(57)【要約】【課題】燃焼環境などの測定場に対する高精度かつ高速な温度測定を可能とする。【解決手段】トレーサ物質を存在させた測定場に対し複数の異なる励起波長のレーザ光を照射してトレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき測定場の温度を計測する温度計測装置１００である。トレーサ物質として硫黄酸化物を用い、複数の異なる励起波長として、硫黄酸化物の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる波長のレーザ光を発生するレーザ光源２０と、順次発生する異なる励起波長のレーザ光を順次、測定場７０に導いて照射するため光学機構部３０、レーザ光の照射によって得られた蛍光を撮影する撮影部４０を備える。温度算出部５０は、撮影部からの撮影結果から各励起波長に対応する蛍光強度の強度比を求め、強度比に基づいて測定場の温度を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレーサ物質を存在させた測定場に対し複数の異なる励起波長のレーザ光を照射し、
前記レーザ光の照射によって前記トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき前記測定場の温度を計測する温度計測装置であり、
前記トレーサ物質として硫黄酸化物を用い、
前記複数の異なる励起波長として、前記硫黄酸化物の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる波長のレーザ光を発生するレーザ光源と、
順次発生する前記複数の異なる励起波長のレーザ光を前記レーザ光源から順次前記測定場の同一箇所に導いて照射するため光学機構部と、
前記レーザ光の照射によって得られた蛍光を撮影する撮影部と、
前記撮影部からの撮影結果から各励起波長に対応する蛍光強度の強度比を求め、前記強度比に基づいて前記測定場の温度を算出する温度算出部と、を備えることを特徴とする温度計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の温度計測装置において、
前記撮影部は、前記蛍光強度を、前記測定場に照射された前記レーザ光の光路に沿って観察し、
前記温度算出部にて前記蛍光強度から得た強度比に基づいて前記レーザ光の光路方向における前記測定場の温度を計測する温度計測装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の温度計測装置において、
前記測定場は、燃焼室内であることを特徴とする温度計測装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の温度計測装置において、
前記トレーサ物質は、ＳＯ2であり、
前記複数の励起波長は波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲であることを特徴とする温度計測装置。
【請求項５】
トレーサ物質を存在させた測定場に対し複数の異なる励起波長のレーザ光を照射し、
前記レーザ光の照射によって前記トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき前記測定場の温度を計測する温度計測方法であり、
前記トレーサ物質として硫黄酸化物を用い、
前記複数の異なる励起波長として、前記硫黄酸化物の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる波長を用い、
前記複数の異なる励起波長のレーザ光を順次を前記測定場に照射し、各励起波長に対応して得られた蛍光強度から強度比を求め、前記強度比に基づいて測定場の温度を測定する温度計測方法。
【請求項６】
請求項５に記載の温度計測方法において、
前記測定場は、燃焼室内であることを特徴とする温度計測方法。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の温度計測方法において、
前記トレーサ物質として用いる硫黄酸化物は、ＳＯ2であることを特徴とする温度計測方法。
【請求項８】
請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載の温度計測方法において、
複数の励起波長は波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲であることを特徴とする温度計測方法。
【請求項９】
請求項５〜請求項８のいずれか一項に記載の温度計測方法において、
前記複数の励起波長は、それぞれ２４８ｎｍ、３０８ｎｍであることを特徴とする温度計測方法。
【請求項１０】
請求項５〜請求項９のいずれか一項に記載の温度計測方法において、
前記蛍光強度を、前記測定場に照射された前記レーザ光の光路に沿って観察し、前記レーザ光の光路方向における前記測定場の温度を計測することを特徴とする温度計測方法。
【請求項１１】
トレーサ物質を存在させた測定場に対し複数の異なる励起波長のレーザ光を照射し、
前記レーザ光の照射によって前記トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき前記測定場の温度を計測する温度計測方法であり、
前記測定場は、燃焼室であり、
前記トレーサ物質として、前記燃焼室内における燃焼反応の前後において化学組成の変化しない不燃性ガスを用い、
前記複数の異なる励起波長としては、前記トレーサ物質の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる１９０ｎｍから４００ｎｍの範囲の波長を用い、
前記複数の異なる励起波長のレーザ光を順次を前記測定場に照射し、各励起波長に対応して得られた蛍光強度から強度比を求め、前記強度比に基づいて測定場の温度を測定する温度計測方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の温度計測方法において、
前記トレーサ物質は、硫黄酸化物であることを特徴とする温度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
測定場の温度をレーザ照射によってトレーサ物質が発する蛍光に基づいて非接触にて精度良く測定する装置、方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体や液体等の流体の温度を測定する方法としては、熱電対を用いる方法が最も一般的であり、広く行われている。しかし、熱電対を用いた温度測定方法では、被検流体に熱電対を接触させなければならず、測定場内に配置を大幅に乱すため、正確な温度分布計測は困難である。また、１個の熱電対は１点又はその近傍に於ける温度計測を行うに過ぎず、例えば２次元温度分布を瞬時に計測するためには、多数の熱電対を挿入する必要があってさらに測定場を乱すこととなり、測定点が離散的である点でも正確な温度分布計測が難しい。
【０００３】
上記熱電対と異なり、非接触にて被検流体の温度を測定する方法として、光学的な測定法が採用されている。その簡便な方法として、下記非特許文献１等において、赤外吸収・放射法を用いた手法が示されている。しかし、これらの計測値に吸収・放射光の光軸上の全ての情報が含まれるため、例えば光軸上の任意の断面、特に二次元以上の断面における温度分布を得るなどの処理が難しい。また、下記非特許文献２等には、ＣＡＲＳ（コヒーレントアンティストークス分光法）やラマン分光法を利用した温度計測についての報告もあるが、この計測についても、例えば瞬時に二次元領域についての温度分布を得るなどの処理は難しい。
【０００４】
非特許文献３等には、２次元の温度分布についてもこれを迅速に測定する有力な方法として、レーザ誘起蛍光法（Laser Induced Fluorescence：ＬＩＦ法）が示されている。このＬＩＦ法では、異なった２つの波長のレーザ光を、ＯＨ等、燃焼で生成されるラジカルに照射して得られる２次元の蛍光像を、２つのレーザ光のそれぞれについて計測する。そして、その蛍光像の強度の比と分子またはラジカルのボルツマン分布から、温度の２次元分布を測定することが示されている。
【０００５】
なお、非特許文献４には、ＬＩＦ法を用いた蛍光強度が温度による依存性を持ち、それがレーザの励起波長によって異なることを利用し、強度比から温度を決定する手法が報告されている。
【０００６】
また、特許文献１には、ガス温度を測定する場合に、測定場にレーザ光を照射して蛍光を発生させており、温度測定のためのトレーサ物質として、上記非特許文献３と同様にＯＨを用いることが開示されている。
【０００７】
さらに、特許文献２および３にも、ＬＩＦ法を用いた温度測定方法が示されており、これらの文献では、火炎などの温度を測定する場合に、火炎中のＮＯをトレーサ物質として利用し、レーザ光照射によってこのＮＯ分子が発する蛍光に基づいて火炎における温度測定を実行することが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平６−１８３３７号公報
【特許文献２】特開平８−７５５６７号公報
【特許文献３】特開平１０−１８５６９４号公報
【特許文献４】特開平９−１２６８３７号公報
【非特許文献１】Charles A. Amann, SAEpaper 850395(1985)
【非特許文献２】Robert D. Hancock,et al., Combustion and Flame, Volume 109, Issue 3, May 1997, Pages 323-331
【非特許文献３】A.Arnold,et al., Ber.Bunsenges. Phys. Chem. Vol.96, No10,1388(1992)
【非特許文献４】Christof Schulz and Volker Sick., Progress in Energy and Combustion Science, Vol.31, p75-p121(2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記非特許文献３や、特許文献１などに開示されたＬＩＦ法では、トレーサ物質としてＯＨ等のラジカルを利用しており、例えば燃焼場の温度測定など、ラジカルが存在する環境でなければ測定ができない。
【００１０】
また、非特許文献４に記載された方法では、トレーサ物質として３−ペンタノン（3-Pentanone）などの炭化水素系の蛍光剤を用いている。したがって、例えばエンジン筒内等の燃焼環境における温度計測にこの方法を採用する場合、炭化水素系の蛍光剤が燃焼によってＨ2Ｏ，ＣＯ2等に変化し、蛍光剤そのものが消失してしまう。このため、燃焼前の温度は測定することができるが、燃焼後の温度は計測できない。また、ＬＩＦ法において、無機材料からなる粒子状のトレーサ物質を用いた流体の流れ計測と温度計測を実行することが特許文献４に開示されているが、トレーサ物質が粒子状であるため、計測用の窓を汚す可能性や、燃焼のような化学反応を伴う場において、トレーサ粒子が消失する可能性などがあり、やはり燃焼環境などにおける温度測定には適していない。
【００１１】
特許文献２及び３に開示されたＮＯ分子をトレーサ物質として用いたＬＩＦ法では、レーザ照射によって得られるＮＯ分子の蛍光強度が低い。また、レーザ光源を波長チューニングし、かつ蛍光の波長スキャンを実行する必要がある。よって、燃焼環境の測定場に用いることはできるが、瞬時の高精度計測をすることが難しい。
【００１２】
本発明は、燃焼環境などの測定場などにおいても、高精度かつ高速度での温度測定を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、トレーサ物質を存在させた測定場に対し複数の異なる励起波長のレーザ光を照射し、前記レーザ光の照射によって前記トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき前記測定場の温度を計測する温度計測装置であり、前記トレーサ物質として硫黄酸化物を用い、前記複数の異なる励起波長として、前記硫黄酸化物の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる波長のレーザ光を発生するレーザ光源と、順次発生する前記複数の異なる励起波長のレーザ光を前記レーザ光源から順次前記測定場の同一箇所に導いて照射するため光学機構部と、前記レーザ光の照射によって得られた蛍光を撮影する撮影部と、前記撮影部からの撮影結果から各励起波長に対応する蛍光強度の強度比を求め、前記強度比に基づいて前記測定場の温度を算出する温度算出部と、を備える。
【００１４】
本発明の他の態様では、上記装置において、前記撮影部は、前記蛍光強度を、前記測定場に照射された前記レーザ光の光路に沿って観察し、前記温度算出部にて前記蛍光強度から得た強度比に基づいて前記レーザ光の光路方向における前記測定場の温度を測定する。
【００１５】
本発明の他の態様では、トレーサ物質を存在させた測定場に対し複数の異なる励起波長のレーザ光を照射し、前記レーザ光の照射によって前記トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき前記測定場の温度を計測する温度計測方法であり、前記トレーサ物質として硫黄酸化物を用い、前記複数の異なる励起波長として、前記硫黄酸化物の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる波長を用い、前記複数の異なる励起波長のレーザ光を順次を前記測定場に照射し、各励起波長に対応して得られた蛍光強度から強度比を求め、前記強度比に基づいて測定場の温度を測定する。
【００１６】
本発明の他の態様では、上記装置または方法において、前記測定場は、燃焼室内である。
【００１７】
本発明の他の態様では、上記装置または方法において、前記トレーサ物質は、ＳＯ2であり、前記複数の励起波長は波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲である。
【００１８】
また、本発明の他の態様では、上記複数の励起波長として、例えば、それぞれ２４８ｎｍ、３０８ｎｍを採用することができる。
【００１９】
本発明の他の態様では、上記方法において、前記蛍光強度を、前記測定場に照射された前記レーザ光の光路に沿って観察し、前記レーザ光の光路方向における前記測定場の温度を計測する。
【００２０】
本発明の他の態様では、トレーサ物質を存在させた測定場に対し複数の異なる励起波長のレーザ光を照射し、前記レーザ光の照射によって前記トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき前記測定場の温度を計測する温度計測方法であり、前記測定場は、燃焼室であり、前記トレーサ物質として、前記燃焼室内における燃焼反応の前後において化学組成の変化しない不燃性ガスを用い、前記複数の異なる励起波長としては、前記トレーサ物質の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる１９０ｎｍから４００ｎｍの範囲の波長を用い、前記複数の異なる励起波長のレーザ光を順次を前記測定場に照射し、各励起波長に対応して得られた蛍光強度から強度比を求め、前記強度比に基づいて測定場の温度を測定する。
【発明の効果】
【００２１】
レーザ光を照射による非接触の温度計測に際し、トレーサ物質として用いる硫黄酸化物は、測定場が燃焼環境である場合においても、その燃焼前、燃焼後のいずれにおいても、化学的に安定な物質である。このため、燃焼前後でトレーサ物質を変更することによる光源や光学機構部などの変更を行うことなくレーザ光照射で硫黄酸化物から得られる蛍光から温度計測を実行することができる。
【００２２】
この硫黄酸化物は、蛍光強度の温度依存性が励起波長によって変化する特性を備えており、特にその依存性の波長による変化が大きい。このため、励起波長に対応する蛍光強度の大きな強度比を得ることができ、非常に高精度な温度計測をすることができる。
【００２３】
また、硫黄酸化物は、広い（ブロードな）吸収波長域を持ち、レーザ光源の波長チューニングなどを実行することなく効率的に蛍光を得ることができる。このため、高い蛍光強度を容易に得ることができ、温度計測を高精度に実行することができる。
【００２４】
さらに、得られる蛍光の強度が高く、フィルタによって蛍光波長域を任意に決めることができる。このため、レーザ光を照射して得られた蛍光から直ちに温度を計測することができ、例えばエンジン筒内などのように変化の速い測定場においても、瞬時の温度測定を実行することができる。
【００２５】
蛍光強度を測定場に照射されたレーザ光の光路に沿って観察すれば、その強度比に基づいてレーザ光の光路方向における測定場の温度分布を得ることができる。例えば照射するレーザ光をシート状とすれば、このレーザ光が照射される２次元領域における温度分布を得ることができ、さらに、このシート状のレーザ光をそのレーザ光路方向に直交する方向にスキャンすれば３次元温度分布を得ることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、実施形態）について説明する。
【００２７】
［温度計測概要］
本実施形態に係る温度計測装置は、トレーサ物質を存在させた測定場に対し複数の異なる励起波長のレーザ光を照射し、トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度の比に基づき測定場の温度を計測する。トレーサ物質としては、燃焼環境の前後において化学的に安定であって、得られる蛍光強度が高く、かつその温度依存性及び波長依存性が高い硫黄酸化物を採用する。
【００２８】
図１は、この温度計測装置１００の概略構成の一例を示しており、装置１００は、レーザ光源２０、光学機構部３０、撮影部４０、温度算出部５０および各部の動作を制御する制御部６０を備え、測定場７０内のトレーサ物質がレーザ光照射によって発する蛍光強度に基づいて測定場７０の温度を測定する。
【００２９】
レーザ光源２０は、複数の異なる励起波長として、トレーサ物質である硫黄酸化物の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる波長のレーザ光を発生する。この励起波長としては、波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で選択でき、例えば、２４８ｎｍ付近と、３０８ｎｍを採用することができる。もちろん、この２つには限られず、例えば２６６ｎｍと、３０８ｎｍの組み合わせ、２４８ｎｍと２６６ｎｍとの組み合わせ、或いは用いるレーザ光源に応じて他の波長を採用することもできる。
【００３０】
図１の例では、光源２０として、それぞれ所望の励起波長のレーザ光を発生する第１レーザ光源２１０，第２レーザ光源２２０を採用し、励起波長Ｌ１，Ｌ２として、２４８ｎｍ付近と、３０８ｎｍを採用している。励起波長Ｌ１として２４８ｎｍを採用する場合、第１レーザ光源２１０には、エキシマレーザ（ＫｒＦエキシマレーザ）光源２１０を採用することができる。励起波長Ｌ２として３０８ｎｍ付近を採用する場合、第２レーザ光源２２０としては、ＹＡＧレーザ光源２２２（第２高調波５３２ｎｍ），色素レーザ光源２２４（６１６ｎｍ）、倍波装置２２６を用い、５３２ｎｍのＹＡＧレーザ光から目的とする３０８ｎｍ付近のレーザ光を得ている。なお、レーザ光源２０は、トレーサ物質に照射すべきレーザ光の励起波長に応じて最適な光源を採用し、上記例に限らず、単一光源から、それぞれ異なる所定のＮ次高調波を作成して励起波長Ｌ１、Ｌ２として用いてもよいし、励起波長Ｌ１，Ｌ２の一方はレーザ光源の基本波長、他方は基本波長を倍波装置などを用いて倍波長とするなどによって得ることもできる。
【００３１】
光学機構部３０は、シリンドリカルレンズなどの光学レンズ３２、ハーフミラー（ビームスプリッタとしての用途もある）３４、ミラー３６などを備え、レーザ光源２０から順次射出される互いに異なる励起波長のレーザ光を、順次、測定場７０の所定の箇所（同一の箇所）に導き、測定場７０に照射する。
【００３２】
測定場７０は、図１の例では容器内であり、後述するエンジン筒内（７００）や、タービン内を測定場とすることができる。これらの容器内を測定場７０とする場合、容器にはレーザ光を透過可能なレーザ光の入射窓７２、トレーサ物質の発する蛍光を観察するため、該蛍光を透過可能な観察窓７４を設ける。もちろん、測定場７０は、密閉された容器内には限られず、開放された空間（例えば火炎内）でも良く、このような開放空間であれば入射窓７２や、観察窓７４等は不要である。
【００３３】
撮影部４０は、例えばＣＣＤカメラ４２を備え、測定場７０にレーザ光を照射し、トレーサ物質が発する蛍光を撮影する。このＣＣＤカメラ４２としては、特に高感度のＩＣＣＤカメラを採用することができる。ＩＣＣＤ（Intensified Charge Coupled Device）カメラは、高感度であると共に短期間毎の撮影が可能であり、短時間のレーザ光照射で得られる蛍光を時間精度良く検出することが容易である。
【００３４】
なお、上記ＣＣＤカメラ４２の入射側には、観察すべき蛍光波長を選択的に透過するフィルタ４４、観察する蛍光波長に適したレンズ（ここではＵＶレンズ）４６を設けることで測定精度の一層の向上を図ることが出来る。また、図１では省略しているが、複数のＣＣＤカメラを用いて蛍光を観察することでカメラの特性ばらつきによる測定精度のばらつきを低減することができる。
【００３５】
温度算出部５０は、撮影部４０からの撮影結果（撮像データ：画像データ）から各励起波長に対応する蛍光強度と、その強度比を求め、強度比に基づいて測定場７０の温度を算出する。なお、図示しないが、装置は、算出処理に必要な処理データ格納メモリや、テーブルを適宜備えており、算出部５０は、記憶されたデータを利用して演算処理を実行する。
【００３６】
制御部６０は、測定場７０に照射するための目的とする励起波長を発生するレーザ光源２１０，２２０を順に動作させ、測定場７０のトレーサ物質に対して順にレーザ光を照射する。つまり、レーザ光源２０に対し、その照射・発光タイミングを切替制御する。また、レーザ光源２０の切替制御と同期して（レーザ光を照射して蛍光が観察されるまでの時間ずれや、蛍光の継続期間を考慮したタイミングで）、撮影部４０で蛍光の撮像が行われるよう撮影部４０を制御する。また、温度算出部５０が、対応する励起波長のレーザ光を照射したタイミングで撮影部４０から得られる撮像データに基づいて、対応する蛍光強度を求めるように該温度算出部５０を制御する。
【００３７】
測定場７０へのトレーサ物質の供給タイミングは、目的とする温度計測前であればどのタイミングでもよく、例えば測定場７０が後述するようなエンジン筒内の場合には、硫黄酸化物をエンジンの吸気管から新気に混合し、エンジン筒内に供給すればよい。
【００３８】
ここで、図１の装置例では、レーザ光を測定場７０に対して対向入射する方式を採用しており、光学機構部３０は、対向入射のため、各レーザ光源２０からのレーザ光を途中でハーフミラー３４を用いて分割し、対向配置されている入射窓７２ａ，７２ｂを介して測定場７０に対向入射している。光学機構部３０は、レーザ光源２０から測定場７０までの間の光路に応じて上述のような必要な光学素子を配置するが、光路中でレーザ光を２手に分割するために所望の位置にハーフミラー３４を用いればよい。
【００３９】
図１の例では、レーザ光をシート状に成形する光学レンズ（シリンドリカルレンズ）を光路中に２つ配置しており、測定場７０に対向入射するレーザ光、ビーム形状を等しくするため、この光学レンズ３２による成形後に、ハーフミラー（ビームスプリッタ）によってレーザ光を分割している。レーザ光源２１０から射出される励起波長Ｌ１のレーザ光、レーザ光源２２０から射出される励起波長Ｌ２のレーザ光は、それぞれの発生タイミングでハーフミラー３４またはミラー（全反射ミラー）３６を経て光学レンズ３２に到達し、この光学レンズ３２でシート状に成形されたレーザ光が、その射出側に配置されているハーフミラー３４によって２つに分割される。分割された一方のレーザ光は、石英板３５ａによって第１入射窓７２ａから測定場７０に照射され、他方はミラー３６を経て石英板３５ｂによって第２入射窓７２ｂから測定場７０に照射される。
【００４０】
なお、図１の例では、石英板３５ａの反射面の後方に、この反射面から一部射出されるレーザ光の強度を観察するためのパワーメータ３８を配置している。このパワーメータ３８の測定結果により、レーザ光源として用いるパルスレーザ光の各ショット間（パルスレーザにおけるショット間）のパワーばらつきを検出し、その測定結果に応じ、測定場７０で得られる蛍光強度の補正を行う。
【００４１】
以上の図１に示すようなレーザ光の対向入射構成を採用することで、測定場７０内でレーザ光の光路方向において蛍光強度の勾配が発生することを防止でき、蛍光強度の測定精度を高めることが容易となる。
【００４２】
図２は、本実施形態の温度計測装置の上記図１と異なる例を示している。図２の装置において図１に示す構成と相違するのは、測定場７０に対し、レーザ光を対向入射ではなく、片側から入射する光学機構部３０を採用している点であり、他の構成は上記図１と共通する。
【００４３】
図２に示すように、測定場７０に対し、片側からのみレーザ光を照射する場合には、レーザ光源２０から測定場７０までの光学機構部３０中にレーザ光を分割するためのハーフミラー３４は不要である。したがって、各レーザ光源２１０，２２０から射出されるレーザ光は光路配置に応じて全反射ミラー３６，ハーフミラー３４等によって光路内に入射された後は、シリンドリカルレンズなどの成形用の光学レンズ（図２では記載を省略）と、全反射ミラー３６を経て入射窓７２ａから測定場７０に照射される。なお、図２では、測定場７０に入射する直前の光路中に配置された石英板３５ａ，３５ｂによってレーザ光の一部を、撮影部４０の前に配置された参照板３９に照射する。この参照板３９からの反射光を撮影部４０によって検出し、その強度からレーザ光のパワーばらつきを検出し、測定場７０から対応するレーザ光によって得られる蛍光強度の補正を実行する。なお、このレーザ光のパワーばらつきは、図１に示すようにパワーメータ３８を採用して測定しても良く、また図１のような対向入射構成の場合に、図２のように撮影部４０を利用して測定しても良い。
【００４４】
次に、トレーサ物質である硫黄酸化物に照射する励起波長について説明する。硫黄酸化物として、ＳＯ2を採用する場合、複数の励起波長の帯域は上述のように波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で選択することができる。例えば、２４８ｎｍ付近、３０８ｎｍ付近の励起波長Ｌ１、Ｌ２のレーザ光を照射し、その蛍光強度比を求めることで精度良くトレーサ物質のおかれた測定場７０における温度を求めることができる。
【００４５】
具体例については後述するが（図３〜図５参照）、２４８ｎｍ付近の各励起波長によって得られるＳＯ2の蛍光（ＬＩＦ）強度は、温度によって大きく異なる。一方、３０８ｎｍ付近の励起波長によって得られるＳＯ2の蛍光強度は、２４８ｎｍ付近での蛍光強度と比較すると、その温度依存性は低い。したがって、２４８ｎｍの励起波長の蛍光強度と３０８ｎｍの蛍光強度との強度比を求めると、温度による強度比の差が大きくとれ、高精度な温度計測を実現することができる。
【００４６】
また、両方の励起波長によって得られる蛍光強度の比を取ることで、濃度の影響をキャンセルすることができる。
【００４７】
上述した非特許文献４等に開示されている３−ペンタノンや、トルエンなどの炭化水素系の蛍光剤を用いたＬＩＦ法では、得られる蛍光強度比は、２．４〜２．５倍、高くても３倍程度である。しかし、本実施形態のようにトレーサ物質としてＳＯ2等の硫黄酸化物を採用し、例えば上記２４８ｎｍ付近と３０８ｎｍ付近の蛍光強度を用いた場合、最大で７倍程度の強度比を得ることができ、燃焼環境などの測定場７０においても、そして、その燃焼前でも燃焼後でも、非常に高い精度で温度計測を実行することができる。
【００４８】
以下、温度（常温〜２５０℃）、圧力（〜１．０ＭＰａ）を任意に制御可能な定容容器（図１の測定場７０参照）を用い、レーザ光が照射された際に得られるＳＯ2の蛍光強度の温度依存性を求めた結果について説明する。なお、励起波長は２４８ｎｍ，３０８ｎｍそれぞれで行い、その結果より強度比を算出した。
【００４９】
（励起波長２４８ｎｍを用いた温度、圧力依存性の測定）
図１の第１レーザ光源２１０として、ＫｒＦエキシマレーザを用い、得られた２４８ｎｍのレーザ光を、定容容器内（７０）に導き、ＣＣＤカメラ４２を用いた撮影部４０によって、容器内に充填されたＳＯ2の蛍光強度を計測した。
【００５０】
測定場７０である定容容器は、この例では、３６７．９ｃｃの容積であり、この容器内を所定の温度に保ち（例えば１００℃）、ＳＯ2の１ｖｏｌ％（空気希釈）を容器内に０．１ＭＰａとなるよう充填した。
【００５１】
第１レーザ光源２１０から出射した光は、シリンドリカルレンズ３２でシート状にして定容容器７０に導いた。定容容器７０のレーザ入射窓７２（７２ａ，７２ｂ）及び観察窓７４は、いずれも石英ガラスを採用しており、紫外光を透過することができる。撮影部４０における蛍光強度の測定は、ＵＶレンズ４６にフィルタ４４を装着したＩＣＣＤカメラ４２によって行った。
【００５２】
レーザ光（５ｍＪ）は、容器両側から入射窓７２ａ，７２ｂから対向入射させた。このレーザ光はパルスレーザであり、レーザパワーのパルス間の変動は、パワーメータ３８で測定することによってモニタし、ショット間の変動による蛍光強度の補正を行った。なお、ＣＣＤカメラ４２前部のＵＶレンズ４６の前のフィルタ４４としては、３２０ｎｍ以上の波長を通すフィルタを採用した。
【００５３】
まず、このような初期状態で定容容器７０内にレーザ光を照射した際の蛍光強度を撮影部４０での撮像データに基づいて測定し、ＬＩＦ強度の基準とした。その後、定容容器７０内に空気を加え、０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．６ＭＰａ、０．８ＭＰａ、１．０ＭＰａと圧力を増加させていき、各圧力における蛍光強度（蛍光強度の圧力依存性）を計測した。また、定容容器７０内を初期温度を１００℃（３７３Ｋ）から上昇させ、各温度における蛍光強度を測定することによって温度の依存性を求めた。図３は、これらの測定結果を示しており、いずれの圧力でも、温度上昇と共に、ＬＩＦ強度が増加することがわかる。
【００５４】
（励起波長３０８ｎｍを用いた温度、圧力依存性の測定）
同様に図１の装置を用い、第１レーザ光源２１０ではなく、第２レーザ光源２２０を動作させ、励起波長３０８ｎｍのレーザ光を光学機構部３０を介して定容容器７０に導き、対向照射した。なお、フィルタ４４，ＵＶレンズ４６は、上記２４８ｎｍの励起波長の照射の時と同様の条件とした。また、２４８ｎｍの励起波長の場合と同様、容器７０内を所定の温度に保ち（例えば１００℃）、ＳＯ2の１ｖｏｌ％（空気希釈）を容器内に０．１ＭＰａとなるよう充填した。このような初期状態で定容容器７０内に上記３０８ｎｍの励起波長のレーザ光を照射した際の蛍光強度を測定し、基準とした。その後、定容容器７０内に空気を加え、２４８ｎｍの場合と同様に圧力を増加させていき、圧力依存性を計測した。また、定容容器７０内を初期温度を１００℃（３７３Ｋ）から上昇させ、各温度における蛍光強度を撮影部４０での撮像データに基づいて測定することによって温度の依存性を求めた。図４は、これらの各測定結果を示しており、励起波長２４８ｎｍの場合と異なり、どの圧力条件の場合にも、温度に対する蛍光強度の変化はほとんどないことがわかる。
【００５５】
（温度算出）
上記励起波長２４８ｎｍ（Ｌ１）、３０８ｎｍ（Ｌ２）のレーザ光照射によって得られた各ＬＩＦ強度の結果を用い、温度に対する強度比（２４８ｎｍ／３０８ｎｍ）を求めた結果を、図５に示す。測定した０．１ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．６ＭＰａ、０．８ＭＰａ、１．０ＭＰａのいずれの圧力においても、３０８ｎｍの励起波長のレーザ光に対しては蛍光強度の温度依存性は、ほとんど無い。一方、２４８ｎｍの励起波長では蛍光強度の温度依存性は非常に大きい。したがって、２４８ｎｍ，３０８ｎｍそれぞれの励起波長のレーザ光による蛍光強度の強度比を求めると、いずれの圧力条件についても非常に高い強度比が得られる。
【００５６】
図５に示すような各温度に対する強度比を記憶し、データベース化することで、下記実施形態１，２等に示すように具体的な測定場で得た測定強度比と、その際の測定場の圧力から、レーザ光の照射された位置における温度を算出することができる。
【００５７】
ここで、図１の装置では、光学レンズ３２によりレーザ光をシート状に成形しているが、シート状ではなく線上のレーザ光を照射すれば、非常に高い精度でレーザ光の光軸方向に沿った１次元温度分布を求めることができる。レーザ光をシート状に成形して測定場７０に照射した場合、照射されるレーザ光のエネルギ密度が線状に集光したレーザ光よりも低くなるため、得られる蛍光強度も低くなる。しかし、本実施形態のような硫黄酸化物をトレーサ物質として用い、２４８ｎｍ、３０８ｎｍの励起波長のレーザ光を照射した場合、従来の炭化水素系材料や、ＮＯ分子等のトレーサ物質を用いた場合と比較しても、その２倍以上の蛍光強度比を得ることができる。よって、本実施形態の温度計測装置、計測方法によれば、シート状のレーザ光が照射された測定場の温度分布、すなわち測定場の２次元の温度分布を精度良く求めることができる。また、このシート状のレーザ光を所定方向に走査することで３次元温度分布を求めることも可能となる。
【００５８】
なお、以上では、図１に示す対向入射方式を採用した温度測定を例に説明したが、上述の図２に示すような片側からの入射方式を採用しても原理上、図１と同じ温度依存性を得ることができ、その依存性データに基づいて温度計測を実行することができる。
【００５９】
［実施形態１］
以下、測定場７０として、エンジン筒内を採用した場合の温度計測装置の例を、図６〜図１０を参照して説明する。本実施形態では、エンジン筒内でトレーサ物質の発する蛍光の強度を観察するため、図６に示すような可視化エンジンを採用している。具体的には、例えば石英シリンダ７１０と石英ピストン７１２をそれぞれ採用することで、波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲のレーザ光の筒内への照射を可能とし、かつ、トレーサ物質の蛍光を撮影部４００において観察することを可能としている。なお、トレーサ物質には、硫黄酸化物としてＳＯ2を用い、励起波長は、上記具体例と同様に、２４８ｎｍ，３０８ｎｍとし各励起波長のレーザ光の照射によって得られる蛍光強度に基づいて温度計測を行うことができる。
【００６０】
レーザ光源２０（２１０，２２０）からのレーザ光は、図７に示すような光学機構部３０を経てエンジン筒内７００に導かれる。ここで、光学機構部３０は、図７（ａ）に示すように、光学レンズ３２、ハーフミラー３４、全反射ミラー３６等を備え、２つの光源からの各励起波長のレーザ光は、最初のハーフミラー３４を透過（例えば第１光源２１０からのレーザ光）し、又は反射され（第２光源２２０からのレーザ光）、次のハーフミラー３４において、２つに分離される。分離されたレーザ光は、それぞれ全反射ミラー３６を経て、各光路に設けられたシリンドリカルレンズ等の光学レンズ３２を経てエンジン７００の筒内に対向入射される。
【００６１】
光学レンズ３２は、例えば、レーザ光のビームを幅方向に拡大するためのシリンドリカルレンズと、厚さ方向にビームを縮小するシリンドリカルレンズの組み合わせによって構成することができる。その拡大率、縮小率は、照射するエンジン筒内の大きさ、レーザ光のエネルギー密度に応じて適切に設定する。一例として、シート幅方向には５０ｍｍの長さ、シート厚さ方向には１ｍｍの長さに成形することができる。このようなシート状に成形したレーザ光をエンジン筒内に照射することでレーザシートが照射された領域、つまり２次元領域における温度計測が可能である。
【００６２】
ここで、図６の構成例では、エンジン筒内の横断面（シリンダ７１０の横断面）方向にそのシート幅が拡大されたシート状のレーザ光を照射している。このような方向にレーザ光を照射すれば、シリンダ７１０の横断面方向に沿った蛍光強度分布を知ることができる。なお、この場合、図６に示すように、透明なピストン７１２の下部に配置された反射ミラー３１０が、気筒内で発生した蛍光を外部で観察するための反射ミラーとして利用され、射出窓７４０より蛍光を観察する。
【００６３】
また、図６に示す温度計測装置において、撮影部４０としては、各励起波長Ｌ１，Ｌ２のレーザ光を照射して得られるＳＯ2からの蛍光を撮影するために、複数の撮影部４１０，４２０を設けている。この複数の撮影部で蛍光を撮影することで、一方を３０８ｎｍから得られる蛍光を、他方を２４８ｎｍから得られる蛍光の撮影に用いることができる。これにより２つのレーザ（３０８ｎｍ、２４８ｎｍ）の発光間隔を短くして（＞１００ｎｓ）、ほぼ同時刻の計測を行うことが可能である。複数の撮影部４０を用いる場合、エンジン７００から射出された光は、射出窓７４０からミラー３１０を介してハーフミラー３１２に導き、ここで分離して各撮影部４０に等しく供給する。なお、ハーフミラー３１２を用いず、撮影部を１つとする構成を採用することも可能である。この場合には、３０８ｎｍ、２４８ｎｍを個々に撮影すれば良い。
【００６４】
次に、エンジンの縦断面（ピストン７１２の稼働）方向における蛍光強度分布を計測する場合には、図８及び図９に示すような構成を採用すればよい。具体的には、図８に示すように上記反射ミラー３１０、窓７４０を、それぞれ、レーザ光をエンジン筒内に照射するための反射ミラー３１０及び入射窓７４０として用い、ピストン７１２の下方から、ピストン７１２の可動（エンジンの縦断面）方向に沿って、シート状に成形したレーザ光の光軸方向を照射する。筒内で発生した蛍光はシリンダ７１０の横方向（側方）から取り出し、撮影部４１０、４２０は、ハーフミラー３１２を介してこの蛍光を計測する。
【００６５】
温度計測に用いる可視化エンジン７００は、透明なシリンダ７１０内に透明なピストン７１２が配され、かつ、図９に示すように、吸気管７２２の上流に、ＳＯ2を新気に混合させるための噴射弁７３０を備える点を除けば、通常のエンジンと同様の構成、同様の動作をする。一例として、トレーサ物質が混合された新気（燃料及び空気）は、吸気バルブ７２４が開くと吸気管７２２から吸気バルブ７２４を介して燃焼室７２０内に吸気される。吸気バルブ７２４が閉じてピストン７１２が上昇して燃焼室内のガスが圧縮され、その状態でシリンダ７１０の上部に設けられた図示しない点火ブラグによって着火されて燃焼（爆発）が起きる。爆発行程及び膨張行程の後、排気管７２６に設けられた排気バルブ７２８が開くと、燃焼室７２０内の燃焼ガスは、排気バルブ７２８を介して排気される。
【００６６】
本実施形態に係る温度計測装置では、このような可視化エンジン７００に対し、目的とする任意の温度計測タイミングでレーザ光を燃焼室７２０内に所望の方向（横断方向、縦断方向）から照射し、その時の燃焼室７２０の中のＳＯ2の蛍光を観察することができる。
【００６７】
図１０は、撮影部４０において温度計測に際して実行される画像処理を概念的に示している。なお、図１０では、図６に示すようにエンジンの横断面方向における温度分布を測定する場合を例に画像処理の様子を示している。まず、ＳＯ2を混合せずにエンジン７００を動作させ、撮影を行う所定のクランク角毎にそれぞれ燃焼室７２０に励起波長３０８ｎｍ、２４８ｎｍのレーザ光をそれぞれ照射し、画像データを得る。ここでは、この画像データは、複数サイクルの平均画像データを得て、これを基準背景データとして予め記憶しておく。
【００６８】
次に、噴射弁７３０からＳＯ2を燃料及び空気に混合した状態でエンジン７００を動作させ、励起波長３０８ｎｍ、２４８ｎｍの各レーザ光を照射する。上述の図１、２に示す温度算出部５０は、励起波長３０８ｎｍのレーザ光を照射して得られる蛍光強度画像データから、対応する基準背景データを減算し、蛍光強度画像Ｉ３０８（ｘ，ｙ）を得る。同様に励起波長２４８ｎｍのレーザ光照射によって得られる画像から対応する基準背景データを減算し、蛍光強度画像Ｉ２４８（ｘ，ｙ）を求める。なお、これらの画像データは所望の画像メモリに記憶させて画像処理に利用する。温度算出部５０は、これらの画像の割り算、つまり、Ｉ２４８（ｘ，ｙ）／Ｉ３０８（ｘ，ｙ）を実行し、この除算処理によりＣＣＤカメラ４２で撮像する画素毎に、蛍光強度比を求めることができる。
【００６９】
次に、蛍光強度の測定時におけるエンジン筒内の指圧を参照し、上述の図５に示すようなＬＩＦ強度比−温度の関係テーブルから、画素毎の温度を求めることができ、その結果、二次元温度分布を求めることができる。
【００７０】
ここで、レーザ光の入射に対するＳＯ2の蛍光寿命は１００ｎｓ以下である。特定のクランク角で、シングルショット（単一のパルス光照射による）計測を行う場合、厳密には、同時に２波長のレーザ光を入射する必要がある。しかし、２波長のレーザ光の入射によって得られる蛍光スペクトルを分離することは難しいため、本実施形態では、蛍光寿命以上の時間の時間差を設け２波長のレーザをそれぞれ入射する。この時間差によるクランク角のズレは、仮に５００ｎｓの時間差で２波長のレーザ光を順次入射した場合を想定すると、エンジン回転数が例えば６０００ｒｐｍと非常に高速に動作している場合であっても、その時間差はクランク角で０．０１８°である。このため燃焼室７２０内の環境に大きな差は生じておらず、この時間差による２つの波長のレーザ光照射による温度計測は精度上、大きな問題とはならない。また、既に説明したように、各励起波長のレーザ光照射によって得られる蛍光は、２台のカメラ４２によって撮影され、それぞれから得られる画像の強度比より温度を決定する。
【００７１】
以上、本実施形態によって求められるエンジン筒内の温度分布は、ＨＣＣＩ（予混合圧縮自己着火燃焼）の燃焼率制御や、ガソリンエンジンのノッキング等に対して重要な物理量である。本実施形態によれば、高精度な温度分布計測が可能となることから、その分布等を有効に利用した燃焼を行うことが可能となり、エンジンの性能（出力、排気、燃費等）向上に寄与できる。
【００７２】
燃焼前の温度は、上記のようなガソリンエンジンのノッキング等に影響を与えることは知られているが、本実施形態によれば、燃焼前におけるエンジン内の温度分布とノッキング発生との関係を計測することができる。また、例えば、ノッキングが発生しにくい温度分布を意図的に形成できるエンジン構成を作り、それが本当に意図する分布となっているかを確認できる。このため、本実施形態の温度計測方法を用いて、筒内の温度分布を正確に測定することにより、新しい燃焼コンセプトのメカニズムの確認が可能となる。
【００７３】
また、ＨＣＣＩ燃焼等では微小な温度ムラが燃焼に及ぼす影響に着目した研究がある。本実施形態の温度計測によって、そのような測定場における温度分布を求めることで、燃焼制御等に用いていくことができる。
【００７４】
さらに、燃焼途中、燃焼後における筒内温度は、煤，ＮＯｘ等の生成に大きく影響を与える。したがって、温度分布を計測することで煤、ＮＯｘ等の生成メカニズムの解明や観察領域内の温度が、目標とする温度域にあるのか否かといったことを把握することができ、その結果を元にエンジン開発に応用でき、性能向上に寄与できる。
【００７５】
また、本実施形態によって得られた温度分布と、ＣＦＤ（数値流体力学）を用いた計算結果（温度計算結果）と比較することができ、ＣＦＤの計算精度等を検証できる。
【００７６】
［実施形態２］
上記実施形態１では、測定場としてエンジンを用いたが、エンジンに限らず、トレーサ物質として上記のような硫黄酸化物を用い、１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の中で複数の励起波長のレーザ光を照射することで、一般的な検査対象に対しても温度分布計測が可能である。
【００７７】
図１１は、実施形態２として、他の測定場７５０における温度計測方法を概念的に示している。検査対象領域である測定場７５０の温度計測を行う場合、この測定場７５０には、選択した複数の励起波長（例えば、２４８ｎｍ、３０８ｎｍ）のレーザ光を透過する入射用の窓７２３、７２４と、観察対象であるＬＩＦ光を透過させる観察用窓７２５があれば、上記実施形態と同様に温度分布の計測が可能である。例えば、既に説明したが、この測定場７５０の一例としては、ガスタービン等が挙げられる。なお、更に閉じた空間でなければ窓も必要とはならない。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る温度計測装置の図１とは別の構成例を示す図である。
【図３】励起波長２４８ｎｍのレーザ光を照射した場合のＬＩＦ強度の温度依存性を示す図である。
【図４】励起波長３０８ｎｍのレーザ光を照射した場合のＬＩＦ強度の温度依存性を示す図である。
【図５】励起波長２４８ｎｍと３０８ｎｍのレーザ光を照射した場合のＬＩＦ強度比の温度依存性を示す図である。
【図６】本発明の実施形態１に係るエンジンの温度計測装置の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態１に係るエンジンの温度計測装置の光学機構部の概略を示す図である。
【図８】本発明の実施形態１に係るエンジンの他の温度計測装置方法を示す図である。
【図９】本発明の実施形態１に係るエンジンの縦断面方向における概略構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態１に係る温度計測時における画像処理を説明する図である。
【図１１】本発明の実施形態２に係る温度計測装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１００  温度計測装置、２０，２１０，２２０  レーザ光源、３０  光学機構部、３２  光学レンズ（成形用光学レンズ、シリンドリカルレンズ）、３４  ハーフミラー（ビームスプリッタ）、３５  石英板、３６，３１０  ミラー（全反射ミラー）、３８  パワーメータ、３９  参照板、４０、４１０，４２０  撮影部、４２  ＣＣＤカメラ、４４  フィルタ、４６  ＵＶレンズ、５０  温度算出部、６０  制御部、７０  測定場、７２，７２ａ，７２ｂ  入射窓、７４  観察窓、７００  測定場（エンジン，可視化エンジン）、７１０  シリンダ、７１２  ピストン、７２０  燃焼室、７２２  吸気管、７２４  吸気バルブ、７２６  排気管、７２８  排気バルブ、７３０  トレーサ物質噴射弁、７４０  射出／入射窓。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009002811.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009002811.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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