(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと光ファイバ結合器を有するマイケルソン型干渉計において、スーパールミネッセントダイオードを低干渉光源とし、該光源よりの光を分岐するファイバ結合器を配置すると共に、光ファイバで連結される複数の光ファイバ結合器を信号経路に使用し、参照光側に複数の集光レンズと反射鏡を配置すると共に、前記参照光側集光レンズと対応する数の集光レンズを設置した測定光側に被測定流体を備え、被測定流体中に原点とｘ，ｙ，ｚ方向に測定点を配置して集光レンズを通して測定光を被測定流体の流れ方向に垂直に当て、被測定流体からの後方散乱光の干渉信号を検出する光検出器と、干渉信号を用いて原点とｘ方向、原点とｙ方向、原点とｚ方向の３の相関処理を行う信号処理器を備えて３次元流速ベクトルを測定することを特徴とする低干渉光源を利用した流体の流速ベクトル測定システム。
【請求項２】
光ファイバと光ファイバ結合器を有するマイケルソン型干渉計において、少なくとも一個のスーパールミネッセントダイオードを低干渉光源とし、光ファイバで連結される複数の光ファイバ結合器を信号経路に使用し、参照光側に複数の集光レンズと反射鏡を配置すると共に、前記参照光側集光レンズと対応する数の集光レンズを配置した測定光側に被測定流体を備え、被測定流体中に原点とｘ，ｙ，ｚ方向にそれぞれ測定点を配置して集光レンズを通して測定光を被測定流体の流れ方向に垂直に当て、測定点からの後方散乱光の干渉信号を検出する光検出器用と、干渉信号を用いて原点とｘ方向、原点とｙ方向、原点とｚ方向の相関処理を行う信号処理器を備えて、３次元流速ベクトルを測定することを特徴とする低干渉光源を利用した流体の流速ベクトル測定システム。
【請求項３】
参照光側の反射鏡を微動掃引が可能に配置することを特徴とする請求項１または２に記載の低干渉光源を利用した流体の流速ベクトル測定システム。
【請求項４】
測定光側の集光レンズを微動掃引が可能に配置することを特徴とする請求項１または２に記載の低干渉光源を利用した流体の流速ベクトル測定システム。
【請求項５】
１つの低干渉光源からの光を分岐する１：Ｎ光ファイバ結合器を設けて、測定点をＮ個備えたことを特徴とする請求項１に記載の低干渉光源を利用した流体の流速ベクトル測定システム。
【請求項６】
測定点を２点とし、１点を基点に固定し、他方の測定点をｘ，ｙ，ｚ方向の位置に移動させ順次３つの相関処理を行うことを特徴とする請求項２に記載の低干渉光源を利用した流体の流速測定システム。
【請求項７】
原点となる測定点および前記原点に対してｘ，ｙ，ｚ方向に配置された測定点の測定光を集光する一組の測定光側集光レンズまたは微動掃引が可能に配置された一組の測定光側集光レンズを、流路全体に亘って掃引することにより、流路全体の３次元流速ベクトルを測定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の低干渉光源を利用した流体の流速ベクトル測定システム。
【請求項８】
請求項１乃至６の何れかに記載のシステムを用いた流速測定方法において、流体からの散乱光の干渉出力の時間変動を検出し、原点と他の測定点の２つの干渉出力の相関関数のピーク位置が流速ベクトルのｘ，ｙ，ｚ成分に直接比例することを利用して流速ベクトルを測定することを特徴とする低干渉光源を利用した流体の流速測定方法。
【請求項９】
請求項８に記載の流速測定方法において、原点となる測定点および前記原点に対してｘ，ｙ，ｚ方向に配置した測定点からなる一組の測定点を、流路全体に亘って掃引することにより、流路全体の流速ベクトルを求める流体の流速測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体からの近接する２個所からの散乱光の干渉出力の時間変動を検出し、それらの間の相関関数のピークの位置が流速ベクトルの３次元成分の一つに直接比例するという原理を見出し、これに基づいてなされた流速ベクトル測定システム及び測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで光学的な流速計には種々の測定原理が提案され、実用化されている。例えば、（１）  動いている粒子に光を当てると散乱光の周波数が粒子の速度に比例してシフトするというドップラー周波数シフトを原理とするレーザードップラー流速計（ＬＤＶ）（Ｈ．Ｚ．Ｃｕｍｍｉｎｓ  他：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒ  ｖｏｌ．１２，ｐｐ．１５０〜１５３．１９６４）、また、（２）  動いている粒子からの散乱光が格子を通過するときに、粒子の移動速度に比例して生じる通過光の変調周波数から流速を求める空間フィルタリング速度計（Ｊ．Ｔ．Ａｔｏｒ：Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ０ｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ．Ｖｏｌ．５３，ｐｐ．１４１６〜１４２２．１９６３  ）などがある。
【０００３】
また、 (3)流速ベクトルの測定法としては、粒子結像速度計(PIV,Part1c1e Imaging Velocimeter)(R.J.Adrian,Annu.Rev.FluidMech.,vol.23,pp.261〜304,1991）がある。また近年、低コヒーレントな光を用いた干渉計測技術が流速計に応用され始めている。例えば、従来のＬＤＶに低コヒーレント光を用いて深さ方向の流速分布をうまく測定した例として、(4)(W.J.0.Boyle 他：Proceedings 7thOptica1 Fiber Sensrs Conference,pp.357〜360.1990),  (5)V Gusmeroli 他：Optics Letters,vo1.17,pp.1358〜1360,1991,(6)Z.Chen 他：Optics Letters，vol.22,pp.1119〜1121,1997) などが報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のうち、（１），（２）  は深さ方向の流速測定が簡単にできないと言う欠点があるのに加え、散乱粒子密度の高い流体では多重散乱を生じ、検出光強度や測定精度が低下すると言う欠点があり、さらに、流速ベクトルを測定できないと言う決定的な問題がある。（３）  は従来の流速ベクトルを測定する唯一の方法であるが、２次元的な速度ベクトル情報を一度に得ることには適しているが、空間分解能が悪くしかも実時間測定が困難と言う問題があり、また何よりも３次元的な流速ベクトルの測定が困難である。（４）  〜（６）  は低コヒーレント光を用いて深さ方向の流速分布が測定できるが（１），（２）  と同様、高密度な散乱粒子密度の散乱流体には適用できず、また、何よりも流速ベクトルが測定できない。
【０００５】
本発明は、これらの欠点を解消し、高密度な散乱流体に対しても深さ方向の流速情報が容易に測定でき、したがって、流速ベクトルの３次元成分が容易に測定できるほか、流体流路の壁面や流れの方向に対して測定光を垂直に設定できるので計測システムを簡素化できる、低干渉光源を利用した流体の流速測定方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従来技術が干渉性の良いレーザ光を用いていたために上述の問題が生じていたことに着目し、本発明では、光源として干渉性の悪いスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を光源として用いることにより、ある特定の深さ位置の信号のみを取り出すことができ、高密度な散乱流体に対しても深さ方向（Ｚ方向）の流速成分が容易に測定できるようになった。また、前述したように計測システムを簡素化するために、流路の壁面と測定光の方向とのなす角度を垂直に設定している。
【０００７】
即ち本発明は、以下の構成を要旨とする。
（１）  光ファイバと光ファイバ結合器を有するマイケルソン型干渉計において、スーパールミネッセントダイオードを低干渉光源とし、該光源よりの光を分岐するファイバ結合器を配置すると共に、光ファイバで連結される複数の光ファイバ結合器を信号経路に使用し、参照光側に複数の集光レンズと反射鏡を配置すると共に、前記参照光側集光レンズと対応する数の集光レンズを設置した測定光側に被測定流体を備え、被測定流体中に原点とｘ，ｙ，ｚ方向に測定点を配置して集光レンズを通して測定光を被測定流体の流れ方向に垂直に当て、被測定流体からの後方散乱光の干渉信号を検出する光検出器と、干渉信号を用いて原点とｘ方向、原点とｙ方向、原点とｚ方向の３の相関処理を行う信号処理器を備えて３次元流速ベクトルを測定することを特徴とする低干渉光源を利用した流体の流速ベクトル測定システム。
（２）  光ファイバと光ファイバ結合器を有するマイケルソン型干渉計において、少なくとも一個のスーパールミネッセントダイオードを低干渉光源とし、光ファイバで連結される複数の光ファイバ結合器を信号経路に使用し、参照光側に複数の集光レンズと反射鏡を配置すると共に、前記参照光側集光レンズと対応する数の集光レンズを配置した測定光側に被測定流体を備え、被測定流体中に原点とｘ，ｙ，ｚ方向にそれぞれ測定点を配置して集光レンズを通して測定光を被測定流体の流れ方向に垂直に当て、測定点からの後方散乱光の干渉信号を検出する光検出器用と、干渉信号を用いて原点とｘ方向、原点とｙ方向、原点とｚ方向の相関処理を行う信号処理器を備えて、３次元流速ベクトルを測定することを特徴とする低干渉光源を利用した流体の流速ベクトル測定システム。
（３）  参照光側における反射鏡を微動掃引が可能に配置することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の低干渉光源を利用した流体の流速ベクトル測定システム。
（４）  測定光側の集光レンズを微動掃引が可能に配置することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の低干渉光源を利用した流体の流速ベクトル測定システム。
（５）  １つの低干渉光源からの光を分岐する１：Ｎ光ファイバ結合器を設けて、測定点をＮ個備えたことを特徴とする前記（１）に記載の低干渉光源を利用した流体の流速ベクトル測定システム。
（６）  測定点を２点とし、１点を基点に固定し、他方の測定点をｘ，ｙ，ｚ方向の位置に移動させ順次３つの相関処理を行うことを特徴とする前記（２）に記載の低干渉光源を利用した流体の流速測定システム。
（７）原点となる測定点および前記原点に対してｘ，ｙ，ｚ方向に配置された測定点の測定光を集光する一組の測定光側集光レンズまたは微動掃引が可能に配置された一組の測定光側集光レンズを、流路全体に亘って掃引することにより、流路全体の３次元流速ベクトルを測定することを特徴とする（１）〜（６）のいずれか１つに記載の低干渉光源を利用した流体の流速ベクトル測定システム。
（８）（１）乃至（６）の何れかに記載のシステムを用いた流速測定方法において、流体からの散乱光の干渉出力の時間変動を検出し、原点と他の測定点の２つの干渉出力の相関関数のピーク位置が流速ベクトルのｘ，ｙ，ｚ成分に直接比例することを利用して流速ベクトルを測定することを特徴とする低干渉光源を利用した流体の流速測定方法。
（９）  （８）に記載の流速測定方法において、原点となる測定点および前記原点に対してｘ，ｙ，ｚ方向に配置した測定点からなる一組の測定点を、流路全体に亘って掃引することにより、流路全体の流速ベクトルを求める流体の流速測定方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
図１、に本発明の低コヒーレント光源（ＳＬＤ）を用いたマイケルソン型光ファイバー干渉計による流速測定計測システムの実施例を示す。図において、１は低干渉光源であるスーパールミネッセントダイオード、２は低干渉光源光１より発光される光を分岐する１：Ｎ光ファイバ結合器（Ｎは自然数１，２，３…Ｎ）、３（ａ，ｂ．ｃ，ｄ）は光ファイバー４で連結される光ファイバ結合器であり、これらでマイケルソン型光ファイバー干渉計を構成する。
参照光側には集光レンズ５（ａ，ｂ．ｃ，ｄ）と、反射鏡（全反射鏡）６（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）が配置される。測定光側には集光レンズ７（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）と測定流体８が配置される。９（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）は測定点からの後方散乱光の干渉信号を検出する光検出器、１０は干渉信号を用いて原点とｘ方向、原点とｙ方向、原点とｚ方向の相関処理を行う信号処理器である。
【０００９】
図２は本発明の他の実施例を示し、低干渉光源（スーパールミネッセントダイオード）を複数（１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ）設けた多点測定システムである。この際、分光ファイバ結合器（図１の符号２）は省略できる。
図１および図２において低干渉光源１（図２）、集光レンズ５，７、反射鏡６及び光検出器９をそれぞれ４個ずつ示したが、これに限定されることなく、例えばそれぞれを２個配置し、２測定点のシステムとすることも可能である。
【００１０】
上記システムにおいて、図１に示すように、ミラー６は微動掃引が可能となるように微動ステージ上に設置することができる。また上記システムにおいて、図２に示すように、集光レンズ７はファイバ出射端と共に１つのｘ，ｙ，ｚ軸微動ステージに取り付けてもよく、従ってこの場合、集光レンズとファイバ出射端は互いの位置関係を保持しながら微動し、常にレンズで絞られた焦点が流体内で測定点となるように微動することができる。
【００１１】
上記システムによって、低干渉光源１から出射された光はファイバー結合器３で、一方は反射鏡（全反射鏡）６に、もう一方は測定する流体８に当たる。反射鏡６からの反射光と流体からの後方散乱光は重ね合わされ光検出器９で検出されるが、その際参照光の光路長と等しい光路長の後方散乱光のみが干渉出力を形成する。これにより流れの中の測定したい位置を設定することができる。
この際、参照光側の微動ステージ上に設置した反射鏡の位置により参照光の光路長が決まり、干渉可能な流体中の散乱点の位置、すなわち流体中の流速を測る深さ位置が決められる。またこの反射鏡の位置を掃引することにより、深さ方向の流速分布を測定することができる。
【００１２】
上記システムでの測定量は、多測定点の干渉信号の間の相互相関関数となる。このような多点測定系にすると流速の単なる大きさではなく、大きさと方向、即ち流速ベクトルが得られる。
例えば測定点を２点にすると、その２点における干渉信号の相互相関関数をとれば相関波形のピーク位置から、２点の空間距離が既知であるとして、その２点の存在する内面における流速ベクトルが得られる。また、ｘ，ｙ，ｚ方向の３点測定系を構成すれば、３次元的な流速ベクトルが得られる。さらに、この３点測定系を流路全体に亘って掃引するか、流路全体を網羅するように測定点を増した多点測定系を構成すると、流路全体の３次元流速ベクトル分布情報が得られる。即ち測定データとしては、流速ベクトルのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分が得られる。尚、図１のシステムは流体から微弱な後方散乱光を感度よく検出するために、強力な光源を用する場合に適し、別の場合には図２のシステムを用いるのがよい。
【００１３】
厚い流路の様に、流体からの微弱な後方散乱光を強力にするために、及び測定点の横方向空間分解能をよくするために測定光を集光させることが必要である。そこで、厚い流路に対しても深さ方向の流速分布をより簡単に測定する方法として、参照光側の反射鏡は動かさずに固定し、測定光側のファイバ出射端その先の集光レンズをまとめて動かすようにしてもよい。ファイバ出射端その先の集光レンズは実際には１つのホルダーに取り付けられるので、可動部は１箇所となり測定システム上シンプルに構成でき、極めて便利である。
【００１４】
このような干渉計において、光検出器（ＰＤ）に到達する参照光と流体からの後方散乱光の電場は以下のように表される。
Ｅr(ｔ）＝Ａr ∫ａ（ν）ｅｘｐ（−ｉ２πνｔ）ｄν        ……（１）
Ｅs(ｔ−τ）＝Ａs ∫ａ（ν）ｅｘｐ［−ｉ２πν（ｔ−τ）］ｄν…（２）
ここで、ａ（ν）は低コヒーレント光源のスペクトル、Ａr は参照光の振幅、Ａs は測定光の散乱流体からの振幅反射係数であり、流速に対応して時間的に変動するパラメータである。τは参照光と後方散乱光の光路長差に起因する時間差である。ここで参照光と測定光の振幅は等しく、さらに、Ａs の変動はτに比べて十分遅いものと仮定している。また式（１）、（２）において、位相定数項は無視している。
【００１５】
上式を用いると、光検出器における干渉信号は次式のようになる。
0003554856.tif 000002
ここでＩｏ＝＜Ａr 2 ＞＋＜Ａs 2 ＞、＜・・・＞は時間平均を意味し、Γ（τ）は時間コヒーレンス関数で、以下のように光源のパワースペクトルのフーリエ変換で与えられる。
Γ（τ）＝∫Ｇ（ν）ｅｘｐ（−２πτν）ｄν          ……（４）
ここで、Ｇ（ν）＝｜ａ（ν）｜2 である。また、コヒーレンス長ＩC は、光源のスペクトル幅△λと中心波長λを用いて次式のように与えられる。
Ｉc ＝λ2／△λ                                      ……（５）
【００１６】
（３）式の導出において、平均時間は電場の周期に比べ十分に長いという合理的な仮定が施されている。またこの式で得られた干渉信号出力において、実際上、参照光の振幅は流体からの後方散乱光の振幅に比べ十分に大きく、Ａｒ  ＞＞Ａｓ  なので、右辺第２項の係数は散乱光の強度より十分に大きく、２Ａｒ  Ａｓ  ＞＞Ａｓ  ２  である。従って、干渉出力における時間変動特性は主に第２項に支配される。この第２項は、コヒーレンス関数Γ（τ）を含んでおり、参照光と後方散乱光の光路長がほぼ等しいときにのみ現れる。よって、流速を測定するある深さ位置のごく近傍の散乱光の情報が干渉出力に含まれることになる。
【００１７】
また、実験上の信号処理法を考慮すると、（３）式において第２項のみがＡＣカップリング（交流結合）によって相関処理器に送られる。相関処理器では、２測定点からの時間的に変動する散乱振幅の相関関数が観測されることになるが、この相関関数のピークの位置△Ｔは、ある粒子が１点目の測定点を通過してから次の測定点を通過するまでの時間に相当するため、２測定点の距離Ｌが既知であるとしてこのピーク位置から直接流速ベクトルの成分が測定できることになる。すなわち、相関関数のピーク位置と流速は次式の関係で与えられ、流速が速いほどピーク位置は原点に近くなる。
ｕ＝Ｌ／△Ｔ                                    ……（６）
従って、図３のような測定点の配置を用いると、ＶｏとＶｘの干渉信号の相関関数から流速ベクトルのｘ成分ｕｘ，ＶｏとＶｙの干渉信号の相関関数から流速ベクトルのｙ成分ｕｙ，Ｖｏと、Ｖｚの干渉信号の相関関数から流速ベクトルのｚ成分ｕｚがそれぞれ測定できることになる。
【００１８】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示す。図１に示した低コヒーレンス干渉計を用いて流速分布測定を行った。図３にその時の流路の概略図を示す。図に示すモデルで、ポンプとバルブ１１でコラム（タンク）１２に溜まる液体の高さを調整し、一回の測定中一定とした。測定光１３は流路１４の矢印の位置に当たるようにした。１５は流体受けを示す。低コヒーレント光源として、印加電流１５０ｍＡで出力１０ｍＷ、中心波長８４１ｎｍ、線幅２０．８ｎｍのスーパールミネッセントダイオードを用いた。
【００１９】
測定光はレンズにより集光されて流路に入射し、流体中でのそのスポットサイズＷ０  は約４０μｍであった。測定光の入射位置は、流れが層流である出口から１０ｃｍでかつ管路の中心部にしている。被測定流体としては散乱粒子径約１μｍのインドラリビッド水溶液を用いた。
４点の測定点はＶｏを深さ位置ｄ＝１２０ミクロンに設定し、Ｖｘ，Ｖｙ，ＶｚはＶｏからそれぞれ１００ミクロンの距離に配置した。ここで各測定点の深さ位置は、参照光側の反射鏡を動かしても設定可能だが、ここでは測定光側の光ファイバ出射端と集光レンズを一体化して、これらを同一の３次元微動ステージに載せ微動させ、常に各測定光の焦点が測定点となるよう設定してある。
各測定点からの干渉信号からＶｏとＶｘ，Ｖｙ，Ｖｚとの信号解析器（相関器）により相関処理を行い、その相関波形のピークの位置から流速ベクトルのｘ，ｙ，ｚ成分を求めた。
【００２０】
平均流速をｕ＝３２０ｍｍ／ｓと設定して、得られたＶｏ−Ｖｘ，Ｖｏ−Ｖｙ、及びＶｏ−Ｖｚの干渉信号問の相関波形を、それぞれ図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。実施例で用いた流路における流れ場がｘ方向にのみ流れているため、    （ａ）の相関波形においてのみピークが現れている。（ａ）の相関波形のピーク位置は０．０００２秒なので、（６）式からｕｘ＝２００ｍｍ／ｓと求められる。なお、（ｂ）及び（ｃ）ではピークが見られないのでｕｙ＝ｕｚ＝０ｍｍ／ｓとなり、流速ベクトルはｕ＝（ｕｘ，ｕｙ，ｕｚ）＝（２００，０，０）であることがわかる。
【００２１】
同様の流路と測定系を用い、測定点の深さ位置をｄ＝１２０ミクロンとして、平均流速を変えた場合の設定流速に対するｕｘの測定値を図５に示す。測定値が設定値に良く一致しているのがわかる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の低干渉光源を利用した流速ベクトル測定法では、測定点の深さ位置を測定光側光ファイバ出射端と集光レンズを一体化して調整することにより設定でき、また４測定点内の基点を含む２点の干渉信号の３つの相関を取ることにより、流速ベクトルの３次元成分とその深さ方向の分布を容易に、しかも高分解能に測定することができる。
また流体に含まれる散乱粒子密度には基本的に依存せず、多重散乱の影響が小さく生体のような高濃度散乱流体の測定も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバ低コヒーレンス干渉計を用いた流速ベクトル測定系の実施例を示す図。
【図２】本発明の光ファイバ低コヒーレンス干渉計を用いた流速ベクトル測定系の他の実施例を示す図。
【図３】本発明の実施例に使用した流路の概略図。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）は実施例での流体からの散乱光の干渉信号の間の相関波形例を示す図。
【図５】実施例で得られた平均流速を変えた場合の設定流速に対するｕｘの測定値を示す図。
【符号の説明】
１：低干渉光源（スーパールミネッセントダイオード）
２：分岐光ファイバ結合器
３：ファイバ結合器
４：光ファイバ
５：集光レンズ
６：反射鏡
８：被測定流体
９：光検出器
１０：信号処理器
１１：バルブ
１２：コラム
１３：測定光
１４：流路
１５：流体受け
【図１】
0003554856.tif 000003
【図２】
0003554856.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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