JPWO2007135804A1 - Fluid measuring apparatus and fluid measuring method using laser-induced fluorescence method - Google Patents

Fluid measuring apparatus and fluid measuring method using laser-induced fluorescence method Download PDF

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Abstract

本発明のレーザ誘起蛍光法を用いた流体計測装置は、レーザ光が照射されると蛍光又は燐光を発生させる発光分子が混入された流体にレーザ光を照射して、発生した蛍光又は燐光に基づいて流体の特性を計測するものであり、計測対象の流体が流れる計測場１に複数のドット状の連続的なレーザ光を照射する照射装置２と、レーザ光の照射により計測場において発生した蛍光又は燐光を撮影する撮影装置３と、撮影された蛍光又は燐光の光跡の長さに基づいて流体の流速を、上記光跡の方向に基づいて流体の流れ方向を、上記光跡の起点における蛍光又は燐光の強度に基づいて流体の温度又は発光分子の濃度をそれぞれ算出する算出装置４とを具備する。これにより、微小な計測場においても流体の特性を計測することができる安価且つ簡単な計測装置が提供される。The fluid measuring device using the laser-induced fluorescence method of the present invention is based on the generated fluorescence or phosphorescence by irradiating the fluid mixed with the light emitting molecules that generate fluorescence or phosphorescence when irradiated with the laser light. Measuring the characteristics of the fluid, the irradiation device 2 for irradiating the measurement field 1 through which the fluid to be measured flows with a plurality of dots of continuous laser light, and the fluorescence generated in the measurement field by the irradiation of the laser light Alternatively, the imaging device 3 for imaging phosphorescence and the flow velocity of the fluid based on the length of the captured fluorescence or phosphorescence light trace, the flow direction of the fluid based on the direction of the light trace, and the origin of the light trace. And a calculation device 4 for calculating the temperature of the fluid or the concentration of the luminescent molecules based on the intensity of fluorescence or phosphorescence. Thereby, an inexpensive and simple measuring device capable of measuring the characteristics of the fluid even in a minute measuring field is provided.

Description

本発明は、レーザ誘起蛍光法を用いた流体計測装置及び流体計測方法に関する。   The present invention relates to a fluid measurement device and a fluid measurement method using a laser-induced fluorescence method.

一般的な流速計測法として、粒子画像流速測定法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：ＰＩＶ）が知られている。ＰＩＶでは、微細なトレーサー粒子を混入させた流体の流れにシート状の照明が当てられ、照明が当てられたトレーサー粒子からの散乱光が複数回撮影される。個々のトレーサー粒子は各撮影間隔において局所的な流速に従って移動すると考えられるため、上述したように撮影された画像のうち連続する２時刻の画像から、個々の粒子の移動距離と撮影時間間隔とに基づいて流体の流速や流れ方向が推定される。
しかし、マイクロオーダーの微細な流路や複雑な形状の流路等を流れる流体の特性を計測する場合、上記ＰＩＶを用いると、トレーサー粒子が流路に詰まる可能性があると共に、流体中にトレーサー粒子を均一に分散させるのが困難となる。また、ＰＩＶでは、一般に、撮影間隔の短い高速度カメラ或いはパルス間隔の短いダブルパルスレーザ等の高価な機材が必要であり、さらに撮影後の画像から流体の流速を算出するのに高度な画像処理が必要となる。
また、流速計測法としては、例えば特開平０８−２７８２５１号公報に記載されているような、レーザ誘起蛍光法（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ：ＬＩＦ）が知られている。レーザ誘起蛍光法とは、レーザ等の照射光によって発光分子を励起させ、発生した蛍光や燐光の強度等から物理量を計測する手法である。特開平０８−２７８２５１号公報に記載された流体計測装置では、線状の反射コーティングを複数施したシリンドリカルレンズを通過したパルス状の二つの縞状シート光を測定場に異なる角度で照射しており、このシート光に励起された測定分子により生じる蛍光及び燐光によって測定場に網の目又は格子状の明暗が形成される。そして、レーザ光の照射と同時及びレーザ光の照射停止中に測定場に生じた蛍光及び燐光を撮影しており、撮影された網の目状の明暗のうち明部の蛍光強度から測定分子の濃度が、暗部の交差点の時間的移動の解析から測定分子の二次元的な流速及び移動方向が推定される。
この流体計測装置では、測定分子として例えばレーザ光が照射されると蛍光又は燐光を発生させる蛍光染料が用いられるため、トレーサー粒子を用いずに計測を行うことができる。また、この蛍光染料は測定対象の流体に分子レベルで溶解している。このため、マイクロオーダーの微細な流路等を流れる流体の特性を計測する場合であっても蛍光染料が流路に詰まることは無い。
ところが、特開平０８−２７８２５１号公報に記載された計測装置では、レーザ光の照射と同時に測定場において発生した蛍光又は燐光を撮影すると共にレーザ光の照射停止から所定時間後の蛍光又は燐光を撮影する必要があり、上記ＰＩＶと同様に、パルスレーザやパルスレーザのパルスと撮影タイミングとを同調させる同調装置等の高価な機材が必要とされる。また測定分子の流速や流れ方向を求めるために撮影した２枚の画像に対して高度な画像処理が必要とされる。このため、この計測装置も高価なものとなってしまうと共に複雑な処理が必要となってしまう。As a general flow velocity measurement method, a particle image velocity measurement method (Particulate Imaging Velocity: PIV) is known. In PIV, sheet-like illumination is applied to a fluid flow mixed with fine tracer particles, and scattered light from the illuminated tracer particles is imaged a plurality of times. Since individual tracer particles are considered to move according to the local flow velocity at each imaging interval, from the images taken at two consecutive times among the images taken as described above, the moving distance and imaging time interval of each particle are obtained. Based on this, the flow velocity and flow direction of the fluid are estimated.
However, when measuring the characteristics of a fluid flowing through a micro-order fine flow path or a complicated-shaped flow path, the use of the PIV described above may cause tracer particles to be clogged in the flow path. It becomes difficult to disperse the particles uniformly. PIV generally requires expensive equipment such as a high-speed camera with a short imaging interval or a double pulse laser with a short pulse interval, and advanced image processing for calculating the fluid flow rate from the image after imaging. Is required.
As a flow velocity measuring method, for example, a laser induced fluorescence (LIF) method as described in JP-A-08-278251 is known. The laser-induced fluorescence method is a method in which a luminescent molecule is excited by irradiation light such as a laser, and a physical quantity is measured from the intensity of generated fluorescence or phosphorescence. In the fluid measuring apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-278251, two pulsed striped sheet lights that have passed through a cylindrical lens having a plurality of linear reflective coatings are irradiated to the measurement field at different angles. A mesh or lattice-like light and darkness is formed in the measurement field by the fluorescence and phosphorescence generated by the measurement molecules excited by the sheet light. The fluorescence and phosphorescence generated in the measurement field at the same time as the laser light irradiation and while the laser light irradiation was stopped were photographed. The two-dimensional flow velocity and direction of movement of the measured molecule can be estimated from the analysis of the temporal movement of the dark intersection.
In this fluid measurement apparatus, for example, a fluorescent dye that generates fluorescence or phosphorescence when used with a laser beam is used as a measurement molecule, so that measurement can be performed without using tracer particles. The fluorescent dye is dissolved at the molecular level in the fluid to be measured. For this reason, even when the characteristics of a fluid flowing through a micro flow path or the like of a micro order are measured, the fluorescent dye does not clog the flow path.
However, with the measuring device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-278251, the fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field is photographed simultaneously with the laser beam irradiation, and the fluorescence or phosphorescence after a predetermined time from the stop of the laser beam irradiation is photographed. Like the PIV, expensive equipment such as a pulse laser or a tuning device that synchronizes the pulse of the pulse laser and the imaging timing is required. Further, advanced image processing is required for the two images taken to determine the flow velocity and flow direction of the measurement molecule. For this reason, this measuring apparatus also becomes expensive and requires complicated processing.

そこで、本発明は、上記問題に鑑みて、安価且つ簡単な流体計測装置及び流体計測方法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の手段として、請求の範囲の各請求項に記載された流体計測装置又は流体計測方法を提供する。
本発明の第１の態様では、レーザ光が照射されると蛍光又は燐光を発生させる発光分子が混入された流体にレーザ光を照射して、発生した蛍光又は燐光に基づいて流体の特性を計測する、レーザ誘起蛍光法を用いた流体計測装置において、計測対象の流体が流れる計測場にレーザ光を照射する照射手段と、レーザ光の照射により上記計測場において発生した蛍光又は燐光を撮影する撮影手段と、該撮影手段によって撮影された蛍光又は燐光の光跡の長さに基づいて流体の流速を、上記光跡の方向に基づいて流体の流れ方向を、上記光跡の起点における蛍光又は燐光の強度に基づいて流体の温度又は発光分子の濃度をそれぞれ算出する算出手段とを具備し、上記照射手段は上記計測場に複数のドット状の連続的なレーザ光を照射する。
本態様によれば、計測場に複数のドット状のレーザ光が照射され、これに伴って各照射点に形成される蛍光又は燐光の光跡が撮影される。斯かる蛍光又は燐光の光跡は各照射点における計測対象の流体の速度ベクトルを示しているため、これら光跡に基づいて各照射点毎に計測対象の流体の特性、特に流体の流速、流れ方向、流体の温度又は発光分子の濃度を容易に算出することができ、全ての照射点についての特性に基づいて計測場全体について二次元的な特性を求めることができる。
そして、本態様によれば、計測場に照射するレーザ光としてパルス状のレーザ光ではなく連続的なレーザ光を用いることができるため、レーザ光の発生源として高価なパルスレーザを用いる必要がなく、またパルスレーザのパルスと撮影タイミングとを同調させる同調装置も必要ない。さらに、従来では、撮影した２枚の画像から計測対象の流体の特性を算出するにあたって高度な画像処理が必要であったのに対して、本態様によれば、レーザ光の照射中の所定の時刻における蛍光又は燐光から、すなわち撮影した１枚の画像から計測対象の特性を算出することができるため、高度な画像処理が必要なくなる。
したがって、本態様によれば、安価且つ簡単な流体計測装置及び流体計測方法が提供される。
本発明の第２の態様では、上記照射手段は計測場にドットマトリクス状のレーザ光を照射する。
本態様によれば、計測場にドットマトリクス状のレーザ光が照射されるため、計測場に規則的に配列されていない複数のレーザ光が照射される場合に比べて、各照射点での特性に基づいて計測場全体について二次元的な特性を求めるのが容易になる。
本発明の第３の態様では、上記照射手段は、連続的なレーザ光を発生させるレーザと、該レーザ光を複数のレーザ光に変換する透過型回折格子とを具備する。
本態様によれば、計測場に照射する複数のレーザ光を一つのレーザ光から変換することができるため、流体計測装置を安価なものとすることができる。
本発明の第４の態様では、上記照射手段は、上記レーザによって発生せしめられたレーザ光を反射すると共に上記計測場において発生した蛍光又は燐光を透過させるミラーを具備し、上記レーザによって発生せしめられたレーザ光は上記ミラーに反射されて上記計測場に照射されると共に、上記計測場において発生した蛍光又は燐光は上記ミラーを透過して上記撮影手段によって撮影される。
本態様によれば、計測場に対するレーザ光の入射角度を垂直にすると共に計測場に対して垂直な方向から蛍光又は燐光の撮影ができる。このため、レーザ光を斜めに入射させたり蛍光又は燐光を斜めに撮影したりする場合に比べて計測精度を高いものとすることができる。
本発明の第５の態様では、上記照射手段は、上記計測場に照射される複数のレーザ光間の間隔を拡大又は縮小するレンズを具備する。
本態様によれば、レンズでレーザ光の照射点の間隔を容易に短くすることができるため、微小な計測場について計測を行うことができる。
本発明の第６の態様では、上記撮影手段はＣＣＤカメラを具備する。
本発明の第７の態様では、レーザ光が照射されると蛍光又は燐光を発生させる発光分子が混入された流体にレーザ光を照射して、発生した蛍光又は燐光に基づいて流体の特性を計測する、レーザ誘起蛍光法を用いた流体計測方法において、計測対象の流体が流れる計測場にレーザ光を照射する照射工程と、レーザ光の照射により上記計測場において発生した蛍光又は燐光を撮影する撮影工程と、該撮影工程において撮影された蛍光又は燐光の光跡の長さに基づいて流体の流速を、上記光跡の方向に基づいて流体の流れ方向を、上記光跡の起点における蛍光又は燐光の強度に基づいて流体の温度又は発光分子の濃度をそれぞれ算出する算出工程とを具備し、上記照射工程では上記計測場に複数のドット状の連続的なレーザ光が照射される。
以下、添付図面と本発明の好適な実施形態の記載から、本発明を一層十分に理解できるであろう。In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an inexpensive and simple fluid measuring device and fluid measuring method.
The present invention provides a fluid measuring device or a fluid measuring method described in each of the claims as means for solving the above-mentioned problems.
In the first aspect of the present invention, when a laser beam is irradiated, a fluid mixed with a luminescent molecule that generates fluorescence or phosphorescence is irradiated with the laser beam, and the characteristics of the fluid are measured based on the generated fluorescence or phosphorescence. In a fluid measurement device using a laser-induced fluorescence method, an irradiating means for irradiating a measurement field through which a fluid to be measured flows with a laser beam, and photographing for photographing fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field by the irradiation of the laser beam The flow rate of the fluid based on the length of the light trace of the fluorescence or phosphorescence imaged by the imaging means, the flow direction of the fluid based on the direction of the light trace, and the fluorescence or phosphorescence at the origin of the light trace Calculating means for calculating the temperature of the fluid or the concentration of the luminescent molecules based on the intensity of the light, and the irradiation means irradiates the measurement field with a plurality of dot-like continuous laser beams.
According to this aspect, the measurement field is irradiated with a plurality of dot-shaped laser beams, and a light trace of fluorescence or phosphorescence formed at each irradiation point is photographed accordingly. Since the light trace of such fluorescence or phosphorescence shows the velocity vector of the fluid to be measured at each irradiation point, the characteristics of the fluid to be measured for each irradiation point based on these light traces, particularly the flow velocity and flow of the fluid. The direction, the temperature of the fluid, or the concentration of luminescent molecules can be easily calculated, and two-dimensional characteristics can be obtained for the entire measurement field based on the characteristics for all irradiation points.
And according to this aspect, since continuous laser light can be used instead of pulsed laser light as laser light irradiated to the measurement field, there is no need to use an expensive pulse laser as a laser light source. Also, there is no need for a tuning device that synchronizes the pulse of the pulse laser and the imaging timing. Furthermore, in the past, advanced image processing was required to calculate the characteristics of the fluid to be measured from the two captured images, whereas according to this aspect, a predetermined amount during laser light irradiation is obtained. Since the characteristics of the measurement target can be calculated from the fluorescence or phosphorescence at the time, that is, from one photographed image, advanced image processing is not necessary.
Therefore, according to this aspect, an inexpensive and simple fluid measuring device and fluid measuring method are provided.
In the second aspect of the present invention, the irradiating means irradiates the measurement field with a dot matrix laser beam.
According to this aspect, since the dot-matrix laser beam is irradiated to the measurement field, the characteristics at each irradiation point are compared with the case where a plurality of laser beams that are not regularly arranged are irradiated to the measurement field. It becomes easy to obtain a two-dimensional characteristic for the entire measurement field based on the above.
In a third aspect of the present invention, the irradiating means includes a laser that generates continuous laser light and a transmission diffraction grating that converts the laser light into a plurality of laser lights.
According to this aspect, since a plurality of laser beams irradiated to the measurement field can be converted from one laser beam, the fluid measuring device can be made inexpensive.
In a fourth aspect of the present invention, the irradiation means includes a mirror that reflects the laser light generated by the laser and transmits the fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field, and is generated by the laser. The reflected laser light is reflected by the mirror and applied to the measurement field, and the fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field passes through the mirror and is photographed by the photographing means.
According to this aspect, the incident angle of the laser beam with respect to the measurement field can be made vertical, and fluorescence or phosphorescence can be taken from a direction perpendicular to the measurement field. For this reason, measurement accuracy can be made higher than in the case where laser light is incident obliquely or fluorescence or phosphorescence is photographed obliquely.
In the fifth aspect of the present invention, the irradiating means includes a lens that enlarges or reduces the interval between the plurality of laser beams irradiated to the measurement field.
According to this aspect, since the interval between the laser light irradiation points can be easily shortened by the lens, it is possible to measure a minute measurement field.
In the sixth aspect of the present invention, the photographing means includes a CCD camera.
In the seventh aspect of the present invention, when a laser beam is irradiated, a fluid mixed with a luminescent molecule that generates fluorescence or phosphorescence is irradiated with the laser beam, and the characteristics of the fluid are measured based on the generated fluorescence or phosphorescence. In the fluid measurement method using the laser-induced fluorescence method, an irradiation step of irradiating a measurement field through which a fluid to be measured flows with a laser beam, and photographing for capturing fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field by the laser beam irradiation The flow rate of the fluid based on the length of the light trace of the fluorescence or phosphorescence photographed in the photographing step, the flow direction of the fluid based on the direction of the light trace, and the fluorescence or phosphorescence at the origin of the light trace. A calculation step of calculating the temperature of the fluid or the concentration of the luminescent molecules based on the intensity of the light, and in the irradiation step, the measurement field is irradiated with a plurality of dot-like continuous laser beams.
Hereinafter, the present invention will be more fully understood from the accompanying drawings and the description of preferred embodiments of the present invention.

図１は、本発明の流体計測装置の実施形態を示す図である。
図２は、計測場に照射されるレーザ光の照射点を示す図である。
図３は、計測場に形成される蛍光又は燐光の光跡を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a fluid measuring device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the irradiation point of the laser beam irradiated on the measurement field.
FIG. 3 is a diagram showing a light trace of fluorescence or phosphorescence formed in the measurement field.

符号の説明Explanation of symbols

１…計測場
２…照射装置
３…撮影装置
４…計測装置
２１…励起用レーザ
２２…透過型直交回折格子
２３…照射範囲調整用レンズ
２４…ダイクロイックミラー
３１…フィルタ
３２…集光レンズ
３３…ＣＣＤカメラ
４１…コンピュータ
４２…表示装置DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Measurement field 2 ... Irradiation device 3 ... Imaging device 4 ... Measurement device 21 ... Excitation laser 22 ... Transmission orthogonal diffraction grating 23 ... Irradiation range adjustment lens 24 ... Dichroic mirror 31 ... Filter 32 ... Condensing lens 33 ... CCD Camera 41 ... Computer 42 ... Display device

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の流体計測装置の実施形態を示している。図１に示したように、本実施形態の流体計測装置は、計測場１を流れる流体の特性、特に流体の流速、流れ方向及び流体内の蛍光染料の濃度を計測するものであり、計測場１を流れる計測対象の流体には特定の波長のレーザ光が照射されると蛍光又は燐光を発生させる蛍光染料（発光分子）が分子レベルで均一に溶解、混入せしめられている。蛍光染料としてはレーザ光が照射されると蛍光又は燐光を発生させれば如何なる物質をも利用可能であり、流体の物性、流体の流速等に応じて適宜選択される。
本実施形態の流体計測装置は、計測対象の流体が流れる計測場１にレーザ光を照射する照射装置２と、このレーザ光の照射によって計測場１に発生した蛍光又は燐光を撮影する撮影装置３と、撮影装置によって撮影された蛍光又は燐光に基づいて流体の特性を算出する算出装置４とを具備する。
照射装置２は、励起用レーザ２１と、透過型直交回折格子２２と、照射範囲調整用レンズ２３と、ダイクロイックミラー２４とを有する。励起用レーザ２１は、計測対象の流体に溶解せしめられた蛍光染料の励起波長に対応した波長のレーザ光を出力するレーザであり、パルス状のレーザ光ではなく連続的なレーザ光を発生させる。透過型直交回折格子２２は、一本のレーザ光線を回折により複数本のレーザ光線に変換する直交格子となっている。また、照射範囲調整用レンズ２３は、複数のレーザ光間の間隔を拡大又は縮小して、複数のレーザ光の照射範囲が計測場１の大きさに対応するように調整するのに用いられる。さらに、ダイクロイックミラー２４は、特定波長域の光を反射させると共に他の波長域の光を透過させるミラーであり、本実施形態では励起用レーザ２１によって発生せしめられたレーザ光を反射させると共に計測場１に発生した蛍光又は燐光を透過させる。
なお、照射装置２は、計測場１に対して複数のドット状の連続的なレーザ光を照射することができれば如何なる構成であってもよい。従って、上記実施形態では単一のレーザ光を回折格子によって複数のレーザ光に変換しているが、複数の励起用レーザを用いて各レーザ光を複数のレーザ光に変換せずに計測場１に照射させるようにしてもよいし、複数の励起用レーザと複数の回折格子とを用いて複数のレーザ光を計測場１に照射させるようにしてもよい。
また、上記実施形態において照射装置２は照射範囲調整用レンズ２３とダイクロイックミラー２４とを有しているが、これら照射範囲調整用レンズ２３やダイクロイックミラー２４を介さずに励起用レーザによって発生せしめられたレーザ光を直接、又は回折格子のみを介して計測場１に照射するようにしてもよい。
撮影装置３は、フィルタ３１と、集光レンズ３２と、ＣＣＤカメラ３３とを有する。フィルタ３１は、励起用レーザ２１から出力されて計測場１に照射されるレーザ光等、計測場１に発生した蛍光又は燐光以外の光がＣＣＤカメラ３３に入らないようにこのような光を遮断するのに用いられる。集光レンズ３２は、計測場１に発生した蛍光又は燐光全てがＣＣＤカメラ３３に捉えられるように蛍光又は燐光を集光する。ＣＣＤカメラ３３は、計測場１に発生した蛍光又は燐光をフィルタ３１及び集光レンズ３２を介して撮影するためのものである。このように、蛍光又は燐光を撮影するためのものとして本実施形態ではＣＣＤカメラが用いられているが、蛍光又は燐光を撮影することができれば如何なるカメラが用いられてもよく、銀塩カメラ等を用いることができる。また、例えば計測場１が微小な領域である場合には発生する蛍光又は燐光の強度が低い場合が多く、よって冷却ＣＣＤ等の感度の高いカメラが用いられる。
また、本実施形態では、算出装置４として表示装置４２を有するコンピュータ４１が用いられる。コンピュータ４１は、撮影装置３によって撮影された計測場１の蛍光又は燐光に基づいて計測場１を流れる流体の流速、流れ方向、濃度等の特性を算出し、その結果が表示装置４２によって表示される。
なお、上記実施形態では、撮影装置３によって撮影された計測場１の蛍光又は燐光に基づいて計測場１を流れる流体の特性を算出するのにコンピュータ４１を用いているが、必ずしもこのようなコンピュータ４１を用いる必要はなく、撮影装置３によって撮影された画像から流体の特性を算出することができれば如何なる手段を用いてもよい。例えば、操作者が撮影装置３によって撮影された画像から定規等を用いて直接流体の特性を算出してもよい。
次に、上述したような構成を有する流体計測装置による流体の特性の計測方法について説明する。
まず、励起用レーザ２１から出力された一本のレーザ光線は直交格子の透過型直交回折格子２２により複数本のレーザ光線に変換される。本実施形態では、励起用レーザ２１から出力されたレーザ光は、透過型直交回折格子２２により、レーザ光の照射点が図２に示したようにドットマトリクス状になるように、すなわちレーザ光の照射点が計測場１上で縦横に等間隔で配列されたドットとなるように変換される。なお、図２は、計測場１に照射されるレーザ光の照射点Ｄを示す図であり、照射点Ｄ間の破線は単に照射点Ｄがドットマトリクス状に配列されることを分かり易くするために追加された補助線である（図３においても同様）。
このように透過型直交回折格子２２によって変換された複数のレーザ光は、これらレーザ光の照射範囲が計測場１の大きさに合うように、照射範囲調整用レンズ２３により拡大又は縮小される。照射範囲調整用レンズ２３を通過したレーザ光は、ダイクロイックミラー２４により反射せしめられて、計測場１に対して垂直に照射されるようになる。これにより、計測場１には、図２に示したようにドットマトリクス状に並んでレーザ光が照射されることとなる。
計測場１にレーザ光がこのように照射されると、計測場１において流れる流体に溶解している蛍光染料がレーザ光により励起されて蛍光又は燐光を発生させる。蛍光染料は流体の流れに沿って流れており、よってレーザ光の照射点において励起されて発光している蛍光染料は流体と共に流れてレーザ光の照射点から外れる。
蛍光染料は、レーザ光の照射点から外れた瞬間に発光が消失するわけではなく、レーザ光の照射点から外れても、蛍光染料の種類に応じてある程度の期間に亘って発光が持続する。このため、計測場１には図３に示したように、ドットマトリクス状に並んだ各レーザ照射点を起点とする蛍光又は燐光の光跡Ｆが形成される。
このようにして発生した蛍光又は燐光は、ダイクロイックミラー２４及びフィルタ３１を通過後、集光レンズ３２で集光されて、ＣＣＤカメラ３３で撮影される。ＣＣＤカメラ３３はコンピュータ４１と接続されており、撮影された画像データは、コンピュータ４１に保存される。
コンピュータ４１は、ＣＣＤカメラ３３によって撮影された画像データに基づいて計測場１で流れる計測対象の流体中の蛍光染料の濃度、計測対象の流体の速度及び流れ方向等の特性を算出する。具体的には、流体の特性の算出は下記のようにして行われる。
すなわち、蛍光染料の濃度と蛍光又は燐光強度とは比例すると共に蛍光染料の濃度が高いほど蛍光又は燐光の強度が高いことから、計測場１に形成された光跡Ｆの起点Ｏにおける蛍光又は燐光の強度から蛍光染料の濃度を決定することができる。ただし、蛍光染料の種類に応じて蛍光染料分子当たりの蛍光又は燐光の強度が異なることから、蛍光染料の濃度と蛍光又は燐光の強度との関係を予め求めておく必要がある。
また、レーザ光の各照射点において撮影された蛍光又は燐光の光跡Ｆは、レーザ光の各照射点を起点とした計測対象の流体の速度ベクトルを示していると考えられる。すなわち、レーザ光の各照射点から外れた蛍光染料は、上述したように、レーザ光の照射点から外れてから上記発光寿命に対応する時間に亘って発光が持続する。そして、蛍光又は燐光の起点Ｏからの光跡Ｆはこの発光寿命に対応する時間の間における計測対象の流体の移動量及び移動方向を示している。
このため、蛍光又は燐光の光跡Ｆの長さはその照射点における計測対象の流体の流速を表しており、光跡の起点Ｏから延びる光跡Ｆの方向はその照射点における計測対象の流体の流れ方向を表している。なお、蛍光又は燐光の光跡Ｆの長さに基づいて計測対象の流体の流速を算出する場合には、レーザ光を照射した場合の蛍光染料の発光寿命を予め求めておいて撮影された蛍光又は燐光の光跡Ｆの長さを発光寿命で除算して流速を算出するか、或いは光跡の長さと流速との関係を予め求めておいて撮影された蛍光又は燐光の光跡Ｆの長さに基づいて流速を算出することが必要とされる。
このようにして各照射点における流体中の蛍光染料の濃度、流体の流速、流れ方向がコンピュータ４１において算出され、それら算出結果が表示装置４２に表示される。
なお、本実施形態では、蛍光染料の種類は計測場１を流れる流体の流速に応じて適宜選択され、例えば流体の流速が遅い場合には発光寿命の長い蛍光染料が用いられ、流体の流速が速い場合には発光寿命の短い蛍光染料が用いられる。また、励起用レーザ２１は、選択された蛍光染料に応じて、レーザの波長が蛍光染料の励起波長に対応するように選択される。さらに、温度に対する蛍光又は燐光の強度特性が異なる２種類の蛍光染料を用いれば計測対象の流体の温度を計測することができる。
また、計測対象の流体の流速及び流れ方向の計測精度は、ＣＣＤカメラ３３の画素数と流速に応じた発光寿命を有する蛍光染料とを適切に選択することにより、ＰＩＶと同程度に確保することができる。
上述したように、本実施形態における流体計測装置によれば、計測場１にドットマトリクス状のレーザ光を照射して、計測場１に生じたドットマトリクス状に並んだ蛍光又は燐光の光跡をＣＣＤカメラ８で撮影することとしている。これにより、各照射点毎に、計測対象の流体中の蛍光染料の濃度、計測対象の流体の流速、計測対象の流体の流れ方向を計測することができる。そしてこれら各照射点における濃度、流速、流れ方向等に基づいて、計測場１全体について、蛍光染料の濃度、流体の流速、流れ方向を二次元的に求めることができるようになる。
また、本実施形態の流体計測装置によれば、ドットマトリクス状のレーザ光を照射範囲調整用レンズ２３で拡大又は縮小することができるため、メートルオーダーの流れ場からマイクロオーダーの流れ場まで、幅広いスケールの流れ場に対応することができる。特に、本実施形態の流体計測装置によれば、マイクロオーダーの微小な流れ場（例えば、血管等の細い管路内の流体の流れ）等についても流体の特性を計測することができる。
すなわち、従来のＰＩＶでは、微細な流路や複雑な形状の流路等では、使用されるトレーサー粒子の粒径が流路に対して比較的大きいことにより、トレーサー粒子が詰まる等の問題が生じるため、微小な流れ場においては特性の計測が困難であった。また、トレーサー粒子を用いずに蛍光染料を用いたとしても、例えば特許文献１に記載されているような流体計測装置によって微小な流れ場における流体の特性を計測しようとすると、シリンドリカルレンズに施した反射コーティングの間隔を狭くする必要がある。しかしながら、反射コーティングの間隔を狭くすると、シリンドリカルレンズを通った光が回折して広がってしまい、計測場に微小な間隔の格子状のレーザ光を照射することができなくなってしまう。このため、このような流体計測装置では、微小な計測場について流体の特性を計測することができない。
これに対して、本実施形態の流体計測装置によれば、ＰＩＶで用いられるようなトレーサー粒子を使用せずに計測対象の流体に蛍光染料を分子レベルで溶解させているため、微小な流れ場について計測を行う場合であっても蛍光染料が詰まってしまうことがなくなる。また、照射範囲調整用レンズ２３でドットマトリクス状レーザ光の照射点の間隔を容易に短くすることができるため、微小な計測場について計測を行うことができる。
また、例えば特許文献１に記載の流体計測装置では、測定場に対して斜め又は横方向からレーザ光を照射する必要がある。このため、この流体計測装置では、光の照射できる方向が計測場に対して垂直な方向からのみに制限されている測定場においては計測を行うことができない。これに対して、本実施形態の流体計測装置によれば、計測場に対して垂直にレーザ光を入射させることができるため、上記照射方向が計測場に対して垂直な方向からのみに制限されている計測場、すなわち斜め又は横方向からではレーザ光を計測場近傍の流体に照射することができないような計測場においても計測を行うことができる。
さらに、本実施形態の流体計測装置によれば、従来の流体計測装置に比べて極めて安価な機材を用いて簡単に流体の特性を二次元的に計測することができるようになる。
すなわち、従来の流体計測装置では、励起用レーザとしてパルス間隔の短いパルスレーザが必要とされると共に、撮影間隔の短い高速度カメラやパルスレーザのパルスと撮影タイミングとを同調させる同調装置が必要とされていた。例えばＰＩＶでは、短い時間間隔でトレーサー粒子の位置を撮影する必要があるため高速度カメラが必要とされ、またこれに合わせて計測場に短い時間間隔でレーザを照射しなければならないことからパルスレーザ及び同調装置が必要とされていた。また、また引用文献１に記載の流体計測装置でも計測場へのレーザ照射停止からの時間経過に伴って燐光の様子を撮影しなければならず、高速度カメラが必要とされ、またレーザ照射停止から所定時間間隔で撮影を行うために同調装置が必要とされると考えられる。また、一定間隔でレーザ照射停止が必要なことからパルスレーザが必要とされる。
これに対して、本実施形態の流体計測装置によれば、励起用レーザ２１としてパルスレーザを用いる必要はなく、連続的なレーザ光を発生させるレーザを用いることができる。このため、励起用レーザ２１として半導体レーザ等、安価なレーザを用いることができる。また、本実施形態の流体計測装置によれば、短い時間間隔で２回の撮影をする必要はなく、１回の撮影のみでよいため、撮影機材として撮影間隔の短い高速度カメラを用いる必要がない。このため、安価な撮影機材を用いることができる。さらに、本実施形態の流体計測装置によれば、パルスレーザのパルスと撮影タイミングとを同調させる必要がないため、同調装置も不要である。従って、本実施形態の流体計測装置によれば、安価な機材で流体の特性を計測することができるようになる。
また、従来の流体計測装置では、撮影した２枚の画像から計測対象の流体の流速、流れ方向を算出するにあたって高度な画像処理が必要であった。例えば、ＰＩＶでは、２枚の画像について各トレーサー粒子の移動を追う必要があり、また特許文献１に記載の装置では２枚の画像間で暗部の交差点の時間的移動を解析する必要がある。これに対して本実施形態の流体計測装置によれば、１枚の画像について光跡の長さ、方向等のみを計測すればよく、高度な画像処理が必要なくなる。これにより、二次元的な流体の特性を簡単に計測することができるようになる。
なお、上記実施形態では、計測場にドットマトリクス状のレーザ光を照射することとしている。しかしながら、照射するレーザ光は、計測場を二次元的に計測するために複数である必要はあるが、ドットマトリクス状でなくてもよい。ただし、レーザ光がドットマトリクス状に配列されていれば計測場における流体全体の流れの解析が容易になるため、ドットマトリクス状であることが好ましい。
また、本実施形態の流体計測装置は、特に微小な流れ場における流体の特性を計測するのに用いられる。例えば、血管等の細い管路内を流れる流体の特性を計測する場合や、流体潤滑している摺動部の潤滑膜内における流体の特性を計測する場合等に用いられる。
なお、本明細書では、「蛍光」という用語は、励起のための電磁波を止めるとすぐに発光が消失する発光寿命が短いものを意味し、「燐光」という用語は励起のための電磁波を止めても発光が持続する励起寿命が長いものを意味する。より詳細には、「蛍光」は発光過程の始状態と終状態のスピン多重度が同じものをいい、「燐光」は発光過程の始状態と終状態とのスピン多重度が異なるものを意味する。
なお、本発明について特定の実施形態に基づいて詳述しているが、当業者であれば本発明の請求の範囲及び思想から逸脱することなく、様々な変更、修正等が可能である。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of a fluid measuring device of the present invention. As shown in FIG. 1, the fluid measuring device of the present embodiment measures the characteristics of the fluid flowing in the measuring field 1, particularly the flow velocity of the fluid, the flow direction, and the concentration of the fluorescent dye in the fluid. When a laser beam having a specific wavelength is irradiated to a fluid to be measured flowing through 1, a fluorescent dye (luminescent molecule) that generates fluorescence or phosphorescence is uniformly dissolved and mixed at a molecular level. As the fluorescent dye, any substance can be used as long as it emits fluorescence or phosphorescence when irradiated with laser light, and is appropriately selected according to the physical properties of the fluid, the flow velocity of the fluid, and the like.
The fluid measurement device of the present embodiment includes an irradiation device 2 that irradiates a measurement field 1 through which a fluid to be measured flows, and an imaging device 3 that captures fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field 1 by the irradiation of the laser light. And a calculation device 4 that calculates the characteristics of the fluid based on fluorescence or phosphorescence imaged by the imaging device.
The irradiation device 2 includes an excitation laser 21, a transmission type orthogonal diffraction grating 22, an irradiation range adjustment lens 23, and a dichroic mirror 24. The excitation laser 21 is a laser that outputs laser light having a wavelength corresponding to the excitation wavelength of the fluorescent dye dissolved in the fluid to be measured, and generates continuous laser light instead of pulsed laser light. The transmission type orthogonal diffraction grating 22 is an orthogonal grating that converts one laser beam into a plurality of laser beams by diffraction. The irradiation range adjusting lens 23 is used to adjust the irradiation range of the plurality of laser beams so as to correspond to the size of the measurement field 1 by expanding or reducing the interval between the plurality of laser beams. Further, the dichroic mirror 24 is a mirror that reflects light in a specific wavelength range and transmits light in other wavelength ranges. In the present embodiment, the dichroic mirror 24 reflects the laser light generated by the excitation laser 21 and measures the measurement field. Fluorescence or phosphorescence generated in 1 is transmitted.
The irradiation device 2 may have any configuration as long as the measurement field 1 can be irradiated with a plurality of dot-like continuous laser beams. Therefore, in the above-described embodiment, a single laser beam is converted into a plurality of laser beams by the diffraction grating, but the measurement field 1 is converted without converting each laser beam into a plurality of laser beams using a plurality of excitation lasers. The measurement field 1 may be irradiated with a plurality of laser beams using a plurality of excitation lasers and a plurality of diffraction gratings.
In the above embodiment, the irradiation apparatus 2 includes the irradiation range adjusting lens 23 and the dichroic mirror 24. The irradiation device 2 is generated by the excitation laser without passing through the irradiation range adjusting lens 23 and the dichroic mirror 24. The measurement field 1 may be irradiated directly with the laser beam or only through the diffraction grating.
The photographing apparatus 3 includes a filter 31, a condenser lens 32, and a CCD camera 33. The filter 31 blocks such light so that light other than fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field 1 such as laser light output from the excitation laser 21 and irradiated on the measurement field 1 does not enter the CCD camera 33. Used to do. The condensing lens 32 condenses the fluorescence or phosphorescence so that all the fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field 1 is captured by the CCD camera 33. The CCD camera 33 is for photographing fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field 1 through the filter 31 and the condenser lens 32. As described above, the CCD camera is used in this embodiment for photographing fluorescence or phosphorescence. However, any camera can be used as long as it can photograph fluorescence or phosphorescence. Can be used. For example, when the measurement field 1 is a very small region, the intensity of the generated fluorescence or phosphorescence is often low, and thus a highly sensitive camera such as a cooled CCD is used.
In the present embodiment, a computer 41 having a display device 42 is used as the calculation device 4. The computer 41 calculates characteristics such as a flow velocity, a flow direction, and a concentration of the fluid flowing through the measurement field 1 based on the fluorescence or phosphorescence of the measurement field 1 photographed by the photographing device 3, and the result is displayed on the display device 42. The
In the above embodiment, the computer 41 is used to calculate the characteristics of the fluid flowing through the measurement field 1 based on the fluorescence or phosphorescence of the measurement field 1 photographed by the photographing device 3, but such a computer is not necessarily used. 41 is not necessary, and any means may be used as long as the characteristics of the fluid can be calculated from the image photographed by the photographing device 3. For example, the operator may directly calculate the characteristics of the fluid from the image captured by the imaging device 3 using a ruler or the like.
Next, a method for measuring fluid characteristics by the fluid measuring apparatus having the above-described configuration will be described.
First, one laser beam outputted from the excitation laser 21 is converted into a plurality of laser beams by a transmission type orthogonal diffraction grating 22 having an orthogonal grating. In the present embodiment, the laser light output from the excitation laser 21 is transmitted by the transmission orthogonal diffraction grating 22 so that the irradiation point of the laser light becomes a dot matrix as shown in FIG. The irradiation points are converted so as to be dots arranged at equal intervals in the vertical and horizontal directions on the measurement field 1. FIG. 2 is a diagram showing the irradiation points D of the laser light irradiated to the measurement field 1, and the broken lines between the irradiation points D are simply for easy understanding that the irradiation points D are arranged in a dot matrix. (The same applies to FIG. 3).
The plurality of laser beams thus converted by the transmission type orthogonal diffraction grating 22 are enlarged or reduced by the irradiation range adjusting lens 23 so that the irradiation range of these laser beams matches the size of the measurement field 1. The laser light that has passed through the irradiation range adjusting lens 23 is reflected by the dichroic mirror 24 and is irradiated perpendicularly to the measurement field 1. As a result, the measurement field 1 is irradiated with laser light in a matrix of dots as shown in FIG.
When the measurement field 1 is irradiated with laser light in this way, the fluorescent dye dissolved in the fluid flowing in the measurement field 1 is excited by the laser light to generate fluorescence or phosphorescence. The fluorescent dye flows along the flow of the fluid. Therefore, the fluorescent dye excited and emitted at the irradiation point of the laser beam flows with the fluid and deviates from the irradiation point of the laser beam.
The fluorescent dye does not lose its light emission at the moment when it deviates from the irradiation point of the laser light. Even if it deviates from the irradiation point of the laser light, the light emission continues for a certain period depending on the type of the fluorescent dye. For this reason, as shown in FIG. 3, a fluorescent or phosphorescent light trace F starting from each laser irradiation point arranged in a dot matrix is formed in the measurement field 1.
The fluorescence or phosphorescence generated in this way passes through the dichroic mirror 24 and the filter 31, is condensed by the condenser lens 32, and is photographed by the CCD camera 33. The CCD camera 33 is connected to the computer 41, and the captured image data is stored in the computer 41.
The computer 41 calculates characteristics such as the concentration of the fluorescent dye in the measurement target fluid flowing in the measurement field 1, the velocity and the flow direction of the measurement target fluid, based on the image data captured by the CCD camera 33. Specifically, the calculation of the characteristics of the fluid is performed as follows.
That is, since the concentration of the fluorescent dye is proportional to the fluorescence or phosphorescence intensity and the intensity of the fluorescence or phosphorescence is higher as the concentration of the fluorescent dye is higher, the fluorescence or phosphorescence at the origin O of the light trace F formed in the measurement field 1 From the intensity, the concentration of the fluorescent dye can be determined. However, since the intensity of fluorescence or phosphorescence per fluorescent dye molecule varies depending on the type of fluorescent dye, the relationship between the concentration of the fluorescent dye and the intensity of fluorescence or phosphorescence must be determined in advance.
Further, it is considered that the light trace F of fluorescence or phosphorescence taken at each irradiation point of the laser light indicates the velocity vector of the fluid to be measured starting from each irradiation point of the laser light. That is, as described above, the fluorescent dye that has deviated from each laser beam irradiation point continues to emit light for a time corresponding to the above-described emission lifetime after deviating from the laser beam irradiation point. The light trace F from the starting point O of fluorescence or phosphorescence indicates the amount and direction of movement of the fluid to be measured during the time corresponding to this emission lifetime.
For this reason, the length of the light trace F of fluorescence or phosphorescence represents the flow velocity of the fluid to be measured at the irradiation point, and the direction of the light trace F extending from the starting point O of the light trace is the fluid to be measured at the irradiation point. Represents the flow direction. In addition, when calculating the flow velocity of the fluid to be measured based on the length of the light trace F of fluorescence or phosphorescence, the fluorescence taken by obtaining the emission lifetime of the fluorescent dye when irradiated with laser light in advance. Alternatively, the flow velocity is calculated by dividing the length of the phosphorescent light trace F by the emission lifetime, or the length of the fluorescent or phosphorescent light trace F photographed by obtaining the relationship between the light trace length and the flow velocity in advance. It is necessary to calculate the flow rate based on the above.
In this manner, the concentration of the fluorescent dye in the fluid at each irradiation point, the flow velocity of the fluid, and the flow direction are calculated by the computer 41, and the calculation results are displayed on the display device.
In the present embodiment, the type of fluorescent dye is appropriately selected according to the flow rate of the fluid flowing through the measurement field 1, and for example, when the flow rate of the fluid is slow, a fluorescent dye having a long emission lifetime is used, and the flow rate of the fluid is When it is fast, a fluorescent dye having a short emission lifetime is used. The excitation laser 21 is selected according to the selected fluorescent dye so that the wavelength of the laser corresponds to the excitation wavelength of the fluorescent dye. Furthermore, if two types of fluorescent dyes having different fluorescence or phosphorescence intensity characteristics with respect to temperature are used, the temperature of the fluid to be measured can be measured.
In addition, the measurement accuracy of the flow velocity and the flow direction of the fluid to be measured should be secured to the same level as the PIV by appropriately selecting the number of pixels of the CCD camera 33 and the fluorescent dye having a light emission lifetime corresponding to the flow velocity. Can do.
As described above, according to the fluid measurement device of the present embodiment, a dot matrix-shaped laser beam is irradiated on the measurement field 1 and the light traces of fluorescence or phosphorescence arranged in the dot matrix shape generated in the measurement field 1 are recorded. The image is taken with the CCD camera 8. Thereby, the concentration of the fluorescent dye in the measurement target fluid, the flow velocity of the measurement target fluid, and the flow direction of the measurement target fluid can be measured for each irradiation point. Based on the concentration, flow velocity, flow direction, and the like at each irradiation point, the concentration of the fluorescent dye, the flow velocity of the fluid, and the flow direction can be determined two-dimensionally for the entire measurement field 1.
In addition, according to the fluid measuring device of the present embodiment, since the dot matrix laser beam can be enlarged or reduced by the irradiation range adjusting lens 23, a wide range from a meter-order flow field to a micro-order flow field. It can correspond to the flow field of the scale. In particular, according to the fluid measurement device of the present embodiment, it is possible to measure the characteristics of a fluid in a micro flow field (for example, a fluid flow in a thin pipe such as a blood vessel).
That is, in the conventional PIV, in a fine flow path or a complicated flow path, there is a problem that the tracer particles are clogged because the particle size of the tracer particles used is relatively large with respect to the flow path. Therefore, it has been difficult to measure characteristics in a minute flow field. Even if a fluorescent dye is used without using tracer particles, for example, when trying to measure the characteristics of a fluid in a minute flow field with a fluid measuring device as described in Patent Document 1, it was applied to a cylindrical lens. It is necessary to reduce the distance between the reflective coatings. However, if the interval between the reflective coatings is narrowed, the light passing through the cylindrical lens is diffracted and spread, and it becomes impossible to irradiate the measurement field with the lattice-shaped laser beam with a minute interval. For this reason, in such a fluid measurement device, it is not possible to measure the characteristics of the fluid in a minute measurement field.
On the other hand, according to the fluid measurement device of the present embodiment, since the fluorescent dye is dissolved at the molecular level in the fluid to be measured without using tracer particles as used in PIV, a minute flow field is obtained. Even when the measurement is performed, the fluorescent dye is not clogged. In addition, since the interval between the irradiation points of the dot matrix laser beam can be easily shortened by the irradiation range adjusting lens 23, it is possible to measure a minute measurement field.
Further, for example, in the fluid measuring device described in Patent Document 1, it is necessary to irradiate the laser beam obliquely or laterally with respect to the measurement field. For this reason, with this fluid measurement device, measurement cannot be performed in a measurement field where the direction in which light can be irradiated is limited only from the direction perpendicular to the measurement field. On the other hand, according to the fluid measurement device of the present embodiment, since the laser beam can be incident perpendicular to the measurement field, the irradiation direction is limited only from the direction perpendicular to the measurement field. Measurement can be performed even in a measurement field that is not capable of irradiating a fluid near the measurement field with laser light from an oblique or lateral direction.
Furthermore, according to the fluid measurement device of the present embodiment, it becomes possible to easily measure the fluid characteristics two-dimensionally using equipment that is extremely cheaper than the conventional fluid measurement device.
That is, the conventional fluid measuring device requires a pulse laser with a short pulse interval as an excitation laser, and a high-speed camera with a short imaging interval and a tuning device that synchronizes the pulse of the pulse laser with the imaging timing. It had been. For example, in PIV, a high-speed camera is required because it is necessary to capture the position of the tracer particles at a short time interval, and a pulse laser is required to irradiate the measurement field at a short time interval accordingly. And a tuning device was needed. In addition, the fluid measuring device described in the cited document 1 also has to shoot the state of phosphorescence with the lapse of time from the stop of laser irradiation to the measurement field, and requires a high-speed camera, and also stops the laser irradiation. Therefore, it is considered that a tuning device is required to perform photographing at predetermined time intervals. Further, since it is necessary to stop laser irradiation at regular intervals, a pulse laser is required.
On the other hand, according to the fluid measurement device of the present embodiment, it is not necessary to use a pulse laser as the excitation laser 21, and a laser that generates continuous laser light can be used. For this reason, an inexpensive laser such as a semiconductor laser can be used as the excitation laser 21. Further, according to the fluid measuring device of the present embodiment, it is not necessary to take two shots at a short time interval, and only one shot is required. Therefore, it is necessary to use a high-speed camera with a short shooting interval as the photographing equipment. Absent. For this reason, inexpensive photography equipment can be used. Furthermore, according to the fluid measuring device of the present embodiment, it is not necessary to synchronize the pulse of the pulse laser and the imaging timing, so that a tuning device is also unnecessary. Therefore, according to the fluid measuring device of this embodiment, it becomes possible to measure the characteristics of the fluid with inexpensive equipment.
Further, in the conventional fluid measuring device, advanced image processing is required to calculate the flow velocity and the flow direction of the fluid to be measured from the two captured images. For example, in PIV, it is necessary to follow the movement of each tracer particle for two images, and in the apparatus described in Patent Document 1, it is necessary to analyze the temporal movement of a dark intersection between two images. On the other hand, according to the fluid measurement device of the present embodiment, only the length, direction, etc. of the light trace need be measured for one image, and advanced image processing is not necessary. This makes it possible to easily measure the characteristics of a two-dimensional fluid.
In the above embodiment, the measurement field is irradiated with a dot matrix laser beam. However, the laser beam to be irradiated needs to be plural in order to measure the measurement field two-dimensionally, but may not be in the form of a dot matrix. However, since it is easy to analyze the flow of the entire fluid in the measurement field if the laser beams are arranged in a dot matrix, the dot matrix is preferable.
In addition, the fluid measuring device of the present embodiment is used to measure the characteristics of the fluid particularly in a minute flow field. For example, it is used when measuring the characteristics of a fluid flowing in a thin pipe such as a blood vessel, or when measuring the characteristics of a fluid in a lubricating film of a sliding portion that is fluid-lubricated.
In the present specification, the term “fluorescence” means that the emission lifetime is short when the electromagnetic wave for excitation is stopped, and the term “phosphorescence” stops the electromagnetic wave for excitation. However, it means a long excitation lifetime in which luminescence continues. More specifically, “fluorescence” refers to the same spin multiplicity in the start state and end state of the light emission process, and “phosphorescence” means that the spin multiplicity of the start state and end state of the light emission process is different. .
Although the present invention has been described in detail based on specific embodiments, those skilled in the art can make various changes and modifications without departing from the scope and spirit of the present invention.

Claims (7)

レーザ光が照射されると蛍光又は燐光を発生させる発光分子が混入された流体にレーザ光を照射して、発生した蛍光又は燐光に基づいて流体の特性を計測する、レーザ誘起蛍光法を用いた流体計測装置において、
計測対象の流体が流れる計測場にレーザ光を照射する照射装置と、レーザ光の照射により上記計測場において発生した蛍光又は燐光を撮影する撮影装置と、該撮影手段によって撮影された蛍光又は燐光の光跡の長さに基づいて流体の流速を、上記光跡の方向に基づいて流体の流れ方向を、上記光跡の起点における蛍光又は燐光の強度に基づいて流体の温度又は発光分子の濃度をそれぞれ算出する算出装置とを具備し、
上記照射装置は上記計測場に複数のドット状の連続的なレーザ光を照射する、流体計測装置。The laser-induced fluorescence method is used to measure the characteristics of the fluid based on the generated fluorescence or phosphorescence by irradiating the fluid mixed with luminescent molecules that generate fluorescence or phosphorescence when irradiated with the laser light. In the fluid measuring device,
An irradiation device that irradiates a measurement field through which a fluid to be measured flows with laser light, an imaging device that images fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field by irradiation with laser light, and fluorescence or phosphorescence captured by the imaging unit The flow velocity of the fluid based on the length of the light trace, the flow direction of the fluid based on the direction of the light trace, the temperature of the fluid or the concentration of the luminescent molecule based on the intensity of fluorescence or phosphorescence at the origin of the light trace. A calculation device for calculating each,
The irradiation apparatus is a fluid measurement apparatus that irradiates the measurement field with a plurality of dot-like continuous laser beams. 上記照射装置は計測場にドットマトリクス状のレーザ光を照射する、請求項１に記載の流体計測装置。 The fluid measurement device according to claim 1, wherein the irradiation device irradiates a measurement field with laser light in a dot matrix form. 上記照射装置は、連続的なレーザ光を発生させるレーザと、該レーザ光を複数のレーザ光に変換する透過型回折格子とを具備する、請求項１又は２に記載の流体計測装置。 The fluid measurement device according to claim 1, wherein the irradiation device includes a laser that generates continuous laser light and a transmission diffraction grating that converts the laser light into a plurality of laser beams. 上記照射装置は、上記レーザによって発生せしめられたレーザ光を反射すると共に上記計測場において発生した蛍光又は燐光を透過させるミラーを具備し、上記レーザによって発生せしめられたレーザ光は上記ミラーに反射されて上記計測場に照射されると共に、上記計測場において発生した蛍光又は燐光は上記ミラーを透過して上記撮影装置によって撮影される、請求項３に記載の流体計測装置。 The irradiation device includes a mirror that reflects the laser light generated by the laser and transmits fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field, and the laser light generated by the laser is reflected by the mirror. The fluid measurement device according to claim 3, wherein the measurement field is irradiated and fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field passes through the mirror and is photographed by the photographing device. 上記照射装置は、上記計測場に照射される複数のレーザ光間の間隔を拡大又は縮小するレンズを具備する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の流体計測装置。 The fluid measurement device according to any one of claims 1 to 4, wherein the irradiation device includes a lens that enlarges or reduces an interval between a plurality of laser beams irradiated to the measurement field. 上記撮影装置はＣＣＤカメラを具備する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の流体計測装置。 The fluid measurement device according to claim 1, wherein the photographing device includes a CCD camera. レーザ光が照射されると蛍光又は燐光を発生させる発光分子が混入された流体にレーザ光を照射して、発生した蛍光又は燐光に基づいて流体の特性を計測する、レーザ誘起蛍光法を用いた流体計測方法において、
計測対象の流体が流れる計測場にレーザ光を照射する照射工程と、レーザ光の照射により上記計測場において発生した蛍光又は燐光を撮影する撮影工程と、該撮影工程において撮影された蛍光又は燐光の光跡の長さに基づいて流体の流速を、上記光跡の方向に基づいて流体の流れ方向を、上記光跡の起点における蛍光又は燐光の強度に基づいて流体の温度又は発光分子の濃度をそれぞれ算出する算出工程とを具備し、
上記照射工程では上記計測場に複数のドット状の連続的なレーザ光が照射される、流体計測方法。The laser-induced fluorescence method is used to measure the characteristics of the fluid based on the generated fluorescence or phosphorescence by irradiating the fluid mixed with luminescent molecules that generate fluorescence or phosphorescence when irradiated with the laser light. In the fluid measurement method,
An irradiation step of irradiating a measurement field through which a fluid to be measured flows with laser light, a photographing step of photographing fluorescence or phosphorescence generated in the measurement field by the irradiation of laser light, and a fluorescence or phosphorescence photographed in the photographing step The flow velocity of the fluid based on the length of the light trace, the flow direction of the fluid based on the direction of the light trace, the temperature of the fluid or the concentration of the luminescent molecule based on the intensity of fluorescence or phosphorescence at the origin of the light trace. A calculation step for calculating each,
A fluid measurement method in which, in the irradiation step, the measurement field is irradiated with a plurality of dot-like continuous laser beams.
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