとパルスレーザ光との照射タイミングとを同期させることにより火炎８の写り込みを防止することができるが、本形態では、パルスレーザ光の波長域のみを選択するように、シャッター９で取り込んだ火炎８の映像をバンドパスフィルタ１０に通している。このことにより、火炎８の写り込みや赤熱した粒子１からの発光、粒子１の表面での火炎８からのパルスレーザ光の反射を極力抑えることができる。

さらに、本形態ではパルスレーザ光の波長の選択においても火炎８の写り込みを可及的に抑制するよう工夫している。すなわち、本形態では、事前に火炎８の分光計測を行い、火炎８がどのような光強度分布の波長成分を含んでいるのかを解明して図２に示すような分光特性を得、この分光特性に基づき、火炎８の光が弱い領域（例えば、図２における領域Ａ）の波長をパルスレーザ光の波長として採用し、背景光として用いる。同時に、バンドパスフィルタ１０が背景光の波長域（例えば、図２の領域Ａ）の光を透過させるものとしている。かくして、火炎８を光源とする光の強度を抑制しつつ、背景光の波長成分のみを撮像手段であるカメラ３で撮像し、粒子像を得ている。ここで、使用する燃料等の影響で、火炎８における光強度の波長分布は変わるため、火炎８の種類ごとに計測し、計測結果の分光特性に合わせてパルスレーザ光の波長およびバンドパスフィルタ１０の特性を最適化する。

本形態では、火炎８の写り込みを防止するため、１）シャッター９の動作タイミングの最適化、２）パルスレーザ光の波長とバンドパスフィルタ１０による波長の選択領域の最適化、３）カメラ３の露光時間の最適化の３種類の対策を講じているため、火炎８中の粒子１であっても充分なコントラストを有する画像を得ることができる。この画像の一例を図３に示す。

したがって、係る画像に基づき、粒子１の径および２枚の画像における粒子１の画像の移動距離に基づく移動速度を高精度に計測することができる。

なお、上記実施の形態では、光源をパルスレーザ光源としたが、これに限定するものではない。例えば、ハロゲンランプ等でも良い。ただ、短パルスの強力な光が得られるという点では、パルスレーザ光を照射するパルスレーザ光源が最適である。

また、事前に火炎の分光計測を行い、この計測結果で撮像条件の最適化を計ることは、必ずしも必要ではない。火炎８の種類によっては、たまたま光強度が小さい波長域に光源からの光の特性が合致する場合があるからである。

本発明は液体燃料および固体燃料の燃焼場における挙動等を定量的に把握する産業分野において有効に利用することができる。

１ 粒子
２ レーザ光源
３ カメラ
８ 火炎
９ シャッター
１０ バンドパスフィルタ

Claims (4)

1. 火炎を挟んで一方側に光源を配置するとともに、相対向する他方側に撮像手段を配置し、前記火炎中の粒子をシャドウ法により前記粒子の影として撮像する火炎中の粒子の撮像方法であって、
   前記光源としてパルスレーザ光源を配置し、前記撮像手段の前記火炎側にシャッター及びバンドパスフィルタを配置し、前記火炎中の粒子に向けてパルスレーザ光を照射し、前記パルスレーザ光の照射と同期して前記パルスレーザ光の照射されている時間のみ前記シャッターを開くとともに、前記パルスレーザ光の波長のみを前記バンドパスフィルタで選択して前記撮像手段に入射させるようにすることにより前記粒子の影を撮像することを特徴とする火炎中の粒子の撮像方法。
2. 請求項１に記載する火炎中の粒子の撮像方法において、
   前記パルスレーザ光源は、予め行った前記火炎の分光分析の結果、前記火炎の光強度が小さい領域の波長のパルスレーザ光を照射するものであることを特徴とする火炎中の粒子の撮像方法。
3. 火炎中の粒子に向けてパルスレーザ光を照射するパルスレーザ光源と、前記火炎を挟んで前記パルスレーザ光源と反対側に配設されたシャッターおよびバンドパスフィルタを介して前記火炎中の前記粒子をシャドウ法により前記粒子の影として撮像する撮像手段とを有する火炎中の粒子の撮像装置であって、
   前記パルスレーザ光の照射と同期して前記パルスレーザ光の照射されている時間のみ前記シャッターが開くように制御するとともに、前記バンドパスフィルタは前記パルスレーザ光源が照射する前記パルスレーザ光の波長のみを選択して前記撮像手段に入射させるものであり、前記撮像手段は、前記粒子の影を撮像するものであることを特徴とする火炎中の粒子の撮像装置。
4. 請求項３に記載する火炎中の粒子の撮像装置において、
   前記パルスレーザ光源は、予め行った前記火炎の分光分析の結果、前記火炎の光強度が小さい領域の波長のパルスレーザ光を照射するものであることを特徴とする火炎中の粒子の撮像装置。