(57)【要約】【課題】  特別なシリンドリカルレンズを用いずに、1メートル四方程度で、薄くて比較的明るいライトシートを形成することができる技術を提供する。【解決手段】  レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望するライトシートを得るためのレーザライトシート形成装置であって、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光に対して、発光点に近接させて位置させたシリンドリカルレンズ(a)と、そのシリンドリカルレンズ(a)に対して前記発光点とは反対側に位置させた凸レンズ(b)とを備える。前記凸レンズ(b)は、前記シリンドリカルレンズ(a)との距離を調整可能に形成したことを特徴とする。【選択図】  図１
2008051756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望するライトシートを得るためのレー
ザライトシート形成装置であって、
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光に対して、発光点に近接させて位置させたシ
リンドリカルレンズと、そのシリンドリカルレンズに対して前記発光点とは反対側に位置
させた凸レンズとを備え、
前記凸レンズは、前記シリンドリカルレンズとの距離を調整可能に形成したことを特徴
とするレーザライトシート形成装置。
【請求項２】
シリンドリカルレンズと凸レンズとの間には、シリンドリカル凹レンズを備え、
そのシリンドリカル凹レンズは、前記シリンドリカルレンズとの距離を調整可能に形成
したことを特徴とする請求項１に記載のレーザライトシート形成装置。
【請求項３】
前記シリンドリカルレンズと前記凸レンズとの間には、二つのミラーを備え、
その二つのミラーのうち第一のミラーは、シリンドリカルレンズを透過したレーザ光を
反射させ、
前記二つのミラーのうち第二のミラーは、前記第一のミラーにて反射させられたレーザ
光をレーザシートライトが所望されている方向へ反射させるように、それぞれ配置したこ
とを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のレーザライトシート形成装置
。
【請求項４】
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望するライトシートを得るためのレー
ザライトシート形成装置であって、
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光に対して、発光点に近接させて位置させたフ
レネルレンズを備えたことを特徴とするレーザライトシート形成装置。
【請求項５】
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望するライトシートを得るためのレー
ザライトシート形成装置であって、
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光に対して、発光点に近接させて位置させたフ
レネルレンズと、そのフレネルレンズに対して前記発光点とは反対側に位置させた凸レン
ズとを備え、
前記凸レンズは、前記フレネルレンズとの距離を調整可能に形成したことを特徴とする
レーザライトシート形成装置。
【請求項６】
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望するライトシートを得るためのレー
ザライトシート形成装置の制御方法であって、
レーザライトシート形成装置には、
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光に対して、発光点に近接させて位置させたシ
リンドリカルレンズと、そのシリンドリカルレンズから前記発光点とは反対側に位置させ
るとともに前記シリンドリカルレンズとの距離を調整可能とした凸レンズとを備え、
所望するライトシートの位置には輝度センサーを備え、その輝度センサーがセンシング
した輝度データに基づいて、前記凸レンズに対して前記シリンドリカルレンズとの距離を
変更するフィードバック制御をすることとしたレーザライトシート形成装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠方の被測定流体の流れ場を解析する長距離型の流体計測システムに用いる
ライトシート形成装置、および該ライトシート形成装置に用いられるライトシート形成方
法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、発電施設などの煙突から排出される煙を遠方から観測するシステムとして、特
許文献１、特許文献２に開示された技術が知られている。これらは、ＩＴＶカメラやカラ
ーカメラを複数台用い、各カメラ間の視差や色差を利用して煙突から排出される煙の有無
を検知する。
【特許文献１】特開昭６３−８８４２８号公報
【特許文献２】特開平１０−２３２１９８号公報
【０００３】
一方、近年、複雑な流れ場の流動を、粒子画像の処理により高精度かつ精密に測定する
画像相関法及び粒子追跡法（ＰＴＶ）などの粒子画像流速測定法（以下、「ＰＩＶ」とい
う）が知られている。例えば、被測定流体の流れ場にレーザ光をシート状に投入してライ
トシートを形成して、そのライトシート上の複数の時刻における粒子画像を撮像し、その
輝度パターン分布を比較して流体の流速や方向を測定する。
【０００４】
現状のＰＩＶは、水・オイルなどの液体の流れ場解析、燃焼の流れ場解析、自動車等の
移動物体周囲における風洞実験による流れ場解析など、主として、閉空間における流体の
流れ場解析に用いられているに過ぎない。すなわち、従来のＰＩＶは、被測定流体までの
距離が１メートル以下程度といった近距離のいわゆる実験室用において、５〜３０センチ
四方のライトシートとして開発されているに過ぎない。一方、実用レベルでの利用には、
1メートル四方程度のライトシートが望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ライトシートは、測定の精度を高めるためには薄いほど良く、厚さ1ミリメートル程度
が理想的である。しかし、1メートル四方程度のライトシートを形成するには、厚さが10
ミリメートル程度になってしまい、明るさが足りなくなる。この原因は、一般のシリンド
リカルレンズでは口径が小さく、結像性能に限界があるためである（図５参照）。
【０００６】
さて、厚さ1ミリメートルで1メートル四方程度のライトシートを形成するには、長焦点
で大口径のシリンドリカルレンズを使用しなければならない。この要求性能に見合うシリ
ンドリカルレンズｘは、特別注文のレンズとなってしまい、コストが膨大になってしまう
（図６参照）。
【０００７】
本発明は上記に鑑みなされたものである。
すなわち、特別なシリンドリカルレンズを用いずに、1メートル四方程度で、薄くて比
較的明るいライトシートを形成することができる技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するにあたって、本発明者らは、凸レンズまたはフレネルレンズであれ
ば大口径であっても大きなコスト増加にならないことに着目し、本発明を完成するに至っ
た。
【０００９】
（請求項１）
請求項１記載の発明では、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望するライ
トシートを得るためのレーザライトシート形成装置であって、
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光に対して、発光点に近接させて位置させたシ
リンドリカルレンズ(a)と、そのシリンドリカルレンズ(a)に対して前記発光点とは反対側
に位置させた凸レンズ(b)とを備え、
前記凸レンズ(b)は、前記シリンドリカルレンズ(a)との距離を調整可能に形成したこと
を特徴とするレーザライトシート形成装置を提供する。
なお、ここにいう凸レンズ(b)は単数でも良いが、本発明は複数枚の組合せも含む。
【００１０】
（作用）
シリンドリカルレンズ(a)は、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光の発光点に近
接させて位置させるので、大口径のものは不要である。
また、所望するライトシートを得るために足りない屈折は、凸レンズ(b)が補う。更に
、凸レンズ(b)は、前記シリンドリカルレンズ(a)との距離を調整可能としているので、所
望するライトシートの位置を調整することもできる。
【００１１】
（請求項２）
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザライトシート形成装置を限定したも
のである。
すなわち、シリンドリカルレンズ(a)と凸レンズ(b)との間には、シリンドリカル凹レン
ズ(c)を備え、そのシリンドリカル凹レンズ(c)は、前記シリンドリカルレンズ(a)との距
離を調整可能に形成したことを特徴とする。
【００１２】
（作用）
シリンドリカルレンズ(a)のみでは、所望するライトシートが手前側に位置してしまう
ような場合がある。そのような場合に、更に遠くにライトシートを形成するため、シリン
ドリカル凹レンズ(c)は、シリンドリカルレンズ(a)にて集光したレーザ光をいったん拡げ
、焦点距離を調整することができる。
シリンドリカル凹レンズ(c)は、シリンドリカルレンズ(a)との距離を調整可能なので、
所望するライトシートの位置を調整することもできる。
【００１３】
（請求項３）
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載のレーザライトシ
ート形成装置を限定したものである。
すなわち、前記シリンドリカルレンズ(a)と前記凸レンズ(b)との間には、二つのミラー
(d,e)を備え、
その二つのミラー(d,e)のうち第一のミラー(d)は、シリンドリカルレンズ(a)を透過し
たレーザ光を反射させ、
前記二つのミラー(d,e)のうち第二のミラー(e)は、前記第一のミラー(d)にて反射させ
られたレーザ光を、レーザシートライトが所望されている方向へ反射させるように、それ
ぞれ配置したことを特徴とする。
【００１４】
（作用）
所望するレーザシートライトまでの距離によって異なるが、前記シリンドリカルレンズ
(a)と前記凸レンズ(b)との距離は、レーザシートライトまでの距離がたとえば１．８メー
トル程度の場合、２メートル程度になってしまう。したがって、普通にシリンドリカルレ
ンズ(a)と凸レンズ(b)とを配置する装置を形成すると、装置全長は２メートル以上になっ
てしまう。
しかし、二つのミラー(d,e)によってレーザ光を反射させることとすれば、シリンドリ
カルレンズ(a)と凸レンズ(b)との距離を装置内部で稼ぐことができるので、装置全体を小
型化することができる。
【００１５】
（請求項４）
請求項４に記載の発明もまた、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望する
ライトシートを得るためのレーザライトシート形成装置に係る。
すなわち、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光に対して、発光点に近接させて位
置させたフレネルレンズを備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、フレネルレンズとレーザ光との間に、一般的に使用されることが多いレーザ
ビーム整型素子やコリメート用レンズの組合せをも含む。
【００１７】
（作用）
請求項４に記載の発明は、請求項１とは異なり、フレネルレンズを用いるので、大口径
のレンズを容易に製作できる。大口径のフレネルレンズは、大口径のシリンドリカルレン
ズに比べて非常に安価である。
【００１８】
（請求項５）
請求項５に記載の発明もまた、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光から所望する
ライトシートを得るためのレーザライトシート形成装置に係る。
すなわち、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光に対して、発光点に近接させて位
置させたフレネルレンズと、そのフレネルレンズに対して前記発光点とは反対側に位置さ
せた凸レンズとを備え、  前記凸レンズは、前記フレネルレンズとの距離を調整可能に形
成したことを特徴とする。
なお、ここにいう凸レンズは単数でも良いが、複数枚のレンズの組合せによって実質的
に凸レンズの役割をするものをも含む趣旨である。
【００１９】
（作用）
フレネルレンズは、レーザ光発生装置から発光されるレーザ光の発光点に近接させて位
置しているので、大口径のものが不要である。
また、所望するライトシートを得るために不足する屈折は、凸レンズが補う。更に、凸
レンズは、フレネルレンズとの距離を調整可能としているので、所望するライトシートの
位置を調整することもできる。
【００２０】
（請求項６）
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザライトシー
ト形成装置の制御方法に係る。
すなわち、所望するライトシートの位置には輝度センサーを備え、その輝度センサーが
センシングした輝度データに基づいて、前記凸レンズに対して前記シリンドリカルレンズ
との距離を変更するフィードバック制御をすることとしたレーザライトシート形成装置の
制御方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、特別なシリンドリカルレンズを用いずに、1メートル四方程度で、薄
くて比較的明るいライトシートを形成することができる技術を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて更に詳しく説明する。ここで使用する図面は
図１から図４であり、それぞれ第一から第四の実施形態を示す。
【００２３】
（図１）
図１には、第一の実施形態を示す。
レーザ光発生装置から発光されるレーザ光に対して、発光点に近接させてシリンドリカ
ルレンズａを位置させている。また、そのシリンドリカルレンズａに対して前記発光点と
は反対側に、凸レンズｂを備える。シリンドリカルレンズａは、小口径で入手しやすい製
品を採用している。具体的には、光学ガラスＢＫ７製の焦点距離２００ｍｍ程度のものを
使用する。
【００２４】
シリンドリカルレンズａは、側面視の方向では集光能力があるが、平面視の方向では集
光能力がない。しかし、凸レンズｂの存在により、側面視の方向では、これまでより遠い
距離（約１８００ｍｍ）の距離に焦点を作る。同時に平面視の方向では、シリンドリカル
レンズａにて集光されなかったレーザ光を平行光とした。これによって約1メートル四方
程度で、理論的には最小厚さとなるレーザシートを作成することができた。
【００２５】
凸レンズｂの口径は１５０ｍｍ程度であるが、一般に凸レンズは供給されている種類や
口径が多いので、入手しやすい。大口径のシリンドリカルレンズを作成する場合と比較す
れば、断然安いコストで済む。
また、単体のレンズよりも収差の少ないアクロマートレンズを用いることで、単体のれ
ん図の形状を非球面としなくても、シート内のビーム強度を均一化することも可能である
。
【００２６】
なお、凸レンズｂは、シリンドリカルレンズａとの距離を調整可能に形成しており、平
面視の方向でレーザ光を平行光に近づける調整、または側面視の方向で所望する場所での
最小厚さのレーザ光を得るための調整を行うことができる。
【００２７】
また、図示などは省略するが、凸レンズｂについてシリンドリカルレンズａとの距離を
自動的に調整するため、所望する場所でのレーザ光による輝度を測定し、凸レンズｂの位
置を変更するフィードバック制御を備えている。
【００２８】
（図２）
図２に示す第二の実施形態は、標準的なシリンドリカルレンズａと大口径の凸レンズｂ
との組合せによっては、所望する場所でのレーザシートライトを得ることができない場合
に採用される。すなわち、シリンドリカルレンズａと大口径の凸レンズｂとの間に、シリ
ンドリカル凹レンズｃを位置させたものである。このシリンドリカル凹レンズｃは。具体
的には、光学ガラスＢＫ７製の焦点距離１００ｍｍ程度のものを使用する。
【００２９】
なお、シリンドリカルレンズａとシリンドリカル凹レンズｃとは、それぞれ独立してレ
ーザ光発生装置との距離を調整可能に形成している。このため、平面視の方向でレーザ光
を平行光に近づける調整、または側面視の方向で所望する場所での最小厚さのレーザ光を
得るための調整を行うことができる。
【００３０】
（図３）
図３に示す第三の実施形態は、シリンドリカルレンズａと前記凸レンズｂとの間には、
二つのミラーｄ，ｅを備えることによって、レーザ光を「４」の字に反射させる構造を示
している。二つのミラーｄ，ｅによってレーザ光を反射させることとすれば、シリンドリ
カルレンズａと凸レンズｂとの距離を装置内部で稼ぐことができるので、装置全体を小型
化することができる。
【００３１】
なお、詳しい図示は省略するが、シリンドリカルレンズａ、ミラーｄ，ｅ、および凸レン
ズｂは、同一平面上に位置させる必要はない。
【００３２】
(図４)
図４は、図１に示した第一の実施形態のバリエーションである。すなわち、この第四の
実施形態は、一枚の凸レンズのみでは、所望する集光が得られなかったため、複数の凸レ
ンズｂ１，ｂ２によって所望する集光を得られるように形成したものである。
大口径の凸レンズにも様々な種類があるので、単独で所望する性能を得るのが難しい場
合、あるいは単独で所望する性能を得られる凸レンズが極めて高価な場合などに採用され
る方式である。
【００３３】
図示は省略するが、所望のレーザライトシートが得られたら、そのレーザライトシート
を用いて連続的に撮影し、当該レーザライトシートに照らされた流体の動きを解析する、
といったことに用いる。
撮像手段として、ＣＣＤ撮像素子を備えたカメラ（ＣＣＤカメラ）、ＣＭＯＳ撮像素子
を備えたカメラなどを用いる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のことから、本発明では、長焦点光学系を用いて撮像し、得られた画像をＰＩＶ手
法を用いて処理することにより、接近困難な遠方の被測定流体の流れ場を解析することが
できる。例えば、煙突の煙の流れ場を解析することによる発電所の運転管理、原子力発電
所や地熱発電所のクーリングタワーからの蒸気の流れ場を解析することによる運転管理、
火山灰や黄砂の流れ場を解析することによる環境への影響評価などに利用することができ
る。
【００３５】
また、大規模火災現場から発生した煙の流れ場を解析して、その対策や避難誘導等に資
することができる。また、遠方の被測定流体にレーザ光を投入可能とすることにより、空
気流の解析も可能である。このほか、雲（雲底部）の流れ場を解析することにより、地域
的な天気予報に利用することもできる。
送電線や送電鉄塔周りの風の解析や花粉の流れの測定に利用することもできる。また、
火山の噴火や大規模火災などにおいては、本発明の流体計測システムを車両に搭載し、移
動しながら流れ場を解析していくこともでき、災害の発生状況のリアルタイムでの把握や
有効な災害対策にも役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第一の実施形態に係るレーザライトシート形成装置の概要を示す図である。
【図２】第二の実施形態に係るレーザライトシート形成装置の概要を示す図である。
【図３】第三の実施形態に係るレーザライトシート形成装置の概要を示す図である。
【図４】第四の実施形態に係るレーザライトシート形成装置の概要を示す図である。
【図５】従来技術の問題点を示すための概念図である。
【図６】従来技術の問題点を示すための概念図である。
【図１】
2008051756.tif 000003
【図２】
2008051756.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008051756.tif 000007
【図６】
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