(57)【要約】【課題】非接触、高精度で気体の温度を容易に３次元測定可能な温度測定装置を提供する。【解決手段】気体の温度を測定するために、対象とする温度場６に対し、複数の方向Ａ、Ｂ、Ｃから、背景に置かれた粒子パターンの描かれたシート１をインライン照明し、温度場６によって生じる屈折率の変化をＣＣＤカメラＡ、Ｂ、Ｃ方向で撮影する光学的可視化法を適用し、複数のディジタル画像を作成する。それらの画像に相互相関アルゴリズムならびに代数的再構成法と呼ばれるコンピュータトモグラフィー解析法を用いて、温度変化による光の屈折率分布を算出する。さらに屈折率と温度の関係を適用することにより気体の３次元温度分布を計測できる。【選択図】図５
2009014359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象とする温度場の背景に置かれた斑点模様の描かれたシートと、前記シートをインライン照明する照明部と、前記照明の投影軸上に前記シートの画像を撮影し撮影領域内に入る位置で固定する撮影機とで構成される温度測定装置を備え、測定対象の温度場が前記撮影機の投影軸上の交点となるように前記温度測定装置が複数配置される気体の３次元非接触温度計測装置。
【請求項２】
前記温度測定装置は、温度変化によって生じる屈折率変化を、複数方向から同時撮影し、この撮影した画像の前記シートの斑点分布の相互相関関数による斑点の移動量により温度を計測するものであり、この計測結果を３次元的に再構成するコンピュータを備えていることを特徴とする請求項１記載の気体の３次元非接触温度計測装置。
【請求項３】
前記温度測定装置は、中心温度から周囲温度までの領域を再構成して得られた温度分布を境界条件として与えた後、撮影された画像が十分な空間解像度が得られるまで中心温度近傍を拡大し、再構成を行うものであることを特徴とする請求項１または２記載の気体の３次元非接触温度計測装置。
【請求項４】
前記請求項１の温度測定装置を用い、温度変化によって生じる屈折率変化を、複数方向から同時撮影し、この撮影した画像の前記シートの斑点分布の相互相関関数による斑点の移動量により温度を計測するものであり、この計測結果をコンピュータで３次元的に再構成することを特徴とする気体の３次元非接触温度計測方法。
【請求項５】
前記請求項１又は２記載の温度測定装置を用い、該温度測定装置は、中心温度から周囲温度までの領域を再構成して得られた温度分布を境界条件として与えた後、撮影された画像が十分な空間解像度が得られるまで中心温度近傍を拡大し、再構成を行うものであることを特徴とする気体の３次元非接触温度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率の違いを利用した流れの可視化法による気体の３次元非接触温度計測装置及び３次元非接触温度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に温度計測方法は接触法、非接触法の２種類がある。接触法としては熱電対などによる方法が実用化されている。熱電対は、異なる材料の２本の金属線をつなげて回路をつくり、２つの接点に温度差を与えると、金属の間に電圧が生じ電流が流れるというゼーベック効果を利用している。
【０００３】
一方、非接触で温度を計測する方法として、例えばマッハツエンダ型干渉計を用いたレーザー干渉法がある（特許文献１参照）。実施例を図13に示す。この方法はＨｅ−Ｎｅレーザー51がビームスプリッタ52によって２本のビーム53,54に分割し、一方の通過するレーザー54については基準となる空気状態を一定に保っておき、他方の通過するレーザー53については測定する気体55の屈折率が変化するので、光路長差が変化することにより干渉縞が移動し、干渉縞の移動を測定することによって、気体の屈折率変化を求めることができる。したがって屈折率と密度の関係、理想気体の状態式から、気体の温度変化を求めることができる。
【０００４】
また光学的可視化による方法がある。光学的可視化とは、目に見えない現象を観測し画像化することであり、流体の屈折率の違いを利用した流れの可視化法である。屈折率が一定な媒質中では、光は直進する。しかし、媒質中に温度や圧力の不均一さがあると、局所的に屈折率が異なり、光は一定の法則に従って屈折する。この流れの可視化法では、トレーサなどを全く使用しないことから、流れ場の密度や温度場を非侵襲的に計測することが可能である。
【０００５】
そこでまず、光学的可視化による方法としてレーザースペックル法が挙げられる。レーザースペックル法とは、レーザーがファイバーを通る過程においてスペックルノイズと言われる斑点模様や擦りガラスなどによって作成されるスペックルパターンを用いて屈折角から温度を算出する方法である。レーザーを照射したとき、スペックルパターンとして観測面において一般的に粒状性を帯びた斑点模様が得られ、よって加熱後の変動による屈折の変化によるスペックルパターンの変移を計測する。そして加熱前のスペックルパターンを撮影し、２つの画像のパターンの変移を追跡する。スペックルパターンの移動量の算出には,ＰＩＶ（Particle Image Velocimetry:粒子画像流速測定法）で良く用いられている相互相関法を使用する。このＰＩＶ法は流れの定量的情報を獲得する流体の計測手法である。相互相関法とは、２つの画像間のパターンマッチングを行う手法の１つである。具体的には、画像Ａと画像Ｂがあると仮定したとき、画像Ａの一部を切り出して、それと似たパターンが画像Ｂのどこにあるかを探す手法である。切り出した画像Ａの一部と、画像Ｂの任意の同サイズの画像との相互相関係数を算出し、この相関係数が最大となる位置を取得することで、パターンマッチングを行う。前記複数の画像間で相互相関法ＰＩＶを適用する（特許文献２参照）ことで、両画像間のパターンマッチングを行い、移動ベクトルを算出することができる。このように、加熱前と加熱後の移動量を算出し、乗法代数的再構築法（Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique:ＭＡＲＴ）より屈折角を求め、屈折率場を算出し、空気における屈折率と温度の関係式より、温度を得ることができる。
【０００６】
レーザースペックル法による温度計測は、例えば図14に示す水素混合ガス火炎の装置の光学系構成図であり、図15はその光学系と照射されたレーザーによる光束を示す図である。ここでの座標系はレーザーの進行方向をｘ、垂直方向をｙ、火炎の高さ方向をｚとし、軸対象と仮定した火炎の半径方向をｒとした。装置の中央部にバーナー109が設置され、その上部に拡散火炎110が形成され、周囲空気中上方に放出する。燃料ガスとしては、体積混合比が水素60％、ヘリウム40％の混合ガスを用いている。
【０００７】
温度計測の光源はアルゴンレーザー（波長４８８ｎｍ）101を用い、ファイバー102を通過したレーザーは、ＮＤフィルター103で光量を制御し、擦りガラス104でスペックルパターンを生成したのち、凸レンズ105で拡大平行光111として拡散火炎なる測定部110へ進む。そのレーザーを凸レンズ105により集光させることで、レンズ105を通してＣＣＤカメラ107（８bit、640×480pixel）からパソコン108でデータを取り込み、画像化する。ＣＣＤカメラ107の前にはバンドパスフィルタ106を配置し、輝炎の映り込みを防ぐようにした。温度計測は参照画像（火炎による影響を受けない画像）と実験画像に対し、サブピクセル精度の直接相互相関計算を適用し、火炎によるスペックルパターンの移動量を算出する。この時の直接相互相関法における各パラメータは相関領域：41×41(pixels）探索領域：15×15(pixels)である。その結果、得られた局所屈折角分布に軸対象を仮定したアーベル変換、Gladstone-Daleの式を用いることで火炎の屈折率ｎ（ｒ）が求まる。
【０００８】
【数１】
2009014359.tif 000003
【０００９】
ここでＬは、テストセクションからスクリーンまでの距離であり、ｎ∞は、基準点屈折率である。さらに理想気体の状態方程式、燃焼生成物の濃度の影響（Ｋmix：混合ガスのGladstone-Dale定数、Ｍmix：混合ガスの質量）を考慮することで火炎温度Ｔ（ｒ）が得られる。
【００１０】
【数２】
2009014359.tif 000004
【００１１】
ここで、Ｐは基準点圧力、Ｒ０は一般ガス定数である。ただし、燃焼生成物の濃度は、サンプリングプローブで採取し、ガスクロマトグラフィーで分析して求めている。
【特許文献１】特開２００２−３９８７０号公報
【特許文献２】特開２００５−９９０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記の接触法による熱電対の温度測定法では、プルームを測定対象に接触させなければならないため、対象場の形状を乱してしまう。また、プルームはある一定の大きさを持つため正確に測定箇所を測ることができず、周囲の温度による熱伝導による誤差を含む。さらに接触法は点計測であり、３次元空間の温度場を計測するためには計測点全てに熱電対を設置しなければならないため、装置の設置、計測において非常に困難であった。
【００１３】
一方、非接触の上記のレーザー干渉法では、装置の機械的振動に対して非常に敏感であるため、精度の良い計測が困難であった。
【００１４】
また光学的可視化による方法のレーザースペックル法での温度計測では、ファイバーが作成するパターンを用いるため、ファイバーの微少な振動によりパターンが移動してしまい、正確な計測を行うことは極めて難しいので、計測装置を防振構造にする必要があった。また、レーザーをカメラの光軸に対して平行に照射しなければならないので、装置の設置が困難であった。このような問題のため、レーザースペックル法では十分な精度での温度計測には至っていなかった。
【００１５】
そこで本発明は上記を鑑みて、非接触で、光源の振動による影響がなく高精度で屈折角から温度を算出することが可能で、容易に背景パターンを制御することのできる３次元温度計測装置及び計測方法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】
【００１６】
本発明は、上記目的を達成するために、測定対象とする温度場の背景に置かれた斑点模様の描かれたシートと、前記シートをインライン照明する照明部と、前記照明の投影軸上に前記シートの画像を撮影し撮影領域内に入る位置で固定する撮影機とで構成される温度測定装置を備え、測定対象の温度場が前記撮影機の投影軸上の交点となるように前記温度測定装置が複数配置される気体の３次元非接触温度計測装置であり、対象となる温度場の有無によって生じる屈折率変化を、複数方向から同時撮影し、温度場の有無による前記撮影された画像の前記シートの斑点分布の相互相関関数による斑点の移動量により温度を計測するものであり、この計測結果を３次元的に再構成するコンピュータを備えていることにより達成できる。また中心温度から周囲温度までの領域を再構成して得られた温度分布を境界条件として与えた後、撮影された画像が十分な空間解像度が得られるまで中心温度近傍を拡大し、再構成を行うことにより高精度に測定できる。
【００１７】
すなわち、背景パターンシュリーレン法を導入し、これは擦りガラスでスペックルパターンを生成するのではなく、対象とする温度場の背景に置かれた粒子パターンの描かれたシートをインライン照明し、温度場によって生じる屈折率の変化を撮影機で撮影し、得られた屈折角から温度場を算出する方法であり、結果を３次元的に再構成することで、３次元計測へ拡張が可能である。
【発明の効果】
【００１８】
背景パターンシュリーレン法では、レーザーや擦りガラスを必要としないため、比較的容易に光学的可視化に利用できる。また、光源が背景パターンを照射するための照明としての役割しか持たないため、装置の設置が容易であり、光源が振動しても背景パターン自体が変化しないことから振動にも強く、十分な精度を得ることができる。また、最適な条件になるように任意の背景パターンを作ることができるので、容易に背景パターンを制御することができる。したがって，レーザー照明や特別な光学系は不要となる。このため、結果を３次元的に再構成することで、熱電対の点計測ではなく、容易に３次元計測に拡張できる。細線周りの温度分布を得る際、中心温度から周囲温度までの領域を再構成して得られた温度分布を境界条件として与えた後、十分な空間解像度が得られるまで中心温度近傍を拡大し、再構成を行うことで、直接相互相関における誤差が少なくなり、空間解像度が増加するので、より高精度に計測できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明における３次元非接触温度計測装置の好ましい実施例を説明する。
【実施例】
【００２０】
温度場の有無によって得られた画像に対し，画像相関法とサブピクセル解析を適用することによって，背景パターンの移動量を算出する．このとき，屈折角の分布は以下に示す代数的再構築法（ＭＡＲＴ）から求められ、空気における屈折率と温度の関係式より、温度を得ることができる。
【００２１】
そこで、３方向からカメラ３台で計測することにより、背景パターンシュリーレン法とＣＴを組み合わせた方法によって、非侵襲的に気体の３次元温度計測を行うようにし、加熱細線周りの温度場を高精度に計測し評価する。そして、その細線温度を理論値や熱電対と比較する。
【００２２】
すなわち、加熱細線周りの温度分布計測装置において、加熱用細線の両端を変圧器につなぎ、電圧を加えて加熱し、加熱細線の背後には明暗の斑点模様がランダムに配置された背景パターンを設置し、ＣＣＤカメラにより背景パターンを撮影し、加熱前の背景パターンと加熱後の背景パターンをそれぞれ撮影し、両画像間の移動量をＰＩＶ法により求め、ＭＡＲＴ法を用いて解析する。
【００２３】
図１は本発明の実施例を示す３次元温度計測装置の背景パターンシュリーレン法での光学系の概略を示す。１は背景パターン、２はテストセクション、３はカメラレンズ、４は撮影面である。座標系は、光の進行方向をＸ、その垂直方向すなわちカメラ撮影面上をＹ、テストセクションの鉛直方向をＺとした。
【００２４】
背景パターンとして斑点模様のシートを用意したとき、背景パターン面１にレンズ３を用いて焦点をあわせると、その背景パターン１を撮影面４に撮影することができる。このとき、テストセクション２に一切の変化が無かった場合、撮影面４に映し出される背景パターンに変化はないが、この空間内にそれまで存在していた屈折率とは異なる物質が存在した場合、撮影面４に映る背景パターンは屈折率に応じて屈折し、ある移動量だけ移動した背景パターンが撮影される。これは、本来撮影面４が写していた背景パターン１が、異なる屈折率の影響でその光路が変化し、同じ背景パターン１を見ていたとしても撮影面４の写り方に変化を及ぼすためである。このとき計測された移動量Δｙは光路が形成する屈折角αから、次のように表される。
【００２５】
【数３】
2009014359.tif 000005
【００２６】
【数４】
2009014359.tif 000006
【００２７】
ここでΔｙは背景パターン移動量、ＸＤは背景パターン１からテストセクション２までの距離、Ｍは移動量変換倍率、αは屈折角、Ｘｉはカメラレンズ３からカメラ素子面４までの距離、ＸＢは背景パターン１からカメラレンズ３までの距離である。移動量Δｙは、画像相関法とサブピクセル解析によって得られるので、数３、数４を用いて移動量Δｙを屈折角αに変換し、これを真の屈折角とする。
【００２８】
画像相関法は、ＰＩＶ法の一種であり、光シートで照明された２次元的な粒子群をビデオカメラ等で撮影し、加熱前（温度変化前）および加熱後（温度変化後）における粒子画像を得た上で、加熱前の画像における微小な領域（相関領域）内の輝度値分布と加熱後の画像における領域（探査領域）内の輝度値分布との相互相関関数を求め、その最大値となる位置を検査領域内の粒子群の平均的な移動位置として推定し、移動量を求める方法である。相互相関関数は粒子画像と同様に空間的に離散化されているため、求められる移動量は誤差を伴う。そこで、離散化された相関関数に二次元正規分布を内挿して連続関数とした上で変位量を求めることで、誤差を減少させる手法（サブピクセル解析）がとられる。
【００２９】
このとき、重要になるのは背景パターン１とそれを写す撮影面４、レンズ３であり、ＬＥＤ光すなわち発光ダイオード光５はあくまでも背景パターン１を撮影するための照明であるため、その光に直進性を必要とすることはない。また、背景パターン１は任意に作成することができ、解析条件などにあわせて調節することもできる。
【００３０】
次に解析手法として、ＣＴ（コンピュータトモグラフィー）法の一種であるＡＲＴおよびＭＡＲＴ（代数的再構築法）を用いる。ＣＴは様々な角度から撮影したものをもとに、コンピュータ上に三次元的に再構成し、三次元構造を解析する手法である。図２に代数的再構築法（ＭＡＲＴ）のフローチャートを示す。非軸対称場にも対応するためにカメラ台数を増やし、ＡＲＴ・ＭＡＲＴを導入した。ＡＲＴとは、ＰＣ内に作成された仮想場の投影により得られた値と実験値を比較し、その値を元に仮想場を修正し、投影を実験値に近づけることで再構成する方法である。ＡＲＴとＭＡＲＴの違いとしては、ＡＲＴは加減で修正するのに対し、ＭＡＲＴでは乗除を用いて修正を行っている。ＡＲＴでは、微小な修正を行うことが困難である。それに対し、ＭＡＲＴは計算が速く精度が良いため、本発明ではＭＡＲＴを用いて解析を行っている。
【００３１】
ＭＡＲＴは，ここでは真の屈折角と仮想屈折角を比較して修正係数を導出し，この係数との乗算により仮想屈折率場の修正を行う方法を用いる。この過程を繰り返し、仮想屈折率場を出力する。
【００３２】
図３に温度測定法のフローチャートを示す。ここで真の屈折角αをＭＡＲＴに入力する。次の屈折角と屈折率との関係式より、屈折率分布を得る。
【００３３】
【数５】
2009014359.tif 000007
【００３４】
数５は、Ｙ軸方向において媒質中に温度の不均一さによって屈折率ｎが局所的に変化した場合、ｘｙ平面におけるＸ軸方向からの光が屈折の法則によって、屈折角αに曲げられることから求めることができる。すなわち、投影線の法線方向の屈折率勾配を積分したものである。
【００３５】
次にパソコン内で仮想の屈折率場を作成する。ＭＡＲＴで作成する仮想場は、仮想屈折率場となる。
【００３６】
まず真の値となるものを入力し、パソコン内で仮想屈折率場を作成する。このとき、入力する物理量は仮想屈折率場の投影によって得られる物理量を選択する。次に、この仮想屈折率場に投影を行い、真の値と対応する仮の値を算出する。この真の値と仮の値を、次式の修正係数
【００３７】
【数６】
2009014359.tif 000008
【００３８】
を用いて比較することで、仮想屈折率場の修正を算出し、
【００３９】
【数７】
2009014359.tif 000009
【００４０】
を用いて仮想屈折率場を更新する。ここでＣは仮想屈折率場修正値行列、αは屈折角、α＾  は仮想屈折率場から計算された屈折角、Ａは仮想屈折率場である。このとき再構成誤差は、次式によって算出する。
【００４１】
【数８】
2009014359.tif 000010
【００４２】
ここで、Ｍは投影計算数、Ｄはカメラ台数である。
【００４３】
出力された仮想屈折率場によって、仮想屈折角が得られる。
【００４４】
【数９】
2009014359.tif 000011
【００４５】
この仮想屈折角と真の屈折角を比較するため数６に代入し修正値を算出し、数７を用いて仮想屈折率場の更新を行う。ここで、α＾  は仮想屈折角、ｎ＾ｎ＾  は仮想屈折率である。その際に数８から得られる再構成誤差が前回のループのものよりも誤差が大きくなったときにＭＡＲＴが終了し、再構成された仮想屈折率場が得られる。
【００４６】
最終的に得られた屈折率分布に対して、気体の密度と屈折率との関係は近似的にGladstone-Daleの式から求めることができる。
【００４７】
【数１０】
2009014359.tif 000012
【００４８】
ここで、ＫはGladstone-Dale定数、ρは気体の密度である。
【００４９】
理想気体であると仮定すると、数１０は数１１で表され、屈折率場から温度場に変換し、温度場を得ることができる。
【００５０】
【数１１】
2009014359.tif 000013
【００５１】
ここで、Ｐは大気圧（＝101330Pa）、Ｗは気体の分子量（＝28.97kg/mol）、Ｒは気体定数（＝8.314472J/K・mol）、ＫはGladstone-Dale定数（＝0.0002279ｍ３/kg）、Ｔは測定部の絶対温度である。
【００５２】
以降は実際に解析と温度計測したときの例を示す。図４は本発明における加熱細線装置図、図５は本発明における計測装置図の実施例である。
【００５３】
ここで熱発生装置を説明する。図４において、中央に円形の穴の開いた鉄板７において、その穴に加熱細線８を挿通し、その加熱細線８として、直径0.1ｍｍのニクロム線を鉛直方向に張った状態で加熱し、その周囲に形成される浮力プルームによる温度場を計測対象とした。ただし、細線長さは350ｍｍ、供給電圧は10Ｖである。同時に比較のため熱電対９を接続した。
【００５４】
次に計測装置を説明する。図５において、鉄板７上の周囲にＣＣＤカメラ11を配置し、中央に円形の穴を隔てたカメラ11の投影軸上に光源側としてＬＥＤ光源12、光学レンズ13、すりガラス14、背景パターン１を順に設置する。これらを１セットとし、カメラ11の投影軸が６０度の角度をなすようにＡ、Ｂ、Ｃの３セット設置し、計測を行った。また、中央の加熱細線８の位置は、各カメラ11の投影軸の交点となるようにした。
【００５５】
計測方法は、背景としてランダムドットパターンの描かれた透明なシート１をＣＣＤカメラ11の撮影領域内に入るように固定し、ＬＥＤ光源12でインライン照明した画像をＣＣＤカメラ11で撮影する。その際、３台のカメラ11は同期状態にある。カメラ11には画像取り込み部16が接続され、パソコン17操作によって実施される。
【００５６】
このランダムドットパターン１は、プリンターを使って粒子となる明暗の斑点模様をランダムに印刷されたシートを用いている。その粒子数、粒子径は解析条件に合うサイズに制御している。図12に照射された光による光束と背景パターンの例を示す。光源としては、ＬＥＤ光源すなわち発光ダイオード（波長λ＝４７０ｎｍ）12により、照射された光18はすりガラス14を通すことにより光量の分布を均一にさせている。光線18は、このように調節されたＬＥＤ光により背景パターン１を照らしだす役割をしている。温度測定対象部（加熱部）19を通して光学レンズ３（両凸レンズ）（焦点距離ｆ＝250ｍｍ、直径Ｄ＝100ｍｍ）に入射し、背景パターン４に投影され、画像相関法により移動量が得られる。
【００５７】
測定は２回行い、１回目は温度勾配（屈折率勾配）がなくなるまでの領域（以下広領域）、２回目は加熱細線中心付近を拡大しての領域（以下狭領域）を撮影する。２回目撮影を実施する理由は、測定精度を上げるためであり、直接相互相関における誤差が減少し、空間解像度が増加している。
【００５８】
カメラ11は焦点距離５０ｍｍカメラレンズの８bitモノクロＣＣＤカメラにより背景パターン１を撮影した。撮影された画像はパソコン17内に取り込まれメモリに保存される。実験ではプルームを出す前の背景パターンとプルームを出している時の背景パターンをそれぞれ撮影し、両画像間の移動量Δｙは相互相関法ＰＩＶにより求められる。この移動量ΔｙをＭＡＲＴに入力することによって、３次元温度場が計測される。なお、撮影間隔は1/60(S)、画像解像度は640×480(pixel)、周囲温度は291.1（K）である。
【００５９】
相互相関法における各パラメータは次の通りである。
相関領域：（X）91×（Y）21(pixel)
探査領域：(X)11×(Y)11(pixel)
広領域、狭領域の撮影時の空間解像度は次の通りである。
広領域：19(pixel/mm)
狭領域：45(pixel/mm)
ここで、相関領域が正方形でない理由としては、対象にしているプルームが定常流であり、Ｘ方向にはほとんど変化がないと仮定しているので、Ｙ方向の移動量検出制度を向上させるため、縦長の相関領域になっている。
【００６０】
図６に背景パターンシュリーレン法で計測された、広領域の瞬時のスペックル移動量Δｙ分布を示す。図７に背景パターンシュリーレン法で計測された狭領域（加熱細線の中央部付近）の瞬時のスペックル移動量Δｙ分布を示す。図８に広領域と狭領域（加熱細線の中央部付近）の２回の実験より得られた屈折率分布を示す。図９に広領域の撮影から得られた温度分布を示す。図10に狭領域（加熱細線の中央部付近）の撮影から得られた温度分布を示す。図11に狭領域（加熱細線の中央部付近）の撮影から得られた代数的再構築法による温度計測結果と熱電対で計測した温度を示す。ここでの熱電対による直接測定も比較のため行った。
【００６１】
図11から代数的再構築法による温度分布は，加熱細線を中心にガウス分布状に発達している。広領域の撮影で得られた温度分布と狭領域（加熱細線の中央部付近）の撮影で得られた温度分布を比較すると、中心温度に大きな差があるが、熱電対で得られた温度と比較すると、狭領域（加熱細線の中央部付近）の撮影から得られた温度分布の中心温度と、計測精度の範囲で一致した結果が得られている。
【００６２】
以上により本実施例は、測定対象とする温度場６の背景に置かれた斑点模様の描かれたシート１と、前記シート１をインライン照明12する照明部と、前記照明の投影軸上に前記シート１の画像を撮影し撮影領域内に入る位置で固定する撮影機11とで構成される温度測定装置を備え、測定対象の温度場６が前記撮影機11の投影軸上の交点となるように前記温度測定装置が複数配置Ａ、Ｂ、Ｃされる気体の３次元非接触温度計測装置であり、対象となる温度場６の有無によって生じる屈折率変化を、複数方向Ａ，Ｂ、Ｃから同時撮影し、温度場６の有無による前記撮影された画像の前記シート１の斑点分布の相互相関関数による斑点の移動量により温度を計測するものであり、この計測結果を３次元的に再構成するコンピュータ17を備えていることにより達成される。また中心温度から周囲温度までの領域を再構成して得られた温度分布を境界条件として与えた後、撮影された画像が十分な空間解像度が得られるまで中心温度近傍を拡大し、再構成を行うことにより高精度に測定するものである。
【００６３】
すなわち、気体の３次元温度分布を非接触で測定するために、光学的可視化として背景パターンシュリーレン法とＣＴ法を組み合わせることで３次元化する手段において、斑点模様のシートを用意したとき、背景パターン面１にレンズ３を用いて焦点をあわせると、その背景パターン１を撮影面４に撮影することができる。このとき、テストセクション２に周囲と異なる屈折率を持った物質が存在した場合、撮影面４に映る背景パターンは屈折率に応じて屈折し、ある移動量だけ移動した背景パターン４が撮影される。このとき計測された移動量Δｙにより、前記気体の屈折角と屈折率分布、グラッドストーン−デールの式と気体の状態式より温度分布を算出し、前記温度分布を前記ＣＴ法により３次元計測へ拡張している。これは、前記気体の背景パターンの撮影から前記屈折率変化による移動量を画像相関法により算出し、前記気体の屈折角および屈折率の分布は、代数的再構成法（ＭＡＲＴ）により算出している。さらに温度分布の精度を上げるため、十分な空間解像度が得られるまで中心温度近傍を拡大し、再構成を行っている。
【００６４】
このようにすると、背景パターンシュリーレン法は、レーザーや擦りガラスを必要としないため、比較的容易に光学的可視化に利用できる。また、光源が背景パターンを照射するための照明としての役割しか持たないため、装置の設置が容易であり、光源が振動しても背景パターン自体が変化しないことから振動にも強く、十分な精度を得ることができる。また、最適な条件になるように任意の背景パターンを作ることができるので、容易に背景パターンを制御することができる。したがって，レーザー照明や特別な光学系は不要となる。このため、ＣＴ法と組み合わせることで、熱電対による点計測ではなく、容易に３次元計測へ拡張可能である。細線周りの温度分布を得る際、中心温度から周囲温度までの領域を再構成して得られた温度分布を境界条件として与えた後、十分な空間解像度が得られるまで中心温度近傍を拡大し、再構成を行うことで、直接相互相関における誤差が少なくなり、空間解像度が増加するので、より高精度に計測することが可能になる。
【００６５】
なお、本実施例は上記各実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、測定対象となるものは、ガスなどの可燃性の気体でもよい。また光を透過するものであれば液体でも固体でもよい。また、計測装置のセット数すなわち方向の数は、実施例の３セットに限定するものではなく、何セットでもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施例における３次元温度計測装置の背景パターンシュリーレン法での光学系の概略図である。
【図２】本発明の実施例における代数的再構成法（ＭＡＲＴ）のフローチャート図である。
【図３】本発明の実施例における温度測定法のフローチャート図である。
【図４】本発明の実施例における加熱細線装置の側面図である。
【図５】本発明の実施例における計測装置の平面図である。
【図６】本発明の実施例における背景パターンシュリーレン法で計測された、広領域の瞬時のスペックル移動量Δｙ分布図である。
【図７】本発明の実施例における背景パターンシュリーレン法で計測された狭領域（加熱細線の中央部付近）の瞬時のスペックル移動量Δｙ分布図である。
【図８】本発明の実施例における広領域と狭領域の屈折率分布図である。
【図９】本発明の実施例における広領域の撮影から得られた温度分布図である。
【図１０】本発明の実施例における狭領域（加熱細線の中央部付近）の撮影から得られた温度分布図である。
【図１１】本発明の実施例における狭領域（加熱細線の中央部付近）の撮影から得られた代数的再構築法による温度計測結果と熱電対で計測した温度図である。
【図１２】本発明の実施例における照射された光による光束と背景パターンを示す図である。
【図１３】従来例におけるマッハツエンダ型干渉計を用いたレーザー干渉法による温度測定方法の光学系構成図である。
【図１４】従来例におけるレーザースペックル法による水素混合ガス火炎の装置の光学系構成図である。
【図１５】従来例における光学系と照射されたレーザーによる光束を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  背景パターン
６  測定対象の温度場
７  鉄板
８  加熱細線（図面に対し垂直方向の）
11  ＣＣＤカメラ
12  ＬＥＤ光源
13  光学レンズ
14  すりガラス
15  電源
16  画像取り込み部
17  パソコン
【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】
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【図８】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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