JP5778974B2 - 内部観察装置および内部観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、内部空間を有する内部空間形成体内を観察するために内部空間形成体内へ照射するレーザ光を調節するレーザ投光装置を備えた内部観察装置に関する。さらに、本発明は、内部観察装置を用いた内部観察方法に関する。

本願においては、内部空間形成体は、製鉄用高炉に高温の熱風を供給する熱風炉やボイラの高温炉などの炉だけでなく、内部空間を有するもの（例えば、容器）であればよい。

内部空間形成体内における観察対象部を観察するために、観察対象部にレーザ光を照射して、撮像装置により観察対象部を撮像することが行われる。以下、内部空間形成体が炉である場合について説明する。

熱風炉は、地上より約５０ｍの高さと１０ｍ以上の内径を有し、内壁温度は、１１００℃以上（例えば、運転時で約１６００℃、休風時で約１４００℃）にも達する。また、かかる熱風炉は、大型設備であるため建設期間が約３年と長く、しかも完成後は約２０年という長期に渡って連続運転される。したがって、１基でも使用不能な状況となれば、長期間の操業停止を余儀なくされるため、定期的に炉内診断するメンテナンスが重要となる。その１つの手段として、炉壁の損傷状況を監視することが古くから行われている。

炉内観察方法には、ＣＣＤカメラ等の撮像装置により炉壁を撮像して画像処理等を施すことにより損傷の程度を計測する方法が既に存在している。この方法では、レーザ投光装置により、炉壁にレーザ光を照射し、撮像装置により、レーザ光を照射した炉壁を撮像する。なお、レーザ投光装置と撮像装置とは１つの箱体内に収容されており、該箱体に形成された撮像用の窓からレーザ光を照射している。

上述のような炉内観察方法は、例えば下記の特許文献１に記載されている。

特開２００５−１４６１６４号公報 特開平０７−１１３９４２号公報

しかし、従来において、レーザ投光装置は、内部空間形成体内の観察対象部（例えば、上述した炉内の炉壁）にレーザ光を結像させつつ、レーザ光の結像サイズを調節する機能を有していなかった。
これに対し、従来における通常のカメラのバリフォーカル光学系は、光軸方向の寸法を小さくするために、レンズの外周部には、次のように、ピント調節機構や焦点距離変更機構などを設けている。バリフォーカル光学系の各レンズの外周には、当該レンズを保持する保持移動片が取り付けられる。保持移動片は、レンズと共に、バリフォーカル光学系の光軸方向に移動可能である。保持移動片を駆動するための駆動装置（ピント調節機構や焦点距離変更機構など）は、光軸に対する径方向に関して、保持移動片よりも外側に設けられる（例えば、特許文献２）。

その結果、ピント調節機構や焦点距離変更機構を含むバリフォーカル光学系の構成の外径は、バリフォーカル光学系のレンズ有効径が１０ｍｍ程度であっても、５０ｍｍ程度になる。
そのため、このような寸法の光学系構成を収容した箱体を、内部空間形成体（例えば、炉壁）に形成された狭隘な点検穴から内部空間形成体内へ挿入することは困難である。

そこで、本発明の目的は、内部空間形成体（例えば、炉）内側の観察対象部にレーザ光を結像させつつ、レーザ光の結像サイズを調節可能であるとともに、箱体を狭隘な点検穴から内部空間形成体内へ挿入できるようにすることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、内部空間を有する内部空間形成体内へレーザ光を投光するとともに、内部空間形成体内側における前記レーザ光の結像位置と結像サイズを調節可能なレーザ投光装置と、前記レーザ光が照射された内部空間形成体内側の観察対象部を撮像する撮像装置と、を備える内部観察装置であって、
前記レーザ投光装置は、内部空間形成体の壁に設けられた穴から内部空間形成体内に挿入され、投光窓を有する箱体と、
前記箱体の内部に設けられ、レーザ光源からの前記レーザ光が通過するバリフォーカル光学系と、を備え、
前記バリフォーカル光学系からの前記レーザ光が、前記投光窓を通して前記箱体内から内部空間形成体内へ投光されるようになっており、
前記バリフォーカル光学系は、直列に配置された複数のレンズ体を有し、
各レンズ体は、前記レーザ光が通過する１つまたは複数のレンズと、該１つまたは複数のレンズを保持するとともに前記バリフォーカル光学系の光軸方向に移動可能な保持移動片と、を有し、
前記箱体の内部に設けられ、前記複数のレンズ体を互いに独立して前記光軸方向に移動させることにより、前記バリフォーカル光学系より上流側での前記レーザ光を内部空間形成体内側で結像する結像位置と結像サイズを調節可能な駆動装置を備え、
前記駆動装置は、
前記保持移動片毎に設けられ、前記バリフォーカル光学系の前記光軸方向に該保持移動片を駆動するアクチュエータを有し、
前記各保持移動片において対応する前記アクチュエータから駆動力を受ける駆動力伝達部分は、前記バリフォーカル光学系の光軸を回る周方向において互いにずれて配置されており、各アクチュエータは、前記光軸方向から見て、対応する前記駆動力伝達部分に重なるように配置されており、
前記撮像装置は、前記箱体の内部であって前記レーザ投光装置に前記光軸方向の直列に設けられ、撮像素子の受光面に前記観察対象部を結像させるバリフォーカル光学系を備え、前記観察対象部を前記箱体に設けられた覗き窓から撮像することを特徴とする。

本発明の好ましい実施形態によると、前記レーザ投光装置は、前記保持移動片毎に設けられ、該保持移動片の位置を検出する位置センサと、
保持移動片毎に、検出した該保持移動片の位置に基づいて、対応する前記アクチュエータを制御することにより、予め求められた設定位置まで該保持移動片を移動させる制御装置と、をさらに備え、
前記箱体を前記穴から内部空間形成体内へ挿入した状態において、前記バリフォーカル光学系から内部空間形成体内側の観察対象部までの既知の距離に対して、該観察対象部における複数の前記結像サイズが予め定められており、
前記結像サイズ毎に、前記観察対象部において該結像サイズを得るための各保持移動片の位置が、前記設定位置として予め求められて前記制御装置の記憶部に記憶されている。

本発明の好ましい実施形態によると、前記レーザ投光装置の前記駆動装置は、
前記各保持移動片を前記光軸方向に案内するように該保持移動片に係合する案内機構と、
前記光軸方向に延び、前記保持移動片に螺合するネジ軸と、を有し、
前記各アクチュエータは、対応する前記ネジ軸を回転させることにより、前記案内機構の案内で、前記保持移動片を前記光軸方向に移動させるモータである。

本発明の好ましい実施形態によると、前記撮像装置の前記バリフォーカル光学系は、直列に配置された複数のレンズ体を有し、該各レンズ体は、前記観察対象部からの光が通過する１つまたは複数のレンズと、該１つまたは複数のレンズを保持するとともに該バリフォーカル光学系の光軸方向に移動可能な保持移動片と、を有し、
前記撮像装置において、少なくとも２つの前記保持移動片は、前記バリフォーカル光学系の前記光軸方向に互いに独立して移動可能な前記保持移動片であり、
前記撮像装置は、前記箱体の内部に設けられ、前記少なくとも２つの前記保持移動片を互いに独立して前記光軸方向に移動させることにより、前記バリフォーカル光学系による前記受光面での前記観察対象部の結像倍率を調節する駆動装置を備える。

本発明の好ましい実施形態によると、前記撮像装置により得た画像データを表示するディスプレイと、
人に操作されることにより、前記各アクチュエータを互いに独立して制御可能な指令装置と、を備える。

上記目的を達成するため、本発明によると、上述の内部観察装置を用いた内部観察方法であって、
（Ａ）前記箱体を内部空間形成体内に挿入し、
（Ｂ）前記バリフォーカル光学系と前記投光窓を通して前記レーザ光を、内部空間形成体内側の前記観察対象部へ照射し、
（Ｃ）前記観察対象部を、前記撮像装置により撮像してディスプレイに表示させ、
（Ｄ）前記表示された観察対象部において、照射されているレーザ照射範囲の周縁がシャープになるように、前記レンズ体の位置を調整する、ことを特徴とする。

本発明によると、バリフォーカル光学系の各保持移動片により、内部空間形成体内側の観察対象部にレーザ光を結像させつつ、レーザ光の結像サイズを調節できる。
前記各保持移動片において対応する前記アクチュエータから駆動力を受ける駆動力伝達部分は、バリフォーカル光学系の光軸を回る周方向において互いにずれて配置されており、各アクチュエータは、前記光軸方向から見て、対応する前記駆動力伝達部分に重なるように配置されているので、箱体の内径を小さく抑えることができる。従って、箱体を狭い点検穴から内部空間形成体内へ挿入できる。
よって、内部空間形成体内側の観察対象部にレーザ光を結像させつつ、レーザ光の結像サイズを調節可能であるとともに、箱体を狭隘な点検穴から内部空間形成体内へ挿入できる。

本発明の実施形態による内部観察装置を示す。 本発明の実施形態によるレーザ投光装置を示す。 本発明の実施形態によるレーザ投光装置を示す他の図である。 レーザ投光装置の調節方法を示すフローチャートである。 レーザ光の結像サイズと各保持移動片の位置との関係を示す。 アクチュエータの制御系を示すブロック図である。 内部観察装置に設けられる撮像装置を示す。 撮像装置を示す他の図である。 撮像装置を示す他の図である。 撮像装置の鏡筒を示す斜視図である。 撮像装置の調節方法を示すフローチャートである。 撮像装置の倍率（受光面側焦点距離）と各保持移動片の位置との関係を示す。 本発明により得た画像と、比較例により得た画像を示す。

本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態によるレーザ投光装置２０を備えた内部観察装置１０の模式図である。
内部観察装置１０は、レーザ投光装置２０と撮像装置３０を備える。本実施形態では、レーザ投光装置２０によりレーザ光が照射された観察対象部Ｒを、撮像装置３０により撮像する。なお、図１において、符号３ｂは、炉内３ａと炉外を区画する炉壁を示す。
以下、レーザ投光装置２０、撮像装置３０の順に説明する。

[レーザ投光装置]
図２、図３は、本発明の実施形態によるレーザ投光装置２０を示す。図２（Ａ）は、図１の内部観察装置１０の部分拡大図であり、レーザ投光装置２０を示す。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ矢視断面図である。図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の２Ｃ−２Ｃ矢視図であり、箱体の内部を透視した図である。なお、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）の２Ａ−２Ａ矢視断面図でもある。
図３（Ａ）は、図２（Ａ）の３Ａ−３Ａ矢視断面図であり、図３（Ｂ）は、図２（Ａ）の３Ｂ−３Ｂ矢視断面図である。図３（Ａ）において、後述する保持移動片１３ａ、特に、保持移動片１３ａにおけるネジ軸１７ａとの螺合部分の図示を省略している。図３（Ｂ）において、後述する保持移動片１３ａ，１３ｂ、特に、保持移動片１３ａ，１３ｂにおけるネジ軸１７ａ，１７ｂとの螺合部分の図示を省略している。
図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）の３Ｃ−３Ｃ矢視図であり、箱体５の内部を透視した図である。

レーザ投光装置２０は、炉３の内部３ａへレーザ光を投光するとともに、炉内側におけるレーザ光の結像位置と結像サイズを調節可能に構成されている。

レーザ投光装置２０は、箱体５とバリフォーカル光学系７と駆動装置９とを備える。

箱体５は、図１のように、炉壁３ｂに設けられた狭隘な穴３ｃから炉内３ａに挿入される。箱体５は、バリフォーカル光学系７を通過した前記レーザ光を箱体５の内部から炉内３ａへ通す投光窓５ａを有する。投光窓５ａは、例えば、石英板により構成されている。箱体５は、好ましくは円筒形状のものであるが、他の形状を有していてもよい。

箱体５は、好ましくは、その外周壁内に冷却水が流れる水冷筒である。また、好ましくは、箱体５内に冷却エアを供給し、箱体５内の圧力を炉内３ａの圧力よりも高くしつつ、投光窓５ａや後述の覗き窓５ｂの周囲や通気孔などからエアを炉内３ａへ放出する。
このような構成により、箱体５内の温度上昇を抑えることができる。

バリフォーカル光学系７は、箱体５の内部に設けられ、焦点距離が調節可能であり、焦点距離（観察対象部Ｒでのレーザ照射範囲）を変えるたびにピントを合わせ直す調節が行われるものである。バリフォーカル光学系７は、前記レーザ光が通過するようにその光軸方向に直列に配置された複数のレンズ体１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有する。

各レンズ体１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、前記レーザ光が通過する１つまたは複数のレンズ１２と、該１つまたは複数のレンズ１２を保持するとともにバリフォーカル光学系７の光軸方向に移動可能な保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、を有する。
レンズ１２は、両凸レンズ、平凸レンズ、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズ、平凹レンズまたは両凹レンズである。

この例では、レーザ光は、箱体５の外部に設けられたレーザ光源（図示せず）により発生させられて、光ファイバ８を通して、光ファイバ８の端面８ａからバリフォーカル光学系７に導入される。光ファイバ８の端面８ａが、バリフォーカル光学系７により観測対象部Ｒに結像される。

駆動装置９は、箱体５の内部に設けられ、複数のレンズ体１１ａ，１１ｂ，１１ｃを互いに独立して前記光軸方向に移動させることにより、バリフォーカル光学系７よりも上流側でのレーザ光（光ファイバ８の端面８ａ）を炉内３ａ側の観察対象部Ｒに結像させつつ、当該結像サイズ（レーザ光照射範囲）を調節可能である。なお、観察対象部Ｒへのレーザ光照射範囲（倍率）を変更するたびに、前記レーザ光（光ファイバ８の端面８ａ）が観察対象部Ｒに結像するように、バリフォーカル光学系７のフォーカス用レンズ体（図２の例ではレンズ体１１ａ）の位置を調節する。

駆動装置９は、案内機構１５とネジ軸１７ａ，１７ｂ，１７ｃとアクチュエータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃを有する。

案内機構１５は、アクチュエータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃにより保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃが駆動された時に、保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃを光軸方向に案内するように保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃに係合する。案内機構１５は、箱体５に対し固定されている。図２の例では、案内機構１５は、光軸方向に延びるガイドバーである。

ネジ軸１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、それぞれ、保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃに対して設けられ、前記光軸方向に延びている。ネジ軸１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、それぞれ、保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃに螺合している。

アクチュエータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃは、それぞれ、保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃに対して設けられ、バリフォーカル光学系７の光軸方向に該保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃを駆動する。各アクチュエータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃは、本実施形態では、ネジ軸１７ａ，１７ｂ，１７ｃを回転させることにより、案内機構１５の案内で、保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃを光軸方向に移動させるモータである。各ネジ軸１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、対応するモータ１３ａ，１３ｂ，１３ｃの出力軸に対し同軸に結合されている。

本実施形態によると、各保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃにおいて対応するアクチュエータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃから駆動力を受ける駆動力伝達部分１３ａ１，１３ｂ１，１３ｃ１は、バリフォーカル光学系７の光軸を回る周方向において互いにずれて配置されており、各アクチュエータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃは、前記光軸方向から見て、対応する駆動力伝達部分１３ａ１，１３ｂ１，１３ｃ１に部分的に重なるように配置されている。

本実施形態によると、レーザ投光装置２０は、位置センサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃと制御装置２２とを備える。

位置センサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、それぞれ、保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃに対して設けられ、対応する保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃの位置を検出する。この例では、各位置センサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、対応するネジ軸１７ａ，１７ｂ，１７ｃの回転数を、光軸方向における保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃの位置として検出するロータリーエンコーダである。

制御装置２２は、保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃ毎に、位置センサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃにより検出した該保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃの位置に基づいて、対応するアクチュエータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃを制御することにより、予め求めた設定位置まで該保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃを移動させて、該設定位置に該保持移動片を位置させる。
制御装置２２は、記憶部２２ａを有し、この記憶部２２ａに、前記各設定位置が記憶されている。

レーザ投光装置２０において、観察対象部Ｒにおけるレーザ光の照射範囲を変更または調節した（例えば、後述のステップＳ４とＳ５）後に、観察対象部Ｒにおいてレーザ光を結像（フォーカス）させる調節を行う（例えば、後述のステップＳ６）。このようなレーザ投光装置２０の調節方法の具体的一例を、図４のフローチャートと図６のブロック図に基づいて説明する。

ステップＳ１において、穴３ｃから炉内３ａへ箱体５を挿入した挿入状態におけるバリフォーカル光学系７から炉内３ａ側の観察対象部Ｒまでの距離（光路長）を予め求めておく。この距離は、バリフォーカル光学７系の基準位置から観察対象部Ｒまでの距離である。この基準位置は、例えば、バリフォーカル光学系７の最下流側保持移動片１３ｃの移動可能範囲における最下流位置である。

ステップＳ２において、ステップＳ１で求めた距離に対して、ステップＳ１の対象となった観察対象部Ｒにおけるレーザ光の結像サイズを予め複数定めておく。

ステップＳ３において、ステップＳ１の前記挿入状態で、観察対象部Ｒにレーザ光を結像させつつ、この結像サイズがステップＳ２で定めた値になるための各保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃの位置を設定位置として予め求めておく。これらの設定位置を、ステップＳ２で定めた各結像サイズ毎に求めておく。
また、このように求めた距離（光路長）と結像サイズと各レンズ体１１ａ，１１ｂ，１１ｃの設定位置とを互いに関連付けた制御データを記憶部２２ａに記憶させておく。

ステップＳ３に関して、図５は、ステップＳ１で求めた距離が３ｍである場合について求めた、結像サイズ毎の各保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃの設定位置を示す。図５（Ａ）は、結像サイズが直径３０２．９ｍｍである場合の各保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃの設定位置を示す。図５（Ｂ）は、結像サイズが直径４０４．３ｍｍである場合の各保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃの設定位置を示す。図５（Ｃ）は、結像サイズが直径６２１．２ｍｍである場合の各保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃの設定位置を示す。

ステップＳ４において、穴３ｃから炉内３ａへ箱体５を挿入して、箱体５をステップＳ１における挿入状態と同じ状態にするとともに、入力装置２４（図６を参照）を人が操作することにより、ステップＳ３で定めた複数の結像サイズのいずれかを選択する。

ステップＳ５において、選択された結像サイズと制御データとに基づいて、該結像サイズに関連付けられた各保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃの設定位置に、それぞれ各保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃが位置するようにアクチュエータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃを制御する。この制御は、制御装置２２により行われる。この例では、制御装置２２は、モータドライバ１８ａ，１８ｂ，１８ｃを制御することによりモータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃを制御する。モータドライバ１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、箱体５の外部に設けられ、それぞれモータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃへ電力を供給する。

ステップＳ６において、バリフォーカル光学系７を通過し、観察対象部Ｒに照射されているレーザ光（光ファイバ８の端面８ａ）を、観察対象部Ｒに結像させる処理を行う。すなわち、後述の撮像装置３０の撮像素子３９により得た観察対象部Ｒの画像データをディスプレイ２８に表示させ（図６を参照）、この表示に基づいて、人が指令装置２６（図６を参照）を操作することにより、観察対象部Ｒにおける結像状態を調整してレーザ光を観察対象部Ｒに結像させる。この調整で位置を調整するバリフォーカル光学系７のレンズ体は、フォーカス用レンズ体（図２の例では、レンズ体１１ａ）である。
例えば、前記制御データに誤差が存在する場合に、保持移動片１３ａ（レンズ体１１ａ）の位置を微調整することにより、レーザ光を観察対象部Ｒに正確に結像させることができる。すなわち、観察対象部Ｒにおけるレーザ光の照射領域の周縁がシャープになるように、保持移動片１３ａの位置を調整（微調整）することができる。
また、観察対象部Ｒに奥行があり、投光窓５ａから観察対象部Ｒにおける複数の局所位置までの距離が、局所位置に応じて変化する場合に、保持移動片１３ａの位置を調整することにより、所望の局所位置にレーザ光を正確に結像させることができる。
また、前記挿入状態で、箱体５の軸回りに箱体５を回転させて、異なる観察対象部Ｒにレーザ光を照射するときに、投光窓５ａから観察対象部Ｒまでの距離が観察対象部Ｒに応じて変化する場合に、保持移動片１３ａの位置を調整することにより、各観察対象部Ｒにレーザ光を正確に結像させることができる。

ステップＳ６に関して、指令装置２６を人が操作することにより、この操作に従って、モータドライバ１８ａを介してアクチュエータ１９ａを制御し、保持移動片１３ａを他の保持移動片１３ｂ，１３ｃに対し独立して移動させることができるようになっている。指令装置２６は、箱体５の外部に設けられる。なお、指令装置２６は、人に操作されることにより、アクチュエータ１９ａ、１９ｂ、１９ｃを互いに独立して制御し、複数の保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃを互いに独立して制御可能に構成されていてよい。

以下のような場合には、上述のステップＳ１〜Ｓ３を複数回行う。
穴３ｃに挿入したときの箱体５の向きによって上記ステップＳ１で求める距離が大きく異なり、各向きで、炉内３ａを観察する場合。
複数の炉３の穴３ｃに箱体５を挿入するときに、対象とする炉３によって上記ステップＳ１で求める距離が異なる場合。
このような場合には、異なる距離毎に、上述のステップＳ１〜Ｓ３を行い、その後、ステップＳ４では、入力装置２４を人が操作することにより、これら複数の距離のいずれかを選択し、さらに、選択した距離についてステップＳ２で定めた複数の結像サイズのいずれかを選択する。その後、ステップＳ５、Ｓ６を行う。

ステップＳ５によりレーザ光が観察対象部Ｒに結像するように、バリフォーカル光学系７および上述の制御データを高精度に作成しておくこともできる。この場合、バリフォーカル光学系７は、ピントの調整（即ち、ステップＳ６）が不要になるズームレンズとして機能する。すなわち、本願において、バリフォーカル光学系７は、その焦点距離を変化させた場合に、ピントがずれる光学系だけでなく、ピントがずれないズームレンズも含む概念である。

レーザ投光装置２０は、例えば図３（Ｃ）のように、さらに、揺動ミラー２３とミラー駆動装置２５を備える。

揺動ミラー２３は、箱体５内に設けられ、バリフォーカル光学系７からのレーザ光を、投光窓５ａに向けて反射させる。
ミラー駆動装置２５は、揺動ミラー２３を揺動軸Ｃ１回りに所望の角度だけ揺動させることにより、揺動ミラー２３の姿勢を調節する。ミラー駆動装置２５は、図示しない制御装置により制御される。
ミラー駆動装置２５は、図３（Ｃ）の例では、アクチュエータ２７とネジ軸２９と移動片３１と案内機構３３とリンク機構３５とを有する。

アクチュエータ２７は、ネジ軸２９と同軸に設けられ、ネジ軸２９を回転させるモータである。
ネジ軸２９は、前記光軸方向に延びており、移動片３１に螺合している。
移動片３１は、モータ２７によりネジ軸２９が回転させられると、案内機構３３により案内されて光軸方向に移動させられる。
案内機構３３は、この例では、箱体５に固定された固定部材３４に形成された貫通孔である。貫通孔３３は、固定部材３４を光軸方向に貫通している。貫通孔３３に移動片３１が嵌合していることにより、移動片３１の移動方向が光軸方向に案内される。
リンク機構３５は、移動片３１の直線運動を、揺動ミラー２３の揺動運動に変換する。リンク機構３５は、図３（Ｃ）の例では、第１リンク３５ａと第２リンク３５ｂとからなる。第１リンク３５ａの一端部は、軸Ｃ２回りに回転可能に移動片３１に結合される。第１リンク３５ａの他端部は、軸Ｃ３回りに回転可能に第２リンク３５ｂの一端部に結合される。第２リンク３５ｂの他端部は、揺動軸Ｃ１回りに回転可能になっている。第２リンク３５ｂには揺動ミラー２３が固定されている。揺動軸Ｃ１は、箱体５に固定されている。

上述した本発明の実施形態によるレーザ投光装置２０では、以下の効果（１）〜（４）が得られる。

（１）バリフォーカル光学系７の各保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより、炉内側の観察対象部Ｒにレーザ光を結像させつつ、レーザ光の結像サイズを調節できる。

（２）各保持移動片１３ａ，１３ｂ，１３ｃにおいて対応するアクチュエータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃから駆動力を受ける駆動力伝達部分１３ａ１，１３ｂ１，１３ｃ１は、、バリフォーカル光学系７の光軸を回る周方向において互いにずれて配置されており、各アクチュエータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃは、前記光軸方向から見て、対応する駆動力伝達部分１３ａ１，１３ｂ１，１３ｃ１に部分的に重なるように配置されているので、箱体５の内径を小さく抑えることができる。従って、箱体５を狭い点検穴３ｃから炉内３ａへ挿入できる。
一例として、内部の光束の最大直径が１２ｍｍ程度であり、光ファイバ端面８ａ側焦点距離を６ｍｍ〜１５ｍｍの範囲で調整可能なバリフォーカル光学系７を用い、直径８ｍｍ程度のモータ１９ｃ、１９ｂ、１９ｄを用いた場合に、箱体５の内径を５０ｍｍ程度にすることができる。

（３）上述のように、観察対象部Ｒに奥行がある場合に、指令装置２６を人が操作することにより、バリフォーカル光学系７の結像位置を奥行方向の所望の位置に調節することができる。例えば、炉壁面に、配管との接続穴が形成されている場合に、当該接続穴内における所望の位置にレーザ光を結像させることができる。
また、従来においては、このような配管内に十分な光量でレーザ光を照射できなかったが、本実施形態では、レーザ光の結像サイズを調節することにより、前記配管内に十分な光量でレーザ光を照射できる。さらに、後述の撮像装置３０により撮像範囲と撮像倍率を調節することにより、従来では不明瞭であった前記配管内の画像を改善することができる。

（４）観察対象部Ｒ（例えば炉壁）が輻射光で発光している場合に、観察対象部Ｒにおけるレーザ光の結像サイズを調節することにより、観察しやすい光密度で観察対象部Ｒにレーザ光を照射することができる。例えば、炉内３ａの温度が高くなって、炉内３ａの輻射光に対しレーザ光が弱くなる場合でも、バリフォーカル光学系７によりレーザ照射範囲（レーザ光の結像サイズ）を小さくすることにより、十分な光密度で観察対象部Ｒにレーザ光を照射して、高温の観察対象部Ｒを観察できる。
この場合、後述の撮像装置３０のバリフォーカル光学系４１により、所望の倍率で観察対象部Ｒの画像を得ることができるので、短時間で炉壁３ｂを詳細に観察できる。

[撮像装置]
図７は、図１の内部観察装置１０に設けられる撮像装置３０を示す。図７（Ａ）は、図１の内部観察装置１０の部分拡大図であり、撮像装置３０を示す。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の７Ｂ−７Ｂ矢視断面図である。なお、図７（Ａ）は、図７（Ｂ）の７Ａ−７Ａ矢視図であり、内部を透視した図でもある。
図８（Ａ）は、図７（Ｂ）の８Ａ−８Ａ矢視図であり、内部を透視した図である。図８（Ｂ）は、図７（Ｂ）の８Ｂ−８Ｂ矢視図であり、内部を透視した図である。
図９（Ａ）は、図７（Ａ）の９Ａ−９Ａ矢視断面図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の９Ｂ−９Ｂ矢視図であり、内部を透視した図である。
図７（Ａ）では、後述のレンズ体４５ｂ，４５ｃとこれらに関連する部材の図示を省略している。図８（Ａ）では、レンズ体４５ａ，４５ｃとこれらに関連する部材の図示を省略している。図８（Ｂ）では、レンズ体４５ａ，４５ｂとこれらに関連する部材の図示を省略している。図９（Ｂ）では、レンズ体４５ａ，４５ｂ，４５ｃとこれらに関連する部材の図示を省略している。

撮像装置３０は、炉壁３ｂに設けられた狭隘な穴３ｃから炉内３ａに挿入される上述の箱体５を備え、該箱体５に設けられた覗き窓５ｂから炉内３ａを撮像する。覗き窓５ｂは、例えば、石英板により構成されている。

撮像装置３０は、撮像素子３９とバリフォーカル光学系４１と駆動装置４３とを備える。

撮像素子３９は、受光に基づいて画像データを生成する。撮像素子３９は、その受光面３９ａに受けた光を電気信号に変換し、該電気信号からなる前記画像データを出力する。撮像素子３９は、ＣＣＤを利用したものであってよい。

バリフォーカル光学系４１は、箱体５の内部に設けられ、覗き窓５ｂから入ってきた炉内３ａの光を通し、観察対象部Ｒを撮像素子３９の受光面３９ａに結像させる。バリフォーカル光学系４１は、前記受光面３９ａに結像される観察対象部Ｒの範囲（撮像装置３０の画角）を調節する機能を有する。画角が変化すると、バリフォーカル光学系４１による観察対象部Ｒの結像面が受光面３９ａからずれるが、バリフォーカル光学系４１は、画角の変化に対応して、前記結像面を受光面３９ａに合わせ、観察対象部Ｒを前記受光面３９ａに結像させる機能も有する。

バリフォーカル光学系４１は、その光軸方向に直列に配置された複数のレンズ体４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄを有する。各レンズ体４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄは、前記レーザ光が通過する１つまたは複数のレンズ４６と、該１つまたは複数のレンズ４６を保持するとともに前記光軸方向に移動可能な保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄと、を有する。複数の保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄのうち少なくとも２つは、バリフォーカル光学系４１の光軸方向に互いに独立して移動可能である。図７の例では、保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃが互いに独立して移動可能である。なお、保持移動片４７ｄは、連結部材４８により保持移動片４７ａに連結されていることにより、保持移動片４７ａと一体的に移動する。保持移動片４７ａと保持移動片４７ｄは、鏡筒５５の半径方向に関して、後述の長孔４９ｄを通して鏡筒５５の内部から鏡筒５５の外部に延びて連結部材４８に結合している。連結部材４８は、鏡筒５５の外部において、鏡筒５５の軸方向（光軸方向）に延びている。

駆動装置４３は、箱体５の内部に設けられ、複数の保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃを互いに独立して前記光軸方向に移動させる。これにより、前記画角を変化させつつ、観察対象部Ｒにおける各位置からの光を前記受光面３９ａに結像させることができる。すなわち、バリフォーカル光学系４１による前記受光面３９ａでの観察対象部Ｒの結像倍率を調節することができる。

駆動装置４３は、案内機構４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ（図１０を参照）とネジ軸５１ａ，５１ｂ，５１ｃとアクチュエータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃを有する。

案内機構４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄは、各保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄを光軸方向に案内するように保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄに係合する。本実施形態では、案内機構４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄは、鏡筒５５の長孔として設けられている。図１０は、鏡筒５５の斜視図であり、長孔４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄを示す。
鏡筒５５は、箱体５内に設けられ箱体５に固定されている。鏡筒５５は、複数のレンズ体４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄを内部に収容する。鏡筒５５の側壁には、その軸方向に延びる複数の長孔４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄとして形成されている。長孔４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄは、鏡筒５５の厚み方向に鏡筒５５の側壁を貫通しているとともに、光軸方向に延びている。長孔４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄは、アクチュエータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃにより保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄが駆動された時に、それぞれ、保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄを光軸方向に案内するように当該保持移動片に係合する。
各保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃは、それぞれ、鏡筒５５内においてレンズ体４５ａ，４５ｂ，４５ｃに結合しており、鏡筒５５内から長孔４９ａ，４９ｂ，４９ｃを通って鏡筒５５外まで延びており、鏡筒５５外においてネジ軸５１ａ，５１ｂ，５１ｃと螺合している。

ネジ軸５１ａ，５１ｂ，５１ｃは、それぞれ、保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃに対して設けられ、バリフォーカル光学系４１の光軸方向に延びている。ネジ軸５１ａ，５１ｂ，５１ｃは、それぞれ、上述のように鏡筒５５外において保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃに螺合している。

アクチュエータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃは、それぞれ、保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃに対して設けられ、バリフォーカル光学系４１の光軸方向に該保持移動片を駆動する。アクチュエータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃは、ネジ軸５１ａ，５１ｂ，５１ｃを回転させることにより、案内機構４９ａ，４９ｂ，４９ｃの案内で、保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃを光軸方向に移動させるモータである。各ネジ軸５１ａ，５１ｂ，５１ｃは、対応するモータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃの出力軸に対し同軸に結合されている。

本実施形態によると、各保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃにおいてアクチュエータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃから駆動力を受ける駆動力伝達部分４７ａ１，４７ｂ１，４７ｃ１は、バリフォーカル光学系４１の光軸を回る周方向において互いにずれて配置されており、各アクチュエータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃは、前記光軸方向から見て、対応する駆動力伝達部分４７ａ１，４７ｂ１，４７ｃ１に部分的に重なるように配置されている。

本実施形態によると、撮像装置３０は、位置センサ５７ａ，５７ｂ，５７ｃと制御装置５９とを備える。

位置センサ５７ａ，５７ｂ，５７ｃは、それぞれ、複数の保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃに対して設けられ、対応する保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃの位置を検出する。この例では、位置センサ５７ａ，５７ｂ，５７ｃは、対応するネジ軸５１ａ，５１ｂ，５１ｃの回転数を、光軸方向における保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃの位置として検出するロータリーエンコーダである。

制御装置５９は、保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃ毎に、検出した該保持移動片の位置に基づいてアクチュエータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃを制御することにより、予め求めた設定位置まで該保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃを移動させて、該設定位置に該保持移動片を位置させる。

制御装置５９は、記憶部５９ａを有し、この記憶部５９ａに、前記各設定位置が記憶されている。

撮像装置３０において、撮像素子３９の受光面３９ａにおける観察対象部Ｒの結像倍率を変更または調節した（例えば、後述のステップＳ１４とＳ１５）後に、当該観察対象部Ｒを受光面３９ａに結像（フォーカス）させる（例えば、後述のステップＳ１６）調節を行う。このような撮像装置３０の調節方法の具体的一例を、図１１のフローチャートと図６のブロック図に基づいて説明する。

ステップＳ１１において、穴３ｃから炉内３ａへ箱体５を挿入した挿入状態におけるバリフォーカル光学系４１から炉内３ａにおける観察対象部Ｒまでの距離（光路長）を予め求めておく。この距離は、バリフォーカル光学系４１の基準位置から観察対象部Ｒまでの距離である。この基準位置は、例えば、バリフォーカル光学系４１の最上流側保持移動片４５ｄの移動可能範囲における最上流位置である。

ステップＳ１２において、ステップＳ１１で求めた距離に対して、撮像素子３９の受光面３９ａにおける観察対象部Ｒの結像倍率を予め複数定めておく。

ステップＳ１３において、ステップＳ１１の前記挿入状態で、受光面３９ａに観察対象部Ｒを結像させつつ、この結像倍率がステップＳ１２で定めた値になるための各保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃの位置を設定位置として予め求めておく。これらの設定位置を、ステップＳ１２で定めた各結像倍率毎に求めておく。
また、このように求めた距離（光路長）と結像倍率と各レンズ体４５ａ，４５ｂ，４５ｃの設定位置とを互いに関連付けた制御データを記憶部５９ａに記憶しておく。

ステップＳ１３に関して、図１２は、ステップＳ１１で求めた距離が３ｍである場合について求めた、結像倍率（受光面側焦点距離）毎の各保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃの設定位置を示す。図１２（Ａ）は、受光面側焦点距離が３４．６ｍｍの場合の各保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃの設定位置を示す。図１２（Ｂ）は、受光面側焦点距離が８０．０ｍｍ倍の場合の各保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃの設定位置を示す。図１２（Ｃ）は、受光面側焦点距離が１８０．０ｍｍの場合の各保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃの設定位置を示す。

ステップＳ１４において、穴３ｃから炉内３ａへ箱体５を挿入して、箱体５をステップＳ１１における挿入状態と同じ状態にするとともに、入力装置２４（図６を参照）を人が操作することにより、ステップＳ３で定めた複数の結像倍率のいずれかを選択する。
なお、ステップＳ１４とステップＳ４における箱体５の挿入は、１つの動作である。すなわち、ステップＳ１４において箱体５を前記挿入状態にすることにより、ステップＳ４において箱体５を挿入状態にすることになる。

ステップＳ１５において、選択された結像倍率と前記制御データとに基づいて、該結像倍率に関連付けられた各保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃの設定位置に、それぞれ各保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃが位置するようにアクチュエータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃを制御する。この制御は、制御装置５９により行われる。制御装置５９は、モータドライバ５８ａ，５８ｂ，５８ｃを制御することによりモータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃを制御する。モータドライバ５８ａ，５８ｂ，５８ｃは、箱体５の外部に設けられ、モータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃへ電力を供給する。

ステップＳ１６において、観察対象部Ｒを受光面３９ａに結像させる処理を行う。すなわち、撮像装置３０の撮像素子３９により得た観察対象部Ｒの画像データをディスプレイ２８（図６を参照）に表示させ、この表示に基づいて、人が指令装置２６（図６を参照）を操作することにより、撮像素子３９の受光面３９ａにおける結像状態を調整して観察対象部Ｒを受光面３９ａに結像させる。この調整で位置を調整するバリフォーカル光学系４１のレンズ体は、フォーカス用レンズ体（図７の例では、レンズ体４５ａ、４５ｄ）である。
例えば、前記制御データに誤差が存在する場合に、保持移動片４７ａ，４７ｄ（レンズ体４５ａ、４５ｄ）の位置を微調整することにより、観察対象部Ｒを前記受光面３９ａに正確に結像させることができる。
また、観察対象部Ｒに奥行があり、覗き窓５ｂから観察対象部Ｒにおける複数の局所位置までの距離が、局所位置に応じて変化する場合に、保持移動片４７ａ，４７ｄの位置を調整することにより、所望の局所位置を前記受光面３９ａに正確に結像させることができる。
また、前記挿入状態で、箱体５の軸回りに箱体５を回転させて、異なる観察対象部Ｒを撮像するときに、覗き窓５ｂから観察対象部Ｒまでの距離が観察対象部Ｒに応じて変化する場合に、保持移動片４７ａ，４７ｄの位置を調整することにより、各観察対象部Ｒを前記受光面３９ａに正確に結像させることができる。

ステップＳ１６に関して、上述の指令装置２６を人が操作することにより、この操作に従って、モータドライバ５８ａを介してアクチュエータ５３ａを制御し、保持移動片４７ａ，４７ｄを他の保持移動片４７ｂ，４７ｃに対し独立して移動させることができるようになっている。なお、指令装置２６は、人に操作されることにより、アクチュエータ５３ａ、５３ｂ、５３ｃを互いに独立して制御し、複数の保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃを互いに独立して制御可能に構成されていてよい。

以下のような場合には、上述のステップＳ１１〜Ｓ１３を複数回行う。
穴３ｃに挿入したときの箱体５の向きによって上記ステップＳ１１で求める距離が大きく異なり、各向きで、炉内３ａを観察する場合。
複数の炉３の穴３ｃに箱体５を挿入するときに、対象とする炉３によって上記ステップＳ１１で求める距離が異なる場合。
このような場合には、異なる距離毎に、上述のステップＳ１１〜Ｓ１３を行い、その後、ステップＳ１４では、入力装置２４を人が操作することにより、これら複数の距離のいずれかを選択し、さらに、選択した距離についてステップＳ１２で定めた複数の結像倍率のいずれかを選択する。その後、ステップＳ１５、Ｓ１６を行う。

ステップＳ１５によりレーザ光が観察対象部Ｒに結像するように、バリフォーカル光学系４１および上述の制御データを高精度に作成しておくこともできる。この場合、バリフォーカル光学系４１は、ピントの調整（即ち、ステップＳ１６）が不要になるズームレンズとして機能する。すなわち、本願において、バリフォーカル光学系４１は、その焦点距離を変化させた場合に、ピントがずれる光学系だけでなく、ピントがずれないズームレンズも含む概念である。

撮像装置３０は、例えば図９（Ｂ）のように、さらに、揺動ミラー６１とミラー駆動装置６３を備える。

揺動ミラー６１は、箱体５内に設けられ、炉内３ａから覗き窓５ｂを通して入射する光を、バリフォーカル光学系４１へ向けて反射させる。
ミラー駆動装置６３は、揺動ミラー６１を揺動軸Ｃ４回りに所望の角度だけ揺動させることにより、揺動ミラー６１の姿勢を調節する。ミラー駆動装置６３は、図示しない制御装置により制御される。
ミラー駆動装置６３は、図９（Ｂ）の例では、アクチュエータ６５とネジ軸６７と移動片６９と案内機構７１とリンク機構７３とを有する。

アクチュエータ６５は、ネジ軸６７と同軸に設けられ、ネジ軸６７を回転させるモータである。
ネジ軸６７は、前記光軸方向に延びており、移動片６９に螺合している。
移動片６９は、モータ６５によりネジ軸６７が回転させられると、案内機構７１により案内されて光軸方向に移動させられる。
案内機構７１は、この例では、箱体５に固定された固定部材７５に形成された貫通孔である。貫通孔７１は、固定部材７５を光軸方向に貫通している。貫通孔７１に移動片６９が嵌合していることにより、移動片６９の移動方向が光軸方向に案内される。
リンク機構７３は、移動片６９の直線運動を、揺動ミラー６１の揺動運動に変換する。リンク機構７３は、図９（Ｃ）の例では、第１リンク７３ａと第２リンク７３ｂとからなる。第１リンク７３ａの一端部は、軸Ｃ５回りに回転可能に移動片６９に結合される。第１リンク７３ａの他端部は、軸Ｃ６回りに回転可能に第２リンク７３ｂの一端部に結合される。第２リンク７３ｂの他端部は、揺動軸Ｃ４回りに回転可能になっている。第２リンク７３ｂには揺動ミラー６１が固定されている。揺動軸Ｃ４は、箱体５に固定されている。

撮像装置３０は、例えば図７（Ａ）のように、光学フィルタ７７とコールドフィルタ７９を備える。
光学フィルタ７７は、箱体５内に設けられ、撮像素子３９の上流側に位置する。図７（Ａ）の例では、光学フィルタ７７は、撮像素子３９とレンズ体４５ａとの間であって、鏡筒５５の端部に位置する。光学フィルタ７７は、一例では、レーザ投光装置２０によるレーザ光と同じ波長の光のみを透過させるものである。代わりに、光学フィルタ７７は、前記レーザ光の波長を有する光だけでなく、所望の他の波長を有する光も透過させるものであってもよい。
コールドフィルタ７９は、箱体５内に設けられ、炉内３ａからの熱線をカットする。図７（Ａ）の例では、レンズ体４５ｄの上流であって、鏡筒５５の端部に位置する。

上述した撮像装置３０では、以下の効果（５）〜（７）が得られる。

（５）バリフォーカル光学系４１の各保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃの位置調節により、撮像素子３９の受光面３９ａに観察対象部Ｒを結像させつつ、結像倍率を調節できる。従って、観察対象部Ｒの拡大画像を得ることにより、従来と比較して、炉壁における損傷をより詳細に観察することができる。

（６）各保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃにおいてアクチュエータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃから駆動力を受ける駆動力伝達部分４７ａ１，４７ｂ１，４７ｃ１は、バリフォーカル光学系４１の光軸を回る周方向において互いにずれて配置されており、各アクチュエータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃは、前記光軸方向から見て、対応する駆動力伝達部分４７ａ１，４７ｂ１，４７ｃ１に部分的に重なるように配置されているので、箱体５の内径を小さく抑えることができる。従って、箱体５を狭い点検穴３ｃから炉内３ａへ挿入できる。
一例として、内部の光束の最大直径が１２ｍｍ程度であり、０．５インチ程度の受光面３９ａを持つ撮像素子３９に結像でき、受光面側の焦点距離を３６ｍｍ〜１８０ｍｍの範囲で調整可能なバリフォーカル光学系４１を用い、直径８ｍｍ程度のモータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃを用いた場合に、箱体５の内径を５０ｍｍ程度にすることができる。

（７）上述のように、観察対象部Ｒに奥行がある場合に、指令装置２６を人が操作することにより、保持移動片４７ａ，４７ｂ，４７ｃの位置を調節することにより、観察対象部Ｒにおける奥行方向の所望の位置を撮像素子３９の受光面３９ａに結像することができる。例えば、炉壁面に、配管との接続穴が形成されている場合に、当該接続穴内における所望の位置を撮像素子３９の受光面３９ａに結像することができる。

[実施例]
上述したレーザ投光装置２０と撮像装置３０を備える内部観察装置１０を用いて、熱風炉３の内部空間３ａ内側の観察対象部Ｒを観察した結果について説明する。

（使用装置の条件）
使用したレーザ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）
観察対象部Ｒにおけるレーザ強度：０．７Ｗ／ｃｍ^２
撮像素子３９：ＣＣＤ
箱体５の内径：５０ｍｍ
光学フィルタ７７：波長が５３２ｎｍの光を主に透過させる透過フィルタ

（観察対象部の位置）
観察対象部Ｒとして、箱体５から３ｍの位置にある炉壁３ｂと、箱体５から１３ｍの位置にある連絡管の内面とを選んだ。連絡管は、炉壁３ｂに形成された接続穴に接続されている配管である。

図１３は、上述した使用装置の条件で上述の観察対象部の位置を本発明の実施形態の内部観察装置１０により撮像した画像（この図の本発明の場合）と、比較例により得た画像を示す。

比較例では、次の条件で図１３の画像を得た。
比較例において、レーザ光を投光する光学系と撮像装置の光学系は、箱体５から３ｍの位置に固定焦点を有する。比較例では、観察対象部Ｒにおけるレーザ強度は、観察対象部Ｒが箱体５から３ｍの位置にある炉壁３ｂである場合には、上述と同じであるが、観察対象部Ｒが箱体５から１３ｍの位置にある連絡管の内面である場合には、前記固定焦点のため低下している。比較例において、それ以外の点は上述した本発明の場合と同じである。

図１３から分かるように、観察対象部Ｒまでの距離が３ｍの場合には、本発明と比較例の両方において明瞭な画像が得られる。一方、観察対象部Ｒまでの距離が１３ｍの場合には、本発明においては明瞭な画像が得られるが、比較例で得た画像は、焦点が合っておらず不明瞭である。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下のように変更してもよい。以下で述べない点は、上述と同じであってもよいし、適宜変更してもよい。

上述では、内部空間形成体３は炉であり、内部観察装置１０は炉内観察装置であったが、内部空間形成体３は、他のもの（例えば、容器）であってもよい。
なお、本発明のレーザ投光装置２０と内部観察装置１０は、内部空間形成体３内の冷間観察でも熱間観察にも使用可能であるが、内部が１１００℃以上になっており輻射により発光している熱風炉や加熱炉などの炉内の熱間観察に特に適している。すなわち、内部が１１００℃以上の炉内の観察対象部に対しレーザ投光装置２０によりレーザ光を照射する場合に、当該レーザ照射領域において、レーザ投光装置２０が照射するレーザ光の強度（単位面積当たりのレーザ光のエネルギー）を、輻射光の強度（単位面積当たりの輻射光の放出エネルギー）以上にすることができ、これにより、当該観察対象部のより鮮明な画像を撮像装置３０で獲得することができる。

揺動ミラー２３，６１の代わりに、他の方式で駆動されるミラーを用いてもよい。また、ミラーの個数は任意であってよい。

揺動ミラー２３，６１を省略してもよい。この場合は、投光窓５ａまたは覗き窓５ｂは、バリフォーカル光学系の光軸の延長線上に位置する。

図１では、レーザ投光装置２０と撮像装置３０を直列に配置しているが、レーザ投光装置２０と撮像装置３０を並列に配置してもよい。例えば、箱体５を炉内３ａへ挿入できる長さが制限されている場合には、レーザ投光装置２０と撮像装置３０を並列に配置してもよい。

撮像装置３０は、箱体５の内部から観察対象部Ｒを撮像するものであればよく、上述したバリフォーカル光学系を有していなくてもよい。

レーザ投光装置２０のバリフォーカル系７における、互いに独立して移動可能なレンズ体の数は、バリフォーカル光学系７より上流側でのレーザ光を観測対象部Ｒで結像させつつ、観察対象部Ｒにおけるレーザ光の照射範囲（結像サイズ）を調節することができる数であればよい。

撮像装置３０のバリフォーカル光学系４１における、互いに独立して移動可能なレンズ体の数は、前記画角を変化させつつ、観察対象部Ｒにおける各位置からの光を前記受光面３９ａに結像させることができる数であればよい。

制御装置２２と指令装置２６のうち一方のみを設けてもよい。また、制御装置５９と指令装置２６のうち一方のみを設けてもよい。

上述の実施形態では、レーザ投光装置２０において、バリフォーカル光学系７の光軸方向に互いに独立して移動可能なレンズ体の数は、３つであったが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明によると、バリフォーカル光学系７において、その光軸方向に互いに独立して移動可能なレンズ体の数は、２つ以上であればよく、各レンズ体に組み込むレンズ１２の種類や数に応じて異なる。

上述の実施形態では、撮像装置３０において、バリフォーカル光学系４１の光軸方向に互いに独立して移動可能なレンズ体の数は、一体で移動する光軸方向後端のレンズ体４５ａと光軸方向先端のレンズ体４５ｄを除いて、２つであったが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明によると、一体で移動する光軸方向後端のレンズ体４５ａと光軸方向先端のレンズ体４５ｄを設けた場合に、バリフォーカル光学系４１において、これらのレンズ体４５ａ、４５ｄ以外に、その光軸方向に互いに独立して移動可能なレンズ体の数は、２つ以上であればよく、各レンズ体に組み込むレンズ４６の種類や数に応じて異なる。

上述の実施形態では、撮像装置３０において、一体で移動する光軸方向後端のレンズ体４５ａと光軸方向先端のレンズ体４５ｄが、観察対象部Ｒを受光面３９ａに結像させる機能（フォーカス機能）を有し、他のレンズ体４５ｂ、４５ｃが、撮像装置３０の画角を変化させる機能（ズーム機能）を有していたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、フォーカス機能を有するレンズ体４５ａ、４５ｄを移動させずに静止したレンズ体とし、撮像素子３９を、バリフォーカル光学系４１の光軸方向に移動可能にしてもよい。この場合、バリフォーカル光学系４１において、その光軸方向に互いに独立して移動可能なレンズ体の数は、２つ以上であればよい。また、この場合、撮像素子３９を移動させることにおいて、ネジ軸５１ａは、上述の保持移動片４７ａに螺合する代わりに、撮像素子３９に結合され撮像素子３９を保持する素子保持片（図示せず）に螺合し、モータ５３ａとネジ軸５１ａと位置センサ５７ａは、撮像素子３９に合わせた光軸方向位置に設けられる。さらに、この場合、撮像素子３９の移動範囲全体が、鏡筒５５の軸方向に関して鏡筒５５内にある場合には、案内機構４９ａは、鏡筒５５の長孔であってよく、撮像素子３９の移動範囲全体が、鏡筒５５の軸方向に関して鏡筒５５の外にある場合には、案内機構４９ａは、バリフォーカル光学系４１の光軸方向に延びるガイドバーなどの他の手段で構成され、他の点は、上述と同様である。例えば、制御装置５９は、ステップＳ１５において、上述のように前記制御データに基づいてモータ５３ａ，５３ｂ，５３ｃを制御する。

上述の実施形態では、撮像装置３０において、レンズ体４５ａ、４５ｄは一体で移動したが、このような一体で移動するレンズ体４５ａ、４５ｄを省略してもよい。この場合、撮像装置３０のバリフォーカル光学系４１において、その光軸方向に互いに独立して移動可能なレンズ体の数は、２つ以上であればよく、各レンズ体に組み込むレンズ４６の種類や数に応じて異なる。

３ 炉（内部空間形成体）、３ａ 炉内、３ｂ 炉壁、３ｃ 炉壁の穴、５ 箱体、５ａ 投光窓、５ｂ 覗き窓、７ バリフォーカル光学系、８ 光ファイバ、８ａ 光ファイバ端面、９ 駆動装置、１０ 内部観察装置、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ レンズ体、１２ レンズ、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 保持移動片、１５ 案内機構、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ ネジ軸、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ モータドライバ、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ アクチュエータ、２０ レーザ投光装置、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 位置センサ、２２ 制御装置、２２ａ 記憶部、２３ 揺動ミラー、２４ 入力装置、２５ ミラー駆動装置、２６ 指令装置、２７ アクチュエータ、２９ ネジ軸、３０ 撮像装置、３１ 移動片、３３ 案内機構、３４ 固定部材、３５ リンク機構、３５ａ 第１リンク、３５ｂ 第２リンク、３９ 撮像素子、４１ バリフォーカル光学系、４３ 駆動装置、４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ レンズ体、４６ レンズ、４７ａ，４７ｂ，４７ｃ 保持移動片、４８ 連結部材、４９ａ，４９ｂ，４９ｃ 案内機構（長孔）、５１ａ，５１ｂ，５１ｃ ネジ軸，５３ａ，５３ｂ，５３ｃ アクチュエータ、５５ 鏡筒、５７ａ，５７ｂ，５７ｃ 位置センサ、５８ａ，５８ｂ，５８ｃ モータドライバ、５９ 制御装置、５９ａ 記憶部、６１ 揺動ミラー、６３ ミラー駆動装置、６５ アクチュエータ、６７ ネジ軸、６９ 移動片、７１ 案内機構、７３ リンク機構、７５ 固定部材、７７ 光学フィルタ，７９ コールドフィルタ、Ｒ 観察対象部

Claims (7)

1. 内部空間を有する内部空間形成体内へレーザ光を投光するとともに、内部空間形成体内側における前記レーザ光の結像位置と結像サイズを調節可能なレーザ投光装置と、前記レーザ光が照射された内部空間形成体内側の観察対象部を撮像する撮像装置と、を備える内部観察装置であって、
   前記レーザ投光装置は、内部空間形成体の壁に設けられた穴から内部空間形成体内に挿入され、投光窓を有する箱体と、
   前記箱体の内部に設けられ、レーザ光源からの前記レーザ光が通過するバリフォーカル光学系と、を備え、
   前記バリフォーカル光学系からの前記レーザ光が、前記投光窓を通して前記箱体内から内部空間形成体内へ投光されるようになっており、
   前記バリフォーカル光学系は、直列に配置された複数のレンズ体を有し、
   各レンズ体は、前記レーザ光が通過する１つまたは複数のレンズと、該１つまたは複数のレンズを保持するとともに前記バリフォーカル光学系の光軸方向に移動可能な保持移動片と、を有し、
   前記箱体の内部に設けられ、前記複数のレンズ体を互いに独立して前記光軸方向に移動させることにより、前記バリフォーカル光学系より上流側での前記レーザ光を内部空間形成体内側で結像する結像位置と結像サイズを調節可能な駆動装置を備え、
   前記駆動装置は、
   前記保持移動片毎に設けられ、前記バリフォーカル光学系の前記光軸方向に該保持移動片を駆動するアクチュエータを有し、
   前記各保持移動片において対応する前記アクチュエータから駆動力を受ける駆動力伝達部分は、前記バリフォーカル光学系の光軸を回る周方向において互いにずれて配置されており、各アクチュエータは、前記光軸方向から見て、対応する前記駆動力伝達部分に重なるように配置されており、
   前記撮像装置は、前記箱体の内部であって前記レーザ投光装置に前記光軸方向の直列に設けられ、撮像素子の受光面に前記観察対象部を結像させるバリフォーカル光学系を備え、前記観察対象部を前記箱体に設けられた覗き窓から撮像する、ことを特徴とする内部観察装置。
2. 前記レーザ投光装置は、前記保持移動片毎に設けられ、該保持移動片の位置を検出する位置センサと、
   保持移動片毎に、検出した該保持移動片の位置に基づいて、対応する前記アクチュエータを制御することにより、予め求められた設定位置まで該保持移動片を移動させる制御装置と、をさらに備え、
   前記箱体を前記穴から内部空間形成体内へ挿入した状態において、前記バリフォーカル光学系から内部空間形成体内側の観察対象部までの既知の距離に対して、該観察対象部における複数の前記結像サイズが予め定められており、
   前記結像サイズ毎に、前記観察対象部において該結像サイズを得るための各保持移動片の位置が、前記設定位置として予め求められて前記制御装置の記憶部に記憶されている、ことを特徴とする請求項１に記載の内部観察装置。
3. 前記レーザ投光装置の前記駆動装置は、
   前記各保持移動片を前記光軸方向に案内するように該保持移動片に係合する案内機構と、
   前記光軸方向に延び、前記保持移動片に螺合するネジ軸と、を有し、
   前記各アクチュエータは、対応する前記ネジ軸を回転させることにより、前記案内機構の案内で、前記保持移動片を前記光軸方向に移動させるモータである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の内部観察装置。
4. 前記撮像装置の前記バリフォーカル光学系は、直列に配置された複数のレンズ体を有し、該各レンズ体は、前記観察対象部からの光が通過する１つまたは複数のレンズと、該１つまたは複数のレンズを保持するとともに該バリフォーカル光学系の光軸方向に移動可能な保持移動片と、を有し、
   前記撮像装置において、少なくとも２つの前記保持移動片は、前記バリフォーカル光学系の前記光軸方向に互いに独立して移動可能な前記保持移動片であり、
   前記撮像装置は、前記箱体の内部に設けられ、前記少なくとも２つの前記保持移動片を互いに独立して前記光軸方向に移動させることにより、前記バリフォーカル光学系による前記受光面での前記観察対象部の結像倍率を調節する駆動装置を備える、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内部観察装置。
5. 前記撮像装置の前記バリフォーカル光学系は、直列に配置された複数の前記レンズ体を内部に収容し前記光軸方向に延びる鏡筒を有し、
   前記鏡筒は、該鏡筒の厚み方向に該鏡筒の側壁を貫通しているとともに前記光軸方向に延びる長孔を有し、
   前記撮像装置の前記駆動装置は、前記撮像装置の前記保持移動片の移動を案内する案内機構と、
   前記光軸方向に延びるネジ軸と、
   前記撮像装置の前記ネジ軸を回転させるアクチュエータと、を有し、
   前記撮像装置の前記ネジ軸と前記撮像装置の前記アクチュエータとは、前記鏡筒の外に位置し、
   前記撮像装置の前記案内機構は、前記長孔であり、
   前記保持移動片は、前記鏡筒の内部から前記長孔を通って該鏡筒の外部まで延び前記撮像装置の前記ネジ軸に螺合し、前記撮像装置の前記アクチュエータが前記撮像装置の前記ネジ軸を回転させることにより前記長孔の案内で前記光軸方向に移動する、ことを特徴とする請求項４に記載の内部観察装置。
6. 前記撮像装置により得た画像データを表示するディスプレイと、
   人に操作されることにより、前記各アクチュエータを互いに独立して制御可能な指令装置と、を備える、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内部観察装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の内部観察装置を用いた内部観察方法であって、
   （Ａ）前記箱体を内部空間形成体内に挿入し、
   （Ｂ）前記バリフォーカル光学系と前記投光窓を通して前記レーザ光を、内部空間形成体内側の前記観察対象部へ照射し、
   （Ｃ）前記観察対象部を、前記撮像装置により撮像してディスプレイに表示させ、
   （Ｄ）前記表示された観察対象部において、照射されているレーザ照射範囲の周縁がシャープになるように、前記レンズ体の位置を調整する、ことを特徴とする内部観察方法。