(57)【要約】【課題】測定の際のキャリブレーションを用いた位置調整が不要であると共に、プローブを小型化した流速測定装置を提供すること。【解決手段】異なる角度で配置された複数のカメラ４０，４１と、この複数のカメラ４０，４１で撮像される流動場Ｓの被撮像空間ＳＰにレーザ光ＬＢ１を照射するようにしたレーザ光照射部２８と、を有する流速測定装置において、レーザ光照射部２８と複数のカメラ４０，４１の双方は、先端部に配置されたプローブ２６に固定され、複数のカメラ４０，４１は、その各撮像レンズ４２，４３がレーザ光ＬＢ１を照射する方向Ｘを中心に、被撮像空間ＳＰ側とは反対側を向くようにして、レーザ光ＬＢ１の照射方向Ｘと直交する方向Ｚに沿って配列し、かつ、撮像レンズ４２，４３の前であってプローブ２６に固定された反射鏡５０，５１を介して、被撮像空間ＳＰを撮像するようにしたことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる角度で配置された複数のカメラと、この複数のカメラで撮像される流動場の被撮像空間にレーザ光を照射するようにしたレーザ光照射部と、を有し、前記撮像して得られた複数の画像を比較して、前記被撮像空間の互いに直交する三成分の流速を測定するようにした流速測定装置において、
前記レーザ光照射部と前記複数のカメラの双方は、先端部に配置されたプローブに固定され、
前記複数のカメラは、その各撮像レンズが前記レーザ光を照射する方向を中心に、前記被撮像空間側とは反対側を向くようにして、前記レーザ光を照射する方向と直交する方向に沿って配列され、かつ、前記撮像レンズの前であって前記プローブに固定された反射鏡を介して、前記被撮像空間を撮像するようにした
ことを特徴とする流速測定装置。
【請求項２】
前記レーザ光照射部とは別に前記レーザ光を発振するためのレーザ発振部を有し、
前記レーザ発振部は、前記プローブには固定されずに、可撓性のある光ファイバーケーブルを介して前記プローブと接続されており、
前記光ファイバーケーブルからの出射光が前記レーザ光照射部に入射される
ことを特徴とする請求項１に記載の流速測定装置。
【請求項３】
前記レーザ光照射部から前記レーザ光が照射される方向について、前記被撮像空間に向かって、前記レーザ光照射部、前記複数のカメラの順で配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流速測定装置。
【請求項４】
前記プローブは、その内側に前記複数のカメラと前記反射鏡を密閉して収容するため壁面部を有しており、
前記反射鏡と前記被撮像空間との間には、前記壁面部の一部を構成するように、透明又は透光性を有する窓部が配置されおり、
前記窓部は、前記レーザ光の波長のみを透過するフィルターである
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流速測定装置。
【請求項５】
前記レーザ光照射部は、前記レーザ光をシート状のレーザシート光に変換するためのシート光形成部と、このシート光形成部からの前記レーザ光を屈曲させて、前記流動場に前記レーザシート光を照射するための屈曲光学部と、を有し、
前記複数のカメラの全てが、前記屈曲光学部と前記レーザシート光とを結ぶ仮想線より、前記シート光形成部側に配置され、
前記屈曲光学部は、前記壁面部の外部に露出している
ことを特徴とする請求項４に記載の流速測定装置。
【請求項６】
前記レーザ光照射部は、前記被撮像空間に円錐状のレーザ光を形成するための円錐光形成部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の流速測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数台のカメラで撮像して得られた画像に基づいて、３成分の速度を測定可能な流速測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、トレーサ粒子等の粒子を混入させた流動場に対してレーザ光を照射し、照射された粒子を含む所要空間の画像を複数のカメラで微小時間差をつけて撮像することで、当該流動場の流速を測定する装置が知られている。例えば、前記所要空間にレーザ光でなる円錐状等の立体的空間を形成して、これを複数のカメラで撮像し、所定の解析アルゴリズムを用いて３次元の３速度成分を測定する３次元３成分（３ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
３ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）の方式が知られている。また、前記所要空間にシート状のレーザ光を形成し、このシート状の面方向を２台のカメラの夫々が微小時間差をつけて撮像することで、所定の解析アルゴリズムを用いて、当該面方向とそれに直交する方向の３速度成分を測定する２次元３成分（２ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
３ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）の方式が知られている。
【０００３】
例えば、図９の流速測定装置１はこの２次元３成分方式を採用した所謂ストレオＰＩＶ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）であり（特許文献１参照）、装置１は、シート状のレーザシート光ＬＳを形成するためのシート光形成部３と、２台のカメラ２Ａ，２Ｂとを有している。そして、２台のカメラ２Ａ，２Ｂが同時に、かつ、異なる方向から微小時間差をつけてレーザシート光ＬＳ内の粒子を２枚ずつ撮像し、得られた計４枚の画像の粒子パターンと２台のカメラの角度差から、レーザシート光ＬＳの面内のＸＹ方向の速度成分とこれに直交するＺ方向の速度成分を測定している。
この際、２台のカメラ２Ａ，２Ｂとレーザシート光ＬＳの相対的位置がずれると正確な測定が不可能になるため、２台のカメラ２Ａ，２Ｂやシート光形成部３をガイドレール４，５上で位置決めするとともに、測定する際に校正板であるキャリブレーションを置いて、予め位置調整を行っている。
【０００４】
また、図１０に示すように、測定の際にキャリブレーションを置いて位置調整を行うことなく、精度よくかつ迅速に粒子画像を撮像するようにした流速測定装置６もある（特許文献２参照）。
この測定装置６では、筐体７にレーザ発振装置８と２台のカメラ９Ａ，９Ｂとが予め固定されていると共に、出来るだけ小さな空間でも装置を挿入して測定できるように、筐体７とは別にプローブ１０が設けられている。
プローブ１０の先端にはプリズム１１が配置されており、筐体７側のレーザ発振装置８から照射されたレーザ光ＬＢはプリズム１１により方向Ｘに向きを変えて、レーザシート光ＬＳを形成するようになっている。一方、２台のカメラ９Ａ，９Ｂはこの変えられた照射方向Ｘに沿って筐体７の方に配列されており、２台のカメラ９Ａ，９Ｂからはボアスコープ１２Ａ，１２Ｂがプローブ１０に向かって延伸し、同じく照射方向Ｘに並んで固定されている。そして、各ボアスコープ１２Ａ，１２Ｂの先端には、同じく照射方向Ｘに沿って並べられた２つのレンズ１３Ａ，１３Ｂが互いに角度差を付けて固定されている。このようにして、各部材の位置を予め固定して測定前の位置調整を不要とし、さらに、カメラ９Ａ，９Ｂ等が配置されていないプローブ１０のみを測定したい流動場に挿入し、レンズレンズ１３Ａ，１３Ｂやボアスコープ１２Ａ，１２Ｂを介して、２台のカメラ９Ａ，９Ｂがレーザシート光ＬＳ内の粒子を撮像するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１７６００公報
【特許文献２】特開２０１０−２４３１９７公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図９の装置１のように、ガイドレール４，５上にカメラ２Ａ，２Ｂやシート光形成部３を設置して、キャリブレーションにより位置調整する方法であると、車の外周の広い空間の流動場を測定することはできるが、車体下等の狭い空間を測定することは困難であり、また、測定の際にキャリブレーションを用いた位置調整を行う煩雑さもある。
この点、図１０の装置６は、各部材が予め固定されているので、キャリブレーションを用いた位置調整を行う必要がなく、さらに、カメラ９Ａ，９Ｂやレーザ発振装置８を配置しないプローブ１０を筐体７とは別に設け、これにより小さな空間でもプローブ１０を挿入して測定可能としている。しかし、図１０に示される装置９は、照射方向Ｘに沿って配置された２台のカメラ９Ａ，９Ｂと同じ方向及び同じ間隔を置いて、ボアスコープ１２Ａ，１２Ｂやレンズ１３Ａ，１３Ｂを配置する必要があり、このため、たとえプローブ１０内にカメラ９Ａ，９Ｂが収容されていなくても、結局、プローブ１０は大きなものとならざるを得ない。例えば、プローブ１０の照射方向Ｘの寸法は、カメラ９Ｂとレーザ発振装置８との距離Ｌ１以上とならざるを得ず、プローブ１０が挿入可能な空間には限界がある。
【０００７】
本願発明は以上の課題を解決するためのもので、測定の際のキャリブレーションを用いた位置調整が不要であると共に、プローブを小型化した流速測定装置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】
上記目的は、請求項１の発明によれば、異なる角度で配置された複数のカメラと、この複数のカメラで撮像される流動場の被撮像空間にレーザ光を照射するようにしたレーザ光照射部と、を有し、前記撮像して得られた複数の画像を比較して、前記被撮像空間の互いに直交する三成分の流速を測定するようにした流速測定装置において、前記レーザ光照射部と前記複数のカメラの双方は、先端部に配置されたプローブに固定され、前記複数のカメラは、その各撮像レンズが前記レーザ光を照射する方向を中心に、前記被撮像空間側とは反対側を向くようにして、前記レーザ光を照射する方向と直交する方向に沿って配列され、かつ、前記撮像レンズの前であって前記プローブに固定された反射鏡を介して、前記被撮像空間を撮像するようにした流速測定装置により達成される。
【０００９】
請求項１の構成によれば、複数のカメラは、被撮像空間に向かってレーザ光を照射する方向と直交する方向に沿って配列される。このため、当該照射方向については、レーザ光の照射方向に沿って複数のカメラを配列するのに比べて、プローブを小さくすることができる。
この点、このように当該照射方向に直交する方向に沿って複数のカメラを配列すると、当該照射方向に直交する方向については、複数のカメラが並んでしまうため、プローブの外形が大きくなってしまう。特に、精度よく流速を測定するためには、被撮像空間内の粒子の移動量を大きくするように撮像する必要があり、被撮像空間に対して角度をつけてカメラを配置するのが好ましく、そうすると、レーザ光照射部とカメラとの距離が大きくなって、当該照射方向に直交する方向については、プローブ外形が大きくなってしまう。
ところが、本発明では、複数のカメラは、その各撮像レンズがレーザ光の照射方向を中心にして、被撮像空間側とは反対側を向くようにし、かつ、撮像レンズの前の反射鏡を介して、被撮像空間を撮像するようにしている。従って、カメラの撮像レンズの位置を略変えずに、ボディ部をレーザ光照射部側に振ることが出来る分、レーザ光の照射方向に直交する方向（つまりカメラの配列方向）について、プローブ寸法を小さくすることができる。また、このように撮像レンズを反対側に向かせても、カメラは反射鏡を介して所要の角度を付けて被撮像空間の粒子の移動量を大きくするように撮像でき、精度のよい流速の測定が可能になる。
そして、以上のレーザ光照射部、複数のカメラ、及び反射鏡の全てがプローブに固定され、互いの相対的な位置関係が予め決められているため、使用の際、キャリブレーションを用いた位置調整も不要である。
以上のようにして、本発明では、精度のよい流速測定を可能にしつつ、レーザ光照射部からレーザ光を照射する方向、及びその照射方向に直交する方向の双方について、プローブの外形を小さくできる。
【００１０】
また、好ましくは、前記レーザ光照射部とは別に前記レーザ光を発振するためのレーザ発振部を有し、前記レーザ発振部は、前記プローブには固定されずに、可撓性のある光ファイバーケーブルを介して前記プローブと接続されており、前記光ファイバーケーブルからの出射光が前記レーザ光照射部に入射されることを特徴とする。
そうすると、先ず、レーザ光を発振するためのレーザ発振部はプローブには固定されていないため、その分、プローブを小さくすることができる。
そして、このようにレーザ光照射部とレーザ発振部とを別々にしても、光ファイバーケーブルを介してレーザ光をレーザ光照射部に入射でき、この光ファイバーケーブルは可撓性を有するため、先端のプローブを複雑な形状をした流動場に挿入し易くなる。
さらに、光ファイバーケーブルからの出射光をレーザ光照射部に入射すると、当該出射光は所定の角度をもって拡がるため、この拡がりを利用して面状又は立体状にレーザ光を照射でき、面状又は立体状に拡がった被撮像空間を形成し易くなる。
【００１１】
また、好ましくは、前記レーザ光照射部から前記レーザ光が照射される方向について、前記被撮像空間に向かって、前記レーザ光照射部、前記複数のカメラの順で配置されていることを特徴とする。このため、被撮像空間をプローブの近くで形成することができる。すなわち、３成分の流速を測定するために、被撮像空間は所要の拡がりをもった空間を必要とするため、レーザ光照射部からある程度離れないと所要の被撮像空間を形成することができない。そこで、レーザ光照射部をプローブの被撮像空間から一番離した位置に固定して、拡がりのある被撮像空間を可及的にプローブに近づけることができる。そして、被撮像空間をプローブに近づけることができれば、小さな流動場であっても対応でき、さらに、カメラの反射鏡を介した撮影角度を大きくとって、精度のよい測定も可能になる。
【００１２】
また、好ましくは、前記プローブは、その内側に前記複数のカメラと前記反射鏡を密閉して収容するため壁面部を有しており、前記反射鏡と前記被撮像空間との間には、前記壁面部の一部を構成するように、透明又は透光性を有する窓部が配置されおり、前記窓部は、前記レーザ光の波長のみを透過するフィルターであることを特徴とする。
そうすると、複数のカメラと反射鏡はプローブ内に密閉されるため、これらに埃や水滴等の不要物が付着することなく、精度のよい測定が可能となる。そして、このようにプローブの内部空間を密閉しても、反射鏡と被撮像空間との間には、壁面部の一部を構成するように、透明又は透光性を有する窓部が配置されているため、この窓部を通して、被撮像空間を撮像することができる。
さらに、この窓部はレーザ光の波長のみを透過するフィルターであるため、カメラが余計な光を撮像することもなく、より精度のよい測定が可能となる。
【００１３】
また、好ましくは、前記レーザ光照射部は、前記レーザ光をシート状のレーザシート光に変換するためのシート光形成部と、このシート光形成部からの前記レーザ光を屈曲させて、前記流動場に前記レーザシート光を照射するための屈曲光学部と、を有し、前記複数のカメラの全てが、前記屈曲光学部と前記レーザシート光とを結ぶ仮想線より、前記シート光形成部側に配置され、前記屈曲光学部は、前記壁面部の外部に露出していることを特徴とする。
そうすると、シート状のレーザシート光を生成できるシート光形成部を有するため、流動場の物体に接近した空間にシート状のレーザシート光を形成し、その薄いシート状空間に対して角度差をつけた複数のカメラで撮像すれば、その角度差から公知の解析アルゴリズムを用いて３成分の流速を測定できるため、狭い流動場の流速も測定できる。
そして、複数のカメラは屈曲光学部とレーザシート光とを結ぶ仮想線の片側に配置されているので、当該仮想線を間に挟んでカメラを両側に配置する場合に比べて、複数のカメラを並べる方向のサイズを小さくすることができる。しかも、複数のカメラが当該仮想線の片側にのみ配置されていると、カメラの前にある反射鏡とレーザシート光とを結ぶ領域が物体に遮られる恐れも少なくなる。
さらに、屈曲光学部は壁面部の外部に露出しているため、屈曲光学部から照射されたレーザ光が面状に拡がってレーザシート光を形成する際、壁面部がその面状の拡がりを遮ることを防止できる。従って、面状の拡がりをもつ成分の寸法について、プローブを小さく形成することが可能となる。
以上のように、被撮像空間の領域を薄くし、しかも、撮像エリアを物体に遮られる恐れも少なくし、さらに、プローブをより小型化をして、より小さな流動場の流速を測定することができる。
【００１４】
また、好ましくは、前記レーザ光照射部は、前記被撮像空間に円錐状のレーザ光を形成するための円錐光形成部を有することを特徴とする。従って、複数のカメラで立体的な被撮像空間を撮像して、３次元パーティクルトラッキングやトモグラフィ等を用いた公知の解析アルゴリズムで、立体的な被撮像空間内全体の速度成分（即ち、３次元３成分）を測定できる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、測定の際のキャリブレーションを用いた位置調整が不要であると共に、プローブを小型化した流速測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る流速測定装置の概略図。
【図２】図１の流速測定装置を図１のＦ方向（正面）から見た概略正面図。
【図３】図２の概略Ａ−Ａ断面図。
【図４】図１のレーザ光照射部の周辺を図３のＢ−Ｂの位置で切断した場合の概略断面図。
【図５】本実施形態の第１の変形例に係るレーザ光照射部周辺の断面図であり、図５（Ａ）は図３と同じ方向の断面図、図５（Ｂ）は図４と同じ方向の断面図。
【図６】本発明の実施形態の第２の変形例に係る流速測定装置の概略図。
【図７】本発明の実施形態の第３の変形例に係る流速測定装置の概略図。
【図８】図７の流速測定装置のレーザ光照射部周辺の断面図であって、図８（Ａ）は図３と同じ方向の断面図、図８（Ｂ）は図４と同じ方向の断面図。
【図９】従来の流速測定装置で車のボディ周辺の流速を測定している図。
【図１０】従来のプローブを有する流速測定装置の概略図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図において付した同じ符号は同様の構成を有している。
【００１８】
〔流速測定装置の概要〕
先ず、流速測定装置の概要を図１及び図２を用いて説明する。
図１は本発明の実施形態に係る流速測定装置２０、図２はこの流速測定装置２０について図１のＦ方向から見た正面図である。なお、図２では、後述する透明又は透光性を有する窓部を平行斜線で示している。
これらの図の流速測定装置（以下、「本装置」という）２０は、車のエンジンルームや車の床下、都市模型風洞試験におけるビル模型間の場所、等の狭いスペースの流動場Ｓの流速を測定するのに好適に使用される。
【００１９】
すなわち、本装置２０は２次元３成分（２ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ３ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）の流速を測定する装置であり、トレーサ粒子を混入する等した流動場Ｓにレーザ光ＬＢ１を照射して、被撮像空間にシート状のレーザシート光ＳＰを形成し、このレーザシート光ＳＰ内の粒子等に照射された散乱光を２台のカメラ４０，４１で撮影し、レーザシート光ＳＰの面方向ＸＹと面外方向Ｚを測定するようになっている。従って、レーザシート光ＳＰはシート状で厚みを必要としないため、幅が狭かったり、物体面ＡＴに近接したりする流動場Ｓ（図３参照）の流速を測るのに適している。
【００２０】
また、本装置２０は、筐体２２と、この筐体２２にチューブ２４を介して接続されたプローブ２６とを有している。プローブ２６には出来るだけ機器や装置を配置せず、本実施形態の場合、比較的大きめの機器としては、カメラ４０，４１とレーザ光照射部２８のみが配置され、小型化されている。これにより、狭い流動場Ｓに小型化されたプローブ２６のみを挿入して、流速を測れるようにしている。
【００２１】
〔プローブ以外の構成について〕
次に、本装置２０のプローブ２６以外の構成について説明する。
図１の筐体２２には、レーザ発振部３０、レーザ電源３１、カメラ電源３２、コントローラ３３、コンピュータ３４、冷却装置３５が配設されている。なお、図ではこれら各装置又は機器３０〜３５は筐体２２内にまとめて配置されているが、本発明はこれに限られず、筐体２２にまとめられていなくても構わない。
レーザ発振部３０はレーザ光を発振させる装置であり、発振したレーザ光はチューブ２４及びプローブ２６を介して、流動場Ｓの被撮像空間に向かって面状のレーザ光ＬＢ１となるように照射される。本実施形態のレーザ光ＬＢ１はダブルパルスレーザであり、例えば５３２ｎｍの波長のＹＡＧレーザが使用できる。
レーザ電源３１は、レーザ発振部３０に電源を供給し、パルスレーザのパルス幅に対応して通電するようになっている。
【００２２】
カメラ電源３２は、プローブ２６内の複数のカメラ４０，４１に電気的に接続され、電源を供給すると共に、カメラ４０，４１との間で信号の送受信を行っている。このカメラ電源３２とレーザ電源３１はコントローラ３３に接続されている。
コントローラ３３は、カメラ電源３２とレーザ電源３１とを同期させることで、レーザ発振部３０からレーザ光を発振するタイミングと、カメラ４０，４１で撮影するタイミングとを同期させている。また、このコントローラ３３はコンピュータ３４に接続され、カメラ４０，４１で撮影した画像データをコンピュータ３４に送信するようになっている。
コンピュータ３４は、受信した複数枚の画像データに基づいて、公知の解析アルゴリズム（例えば、特開２００４−２０３８５参照）を用いて、流動場Ｓの流速を算出する。すなわち、互いに角度差がついた２台のカメラ４０，４１から送られてきた微小時間差をおいた夫々の２枚の画像（レーザシート光ＳＰ内の散乱光画像など）のデータと２台のカメラ４０，４１の角度差から、マッピング関数を用いて、レーザシート光ＳＰの面方向のベクトルＸＹと、これに直交するベクトルＺにおける粒子の移動量を計算している。
【００２３】
チューブ２４は可撓性を有する管状であり、複雑な形状を有する流動場Ｓであっても、くねらせながら、その先端に付けられたプローブ２６を流動場Ｓに挿入できるようにしている。すなわち、チューブ２４は中空状とされ、その内側に複数の可撓性を有するケーブル又はチューブ類Ｃ１〜Ｃ４が挿通された、所謂複合ケーブルである。図１のＣ１は冷却用チューブ、Ｃ２は光ファイバーケーブル、Ｃ３及びＣ４はカメラ４０，４１の夫々の電源及び信号ケーブルである。なお、これらのケーブル又はチューブ類Ｃ１〜Ｃ４は、プローブ２６内に差し込まれてプローブ２６内で固定されている。
このように、可撓性のあるチューブ２４を使用できたのは、複数のカメラ４０，４１をプローブ２６の方に収容して、筐体２２とプローブ２６との位置関係を問わないようにしたためである。そして、本装置２０では、カメラ４０，４１をプローブ２６に収容したとしても、プローブ２６の小型化を実現している。以下、このプローブ２６について、図３及び図４を中心に説明する。
【００２４】
〔プローブについて〕
図３は図２の概略Ａ−Ａ断面図、図４はレーザ光照射部２８及びその周辺を図３のＢ−Ｂの位置で切断した場合の概略部分断面図である。なお、図３ではレーザ光照射部２８等の一部をさらに切り欠いて図示している。また、図３では図面が煩雑にならないように、ケーブルＣ３及びＣ４の一部を省略して図示している。
本装置の先端部に配置されたプローブ２６は、全体が略矩形状の筐体に、複数のカメラ４０，４１、レーザ光照射部２８、及び光ファイバーケーブルＣ２を固定するようにしている。
カメラ４０，４１はレーザシート光ＳＰの粒子に当たった散乱光を撮像するもので、図では２台であり、角度差をつけて内底２９ｅに固定されている。なお、カメラ４０，４１にはデジタル式のＣＯＭＳカメラやＣＣＤカメラ等を利用でき、本実施形態ではＣＣＤカメラが用いられている。
【００２５】
レーザ光照射部２８は、シート状のレーザシート光ＳＰを生成するための光学系であるシート光形成部２８ａと、このシート光形成部２８ａからのレーザ光を屈曲させ、被撮像空間に向けてレーザ光ＬＢ１を照射するための屈曲光学部２８ｂとからなっている。
図３及び図４に示すように、シート光形成部２８ａと屈曲光学部２８ｂとは、スクリュー等１３でＺ方向に沿って並べるように接続され、全体的に円柱形状となっている（図１参照）。具体的には、シート光形成部２８ａは、光学系レンズ６０と、この光学系レンズ６０を保持するレンズ保持体６２とを有し、屈曲光学部２８ｂは、照射方向を変えるための照射方向変更部６６と、この照射方向変更部６６を保持する方向変更部保持体６８とを有している。そして、レンズ保持体６２と方向変更部保持体６８とが、着脱可能なように接続されている。
【００２６】
このようなレーザ光照射部２８は、シート光形成部２８ａがプローブ２６の内部空間ＡＣに差し込まれて、プローブ２６に対して着脱可能なように固定されている。
即ち、図１に示すようにプローブ２６は全体が略矩形状であり、先端側の壁面部２９ｃに、図３及び図４に示すように貫通孔５９が形成されている。そして、この貫通孔５９にシート光形成部２８ａが挿入されている。なお、レンズ保持体６２は貫通孔５９の内面に対応した外周側面を有し、レンズ保持体６２の外周側面と貫通孔５９の内面は、その間に防水用のＯリング６４が介在して密着している。
そして、屈曲光学部２８ｂは先端側の壁面部２９ｃから突出して外部に露出している。これにより、図１の高さＨが小さいプローブ２６であっても、レーザ光ＬＢ１をＹ方向に大きな拡がり角をもって出射して、レーザシート光ＳＰをプローブ２６の近くに形成することを可能にしている。また、複雑な形状をした流動場Ｓであっても、そこに突出した屈曲光学部２８ｂを差し込んでレーザシート光ＳＰを形成することもできる。
【００２７】
このような屈曲光学部２８ｂの照射方向変更部６６には、光学系レンズ６０からのレーザ光の方向を変えるためのプリズムやキューブミラー等が利用でき、本実施形態ではレーザ光を９０度屈曲させる直角プリズムを使用している。具体的には、照射方向変更部６６は、２個の直角プリズム６６ａ，６６ｂの斜面どうしを合わせたような直方体状のプリズムとされており、これをケースである方向変更部保持体６８で保持している。また、方向変更部保持体６８は、図４に示すように、その内側に、先端側の直角プリズム６６ａの先端面ＦＦと面状に接触可能な平板状部５５と、この平板状部５５を直角プリズム６６ａ側に向けて押し込むことが可能なネジ５７とを有している。これにより、ネジ５７を回すことで直角プリズム６６ａ，６６ｂを押し込んで、微調整が行えると共に、押し込まれた内側の直角プリズム６６ｂがＯリング６５を押し潰して、光学系レンズ６０と照射方向変更部６６との間の埃や水滴等の侵入を防止している。
【００２８】
なお、プローブ２６は、内部空間ＡＣを密封する壁面部２９を有し、内部空間ＡＣ内のカメラ４０，４１やレーザ光照射部２８のメンテナンスが可能なように、図１及び図２に示すように、正面の壁面部２９ａと平面の壁面部２９ｂがビス３７等で着脱可能とされている。
【００２９】
ここで、図３に示すように、２台のカメラ４０，４１は、レーザ光照射部２８からレーザ光ＬＢ１が照射される方向Ｘと直交するレーザシート光ＳＰの面外方向Ｚに沿って配列されている。このため、プローブ２６の中で最も大きな外形を有するカメラ４０，４１を並べたことで、プローブ２６は、カメラ４０，４１の配列方向Ｚと直交する方向（即ち、レーザ光ＬＢ１が照射される方向）Ｘの寸法Ｄを小さくすることができる。
具体的には、２台のカメラ４０，４１の双方は、屈曲光学部２８ｂとレーザシート光ＳＰとを結ぶ仮想線（レーザ光ＬＢ１の照射方向と略同じ）に対して、配列方向Ｚについてカメラ４０とシート光形成部２８ａに重なる領域Ｗａが生ずるようにして、シート光形成部２８ａ側に配置されている。
【００３０】
そして、カメラ４０，４１は、その撮像レンズ４２，４３が、レーザ光ＬＢ１の照射方向Ｘを中心にして、レーザシート光ＳＰ側とは反対側を向くように配置され、撮像レンズ４２，４３の前であってプローブ２６に固定された平板状の反射鏡５０，５１を介して、レーザシート光ＳＰを撮像するようにしている。従って、カメラ４０，４１の撮像レンズ４２，４３の固定位置を略変えずに、ボディ部４５，４６をレーザ光ＬＢ１側に振ることが出来る分、カメラ４０，４１の配列方向Ｚについて、プローブ２６の寸法Ｗを小さくすることができる。
即ち、レーザシート光ＳＰに対して大きな角度を付けて撮影することが、粒子の移動量を正確に把握する上で好ましいため、レーザシート光ＳＰの中心ＣＮ（Ｚ方向におけるレーザ光の収束箇所）とカメラ４０，４１の撮像方向との交差角θ１，θ２を小さくすることはできず、この互いに異なる交差角θ１，θ２を維持したまま、ボディ部４５，４６をレーザ光ＬＢ１側に振っている。なお、カメラ４０の反射鏡５１を介した撮像方向とレーザシート光ＳＰとの交差角θ２は３５度、カメラ４１の反射鏡５０を介した撮像方向とレーザシート光ＳＰとの交差角θ１は４５度である。
このようにして、プローブ２６は寸法Ｄも寸法Ｗも小さくすることができる。
【００３１】
具体的には、薄板状の反射鏡５０，５１はその主面が照射方向ＬＢ１に沿って配置されている。そして、レーザ光ＬＢ１から遠い撮像レンズ４２は、レーザ光ＬＢ１の照射方向Ｘに対する角度θ３が約４５度となるように、レーザ光ＬＢ１の反対側に向いている。また、レーザ光ＬＢ１に近い撮像レンズ４３は、レーザ光ＬＢ１の照射方向Ｘに対する角度θ４が約３５度となるように、レーザ光ＬＢ１の反対側に向いている。
なお、反射鏡５０，５１は全反射ミラーであり、反射鏡５０はエポキシ樹脂等の接着剤でプローブ２６の内壁２９ｄに接着されると共にボルト３９で固定されている。カメラ４０とカメラ４１の間に配置された反射鏡５１は、プローブ２６の内底２９ｅに接合された縦断面がＵ字状である台部３８の溝に挿入されると共にボルト１７で固定されている。
【００３２】
また、カメラ４０，４１は、撮像レンズ４２，４３とボディ部４５，４６とが分離しており、ボディ部４５，４６には、撮像レンズ４２，４３で集めた光を結像させて電気信号に変換する撮像素子（本実施形態ではＣＣＤセンサ）５２、及びこの撮像素子５２やコンデンサ等を搭載した基板５３を有している。そして、カメラ４０，４１は所謂シャインフルーグ（Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ）機能を有しており、撮像レンズ４２，４３がプローブ２６に固定されているのに対して、ボディ部４５，４６が図３のＲ方向に所要の角度だけ回転可能とされ、これにより、撮像レンズ４２，４３の光軸と撮像素子５２の光軸とにあおり角を付けられるようにしている。従って、照射方向Ｘに所定の長さを有するレーザシート光ＳＰであっても、カメラ４０，４１は焦点を合わせることができる。
【００３３】
シート光形成部２８ａと屈曲光学部２８ｂとからなるレーザ光照射部２８は、その長手方向が複数のカメラ４０，４１の配列方向Ｚに沿って配置され、シート光形成部２８ａからカメラ配列方向Ｚに沿って出射されたレーザ光は、照射方向変更部６６により直角に屈曲して、流動場Ｓにレーザシート光ＳＰを形成するようになっている。
そして、プローブ２６からのレーザ光ＬＢ１の照射方向Ｘについて、被撮像空間に向かって、レーザ光照射部２８、複数のカメラ４０，４１の順に配置されている。これにより、プローブ２６に近接してＹ方向に拡がった空間を形成し難いレーザシート光ＳＰを、可及的にプローブ２６に近づけている。そして、レーザシート光ＳＰをプローブ２６に近づけることができれば、小さな流動場Ｓであっても対応でき、さらに、カメラ４０，４１の反射鏡５０，５１を介した撮像方向とレーザシート光ＳＰとの交差角θ１，θ２を大きくとって、精度のよい測定も可能になる。
【００３４】
さらに、レーザ光照射部２８は、光ファイバーを用いてシート光形成部２８ａの小型化も図っている。すなわち、光ファイバーは、入射角を有して光を受け入れるため、光ファイバーケーブルＣ２からの出射光ＬＢ２は所定の拡がり角（円錐状）をもって出射され、この拡がり角をレーザシート光ＳＰの面内における照射方向Ｘと直交する方向Ｙ（図１も参照）に利用している。なお、光ファイバーの開口数（ＮＡ）は、レーザシート光ＳＰの大きさやプローブ２６からの距離を考慮して決めればよい。
具体的には、光ファイバーケーブルＣ２からの出射光ＬＢ２は、シート光形成部２８ａの凸シリンドリカルレンズ６０に入射される。凸シリンドリカルレンズ６０は、出射光ＬＢ２の光軸方向に沿って光学中心が配置されており、図３に示すようにＸＺ方向の出射光ＬＢ２を収束させる一方で、図４に示すようにＸＹ方向の出射光ＬＢ２は収束させずに、そのまま照射方向変更部６６に照射するようになっている。このようにして、本実施形態では、シート光形成部２８ａのレンズ数を減らしても、面状に拡がりをもって流動場にレーザ光ＬＢ１を照射することができる。従って、シート光形成部２８ａを小型化できる。
また、レーザ光照射部２８はプローブ２６に固定された光ファイバーケーブルＣ２の出射光ＬＢ２を利用してレーザ光ＬＢ１を照射している。このため照射位置がずれ難く、カメラ４０，４１とレーザシート光ＳＰとの相対的な位置を正確に合わせることができる。
【００３５】
なお、本発明のレーザ光照射部は上述した態様に限られるものではなく、例えば、本実施形態の第１の変形例に係るレーザ光照射部２８−１の周辺の断面図である図５に示すように、凸シリンドリカルレンズ６０と照射方向変更部６６との間に、出射光ＬＢ２の光軸方向に沿って光学中心を配置するように凹シリンドリカルレンズ７０を設けてもよい。これにより、凹シリンドリカルレンズ７０で、レーザシート光ＳＰの面方向における照射方向Ｘと直交する方向Ｙについて、図３に比べてさらにレーザ光ＬＢ１を可及的に拡げて、レーザシート光ＳＰをプローブ２６により近づけることができる。
【００３６】
また、プローブ２６は、少なくとも反射鏡５０，５１と被撮像空間（つまりレーザシート光ＳＰが形成された空間）との間に、壁面部２９ａの一部を構成するようにして、透明又は透光性を有する窓部１５が配置されている（図１及び図２参照）。これにより、内側空間ＡＣにカメラ４０，４１が収容されていても、外側のレーザシート光ＳＰの散乱光を撮像できる。なお、本実施形態の窓部１５は一枚であり、壁面部２９ａの周縁部を除く中央領域全てに配置されている。そして、この窓部１５は、レーザ光ＬＢ１の波長のみを透過するフィルターとされている。本実施形態の場合、レーザ光ＬＢ１の波長は５３２ｎｍであるため、この波長のみを透過させるバンドパスフィルター等である。従って、カメラ４０，４１が余計な光を撮像することもなく、精度のよい測定が可能となる。
【００３７】
なお、図１及び図３に示すように、プローブ２６には、冷却装置３５と接続された冷却用チューブＣ１が、チューブ２４内を通って差し込まれており、プローブ２６の内部空間ＡＣ内を解熱するようになっている。冷却用チューブＣ１から出たエアーは、内部空間ＡＣを通って、チューブ２４内に逆戻りするようになっている。この際、エアーは内部空間ＡＣ内を隅々まで通るように、出来るだけ奥に差し込むのが好ましい。
また、光ファイバーケーブルＣ２は、プローブ２６内に架台７７を介して固定されているが、この際、架台７７にはＺ方向に沿って長い長孔７８が形成され、この長孔７８にボルト７９が挿通して固定されている。このようにして、光ファイバーケーブルＣ２はＺ方向の位置の微調整が可能になっている。
【００３８】
本発明の好ましい実施形態は以上のように構成され、狭く複雑な流動場であっても流速を測定できる。すなわち、従来のプローブ式の流速測定装置は、プローブを小型化しようとして、比較的サイズの大きいカメラをプローブに収容しないようにしている。しかし、複数のカメラを使って３成分速度を測定する場合、カメラをプローブに入れなくても、複数のカメラの位置関係等をそのままプローブにも反映させるように、プローブ内の各機器及び部材の位置を精密に固定する必要があることから、却って装置の大型化を招く結果となる。この点、本発明は逆転の発想で、図３に示すように複数のカメラ４０，４１をあえてプローブ２６内に収容し、その中で最大限小型化できる技術を達成している。本実施形態のプローブ２６のサイズは、図１のＷが約１３ｃｍ、Ｄが約１０ｃｍ、Ｈが約４ｃｍであり、格段に小型化を図れた。
また、レーザ光照射部２８、複数のカメラ４０，４１、及び反射鏡５０，５１の全てがプローブ２６に固定され、互いの相対的な位置関係が予め決められているため、使用の際、キャリブレーションを用いた位置調整も不要である。
【００３９】
図６は、本発明の実施形態の第２の変形例に係る流速測定装置１００の概略図である。なお、図６では、プローブ２６−１のカメラ７２，７３と反射鏡７４，７５が固定された領域だけ切り欠いて内部空間ＡＣを視認している。
この図において、図１乃至図５の流速測定装置２０と同一の符号を付した箇所は同様の構成であるから、重複する説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
本第２の変形例に係る流速測定装置１００が上述した実施形態と異なるのは、カメラ７２，７３と反射鏡７４，７５の配置とそれを収容するプローブの形状のみである（カメラ及び反射鏡の配置を除く部材自体の構成は、図１乃至図５と同様である）。
【００４０】
すなわち、図６においても、上述した実施形態と同様に、複数のカメラ７２，７３は、各撮像レンズ７２ａ，７３ａがレーザ光の照射方向ＬＢ１を中心に、被撮像空間（即ちレーザシート光ＳＰ）側とは反対側を向くようにして、レーザ光の照射方向Ｘと直交する方向Ｚに沿って配列され、かつ、撮像レンズ７２ａ，７３ａの前であってプローブ２６−１に固定された反射鏡７３，７４を介して、被撮像空間を撮像するようになっている。従って、プローブ２６−１は、図１乃至図５のプローブ２６と同様に小型化を図れる。
【００４１】
しかし、このプローブ２６−１は、レーザ光照射部２８から被撮像空間に向かってレーザ光ＬＢ１が照射された方向Ｘを中心に、その両側にカメラ７２，７３が１台ずつ配置されている。そして、レーザ光照射部２８から出射されたレーザ光ＬＢ１は、プローブ２６−１の２台のカメラ７２，７３に挟まれた内部空間ＡＣを通って被撮像空間に向かって照射される。
さらに、複数のカメラ７２，７３は、互いの撮像レンズ７２ａ，７３ａが正反対を向くようにして、照射方向Ｘと直交するレーザシート光ＳＰの面外方向Ｚに沿って配列されている。そして、反射鏡７３，７４は、複数のカメラ７２，７３が並ぶ方向Ｚに対して、反射面７４ａ，７５ａがレーザシート光ＳＰ側を向くようにして、角度をつけて配置されている。具体的には、カメラ７２の反射鏡７４を介した撮像方向とレーザシート光ＳＰとの交差角θ５、及び、カメラ７３の反射鏡７５を介した撮像方向とレーザシート光ＳＰとの交差角θ６は、いずれも４５度である。
このようにして、図６のプローブ２６−１では、図３のプローブ２６に比べて、Ｚ方向に対してカメラ７２，７３に角度を付けていない分、レーザ光ＬＢ１の照射方向Ｘに沿った寸法Ｄ１を小さくしている。
但し、図６のプローブ２６−１は、図３のプローブ２６とは異なり、レーザ光ＬＢ１の照射方向Ｘを中心に、その両側にカメラ７２，７３が１台ずつ配置されているため、図６のＷ２の分だけ、プローブ２６−１が大きくなっている。
【００４２】
即ち、図６のプローブ２６−１と図３のプローブ２６を比較すれば、次の通りである。
図６のプローブ２６−１は図３のプローブ２６に比べて、相対的に細長い形状とされ、そのような流動場Ｓの流速を測定するのに適している。
しかし、図６のプローブ２６−１はＷ２の分が大きく突出している。さらに、プローブ２６−１の内部空間ＡＣを通ってレーザ光ＬＢ１が照射されるため、Ｙ方向の大きな拡がり角をもってレーザ光ＬＢ１を出射するために、図１のプローブ２６の高さＨに比べて図６のプローブ２６−１の高さを大きくせざるを得ない。これらのことから、全体の容量的には、図３のプローブ２６の方が小型化を図れる。
また、プローブ２６−１は、図６に示すように、流動場Ｓの物体ＡＴの角部ＣＲ付近を撮像しようとすると、この角部ＣＲが撮像の邪魔になってしまい、物体ＡＴに近接してレーザシート光ＳＰを形成することができない場合がある。
このようなことから、小さな流動場Ｓの流速を図ることを考慮すると、総合的には、図３のプローブ２６が優れている。
【００４３】
図７は、本発明の実施形態の第３の変形例に係る流速測定装置１０１の概略図である。また、図８（Ａ）は図７の流速測定装置１０１のレーザ光照射部周辺の断面図であり、図８（Ａ）は図３と同じ方向の断面図、図８（Ｂ）は図４と同じ方向の断面図である。
これらの図において、図１乃至図５の流速測定装置２０と同一の符号を付した箇所は同様の構成であるから、重複する説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
本第３の変形例に係る流速測定装置１０１が上述した実施形態と異なるのは、３次元３成分（３ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
３ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）の速度を測定する点である。
【００４４】
すなわち、流速測定装置１０１のレーザ光照射部２８−２は、被撮像空間に円錐状のレーザ光ＬＢ３を形成するための円錐光形成部２８ａ−１を有している。
具体的には、円錐光形成部２８ａ−１は一枚の凹レンズ８０を有し、この凹レンズ８０に光ファイバーケーブルＣ２から出射されたレーザ光ＬＢ２が入射するようになっている。なお、凹レンズ８０はレーザ光ＬＢ２の光軸方向に沿って光学中心が配置されており、この凹レンズ８０を保持するレンズ保持体６２は、図３と同じ外形形状を有している。
これにより、所定の開口数（ＮＡ）を有する光ファイバーケーブルＣ２から円錐状に出射されたレーザ光ＬＢ２は、凹レンズ８０で発散され、この発散されたレーザ光を照射方向変更部６６が直角に屈曲させて、流動場Ｓに円錐状のレーザ光ＬＢ３を照射するようになっている。従って、プローブ２６−２の近くにレーザ光ＬＢ３で形成された円錐状部のうち、３次元の立体状部ＣＵを複数のカメラ４０，４１で撮像し、その撮像データを筐体２２側に送信すれば、３次元パーティクルトラッキングやトモグラフィ等の公知の解析アルゴリズムを用いて、３次元３成分（３ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
３ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）の速度を測定することができる。
【００４５】
本第３の変形例は以上のように構成されており、このプローブ２６−２と図３のプローブ２６とが異なるのは、図３のレーザ光照射部２８の凸シリンドリカルレンズ６０が凹レンズ８０に変わっただけであり、これにより３次元３成分（３ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
３ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）の速度を測定することができる。
そして、図３に示すように、レーザ光照射部２８は、プローブ２６にシート光形成部２８ａが差し込まれてスクリュー１３等で接続固定された構成である。そこで、図３のプローブ２６からレーザ光照射部２８を取り外し、さらにそのレーザ光照射部２８のシート光形成部２８ａと屈曲光学部２８ｂとを分離させ、そして、シート光形成部２８ａの代わりに、図８の円錐光形成部２８ａ−１を図３の屈曲光学部２８ｂに接合し、これを図８のプローブ２６−２に差し込んで固定することも可能となる。
【００４６】
ところで、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変形例を採用できる。
例えば、上述した実施形態では、カメラを２台だけで説明したが３台以上をプローブ内に収容しても構わない。
また、被撮像空間に円柱状のレーザ光を形成して、２台以上のライトフィールドカメラを使い、焦点距離の異なる複数の焦点平面像を撮影することで、多断面ステレオＰＩＶによるボリュームＰＩＶとする多断面２Ｄ３Ｃ（２ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ３ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）としてもよい。
また、図３のチューブ２４は１本であるが、可撓性を有するのであれば２本以上であっても構わない。
【符号の説明】
【００４７】
１５・・・窓部、２０，１００，１０１・・・流速測定装置、２６・・・プローブ、２８・・・レーザ光照射部、２８ａ・・・シート光形成部、２８ｂ・・・屈曲光学部、３０・・・レーザ発振部、４０，４１・・・カメラ、５０，５１・・・反射鏡、Ｓ・・・流動場，ＬＢ１，ＬＢ２・・・レーザ光、ＳＰ・・・レーザシート光、Ｃ２・・・光ファイバーケーブル
【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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【図１０】
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