(57)【要約】【課題】アークを発生させた際のシールドガスの状態など、高光度の被観測対象であっても、観測することができる流体可視化撮影装置を提供する。【解決手段】被観測対象の屈折率の分布を光学的に観測するための流体可視化撮影装置であって、被観測対象に対して平行光である観測光を照射するための平行光源と、被観測対象を透過した観測光を集光するための集光手段と、被観測対象に由来する光を除去するための撮影前処理部と、観測光を撮影するための撮影手段とを備える。【選択図】図１
2014044154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被観測対象の屈折率の分布を光学的に観測するための流体可視化撮影装置であって、
前記被観測対象に対して平行光である観測光を照射するための平行光源と、
前記被観測対象を透過した前記観測光を集光するための集光手段と、
前記被観測対象に由来する光を除去するための撮影前処理部と、
前記観測光を撮影するための撮影手段と、
を備えることを特徴とする流体可視化撮影装置。
【請求項２】
前記平行光源は、単一波長の観測光を照射するように構成され、
前記撮影前処理部は、
前記観測光の光路外の光を遮断するための絞り手段と、
前記観測光の波長の光を透過するバンドパスフィルタと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の流体可視化撮影装置。
【請求項３】
前記平行光源が、前記単一波長の観測光を照射するレーザー光源であることを特徴とする請求項２に記載の流体可視化撮影装置。
【請求項４】
前記平行光源が、
前記単一波長の観測光を照射する光源と、
前記光源から照射された前記観測光を平行光とするための第１のレンズと、
を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の流体可視化撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透明な媒質中における屈折率の差や密度の差によって観測されるシュリーレン現象を用いて、流体などの被観測対象の屈折率の分布を光学的に観測する流体可視化撮影装置に関し、より具体的には、アーク溶接を行う際のシールドガスの観測など高光度の被観測対象もしくは高光度の場における被観測対象を観測するための流体可視化撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アーク溶接では、溶融している金属が空気と接触すると、空気中の窒素などが金属に溶け込むことになり、ブローホールと呼ばれる溶接部の欠陥が生じることになってしまう。このため、アーク溶接を行う場合には、金属の溶融箇所が空気と触れないようにするために、金属の溶融箇所やノズルの先端付近に発生したアークを取り囲むようにシールドガスを噴射している。
【０００３】
また、シールドガスは、金属の溶融箇所を空気と触れないように保護するという役割とともに、アークを発生させるための素材となる役割も有している。
このため、アーク溶接装置の開発などでは、シールドガスの噴射形状や流れ方など、シールドガスの状態を正確に把握することが重要となる。
【０００４】
従来、シールドガスの状態を観察する方法として、シュリーレン法やシャドーグラフ法を用いてシールドガスの流れを大気の屈折率の変化（屈折率の分布）として捉えて撮影する方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００５】
図３は、従来のシュリーレン撮影装置の構成を説明するための概略構成図である。
図３に示すように、このシュリーレン撮影装置１００は、被観測対象１１２を透過する観測光１１４を照射するための光源１０２と、観測光１１４を平行光とするためのコリメーター１０４と、被観測対象１１２を透過した観測光１１４を集光するための集光手段１０６と、集光手段１０６の集光位置に配置されたナイフエッジ１０８と、結像レンズ１０９と、観測光１１４を撮影するための撮影手段１１０とを備えている。
【０００６】
このように構成されたシュリーレン撮影装置１００を用いて、シールドガスの状態を観察するためには、被観測対象１１２としてシールドガスが撮影されるように、観測対象位置にアーク溶接装置のノズルを配置する。
【０００７】
そして、ノズルからシールドガスを噴射した状態において、光源１０２から観測光１１４を照射するとともに、撮影手段１１０によって観測光１１４の撮影を行う。
このとき、シールドガスによって被観測対象１１２の流体（大気）の屈折率が変化するため、これにより、観測光１１４の一部がずれることになる。
【０００８】
集光手段１０６の集光位置に配置されたナイフエッジ１０８によって、この「ずれた観測光」が遮られるため、被観測対象の流体（大気）の屈折率のむら、すなわち、シールドガスの状態を明暗として観察することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平５−２７３１２７号公報
【特許文献２】特開平７−５３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、撮影手段１１０によって、観測光１１４を撮影する必要があるため、高光度の被観測対象１１２もしくは高光度の場における被観測対象１１２を観察することができなかった。
このため、シールドガスの状態を観察する場合には、ノズルからシールドガスが噴射されているだけの状態で撮影する必要があり、実際にアークを発生させた際のシールドガスの状態を観察することができなかった。
【００１１】
このため、シールドガスが金属の溶融箇所を確実に保護しているのか、また、効率よくアークが発生しているのか、などを、実際にアークを発生させた状態で観察することができなかった。
【００１２】
本発明は、このような現状に鑑み、アークを発生させた際のシールドガスの状態など、高光度の被観測対象であっても、観測することができる流体可視化撮影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】
【００１３】
本発明は、前述したような従来技術における課題を解決するために発明されたものであって、本発明の流体可視化撮影装置は、被観測対象の屈折率の分布を光学的に観測するための流体可視化撮影装置であって、
前記被観測対象に対して平行光である観測光を照射するための平行光源と、
前記被観測対象を透過した前記観測光を集光するための集光手段と、
前記被観測対象に由来する光を除去するための撮影前処理部と、
前記観測光を撮影するための撮影手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の流体可視化撮影装置は、前記平行光源は、単一波長の観測光を照射するように構成され、
前記撮影前処理部は、
前記観測光の光路外の光を遮断するための絞り手段と、
前記観測光の波長の光を透過するバンドパスフィルタと、
を備えることが好ましい。
【００１５】
この場合、前記単一波長の観測光を照射するレーザー光源であることが好ましい。
また、前記平行光源が、
前記単一波長の観測光を照射する光源と、
前記光源から照射された前記観測光を平行光とするための第１のレンズと、
を備えるように構成することもできる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、絞り手段によって観測用光路外の光を遮断するとともに、光源が照射する観測光の波長の光を透過するバンドパスフィルタを介して観測することによって、被観測対象由来の光の影響を最大限小さくして、被観測対象の観測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の流体可視化撮影装置の一例における概略構成図である。
【図２】図２は、図１の流体可視化撮影装置における撮影処理部の概略構成図である。
【図３】図３は、従来のシュリーレン撮影装置の構成を説明するための概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
図１は、本発明の流体可視化撮影装置の一例における概略構成図、図２は、図１の流体可視化撮影装置における撮影処理部の概略構成図である。
【００１９】
図１，２に示すように、この実施例の流体可視化撮影装置１０は、単一波長の観測光２８を照射するための光源１２と、観測光２８を平行光とするための第１のレンズ１４と、被観測対象３２を透過した観測光２８を集光するための第２のレンズ１６と、第２のレンズ１６の焦点位置に配置された絞り手段１８と、絞り手段１８を通過した観測光２８を平行光とするための第３のレンズ２０と、観測光２８の波長の光を透過させるバンドパスフィルタ２２と、観測光２８を撮影する撮影手段２４とを備えている。
【００２０】
光源１２としては、単一波長の観測光２８を照射できるものであれば特に限定されない。なお、光源１２としてレーザー光源を用いる場合には、照射されるレーザー光（平行光）を拡散させるために、光源１２の前方に拡散レンズ（図示せず）を設けて、レーザー光（平行光）を拡散させるように構成することができる。
【００２１】
また、光源１２が照射する観測光２８の波長は適宜変更可能であるが、被観測対象３２が放出する放出光や被観測対象３２が配置される場の光のスペクトル分布が判明している場合には、放出光や場の光が有する波長のうち強度の弱い波長を選択することもできる。
【００２２】
また、第１のレンズ１４としては、観測光２８を平行光とすることができるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、凸レンズでもいいし、レンズやミラーなどから構成されるコリメーターでも構わない。
【００２３】
なお、光源１２として、被観測対象３２全体を透過する平行光の観測光２８を照射することができるレーザー光源を用いる場合には、第１のレンズ１４を設ける必要はない。なお、本明細書では、光源１２と第１のレンズ１４を合わせて平行光源２６とも呼ぶ。
【００２４】
また、第２のレンズ１６としては、平行光を集光することができる集光手段であれば特に限定されるものではなく、例えば、凸レンズでもいいし、レンズやミラーなどから構成されるコリメーターでも構わない。
【００２５】
また、絞り手段１８としては、観測光２８の光路外の光を遮断するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、カメラのレンズ絞りのように、複数の絞り羽根から構成され、絞り量を調整することができる絞り手段とすることができる。
【００２６】
なお、この実施例では絞り手段１８を第２のレンズ１６の集光位置に配置しているが、観測用光路外の光を遮断することができれば絞り手段１８の位置は特に限定されるものではない。しかしながら、最も効率良く遮断できるのは集光位置である。また、絞り手段１８は、撮像素子に極力近い位置であることが好ましい。
【００２７】
また、第３のレンズ２０は、第２のレンズ１６の焦点位置よりも外側に配置され、第２のレンズ１６によって集光された観測光２８を平行光としている。なお、第３のレンズ２０としては、観測光２８を平行光とすることができるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、凸レンズでもいいし、レンズやミラーなどから構成されるコリメーターでも構わない。
【００２８】
また、バンドパスフィルタ２２は、単一波長の観測光２８を透過させるものであって、既知のバンドパスフィルタを用いることができる。なお、バンドパスフィルタ２２としては、透過帯域の小さいものが好ましい。
【００２９】
また、撮影手段２４としては、観測光２８を撮影することができるものであれば特に限定されるものではなく、動画を撮影するものであっても、静止画を撮影するものであってもよいが、例えば、シールドガスの状態などのように被観測対象３２を連続的に撮影する必要がある場合には、いわゆるハイスピードカメラを用いることが好ましい。
【００３０】
なお、図２に示すように、絞り手段１８と、第３のレンズ２０と、バンドパスフィルタ２２とによって、本実施例の流体可視化撮影装置１０の撮影前処理部３０が構成されている。
【００３１】
このように、平行光源２６から照射された単一波長の観測光２８を被観測対象３２に照射し、被観測対象３２を透過した透過光を撮影前処理部３０によって観測光２８以外の光を遮断するようにして、撮影手段２４によって観測光２８を撮影することによって、被観測対象３２由来の光を除去して、観測光２８を観測することができる。
【００３２】
このため、被観測対象３２が、例えば、実際にアークを発生させた状態のシールドガスなど、高光度の被観測対象であったとしても、被観測対象に由来する光の影響を最大限小さくして、観測を行うことができる。
【００３３】
以上、本発明の一実施例を説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、撮影前処理部３０としては、被観測対象３２由来の光を除去し、観測光２８を観測可能に構成されていればよく、ピンホール板のように絞り量を調整できない絞り手段を用いてもよい。
【００３４】
また、本発明の流体可視化撮影装置の被観測対象は、上述するようなシールドガスに限定されることはなく、本発明は、例えば、燃焼物を撮影や、爆発実験等の撮影などにも用いることができ、また、低光度の被観測対象の撮影にも適用可能であるなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１０      流体可視化撮影装置
１２      光源
１４      第１のレンズ
１６      第２のレンズ
１８      絞り手段
２０      第３のレンズ
２２      バンドパスフィルタ
２４      撮影手段
２６      平行光源
２８      観測光
３０      撮影前処理部
３２      被観測対象
１００    シュリーレン撮影装置
１０２    光源
１０４    コリメーター
１０６    集光手段
１０８    ナイフエッジ
１０９    コリメートレンズ
１１０    撮影手段
１１２    被観測対象
１１４    観測光
【図１】
2014044154.tif 000003
【図２】
2014044154.tif 000004
【図３】
2014044154.tif 000005