(57)【要約】【課題】照射面における光のムラと光量の損失が従来のシステムより少なく、光学的に効率よく光軸に対して垂直な任意断面の密度勾配の画像を得ることができるシャープフォーカシングシュリーレン装置を提供する。【解決手段】カレイドスコープ状の反射ミラーを設置する。反射ミラーは製作が簡易な正方形で、ミラー内部を通過する光線が全反射し均一に混じることで、光のムラと光量の損失を低減可能である。また、反射ミラーの出口の断面積が必要照射面より小さくても、コンデンサーレンズを用いることにより、照射面積の調整が可能である。【選択図】図１
2007218849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出た拡散光が、光軸に平行な反射面を内面側に備えた筒状の反射ミラーの内部を通過することにより、照射面の光量の損失と光のムラを低減し、光学的に効率よく光軸に対して垂直な任意断面の密度勾配を可視化できることを特徴とするシャープフォーカシングシュリーレン装置。
【請求項２】
前記反射ミラーは、光軸に平行な平面状の複数の反射面が周方向に連続してなることを特徴とする請求項１記載のシャープフォーカシングシュリーレン装置。
【請求項３】
前記反射ミラーの出口側に、前記反射ミラーの出口から出る光束の照射面における照射面積が必要な大きさとなるように調整するためのコンデンサーレンズを設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載のシャープフォーカシングシュリーレン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光軸方向に対して垂直な任意の断面の密度場を計測できる流体計測装置であるシャープフォーカシングシュリーレン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接目視できない空気や水などの流動現象を観察することができる光学的可視化手法として、従来からシュリーレン法が利用されてきた。このシュリーレン装置の光学系は、図６に示す通りでレンズ２００の焦点において、ナイフエッジ３００を用いて光束の一部を遮断することにより、レンズ１００とレンズ２００の間に生じた密度勾配を可視化するものである。
【０００３】
このとき、レンズ１００とレンズ２００の間は平行な光束を用いるので、この間の密度勾配がすべて積分されたものが画像として得られることとなり、この光学系では光軸方向に垂直な任意断面の可視化は困難であった。
【０００４】
なお、通常のシュリーレン装置は図６以外にもレンズ１００、２００の代わりに凹面鏡を用いたものが存在するが、その場合も凹面鏡間で平行光線を用いるので、可視化特性に違いはない。
【０００５】
一方、シャープフォーカシングシュリーレン装置は、下記非特許文献１にも記載されているように、光軸方向に対して垂直な任意の断面の密度勾配の可視化が可能な装置である。光学系は図７に示す通りで、拡散光源１０から出た光束を多数のスリットで構成されたソースグリッド６（遮光板）を用い多光源とし、それら光束を測定部５（可視化断面）に照射する。
【０００６】
さらに、結像用レンズ４を用いることにより、焦点が合わない不鮮明範囲を多光源による像の重ね合わせによってより不鮮明とし、焦点の合う任意断面の像のみを鮮明に結像することで、光軸に対して垂直な任意断面の可視化を可能とする。
【非特許文献１】「レオナード  ウ゛ァインシタイン」（Leonard M. Weinstein) 、「改良された広視野フォーカシングシュリーレン装置」（An Improved Large-Field Focusing Schlieren System)、「第29回航空宇宙科学会議」(29th Aerospace Sciences Meeting) 、（米国）、AIAA 91-0567、1991年１月、p.1 -12.
【０００７】
しかし、図７および上記文献に示される従来のシャープフォーカシングシュリーレン装置は、拡散光源にムラが生じるので照射面をムラなく均一に照明するため、図７の集光用レンズ７と拡散光源１０の間に、照射面における光のムラを低減するための手段として拡散板２０やディフューザレンズを設けなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、以上の技術によれば、照射面における光のムラを低減するために拡散板２０やディフューザレンズが用いられるので光量の減少・損失が生じている。
【０００９】
そこで、この発明は、照射面における光のムラを低減し、かつ光量の損失が従来のシステムより少なく、光学的に効率よく光軸に対して垂直な任意断面の密度勾配の画像を得ることができるシャープフォーカシングシュリーレン装置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】
【００１０】
請求項１に記載されたシャープフォーカシングシュリーレン装置は、光源から出た拡散光が、光軸に平行な反射面を内面側に備えた筒状の反射ミラーの内部を通過することにより、照射面の光量の損失と光のムラを低減し、光学的に効率よく光軸に対して垂直な任意断面の密度勾配を可視化できることを特徴としている。なお、反射ミラーは、照射面の光量の損失と光のムラを低減しうる構造であればよく、複数枚の平面状のミラーを周方向に連続させたカレイドスコープ状のような多角筒状でもよいし、内面が連続した円周面の反射面とされた直円筒状でもよい。
【００１１】
請求項２に記載されたシャープフォーカシングシュリーレン装置は、請求項１記載のシャープフォーカシングシュリーレン装置において、特に前記反射ミラーが、平行な平面状の複数の反射面が周方向に連続してなることを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載されたシャープフォーカシングシュリーレン装置は、請求項１又は２に記載のシャープフォーカシングシュリーレン装置において、前記反射ミラーの出口側に、前記反射ミラーの出口から出る光束の照射面における照射面積が必要な大きさとなるように調整するためのコンデンサーレンズを設置したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載されたシャープフォーカシングシュリーレン装置によれば、光源から出た拡散光が光軸に平行な反射面で囲まれた筒状の反射ミラーの内部を通過し、内部で光束が各反射角に応じて混ざり合った結果、ムラのない均一な照射面を得ることができる。また、反射ミラー内部で光りは全反射して進むので損失が少なく光量の損失を低減でき、光学的に効率よく光軸に対して垂直な任意断面の密度勾配を可視化できる。
【００１４】
請求項２に記載されたシャープフォーカシングシュリーレン装置によれば、反射ミラーを例えば平坦な反射面の組み合わせからなる直角筒形状、例えば４面の平坦な反射面からなる断面正方形の直角筒形状等とすることができ、製作を簡易にすることができる。
【００１５】
請求項３に記載されたシャープフォーカシングシュリーレン装置によれば、反射ミラーの出口の断面積が照射面より小さくても、コンデンサーレンズを用いることにより、必要な大きさに照射面積を調整可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の一実施形態の概要を図１に示す。また、一実施形態の光学系の詳細な寸法を記入したものを図２に示す。拡散光源１０は100Wの白熱球である。反射ミラー９は、珪素を主成分とするガラスにより製作された複数枚の鏡（平面鏡）を、それぞれ光軸Ｌに対して平行に配置するとともに、隣接する各鏡が周方向に連続して前後の入口出口が開放された筒状を呈するように構成されている。また、反射ミラーの長さ（光軸方向の寸法）は拡散光源１０からの光束が内部で数回全反射しうるものを選定する。なお、反射ミラー９の形状は、本例では光軸Ｌに直交する断面が正方形状である角筒状であるが、その他の多角筒状でもよいし、内面が周方向に連続した直円筒状でもよい。
【００１７】
図３に示すように、反射ミラー９の内部で光束が各反射角に応じて混ざり合った結果、出口９ａでムラのない均一な光源（図３中の「一様な拡散光源」参照）となる。また、光軸Ｌに対して大きな角度を持ち、光軸Ｌから大きく外れる光線についても，反射ミラー９により捕獲でき，かつ反射ミラー９内の光の反射は全反射なので光量の損失を抑制できる。
【００１８】
図１及び図２に示すように、拡散光源１０から出た光束の像はコンデンサーレンズ８により集光用レンズ７に結像する。このとき、集光用レンズ７では反射ミラー９の作用によって光のムラと光量の損失のない一様な照明が得られる。
【００１９】
図１及び図２に示すように、集光用レンズ７に到達した光束は多数のスリットにより構成されたソースグリッド６（遮光板）を通過することによって多光源となり、測定部５（可視化断面５）を通過しの結像用レンズ４に到達する。結像用レンズ４によってソースグリッド６の像面がカットオフグリッド３が配置された位置に結像する。本例では、反射ミラー９を用いているので、光量の損失が抑制されたより明るいソースグリッド６の像をカットオフグリッド３の位置において得ることができる。なお、本実施形態では、ソースグリッド６（遮光板）の光軸Ｌ方向の厚さは1.75mm、スリット幅は0.25mmである。
【００２０】
カットオフグリッド３は以下のようにして好適に製造することができる。まず、結像用レンズ４によってソースグリッド６の像面を、カットオフグリッド３が配置されるべき位置に結像させ、この像を同位置に配置したシートフィルムに焼付け、これを現像処理する。これにより、多光源の各光束をカットするための（通常のシュリーレン法のナイフエッジに相当）前記カットオフグリッド３を製作できるので、これを装置の前記位置に設置する。本例によれば、十分な光量を得ることができるので前記カットオフグリッド３の製作も容易となる。
【００２１】
リレーレンズ２（又はスクリーン２）を配置すべき位置には結像用レンズ４によって測定部５における流体の密度勾配が現れるが、ソースグリッド６によって多光源となっているので、焦点が合っている測定部５の断面のみが鮮明な像として現れ、それ以外は各光源からの不鮮明な像の重ね合わせによってより不鮮明となり、カットオフグリッド３で多光源からの各光束の一部を遮断することにより、任意の断面のみの密度勾配を従来の技術より明るくスクリーン２またはリレーレンズ２上に得ることが可能である。
【００２２】
観察位置にスクリーン２又はリレーレンズ２を配置することで、流体の密度勾配の可視化結果をカメラ１によって撮影することができる。なお、反射ミラー９の出口９ａと集光用レンズ７、ソースグリッド６とカットオフグリッド３、測定部５とリレーレンズ２、そして結像用レンズ４と測定部５とは、いずれも互いに共役の関係に設置する。また、集光用レンズ７のレンズ直径は、測定部５の全体を照射するためにより大きなサイズであることが必要である。これら光学系の配置は従来のシステムと実質的に同様であるが、反射ミラー９の効果により、拡散光源１０からの光束をより有効的に活用できる装置となる。
【００２３】
なお、反射ミラー９の材質は、拡散光源１０の波長によって適宜選定する必要がある。また、コンデンサーレンズ８、集光用レンズ７、リレーレンズ２は大きな視野が必要なのでフレネルレンズを用いている。
【００２４】
この実施形態によれば、反射ミラー９の働きで出口９ａから光のムラと光量の損失のない一様な光束が照射され、コンデンサーレンズ８によって集光用レンズ７にも一様な光束が照射される。また、反射ミラー９の出口９ａの断面積が必要照射面の面積より小さくても、コンデンサーレンズ８を用いることにより、照射面積の調整が可能である。
【００２５】
得られた効果の一例を図４に示す。この図は照射面（図１に示す集光用レンズ７）における光の強度Ｉを、光軸Ｌ（図１のｘ＝０ｍｍ）における光の強度Ｉ0 で無次元化したもので、30mm間隔でフォトダイオードにより計測している。図４より、本発明による結果□は90mmの範囲において一様な光の強度を有している。また、前記反射ミラー９を取付けない●の場合と比較してｘ＝６０ｍｍの位置では８％程度光の強度が向上している。
【００２６】
したがって、本例によれば、測定部への一様な光束の照射が可能となり、光源の照度が同じでも従来のシステムより明るい画像を得ることができる。近接して配置した２つのノズルから気体を噴出した噴流を可視化した画像例を図５(a) 、(b) 、(c) 、(d) に示す。ノズルの外形は2.6mm 、作動気体はHFC-125aである。図５より、ノズル間の距離が30mm離れると焦点面の噴流画像のみが鮮明に可視化されており、良好な結果である。
【００２７】
なお、本発明は上述の実施形態のみに限定されるものではなく、例えば拡散光源の変更など、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の一実施形態を示す光学系配置図を示した平面図である。
【図２】この発明の一実施形態における光学系の詳細寸法を示した平面図である。
【図３】照射面における光の強度に関する計測結果である。
【図４】反射ミラー内の光路の概要を示した側面図である。
【図５】ノズルから噴出する噴流の可視化結果であり、(a) はノズル間距離0mm において紙面左側のノズルからのみ噴流が噴出した可視化結果、(b) はノズル間距離10mmにおいて両方のノズルから噴流が噴出した可視化結果、(c) はノズル間距離20mmにおいて両方のノズルから噴流が噴出した可視化結果、(d) はノズル間距離30mmにおいて両方のノズルから噴流が噴出した可視化結果である。
【図６】通常のシュリーレン装置の光学系配置を示した平面図である。
【図７】従来の技術によるシャープフォーカシングシュリーレン装置の光学系配置図を示した平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…カメラ
２…リレーレンズまたはスクリーン
３…カットオフグリッド
４…結像用レンズ
５…測定部（可視化断面）
６…ソースグリッド
７…集光用レンズ（フレネルレンズ) 
８…コンデンサーレンズ（フレネルレンズ) 
９…反射ミラー
１０…拡散光源
Ｌ…光軸
【図１】
2007218849.tif 000003
【図２】
2007218849.tif 000004
【図３】
2007218849.tif 000005
【図４】
2007218849.tif 000006
【図６】
2007218849.tif 000007
【図７】
2007218849.tif 000008
【図５】
2007218849.tif 000009