(57)【要約】      （修正有）【課題】光学観測装置の観測開始タイミングを所定の時間だけ遅延させることにより、高速で変化する観測対象を発生当初から確実に光学観測装置に観測させることができる遅延観測装置を提供する。【解決手段】光電変換部１１は、観測対象の発光１の放射光を電気信号に変換して出力する。計測部１２は、光電変換部１１より出力された電気信号の電圧又は電流を計測し、計測値を計測電気信号として信号保持部１３に出力する。計測部１２はトリガ信号出力部を兼ねている。信号保持部１３は、計測部１２から出力された計測電気信号を、遅延制御部１４からの制御信号に従って、所定の時間だけ保持し、遅延電気信号として順次、発光部１５に出力する。発光部１５は、信号保持部１３より出力された遅延電気信号に対応した光を放射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学観測装置の観測対象である発光を検知して、前記光学観測装置が当該発光についての観測を開始するためのトリガ信号を出力するトリガ信号出力部と、
前記発光の放射光を電気信号に変換して出力する光電変換部と、
前記光電変換部により出力された電気信号の電圧又は電流を計測し、計測値を計測電気信号として出力する計測部と、
前記計測電気信号を予め定められた所定の時間だけ遅延させて遅延電気信号を出力する信号遅延部と、
前記遅延電気信号に対応した光を放射する発光部と、
を備えたことを特徴とする遅延観測装置。
【請求項２】
前記信号遅延部は、
前記計測電気信号を予め定められた所定の時間だけ保持する信号保持部と、
前記信号保持部に前記計測電気信号を前記所定の時間だけ保持させるための制御信号を出力する遅延制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の遅延観測装置。
【請求項３】
前記トリガ信号出力部は、前記光電変換部が出力する前記電気信号あるいは前記計測部が出力する前記計測電気信号を、前記トリガ信号とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の遅延観測装置。
【請求項４】
光学観測装置の観測対象である発光を検知して前記光学観測装置が当該発光についての観測を開始するためのトリガ信号を出力するトリガ信号出力部と、
前記発光の光を入力し、入力した光に対して光の伝搬時間だけ時間を遅延させた後、光を出力する光遅延部と、
を備えたことを特徴とする遅延観測装置。
【請求項５】
前記光遅延部は、光ファイバからなることを特徴とする請求項４に記載の遅延観測装置。
【請求項６】
前記光遅延部は、光の伝搬経路を構成する複数のミラーからなることを特徴とする請求項４に記載の遅延観測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光学観測装置の観測開始タイミングを遅延させる遅延観測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光を伴う現象には、発光の強度または発光像の形状が高速に過渡変化する現象がある。例えば、電極間に電圧差が生じたときに発生する放電は、発光を伴う現象の代表的なものであるが、放電では、電極先端から放電が発生してから電極間に放電経路が進展するまでの時間がナノ秒からマイクロ秒オーダーといった高速で変化することが知られている。
【０００３】
このような高速に変化する現象を観測するためには、専用の光学観測装置が用いられている。光学観測装置としては、フレーミングカメラや高速度ビデオカメラなど、観測対象である発光の発光強度および発光像の形状変化を撮影可能なカメラが主流となっている。以上のような光学観測装置は高い時間分解能を持つ必要があるが、装置に担持されたデータ記録媒体の記録容量の中でその性能を最大限に活かすためには、観測の開始タイミングを調整することが重要である。
【０００４】
したがって、光学観測装置は、観測を開始させるためのトリガ信号を外部から入力することが一般的であるが、トリガ信号の出力に関しては、次のような留意点がある。例えば、電極間に発生する放電を観測する光学観測装置では、電極間の電圧情報をトリガ信号として用いている。
【０００５】
このとき、放電が発生する電極間の電圧値にはバラつきがあり、それに伴って放電発生時間にもバラつきが出る。そこで、放電の状況を発生当初から最後まで、確実に観測するためには、放電発生時間のバラつきに対応できるように、光学観測装置の観測時間を十分に長く取ることが望ましい。
【０００６】
光学観測装置の観測時間は、光学観測装置に担持されるデータ記録媒体の記録容量と観測時間分解能によって決定される。そのため、光学観測装置の観測時間を長くするには、観測時間分解能を低くするか、あるいは、データ記録媒体の記録容量を増設させるといった方法がある。しかし、観測時間分解能が低下すると、高速に過渡変化する放電パラメータの測定が困難となる。また、記録容量を増大させるとなると、光学観測装置の構成自体を変えなくてはならず、コストの高騰を招く。
【０００７】
そこで、光学観測装置の構成や性能を変更することなく、十分に長い観測時間を確保することが要請されていた。この要請に応える技術としては、例えば、放電の発光強度情報や放電による電流情報を元にしてトリガ信号を出力し、光学観測装置の観測を開始させる方法が考えられる。
【０００８】
ところが、この方法では、放電が発生してからトリガ信号を出力することになる。つまり、放電が発生した時点から、トリガ信号の伝搬時間および光学観測装置系の遅延時間の分だけ遅れて、光学観測装置にトリガ信号が到達する。したがって、光学観測装置が観測を開始した時点では、放電を開始した瞬間あるいは放電を開始した直後の時間は、既に過ぎている。その結果、光学観測装置は放電の発生当初の挙動を観測し損なってしまうというおそれがあった。この問題を解決するために、従来では、光学観測装置にプリトリガ機能を持たせる方法が提案されている（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−１７０５５１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、光学観測装置にプリトリガ機能を持たせようとしても、フレーミングカメラのような光学観測装置には実装できないといった問題点がある。これは、プリトリガ機能では観測によるデータ取得、データ記録媒体へのデータ記録、データ破棄といったサイクルを高速に繰り返すことが必須であるが、フレーミングカメラなどの光学観測装置では、このようなサイクルを高速で繰り返すことが不可能だからである。
【００１１】
すなわち、プリトリガ機能を実装できる光学観測装置はその種類が限定されており、全ての光学観測装置がプリトリガ機能を持てるわけではない。そこで従来から、実装が限定的なプリトリガ機能に頼ることなく、いかなる光学観測装置であっても高速で変化する観測対象を発生の瞬間から安定して観測することができる技術が待たれていた。
【００１２】
本発明の実施形態は、上記の課題を解消するために提案されたものであり、光学観測装置の観測開始タイミングを所定の時間だけ遅延させることにより、高速で変化する観測対象を発生当初から確実に光学観測装置に観測させることができる遅延観測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】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態は、次の構成要素（１）〜（５）を備えている。
（１）光学観測装置の観測対象である発光を検知して、前記光学観測装置が当該発光についての観測を開始するためのトリガ信号を出力するトリガ信号出力部。
（２）前記発光の放射光を電気信号に変換して出力する光電変換部。
（３）前記光電変換部により出力された電気信号の電圧又は電流を計測し、計測値を計測電気信号として出力する計測部。
（４）前記計測電気信号を予め定められた所定の時間分だけ遅延させて遅延電気信号を出力する信号遅延部。
（５）前記遅延電気信号に対応した光を放射する発光部。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態の観測タイムチャートを示す図。
【図３】第２の実施形態の構成を示すブロック図。
【図４】第３の実施形態の構成を示すブロック図。
【図５】第４の実施形態の構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
［構成］
以下、本発明に係る第１の実施形態の構成について、図１のブロック図を用いて説明する。図１に示すように、第１の実施形態は、観測対象の発光１の放射光を入力し、入力してから予め定められた所定の時間だけ遅延させた後に、入力した光に応じた光を、光学観測装置２に対して出力する遅延観測装置１０である。観測対象の発光１は、例えば、放電に伴って発生するものである。
【００１６】
遅延観測装置１０と光学観測装置２は、遅延観測装置１０からの出力光が光学観測装置２に入射するように配置されている。光学観測装置２は、遅延観測装置１０からの出力光を観測するための装置であり、例えば、観測対象である発光１の発光強度および発光像の形状変化を撮影可能であるフレーミングカメラや高速度ビデオカメラなどである。
【００１７】
遅延観測装置１０には、光電変換部１１と、計測部１２と、信号保持部１３と、遅延制御部１４と、発光部１５とが設けられている。光電変換部１１は、観測対象の発光１の放射光を電気信号に変換して出力する。光電変換部１１は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳなどの受光素子である。
【００１８】
計測部１２は、光電変換部１１より出力された電気信号の電圧又は電流を計測し、計測値を計測電気信号として信号保持部１３に出力する。また、第１の実施形態では、計測部１２の出力信号を、光学観測装置２が観測対象の発光１の観測を開始するためのトリガ信号として用いている。つまり、計測部１２は、トリガ信号を光学観測装置２に出力するトリガ信号出力部を兼ねている。トリガ信号としては、具体的には、観測対象の発光１の発生により生じる信号、例えば発光強度情報を元にした光信号や電気信号、放電電流情報を元にした電気信号などである。
【００１９】
信号保持部１３は、計測部１２から出力された計測電気信号を、予め定められた所定の時間保持した後、遅延電気信号として順次、発光部１５に出力する。信号保持部１３における計測電気信号の保持時間は、遅延制御部１４から出力される制御信号に基づいて決定される。信号保持部１３は、例えば、メモリなどのデータ記録装置や、電荷を保存するためのコンデンサなどからなる。
【００２０】
遅延制御部１４は、制御信号を予め設定して、これを信号保持部１３に出力する。制御信号とは、信号保持部１３に計測電気信号を予め設定した時間だけ保持させる信号であり、データ記録装置やコンデンサを制御するものである。制御信号は、光学観測装置２がトリガ信号を受けてから実際に観測を開始するまでの時間や、放電発生時間のバラつき具合などを考慮して、適宜設定されることになる。
【００２１】
発光部１５は、信号保持部１３からの遅延電気信号に対応した光を放射する発光装置である。発光部１５から出力される光の強度は、遅延観測装置１０に入力される光の強度と同等、または、より高くなるように設定されている。このような発光部１５の出力光は、遅延観測装置１０に入力される光と同等の空間分解能と時間分解能を持つことが望ましい。そのため、光電変換部１１及び発光部１５は、光学観測装置２で観測可能な空間分解能と同等以上の空間分解能を持つように構成されている。さらに、光電変換部１１及び発光部１５は、光学観測装置２で観測可能な時間分解能と同等以上の時間分解能を持つように構成されている。
【００２２】
［作用］
第１の実施形態に係る遅延観測装置１０では、光電変換部１１が観測対象の発光１を入射し発光１の発光強度を電気信号に変換して計測部１２に出力する。計測部１２は光電変換部１１から出力された電気信号を計測して計測電気信号を信号保持部１３に出力する。計測部１２の出力信号は、光学観測装置２へのトリガ信号となり、トリガ信号を受けて光学観測装置２が観測すなわち撮影を開始する。この時点では、まだ発光部１５は光学観測装置２へ光を出力していない。
【００２３】
信号保持部１３は、遅延制御部１４からの制御信号に従って、予め決められた時間分だけ計測電気信号を保持し、保持した時間の分だけ遅延した遅延電気信号を、発光部１５に出力する。発光部１５は、光学観測装置２に対し、入力した遅延電気信号に対応した強度の光を放射する。このとき、光学観測装置２は、計測部１２が出力したトリガ信号によって既に観測を開始している。その結果、光学観測装置２は発光部１５の放射した光を、放射を開始した、その瞬間から観測することができる。
【００２４】
このような第１の実施形態では、光電変換部１１に観測対象の発光１を入射すると、信号保持部１３で電気信号を保持した時間分だけ遅れて、発光部１５から光が放射される。一方、光学観測装置２は計測部１２からのトリガ信号によって観測を開始している。したがって、放電の発光強度や放電電流情報をトリガ信号として用いたとしても、発光１が発生した瞬間あるいは発光１が発生した直後の、発光強度や発光像の形状を、光学観測装置２が観測することが可能となる。
【００２５】
以下、図２を用いて、その理由について詳しく説明する。図２は、本実施形態の構成をとることによる作用を示す例として、電極間放電の観測タイムチャートを示している。図２の上図では、電極間電圧と、観測対象の発光１からの発光強度、遅延観測装置１０からの出力光強度の時間変化を示しており、下図では光学観測装置２に入力されるトリガ信号と観測タイミングを示している。図２の上図と下図の時間スケールは同じである。
【００２６】
図２において、ｔ１は、電極間に電圧を印加開始する時間を示している。ｔ２は、放電が発生する時間を示している。ｔ３は、遅延観測装置１０の発光部１５から光が出力される時間を示している。ｔ４は、光学観測装置２の観測開始時間を示している。ｔ５は、光学観測装置２の観測終了時間を示している。
【００２７】
ｔ３−ｔ２の値は、遅延観測装置１０により光の出力が遅延される遅延時間となる。前述したように放電開始電圧値にバラつきがあるため、放電が発生する時間ｔ２にはバラつきがある。そのため、光の出力の遅延時間であるｔ３−ｔ２の値にもバラつきが出る。
【００２８】
ｔ４−ｔ２の値は、光学観測装置２を含む観測系の遅延時間である。より詳しくは、観測対象の発光１を伴った放電の発生から光学観測装置２による観測の開始までの遅延時間である。ｔ５−ｔ４の値は、光学観測装置２の観測開始時間から観測終了時間まで、つまり、光学観測装置２の観測時間である。
【００２９】
放電が開始する瞬間の発光強度や発光像を観測するためには、ｔ４＜ｔ２＜ｔ５の関係が成立しならなければならない。つまり、放電が開始した瞬間を観測するためには、光学観測装置２が観測を開始した後で、放電が発生する必要があるので、時間的に見て、光学観測装置２の観測開始タイミングを示すｔ４の方が先に来て、放電発生タイミングを示すｔ２の方が後でなくてはならない。
【００３０】
しかし、観測対象の発光１からの発光強度情報などを光学観測装置２へのトリガ信号とした場合は、光学観測装置２が観測を開始するよりも前に、放電が発生していることになるので、必ず、放電発生時間ｔ２＜光学観測装置２の観測開始時間ｔ４となってしまう。つまり、時間的に見て、放電発生タイミングを示すｔ２の方が先に来て、光学観測装置２の観測開始タイミングを示すｔ４の方が後になる。これでは、放電が開始する瞬間を光学観測装置２が観測することは不可能である。
【００３１】
そこで、本実施形態に係る遅延観測装置１０では、発光部１５からの光を、観測対象の発光１が発光した瞬間の時間から、ｔ３−ｔ２の時間分つまり遅延時間だけ遅れさせてから、出力するようにしている。すなわち、遅延観測装置１０の出力光は遅延時間をとってから光学観測装置２に放射されている。
【００３２】
その結果、まず、光学観測装置２の観測開始時間ｔ４が来て、次に遅延観測装置１０からの光出力時間が来て、最後に光学観測装置２の観測終了時間ｔ５が来る。すなわち、ｔ４＜ｔ３＜ｔ５の関係が成立している。言いかえると、遅延観測装置１０が観測対象の発光１を入射してから遅延時間だけ出力光を遅らせることで、光学観測装置２の観測時間ｔ５−ｔ４の時間の幅の中に、遅延観測装置１０からの光出力時間ｔ３が収まることになる。
【００３３】
以上のように、本実施形態では、光学観測装置２の観測開始タイミングを示すｔ４は、遅延観測装置１０の発光部１５から光が出力されるタイミングを示すｔ３よりも、時間的には必ず、先に来ることになる。また、光学観測装置２の観測終了タイミングを示すｔ５は、遅延観測装置１０の発光部１５から光が出力されるタイミングを示すｔ３よりも、時間的には必ず、後に来る。
【００３４】
したがって、光学観測装置２は、遅延観測装置１０の発光部１５からの出力光を、放射したその瞬間から観測を開始することができる。上述したように、本実施形態によれば、観測対象である発光１の発光タイミングにバラつきがあったとしても、光学観測装置２は開始した瞬間あるいは開始した直後から、発光を観測することができる。
【００３５】
［効果］
上記の本実施形態によれば、次のような効果を有する。
（１）本実施形態では、計測部１２の出力信号をトリガ信号として用いることで、光学観測装置２に担持されるデータ記録媒体の記録容量の増設など、光学観測装置２の構成や性能を変更することなく、適切な長さの光学観測装置２の観測時間を、低コストで確保することができる。これにより、放電のように高速に変化する現象を最初から最後まで、確実に観測することが可能である。
【００３６】
（２）本実施形態では、プリトリガ機能に頼ることなく、発生タイミングにバラつきがあり且つ高速で変化する観測対象を、発生の瞬間から確実に観測することができる。したがって、光学観測装置２がフレーミングカメラのようにプリトリガ機能を実装できない種類の装置であったとしても、これを利用することが可能である。
【００３７】
（３）本実施形態では、発光部１５の出力光が、遅延観測装置１０の光電変換部１１に入力される発光１と同等以上の空間分解能と時間分解能を持ち、その光の強度も、遅延観測装置１０に入力される光の強度と同等以上に設定している。したがって、光学観測装置２は観測対象の発光１を高い精度で観測することができ、観測精度の向上に寄与することができる。
【００３８】
（４）光学観測装置２がトリガ信号を受信してから実際に観測を開始するまでの時間つまり光学観測装置２の起動時間が、光学観測装置２の種類によって異なっていたとする。この場合、本実施形態では、遅延制御部１４にて設定する制御信号によって、信号保持部１３における計測電気信号の保持時間を調整できる。
【００３９】
したがって、本実施形態においては、光学観測装置２の起動時間が変化しても、この変化に容易に対応することが可能である。このような本実施形態によれば、起動時間が異なる光学観測装置にも柔軟に対応可能であり、ひいては光学観測装置２の選択の余地を広げることができる。その結果、前記のプリトリガ機能が不要であることも相まって、所望の性能を持つ光学観測装置２を自由に用いることができ、最適な観測環境を得ることができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
［構成］
本発明の第２の実施形態について図３を用いて説明する。図３に示す遅延観測装置１０ｂの基本的な構成は、図１にて説明した第１の実施形態に係る遅延観測装置１０と同様である。第２の実施形態では信号遅延部１６を備えている点が第１の実施形態の構成とは異なる。この点について以下に説明する。
【００４１】
信号遅延部１６は、計測部１２より出力された電気信号の情報を、予め定められた所定の時間だけ遅延させ、その後、順次、遅延電気信号を出力する。遅延電気信号における遅延時間は、信号遅延部１６自体の構成により決定される。信号遅延部１６として、例えば、抵抗とコンデンサの組み合わせによって電気信号を遅延させるＲＣ遅延回路や、長距離の導体を用いることで導体の伝搬時間分だけ電気信号を遅延させる手段が挙げられる。
【００４２】
［作用及び効果］
以上のような第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様の作用効果に加えて、以下の作用及び効果を得られる。すなわち、第２の実施形態では、信号遅延部１６を設けたことで、第１の実施形態と比較して遅延制御部１５が不要となる。そのため、第２の実施形態によれば、装置の構成をより簡略化させることが可能という利点がある。
【００４３】
（第３の実施形態）
［構成］
以下に、本発明の第３の実施形態について、図４及び図５を用いて説明する。図４及び図５に示す遅延観測装置１０ｃ、１０ｄは、光学観測装置２にトリガ信号を出力するトリガ信号出力部１７と、観測対象の発光１の光を入力し、入力した光に対して光の伝搬時間だけ時間を遅延させた後、光を出力する光遅延部１８を備えている。
【００４４】
光遅延部１８とは、図４に示す例では光ファイバ２１ａであり、図５に示す例では複数のミラー２１ｂである。光遅延部１８が光ファイバ２１ａであれば、光遅延部１８による光の遅延時間はｌ／（ｃ／ｎ）である。このとき、ｃは真空中での光速、ｌは光ファイバ２１ａの光路長、ｎは光ファイバ２１ａの屈折率である。また、光遅延部１８が複数のミラー２１ｂであれば、光遅延部１８による光の遅延時間はｌ／ｃである。このとき、ｃは真空中での光速、ｌはミラー２１ｂによる反射を考慮した光路長である。
【００４５】
遅延観測装置１０ｃ、１０ｄは、光遅延部１８に入力される光に対して、光遅延部１８内の光の伝搬時間だけ遅延して光を出力する。光の伝搬時間＝光路長／光速となるため、光路長を調整することで、光が入力されてから出力するまでの遅延時間を、制御することが可能となる。
【００４６】
光遅延部１８である光ファイバ２１ａまたはミラー２１ｂは、伝搬する光の空間解像度が、光学観測装置２で観測可能な空間分解能と同等、または、より高くなることが望ましい。また、光ファイバ２１ａ内の伝搬による光量の損失や、ミラー２１ｂ表面での反射による光量の損失については、これを可能な限り少なくなる材料を使用することが望ましい。
【００４７】
［作用及び効果］
第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、以下の効果を得る。すなわち、第３の実施形態では、光遅延部１８を備えたことで、光を電気信号に変換する光電変換部１１や、光を放射する発光部１５が不要となる。そのため、第１の実施形態と比較して、構成を簡略化することができる。
【００４８】
しかも、光電変換部１１や発光部１５を有していないので、これらの要素が持つ変換精度の誤差に起因して、遅延観測装置１０ｃ、１０ｄの出力光と、遅延観測装置１０ｃ、１０ｄへの入力光の差が生じるおそれもない。また、第３の実施形態では、光ファイバ２１ａやミラー２１ｂを用いて光路を調整することで、遅延観測装置１０ｃ、１０ｄの設置範囲を調整することが可能になる。
【００４９】
（他の実施形態）
上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００５０】
例えば、第１の実施形態及び第２の実施形態においては、計測部１２からの出力信号をトリガ信号としたが、トリガ信号出力部を、計測部１２とは別に独立して設置してもよい。また、トリガ信号として計測部１２以外の出力信号を用いるようにしてもよい。さらに、第３の実施形態において光の伝搬時間が異なる光遅延部１８を複数設けるようにしてもよく、光遅延部１８における光の伝搬時間も適宜選択可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１…観測対象の発光
２…光学観測装置
１０、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ…遅延観測装置
１１…光電変換部
１２…計測部
１３…信号保持部
１４…遅延制御部
１５…発光部
１６…信号遅延部
１７…トリガ信号出力部
１８…光遅延部
２１ａ…光ファイバ
２１ｂ…ミラー
【図１】
2017096633.tif 000003
【図２】
2017096633.tif 000004
【図３】
2017096633.tif 000005
【図４】
2017096633.tif 000006
【図５】
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