(57)【要約】【課題】出射位置から所望位置までの間における流体の流れ計測を簡易かつ確実に行うことができるシート光を出射するシート光発生装置及びこれを用いた流れ可視化システムを提供すること。【解決手段】シート状のレーザ光を出射するシート光発生装置であって、レーザ光源１０から出射された複数のレーザ光をそれぞれ異なる光路に配置された複数の隣接する円柱レンズ１３，１５を介してそれぞれ光軸Ｃ１，Ｃ２に垂直で同一の拡散方向（Ｚ方向）に拡散された面を有する複数のシート光Ｌ１，Ｌ２を所定位置Ｐ１に向けて出射するとともに、所定位置Ｐ１において各シート光Ｌ１，Ｌ２の位相が同一となるように各光路長が調整される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状のレーザ光を出射するシート光発生装置であって、
レーザ光源から出射された複数のレーザ光をそれぞれ異なる光路に配置された複数の隣接する円柱レンズ又は円柱状レンズを介してそれぞれ光軸に垂直で同一の拡散方向に拡散された面を有する複数のシート光を所定位置に向けて出射するとともに、前記所定位置において各シート光の位相が同一となるように各光路長が調整されることを特徴とするシート光発生装置。
【請求項２】
各シート光の位相が同一となる所定位置は、各シート光の位相が最初に同一となる位置であることを特徴とする請求項１に記載のシート光発生装置。
【請求項３】
各シート光は、少なくとも同一偏波成分を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のシート光発生装置。
【請求項４】
各シート光の振幅は異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のシート光発生装置。
【請求項５】
１つの前記レーザ光は、他の前記レーザ光をビームスプリッタによって分岐されたレーザ光であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のシート光発生装置。
【請求項６】
１つの前記レーザ光は、他の前記レーザ光を偏波ビームスプリッタによって分岐されたレーザ光であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のシート光発生装置。
【請求項７】
前記レーザ光は、前記円柱レンズ又は円柱状レンズの前段に位相変換部を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のシート光発生装置。
【請求項８】
前記レーザ光の光路長を調整する光路長調整部を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のシート光発生装置。
【請求項９】
トレーサが混入された流体の流れを観察する流れ観察領域の中心部分が前記所定位置となるように前記シート光を照射する請求項１〜８のいずれか一つに記載のシート光発生装置と、
前記流れ観察領域に流れる流体に混入される前記トレーサを発生するトレーサ発生装置と、
前記流れ観察領域内のトレーサによって反射した前記シート光を観察する観察装置と
を備えることを特徴とする流れ可視化システム。
【請求項１０】
前記トレーサは、蛍光体成分を含むことを特徴とする請求項９に記載の流れ可視化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出射位置から所望位置までの間における流体の流れ計測を簡易かつ確実に行うことができるシート光を出射するシート光発生装置及びこれを用いた流れ可視化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の挙動を解析する方式として、流体にトレーサを混入し、トレーサにシートレーザによるシート光を照射し、反射したトレーサの断面像をカメラなどによって取得するものがある。例えば、特許文献１には、粒子画像流速計測（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）に関するものが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、計測対象流体にトレーサを混入し、この流体にビーム光をスキャンさせてシート光を形成させ、シート光が照射された面内のトレーサの移動を可視化撮影する非接触流体計測技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００５／０９５９９３号
【特許文献２】特開２０１５−０１０９０８号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、扇状に広がるシート光は、出射直後の光密度が高い一方、出射位置から遠ざかるにしたがって反比例的に光密度が減衰し、トレーサの計測可能な領域が限られてしまう。したがって、所望の計測領域内のトレーサの反射強度を高くできない場合があり、流体の流れ計測を行うことができない場合があった。特に、出射位置から離れた位置を計測領域とする場合、トレーサの反射強度が弱くなり、十分な流体の流れ計測を行うことができないという課題があった。
【０００６】
一方、従来のシート光は、出射直後の光密度が極端に高いため、出射直後の領域の輝度が極端に高くなり、出射直後の領域を含めた流体の流れ計測を行う場合、出射位置から離れた領域においてトレーサからの反射強度が得られても、出射直後の領域との輝度差が大きいため、カメラなどでそれぞれ個別に撮像して分析する必要があった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、出射位置から所望位置までの間における流体の流れ計測を簡易かつ確実に行うことができるシート光を出射するシート光発生装置及びこれを用いた流れ可視化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、シート状のレーザ光を出射するシート光発生装置であって、レーザ光源から出射された複数のレーザ光をそれぞれ異なる光路に配置された複数の隣接する円柱レンズ又は円柱状レンズを介してそれぞれ光軸に垂直で同一の拡散方向に拡散された面を有する複数のシート光を所定位置に向けて出射するとともに、前記所定位置において各シート光の位相が同一となるように各光路長が調整されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、上記の発明において、各シート光の位相が同一となる所定位置は、各シート光の位相が最初に同一となる位置であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上記の発明において、各シート光は、少なくとも同一偏波成分を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記の発明において、各シート光の振幅は異なることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記の発明において、１つの前記レーザ光は、他の前記レーザ光をビームスプリッタによって分岐されたレーザ光であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上記の発明において、１つの前記レーザ光は、他の前記レーザ光を偏波ビームスプリッタによって分岐されたレーザ光であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、上記の発明において、前記レーザ光は、前記円柱レンズ又は円柱状レンズの前段に位相変換部を設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、上記の発明において、前記レーザ光の光路長を調整する光路長調整部を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、トレーサが混入された流体の流れを観察する流れ観察領域の中心部分が前記所定位置となるように前記シート光を照射する上記の発明のいずれか一つに記載のシート光発生装置と、前記流れ観察領域に流れる流体に混入される前記トレーサを発生するトレーサ発生装置と、前記流れ観察領域内のトレーサによって反射した前記シート光を観察する観察装置とを備えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、上記の発明において、前記トレーサは、蛍光体成分を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、シート光の出射位置から所望位置までの間における流体の流れ計測を簡易かつ確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本実施の形態に係るシート光発生装置を含む流れ可視化システムの概要構成を示す図である。
【図２】図２は、シート光発生装置の構成を斜めからみた図である。
【図３】図３は、シート光Ｌの拡散方向からみたシート光発生装置の構成を示す図である。
【図４】図４は、シート光の光路長を説明する説明図である。
【図５】図５は、レーザ光を拡散しない場合における出射位置からの距離に対する光振幅変化を示す図である。
【図６】図６は、レーザ光を拡散したシート光の場合における出射位置からの距離に対する光振幅変化を示す図である。
【図７】図７は、変形例１にかかるシート光発生装置の構成をシート光Ｌの拡散方向からみた図である。
【図８】図８は、変形例２にかかるシート光発生装置の構成をシート光Ｌの拡散方向からみた図である。
【図９】図９は、変形例３にかかるシート光発生装置の構成をシート光Ｌの拡散方向からみた図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本実施の形態に係るシート光発生装置及び流れ可視化システムプレス加工装置について説明する。
【００２１】
＜概要構成＞
図１は、本実施の形態に係るシート光発生装置２を含む流れ可視化システム１の概要構成を示す図である。図１に示した流れ可視化システム１は、トレーサ５が混入された流体の流れを観察する流れ観察領域Ｅ内にシート光Ｌを照射するシート光発生装置２、トレーサ５を発生するトレーサ発生装置３、及び、流れ観察領域Ｅを撮像するカメラなどの観察装置４を有する。観察装置４は、シート光Ｌを反射するトレーサ５からの光を受光したトレーサ５の断面像を連続的に取得する。
【００２２】
シート光発生装置２は、同一波長のシート光Ｌ１，Ｌ２が流れ観察領域Ｅの中央部分である所定位置Ｐ１で同一の位相となるように調整され、所定位置Ｐ１においてシート光Ｌ１，Ｌ２が干渉して光強度を増すようにしている。
【００２３】
＜シート光発生装置の構成＞
図２は、シート光発生装置２の構成を斜めからみた図である。また、図３は、シート光Ｌの拡散方向からみたシート光発生装置２の構成を示す図である。図２及び図３に示すように、シート光発生装置２は、レーザ光源１０、ビームスプリッタ１１、ミラー１４、半波長板１２、及び円柱レンズ１３，１５を有する。
【００２４】
レーザ光源１０は、例えば波長５３２ｎｍの緑色レーザ光を出射する。レーザ光源１０から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ１１に入射する。ビームスプリッタ１１は、例えば透過光と反射光とを１対１の強度比で分岐するハーフミラーである。なおビームスプリッタ１１の強度比は、１対１に限らず、２対１等、他の強度比でレーザ光を分岐してもよい。
【００２５】
ビームスプリッタ１１を透過したレーザ光は、位相変換部である半波長板１２を介して半波長の位相変換が行われて円柱レンズ１３に出射される。一方、ビームスプリッタ１１を反射したレーザ光は、ミラー１４を介して反射された後、円柱レンズ１５に出射される。なお、ビームスプリッタ１１を反射したレーザ光は、固定端としてのビームスプリッタ１１で半波長位相が変換され、さらに固定端としてのミラー１４で半波長位相変換され、元の位相に戻る。
【００２６】
円柱レンズ１３，１５は、それぞれ光軸Ｃ１，Ｃ２に垂直で同一の拡散方向（Ｙ方向）に拡散された面を有するシート光Ｌ１，Ｌ２を所定位置Ｐ１に向けて出射する。一方、円柱レンズ１３，１５は、入射されたレーザ光をＸ方向には拡散せず、ビーム幅がほとんど変わらず、図示しない焦点に向けて収束する。したがって、シート光Ｌ１，Ｌ２は、円柱レンズ１３，１５から扇状のシート光に変換される。このシート光Ｌ１，Ｌ２は、図１に示したように、流れ観察領域Ｅに入射される。なお、円柱レンズ１３，１５は、レーザ光をＹ方向に拡散できればよく、円柱状（シリンドリカル）レンズであってもよい。また、レーザ光源１０から出射されるレーザ光はコリメート光ではなく、光軸まわりにガウシアン分布で広がるが、この広がり角が小さい場合、円柱レンズ１３，１５の前段にレーザ光の広がり角を大きくするビームエキスパンダを介在させてもよい。
【００２７】
シート光Ｌ１，Ｌ２は、所定位置Ｐ１で光軸Ｃ１，Ｃ２が交差し、所定位置Ｐ１での位相が同一となるように、光路長が設定される。すなわち、ビームスプリッタ１１の反射点Ｐ０から所定位置Ｐ１までの光路長ＬＡに対して、ビームスプリッタ１１の反射点Ｐ０からミラー１４の反射点Ｐ２を介した所定位置Ｐ１までの光路長を調整して、所定位置Ｐ１での位相を一致させる。
【００２８】
すなわち、図４に示すように、反射点Ｐ０と所定位置Ｐ１との間の光路長ＬＡに対して、反射点Ｐ０と反射点Ｐ２との間の光路長Ｌｄと、反射点Ｐ２と所定位置Ｐ１との間の光路長ＬＢとを加算した光路長を調整する。この光路長の調整は、光路長Ｌｄを調整することによって行う。光路長Ｌｄは、例えば１ｃｍ程度であり、この光路長Ｌｄを微調整して所定位置Ｐ１におけるシート光Ｌ１，Ｌ２の位相を同一にする。なお、円柱レンズ１３，１５も隣接配置される。
【００２９】
なお、シート光Ｌ１、Ｌ２は、ほぼ平行に出射し、互いに干渉する。所定位置Ｐ１は、シート光Ｌ１，Ｌ２が最初に同位相となる位置である。したがって、シート光Ｌ１，Ｌ２がビームスプリッタ１１が１対１の強度比で分岐している場合、所定位置Ｐ１におけるシート光Ｌの振幅は、各シート光Ｌ１，Ｌ２の振幅の２倍となる。
【００３０】
＜光振幅分布＞
図５は、レーザ光を拡散しない場合における出射位置からの距離に対する光振幅変化を示す図である。特性曲線Ｌ０ａは、１つのレーザ光のみの場合における光振幅の距離依存性を示し、特性曲線Ｌａは、２つのレーザ光を干渉させた場合の光振幅の距離依存性を示している。ここで、距離方向は、Ｚ方向（光軸Ｃ１方向）である。図５に示すように、特性曲線Ｌ０ａは、距離に関係なくほぼ同一の光振幅となるが、特性曲線Ｌａは、出射位置で２つのレーザ光が相殺して光振幅は０となるが、２つのレーザ光の位相が一致する所定位置Ｐ１では、各レーザ光が合成されて各レーザ光の２倍の光振幅となる。ただし、距離の増大とともに各レーザ光のＺ方向の光路長がずれ、位置Ｐ１０で再び各レーザ光の位相が半波長すれて各レーザ光が相殺して光振幅が０となる。
【００３１】
図６は、レーザ光を拡散したシート光の場合における出射位置からの距離に対する光振幅変化を示す図である。シート光は拡散によって距離が大きくなるにしたがって光振幅は減衰する。特性曲線Ｌ０ｂは、１つのシート光Ｌ１のみの場合の光振幅の距離依存性を示している。また、特性曲線Ｌｂは、２つのシート光Ｌ１，Ｌ２を干渉させた場合の光振幅の距離依存性を示している。特性曲線Ｌ０ｂは、出射直後の領域Ｅ０では、大きな光振幅となるが、距離の増大とともに光振幅は、急激に減衰する。これに対して、特性曲線Ｌｂは、出射直後の領域Ｅ０では、シート光Ｌ１，Ｌ２の一部相殺によって光振幅は減衰するが、その後、所定位置Ｐ１前後の流れ観察領域Ｅでは、シート光Ｌ１，Ｌ２の拡散による光振幅の減衰とシート光Ｌ１，Ｌ２の干渉による合成とが拮抗して、特性曲線Ｌ０ｂの光振幅よりも大きい光振幅を得ることができる。
【００３２】
これにより、本実施の形態では、所定位置Ｐ１前後の流れ観察領域Ｅで、シート光であるにもかかわらず、トレーサ５の検出に十分な反射光を得ることができる。また、本実施の形態では、出射直後の領域Ｅ０の光振幅が極端に大きくなく、輝度差による流れ観察領域Ｅにおけるトレーサ５の反射光の検出に影響を与えず、流れ観察領域Ｅのトレーサ５を簡易に検出することができる。
【００３３】
＜変形例１＞
図７は、変形例１にかかるシート光発生装置２の構成をシート光Ｌの拡散方向からみた図である。図７に示すように、本変形例１では、レーザ光の光路長を調整する光路長調整部２０を有する。光路長調整部２０は、例えばミラー１４をＸＺ平面上で移動及び固定が可能なテーブルである。これにより、例えば、反射点Ｐ２の位置をＸ方向に調整し、これにより、シート光Ｌ２の光路長を調整する。この調整は、例えば、所定位置Ｐ１の干渉縞を観察することによって行うことができる。
【００３４】
＜変形例２＞
図８は、変形例２にかかるシート光発生装置２の構成をシート光Ｌの拡散方向からみた図である。本変形例２では、変形例１の構成において半波長板１２を削除している。これは、光路長調整部２０によってシート光Ｌ２の光路長調整が可能であるため、あえてシート光Ｌ１を、シート光Ｌ２に対して半波長すらす必要がないからである。
【００３５】
＜変形例３＞
図９は、変形例３にかかるシート光発生装置２の構成をシート光Ｌの拡散方向からみた図である。本変形例３では、ビームスプリッタ１１を偏波ビームスプリッタ３１に替えている。偏波ビームスプリッタ３１は、Ｐ波とＳ波とに偏光分岐するが、半波長板１２が入射したレーザ光を１８０°回転するため、各円柱レンズ１３，１５に入射するレーザ光の偏光面は平行となり、シート光Ｌ１，Ｌ２との干渉が確実に行われる。
【００３６】
なお、本実施の形態及び変形例では、シート光Ｌ１，Ｌ２が可干渉となるために、シート光Ｌ１，Ｌ２が同一偏波成分を有することが必要である。
【００３７】
また、本実施の形態及び変形例におけるトレーサ５は、流れの場に追従する軽いものであり、シート光Ｌに対して反射特性の良いもの、人体や環境にやさしいものであることが必要である。特に、本実施の形態及び変形例では、蛍光体成分を有し、蛍光を発するトレーサであることが好ましい。蛍光は、入射光の波長よりも長波長側にシフトした光を発するため、シート光Ｌと再び干渉することがなく、シート光の波長色よりも異なった波長色で発光するため、トレーサの発光をシート光Ｌから峻別することができる。蛍光体成分を有するトレーサとしては、例えば、水の流れを観察する場合、リスチレン真球粒子に蛍光染料を染み込ませる。
【００３８】
なお、トレーサ５の一例としては、樹脂を中空にしたもの、金属の粉、液体をミストにしたもの等、流体に合わせて種々のものが適用される。
【００３９】
また、上記の実施の形態及び変形例では、１つのレーザ光源１０のレーザ光をビームスプリッタ１１を介して２つのレーザ光に分岐し、２つのシート光Ｌ１，Ｌ２を生成していたが、これに限らず、２つのレーザ光源１０を用いてそれぞれシート光Ｌ１，Ｌ２を独立して生成するようにしてもよい。また、シート光Ｌ１，Ｌ２は、２つに限らず、３以上のシート光を干渉させるようにしてもよい。
【００４０】
さらに、上記の実施の形態及び変形例では、円柱レンズあるいは円柱状レンズを用いてシート光Ｌ１，Ｌ２を生成していたが、これに限らず、レーザ光をスキャンするスキャン機構を設け、レーザ光をスキャンしてシート面を形成したシート光を生成するようにしてもよい。
【００４１】
なお、上記の実施の形態で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明のシート光発生装置及び流れ可視化システムは、出射位置から所望位置までの間における流体の流れ計測を簡易かつ確実に行う場合に有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１  流れ可視化システム
２  シート光発生装置
３  トレーサ発生装置
４  観察装置
５  トレーサ
１０  レーザ光源
１１  ビームスプリッタ
１２  半波長板
１３，１５  円柱レンズ
１４  ミラー
２０  光路長調整部
３１  偏波ビームスプリッタ
Ｃ１，Ｃ２  光軸
Ｅ  観察領域
Ｅ０  領域
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２  シート光
Ｌ０ａ，Ｌ０ｂ，Ｌａ，Ｌｂ  特性曲線
ＬＡ，ＬＢ，Ｌｄ  光路長
Ｐ０，Ｐ２  反射点
Ｐ１  所定位置
Ｐ１０  位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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