(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光から測定部に照射する平行光を形成する平行光形成手段と、測定部を通過した平行光を一点に集光する集光手段と、集光位置に配置され光を部分的に透過させる光透過手段と、光透過手段を通過する光を検出する検出手段と、を備え、光透過手段は、光軸に平行な軸心を中心に回転可能な半透明板と、該半透明板に設けられた複数のピンホールとからなり、半透明板は、光を通す透明部と、透明部の周方向に隣接し周方向に漸次透過率が増大する半透明部と、半透明部の周方向に隣接し光を遮る不透明部と、からなり、透明部と不透明部との間は半径方向に延びる直線状のエッジが形成されており、半透明部には、異なる複数の周方向位置に、寸法の異なる複数のピンホールが半径方向に間隔を隔てて設けられている、ことを特徴とする流体計測装置。
【請求項２】
前記ピンホールは、直径が５〜５００μｍの丸孔であり、互いに間隔を隔てている、ことを特徴とする請求項１に記載の流体計測装置。
【請求項３】
前記不透明部は、半径方向に延びる透明部からなる縦スリットと、該縦スリットに直交して延びる透明部からなる横スリットと、を有することを特徴とする請求項１に記載の流体計測装置。
【請求項４】
前記半透明板は、透明な円板と、該円板の表面にコーティングされた金属膜と、からなることを特徴とする請求項１に記載の流体計測装置。
【請求項５】
前記平行光形成手段は、第１凹面鏡と該第１凹面鏡の焦点位置に配置された平面ミラーとからなり、前記集光手段は、測定部を挟んで第１凹面鏡と対向する第２凹面鏡からなり、前記検出手段は、第２凹面鏡の焦点位置より下流側に配置された結像装置からなることを特徴とする請求項１に記載の流体計測装置。
【請求項６】
前記結像装置は、スクリーン又はカメラからなる、ことを特徴とする請求項５に記載の流体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体内の密度場を計測する流体計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気等の流体内の密度場変化を計測するために、従来からシュリーレン計測装置や干渉計測装置が用いられている。
図３は、シュリーレン計測装置の構成図であり、光源１、ミラー２ａ，２ｂ、ナイフエッジ３等からなり、光源１とミラー２ａで形成された平行光を測定部に照射し、その通過光をミラー２ｂで集光し、その集光部に位置するナイフエッジ３で通過光の一部を遮ることにより、スクリーン４に密度の一次微分に相当する密度変化像を得ることができる。このシュリーレン計測装置は、透明な媒体中の屈折率の変化とそれに伴った媒質中を通過する光の像の変位や変形を利用するものであり、比較的簡単で安価な装置により、流体内の密度変化の大小を計測でき、例えば衝撃波の位置等を容易に知ることができる利点があるが、密度自体の大小は把握できない問題点があった。
【０００３】
図４は、干渉計測装置の構成図であり、光源１，ミラー２ａ，２ｂ、５ａ，５ｂ、ハーフミラー５ｃ，５ｄ、フィルタ６等からなり、光源１，フィルタ６，ミラー２ａ等で形成された単色の平行光をハーフミラー５ｃとミラー５ａにより、２つの平行光に分割し、その一方を乱れのある測定部に照射し、他方を乱れのない部分を通して、それぞれミラー５ｂ，ハーフミラー５ｄで同一の光路を通して互いに干渉させ、この干渉光をミラー２ｂで集光しスクリーン４に干渉縞を表示するようになっている。この干渉計測装置は、得られた干渉縞から各部の密度を直接知ることができる利点があるが、反面、構造が複雑であり、各光路の調整が困難である問題点があった。従って、比較的簡単な装置で干渉計測ができる装置が従来から要望されていた。
【０００４】
かかる要望を満たすために、従来のシュリーレン計測装置を用いて干渉計測ができる流体計測装置が研究され発表された。（“ A Study of Dynamic Stall Using Real Time Interferometry", 29th Aerospace Sciences Meeting, January 7-10, 1991/Reno, Nevada, USA ）．
【０００５】
図５は、かかる流体計測装置の構成図であり、図６は、その原理図である。図５に示すように、この装置は、上述した従来のシュリーレン計測装置の光源１としてレーザ光を用い、ナイフエッジの代わりにピンホールを有する半透明板７を用いたものである。図６に示すように、計測部を通過した計測光８ａは、密度に対応した乱れを有しており、この計測光８ａは、半透明板７を減光されて通過する。一方、乱れのないレーザ光とピンホール７ａにより乱れのない参照光８ｂが形成される。計測光８ａと参照光８ｂは半透明板７からスクリーン４まで同一の光路を通り、これによりスクリーン４に干渉縞を表示する。かかる計測装置は、干渉計測ができるにもかかわらず、従来のシュリーレン計測装置とほぼ同様の簡単な装置であり、光路の調整も容易である利点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５及び図６に示した流体計測装置は、ピンホール７ａを有する半透明板７の準備と調整が困難である問題点があった。すなわち、この装置では、半透明板７を通過する計測光８ａと、ピンホール７ａを通過する参照光８ｂとを干渉させるため、ピンホール７ａの大きさと半透明板７の光の透過率が非常に重要となる。このため、従来は、大きさのことなるピンホール７ａと透過率が異なる半透明板７の組合せを多数準備し、計測に際してそれを何回も交換し、かつ交換毎に調整を繰り返して最適な干渉縞を得る必要があり、その交換・調整作業が煩雑で時間がかかる問題点があった。
【０００７】
また、この装置でシュリーレン計測を行う場合には、半透明板７を一旦外し、その位置にナイフエッジをセットし直す必要があり、この交換・調整作業も煩雑で時間がかかっていた。
【０００８】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、交換作業がほとんど不要であり、調整が容易であり、かつ同一の装置により干渉計測とシュリーレン計測を行うことができる流体計測装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、レーザ光から測定部に照射する平行光を形成する平行光形成手段と、測定部を通過した平行光を一点に集光する集光手段と、集光位置に配置され光を部分的に透過させる光透過手段と、光透過手段を通過する光を検出する検出手段と、を備え、光透過手段は、光軸に平行な軸心を中心に回転可能な半透明板と、該半透明板に設けられた複数のピンホールとからなり、半透明板は、光を通す透明部と、透明部の周方向に隣接し周方向に漸次透過率が増大する半透明部と、半透明部の周方向に隣接し光を遮る不透明部と、からなり、透明部と不透明部との間は半径方向に延びる直線状のエッジが形成されており、半透明部には、異なる複数の周方向位置に、寸法の異なる複数のピンホールが半径方向に間隔を隔てて設けられている、ことを特徴とする流体計測装置が提供される。
【００１０】
この構成によれば、光透過手段が半透明板とこの半透明板に設けられた複数のピンホールとからなり、かつ半透明板は光軸に平行な軸心を中心に回転可能に設けられているので、半透明板の回転と半径方向移動により、大きさのことなるピンホールと透過率が異なる半透明板の多数の組合せを、構成部品の交換なしに自由に変更できる。従って、半透明板の回転と半径方向移動だけで、流体計測装置の調整ができ、調整が極めて容易となる。更に、透明部と不透明部との間に半径方向に延びた直線状のエッジが形成されているので、このエッジを用いることにより、シュリーレン計測を行うことができ、この場合にも交換なしに容易に短時間に調整ができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、ピンホールは、直径が５０〜５００μｍの丸孔であり、互いに半径方向に少なくとも１ｍｍの一定間隔を隔てている。この構成により、干渉計測に適した大きさの丸孔を有するピンホールを、半径方向に一定間隔ずつ移動させるだけで、最適なピンホールを短時間に容易に選択することができる。
【００１２】
また、前記不透明部は、半径方向に延びる透明部からなる縦スリットと、該縦スリットに直交して延びる透明部からなる横スリットと、を有することが好ましい。この構成により、シュリーレン計測において、前記透明部と不透明部間のエッジ以外に、縦スリットと横スリットを用いることができ、シュリーレン計測における最適条件の設定がより容易となる。
【００１３】
更に、前記半透明板は、透明な円板と、該円板の表面にコーティングされた金属膜と、からなることが好ましい。この構成により、フォトエッジング等の手段により金属膜に微細なピンホールを精密に形成することができる。
また、前記平行光形成手段は、第１凹面鏡と該第１凹面鏡の焦点位置に配置された平面ミラーとからなり、前記集光手段は、測定部を挟んで第１凹面鏡と対向する第２凹面鏡からなり、前記検出手段は、第２凹面鏡の焦点位置より下流側に配置された結像装置とからなる。この構成により、安価で構造がシンプルであり、各光路の調整が比較的容易な装置により、干渉計測とシュリーレン計測を行うことができる。
【００１４】
また前記結像装置は、スクリーン又はカメラからなる。この構成により、スクリーンを用いて目視等が直接でき、或いは銀板カメラを用いて精密な静止画像を記録ができ、更にＣＣＤカメラ、ビデオレコーダ、及び画像処理装置との組合せにより動的な画像を記録し解析することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明による流体計測装置の全体構成図である。この図において、本発明の流体計測装置１０は、レーザ光Ｌ１から測定部１１に照射する平行光Ｌ２を形成する平行光形成手段１２と、測定部１１を通過した平行光Ｌ３を一点Ｆ２に集光する集光手段１４と、集光位置Ｆ２に配置され光を部分的に透過させる光透過手段１６と、光透過手段１６を通過する光Ｌ４を検出する検出手段１８とを備えている。
【００１６】
レーザ光Ｌ１は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の高調波であるが、本発明はこれらのレーザ光に限定されず、波長のほぼ一定なレーザ光であればよい。
図１の実施形態において、平行光形成手段１２は、第１凹面鏡１３ａと第１凹面鏡１３ａの焦点位置Ｆ１に配置された平面ミラー１５ａとからなる。この構成により、平面ミラー１５ａで反射したレーザ光Ｌ１をほぼ点光源とみなすことができ、第１凹面鏡１３ａにより平行光Ｌ２を形成し、かつこの第１凹面鏡１３ａの向きにより平行光Ｌ２を測定部１１に向けて正確に照射（伝播）させることができる。
【００１７】
また、集光手段１４は、測定部１１を挟んで第１凹面鏡１３ａと対向する第２凹面鏡１３ｂからなる。この構成により、第２凹面鏡１３ｂの向きにより光透過手段１６の位置に測定部１１を通過した平行光Ｌ３を一点Ｆ２に集光することができる。
更に、検出手段１８は、第２凹面鏡１３ｂの焦点位置Ｆ２より下流側に配置された結像装置からなる。この結像装置は、図１の実施形態では、スクリーン１８ａ、ＣＣＤカメラ１８ｂ、ビデオレコーダ１８ｃ、及び画像処理装置１８ｄからなる。なお、結像装置は、スクリーンや銀板カメラであってもよい。この構成により、スクリーンを用いて目視等が直接でき、或いは銀板カメラを用いて精密な静止画像を記録ができ、更にＣＣＤカメラ、ビデオ、及び画像処理装置との組合せにより動的な画像を記録し解析することが可能となる。
【００１８】
図２は、図１のＡ−Ａ線における矢視図である。この図に示すように、光透過手段１６は、光軸Ｚに平行な軸心０を中心に回転可能な半透明板１７と、半透明板１７に設けられた複数のピンホール１９とからなる。
半透明板１７は、光をほぼ完全に通す透明部１７ａと、透明部１７ａの周方向に隣接し周方向に漸次透過率が増大する半透明部１７ｂと、半透明部１７ｂの周方向に隣接し光をほぼ完全に遮る不透明部１７ｃとからなる。
【００１９】
半透明部１７ｂには、異なる複数（この図では４箇所）の周方向位置に、寸法の異なる複数のピンホール１９が半径方向に間隔を隔てて設けられている。ピンホール１９は、直径が５０〜５００μｍの丸孔（例えば、５０μｍ、１００μｍ、５００μｍの３種）であり、互いに１ｍｍの一定間隔を隔てている。なお、この図と相違し、多数の周方向位置に多数のピンホール（例えば、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、２００、２５０、３００、４００、５００μｍの丸穴）を設け、その周方向間隔を一定の角度（例えば１０°毎）にし、かつその半径方向間隔を一定の長さ（例えば３ｍｍ毎）にしてもよい。
【００２０】
上述した構成により、半透明板１７の回転と半径方向移動により、大きさのことなるピンホール１９と透過率が異なる半透明板１７の多数の組合せを、構成部品の交換なしに自由に変更できる。従って、半透明板１７の回転と半径方向移動だけで、流体計測装置１０の調整ができ、調整が極めて容易となる。すなわち、ピンホール１９は、干渉計測に適した寸法の丸孔であり、かつ互いに干渉計測に影響しない一定間隔を隔てているので、半透明板１７を半径方向に一定間隔ずつ移動させるだけで、最適なピンホールを短時間に容易に選択することができる。
【００２１】
また、図２において、透明部１７ａと不透明部１７ｃとの間に半径方向に延びる直線状のエッジ２０ａが形成されている。このエッジ２０ａは不透明部１７ｃの周方向縁からなる。更に、不透明部１７ｃには、半径方向に延びる透明部からなる縦スリット２０ｂと、縦スリット２０ｂに直交して延びる透明部からなる横スリット２０ｃとが設けられている。この構成により、エッジ２０ａを用いることにより、シュリーレン計測を行うことができ、この場合にも交換なしに容易に短時間に調整ができる。更に、このエッジ２０ａ以外に、縦スリット２０ｂと横スリット２０ｃを用いることができ、シュリーレン計測における最適条件の設定がより容易となる。
【００２２】
また、この実施形態において、半透明板１７は、透明な円板とこの円板の表面にコーティングされた金属膜とからなる。透明円板は例えば石英ガラスであり、金属膜は例えばクロムコーティングである。この構成により、フォトエッチング等の手段により金属膜に微細なピンホールを精密に形成することができる。
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
上述したように、本発明の流体計測装置は、交換作業がほとんど不要であり、調整が容易であり、かつ同一の装置により干渉計測とシュリーレン計測を行うことができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による流体計測装置の全体構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線における矢視図である。
【図３】従来のシュリーレン計測装置の構成図である。
【図４】従来の干渉計測装置の構成図である。
【図５】従来の流体計測装置の構成図である。
【図６】図５の装置の原理図である。
【符号の説明】
１  光源
２ａ，２ｂ  ミラー
３  ナイフエッジ
４  スクリーン
５ａ，５ｂ  ミラー
６  フィルタ
７  半透明板
７ａ  ピンホール
８ａ  参照光
８ｂ  計測光
１０  流体計測装置
１１  測定部
１２  平行光形成手段
１３ａ，１３ｂ  凹面鏡
１４  集光手段
１５ａ  平面ミラー
１６  光透過手段
１７  半透明板
１７ａ  透明部
１７ｂ  半透明部
１７ｃ  不透明部
１８  検出手段
１９  ピンホール
１９ａ  透明部
１９ｂ  半透明部
１９ｃ  不透明部
２０ａ  エッジ
２０ｂ  縦スリット
２０ｃ  横スリット
Ｆ１，Ｆ２  焦点
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４  レーザ光
【図１】
0003674011.tif 000002
【図２】
0003674011.tif 000003
【図３】
0003674011.tif 000004
【図４】
0003674011.tif 000005
【図５】
0003674011.tif 000006
【図６】
0003674011.tif 000007