JPH0223820B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業用の利用分野） この発明は流体の流れ場における密度分布を非
接触的に三次元分布測定を行なうことが出来る光
学干渉方式による流れ場観測装置に関する。

（従来技術） 流体力学の研究・開発等の検証手段として行な
われる流れ場観測法のうち、非接触的な密度分布
の観測法として光学干渉法が利用されている。こ
の光学干渉法としてマツハ・ツエンダ干渉法、直
接光透過型レーザ・ホログラフイ干渉法、拡散光
透過型レーザ・ホログラフイ干渉法が使用されて
きた。

これらの干渉法の光学配置を第４図ないし第６
図に示す。

第４図はマツハ・ツエンダ干渉法を示し、入射
光４０はビームスプリツタ４４で２光束に分割さ
れ、一方のビーム４１は観測領域４３を透過し、
擾乱を生じていない空間を通過した他方のビーム
と干渉を生ずる。

第５図は直接光透過型レーザ・ホログラフイ干
渉法を示し、入射するレーザビームはビームスプ
リツタ５１で分割され、測定光４９はレンズ５
３，５５でビーム径を拡大されて測定領域５７を
通り、レンズ５４によつて発散光となつて斜入射
する参照光５０と干渉して感光材５６上にホログ
ラムを記録する。

第６図は拡散光透過型レーザ・ホログラフイ干
渉法を示し、入射レーザ・ビーム５８はビームス
プリツタ６１で分割され、測定光はレンズ６３を
経て拡散板６５で拡散光５９となつて測定領域６
７を通過し、レンズ６４を経て斜入射する参照光
６０と干渉し、感光材６６上にホログラムを記録
する。このときの観測可能な角度はΘで示され
る。

これらの干渉法によつて得られる測定領域の観
測可能な角度範囲は狭く、そのままでは流れ場の
三次元分布を観測することが出来ない。三次元分
布の観測を実現させるためには、第７図に示すよ
うに、通常φが0°から180°迄の角度範囲にわたつ
て測定領域６８の投影量を測定する必要がある。
このとき測定空間の幾何学的関係についても正し
く投影情報を集録する必要があることは勿論であ
る。幾つかの対称面を持つ流れ場については測定
に必要な観測角度範囲は低減されるが、試験ケー
スの比較的多い左右対称型の流れ場の場合、最低
φが0°から90°までの範囲の観測が必要となる。

このため、上記の拡散光透過型レーザ・ホログ
ラフイ干渉法の観測角度を拡大することによつて
三次元流れ場の密度分布測定に便にしようという
試みがなされている。

第９図はその１例で、測定領域７４を含む円周
上に光拡散板７８とホログラム記録用感光材７９
を配置しておき、光拡散板７８の斜め下方から、
レーザ光源７５からのビームをレンズ７６によつ
て拡大、照明し、一部は光拡散板７８を照明して
拡散測定光とし、一部は測定領域外の擾乱の生じ
ていない空間を通して直接感光材７９に入射させ
て参照光とし、これによつて測定領域内の密度変
化に伴つて生じた光波面状態変化をホログラムと
して感光材７９に記録保存しようとするものであ
る。この方法は構造が極めて簡単であると云う特
徴を持つが、具体的な観測例は報告されておら
ず、また、この方法だけではレーザ光が一方向か
らしか照射されていない点及び光拡散板の散乱特
性等からみて、有効に作用するのは拡散板の中央
部付近のみであり、広い観測角を得ることは不可
能である。

第１０図は観測角度範囲を拡張させた他の例で
あり、測定領域８２を囲む４辺のうち隣り会う２
辺に光拡散板８５を配置し、測定領域を隔ててそ
の反対側に45°間隔に３枚の感光材８６−１，８
６−２，８６−３を置き、0°〜90°方向の観測を
同時に行なえるようにしたものである。８０はパ
ルスレーザ、８１はガスレーザ、８３の１〜５は
ビームスプリツタ、８４の１〜９は平面鏡であ
る。しかし、この方式では各感光材で記録できる
ホログラムの観測可能な角度はそれ程広くなく、
３枚のホログラムだけでは0°〜90°の角度範囲に
おいて連続した観測を行なうことができない。ま
た、この方式では図で見るように、複雑な光学系
と多くの光学素子を必要とするという欠点も生じ
ている。

レーザホログラフイ干渉法によつて三次元流れ
場測定を行なう場合に特に重要なのは、各方向の
投影量と被測定空間との位置関係の対応づけがな
されていなければならないことである。これは投
影データの収集に際し、被測定空間の基準点と集
録する干渉図形内の基準点を一致させ、さらに集
録中の図形倍率を一定に保つ必要があるためであ
る。しかし、上記の公知例においては、この対応
づけのための技術手段は用いられていない。

（発明の目的） この発明は測定領域を囲む円筒枠の周面に光拡
散板とホログラム記録用感光材を相対して配置
し、光拡散板と感光材へのレーザ光照射を改善す
ると共に、感光材装填部背面位置にホログラム再
生時の集録画像の基準点を常に一定に保ちながら
画像集収を行なうようにすることにより、ホログ
ラフイ方式による三次元流れ場観測を可能にする
装置を得ようとするものである。

（発明の構成） 第１図ないし第３図にこの発明の流れ場観測装
置の１実施例を示す。装置は光源部イ、光学素子
群ロ及びホログラム記録部ハからなる。

光源部イはパルスレーザ光源１Ａ及び連続発光
ガスレーザ１Ｂが光源切替機構１Ｃによつて同一
光軸上にビームを出射するように配置され、観測
対象または光学系調節など、目的によつて選択使
用する。この場合、ホログラム再生時に像の歪の
発生を防ぐためには、ホログラムの記録、再生
共、同じ光源を用いる必要がある。

光学素子群ロは光拡散板１７に対し出来るだけ
広い角度範囲にわたつてレーザ光を照射し、測定
領域に拡散光を透過させるための測定光光学系と
参照光光学系とからなり、測定光光学系はビーム
スプリツタ７、反射鏡８，９，１０及びレンズ１
１，１２によつて互に大きな角度を持つ発散光と
して拡散板へ入射ビームを送る。一方、参照光の
ための光束３は、ビームスプリツタ６、反射鏡１
３を経て、円筒形枠１６の横の空間に配置された
反射鏡１４および凸面反射鏡１５により一様な明
かるさ分布をもつ拡がつた参照光用波面Reに変
換され、角度θr方向から記録面１８に導かれる。
このとき、参照光波面については、擾乱のない空
間を通す必要が有り、この場合の測定領域FIは
一点鎖線で囲まれた三角形の領域に限定される。

もつとも、参照光の照射方法はこれに限らず、
ホログラフイ法の周知の方法に従つて記録面の背
後から照射する等、適宜の方法によつて行うこと
が出来る。この参照光光学系は、ホログラム記録
過程だけでなく再生過程でも使用され、光学素子
群の微少な位置ずれは再生像の位置変化、収差等
を生じるので、堅固な構造とする必要がある。な
お、ホログラム再生過程においては、測定光は不
要となるので、シヤツタ２−Ｓによつて遮断され
る。

これらの光学系の構成に当つては、次の二点に
留意する必要がある。

(1) 測定光と参照光の光路程差はできる限り小さ
くすること (2) 測定光と参照光の感光材面での強度比を最適
値に合せること 第１点についてはビームスプリツタ６以降の各
光路程が等しくなるように光学素子の配置を定め
ればよく、第２点については濃度調整用の中性フ
イルタ２−Ｆ，３−Ｆを各光路中に挿入して両光
の強度比を調整する。

ホログラム記録部ハは第２図、第３図にその詳
細を示すように、測定領域FIを取り囲む円筒形
枠１６の側面、半周にそれぞれ光拡散板１７と帯
状のホログラム記録感光材（フイルム）１８が相
対して配置されている。

また、帯状感光材１８の背面にはホログラム再
生像を集収する画像記録装置２１およびその支持
台２０がガイド１６−１によつて感光材１８の背
面に沿つて移動出来るように取付けられている。
図中１６−２はフイルム窓、１９はフイルム押え
可撓板２３はフイルム窓シヤツターガイド、２４
はフイルム窓シヤツタ、２５は感光材料押え可撓
板固定金具、２６は感光材装填用ガイドである。
フイルム窓１６−２を覆つて配置される帯状感光
材１８は、ホログラム記録時に記録用感光材であ
り、再生時には、測定領域内の光学情報が記録さ
れ、現像処理がなされたホログラム原版である。
フイルム押え可撓板１９は円筒枠１６に沿つてフ
イルム１８を密着させるように押えるためのもの
で、その一端は固定金具２５によつて固定される
が、ホログラム再生時には、これを外してフイル
ム窓１６−２を開放する。フイルム窓シヤツター
２４は不要な環境光が未露光フイルムに入射する
ことを防止するためのもので、観測記録時におい
ては、ガイド２３に沿つて移動され、開状態とさ
れる。また、ホログラム再生時には、開放され
る。

また、画像記録装置２１は、ホログラム再生像
の中から必要な画像情報だけを記録するために用
いる記録用カメラ又はテレビカメラ等を指す。こ
の画像記録装置２１は、支持台２０に固定され、
支持台と共にガイド溝１６−１に沿つて任意の位
置に移動し、固定することが出来る。そしてこの
画像記録装置２１及び支持台２０は、ホログラム
の再生時にも使用する。

上記のホログラム記録部ハ全体は高さ調節機能
を持つ支持台２２に円筒枠１６を介して固定され
ている。

この流れ場観測装置は次のように使用される。
まず、ホログラム記録部ハは測定領域FIを取り
囲む適当な位置に設置し、これを基準として光源
部イ光学素子群ロの順番で上述の光路を形成する
ように配置する。

二重露光型レーザホログラフイ干渉法による観
測では、次の操作によつて観測が行なわれる。

(1) 感光材のセツト ホログラム記録用未露光感光材（フイルム）
をガイド２６によつてフイルム窓１６−２位置
にセツトする。

(2) 第１露光 フイルム窓前方のシヤツタ２４を開き、測定
領域の基準状態において第１回目のホログラム
記録を行なう。

(3) 第２露光 実験状態において第２回目のホログラム記録
を行なう (4) 現像 感光材の現像処理を行ない、ホログラムを作
る。

(5) 再生 出来上つたホログラムを元の感光材装填位置
に戻し、これに参照光のみを照射し、画像記録
装置２１によつてホログラム再生像の集録をガ
イド１６−１に沿つて移動しながら行なつてい
く。

(6) 集録された干渉縞画像データから、各周囲方
向の投影量を求めて行き、これから計算によつ
て測定領域の密度分布を求める。

（発明の効果） この発明の流れ場観測装置は、上記の構成によ
り以下の顕著な効果を有する。

(1) 複数方向から拡散板を照明するので、観測領
域へは広い角度範囲にわたつて拡散光が均一な
強度で照射されるので、観測可能な角度範囲を
広くとることが出来る。

(2) 広い観測角を持つ流れ場観測が実現できるよ
うになり、これまで二次元または軸対称型の流
れ場観測に限られていた光学干渉測定法の利用
範囲を三次元流れ場の観測に拡張出来る。

(3) 測定領域の基準点まわりの投影情報が、定倍
率で集収できるので、データ集収時間の短縮化
と測定精度の向上が期待出来る。

(4) 比較的簡単な光学系によつて広い角度範囲を
連続的に記録・測定出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の流れ場観測装置の１実施例
の光学配置図で、同図ａはその全体の側面図、ｂ
なホログラム記録部ハの上面図、第２図はホログ
ラム記録部の正面図、側面図及び他側の１部断面
を示す側面図、第３図は第２図ｂのＸ−Ｘ線に沿
う断面を示す正面図、第４図、第５図、第６図、
第９図、第１０図は公知の流れ場観測装置の光学
配置図、第７図、第８図は三次元観測に要する観
測方向と投影情報との関係の説明図である。 イ：光源部、１Ａ：パルスレーザ光源、１Ｂ：
連続発光がスレーザ、１Ｃ：光源切替機構、ロ：
光学素子群、６，７：ビームスプリツタ、１５：
凸面反射鏡、１１，１２：ビーム拡大レンズ、２
−Ｓ：測定光遮断用シヤツタ、２−Ｆ，３−Ｆ：
中性フイルタ、ハ：ホログラム記録部、１６：円
筒型枠、１６−２：フイルム窓、１７：光拡散
板、１８：帯状感光材料、１９：感光材料押え
板、２１：画像記録装置、２２：支持台、２４：
フイルム窓シヤツタ、４３，５７，６７，６８，
７１，７４，８２，FI：測定領域、６５，７８，
８５：光拡散板、７０，７３：角度φ方向の投影
量、８０，８１：レーザ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定領域空間をとり囲む円筒形枠組の相対す
   る周面に、光拡散板と帯状ホログラム記録用感光
   材料を取りつけ、上記光拡散板に複数方向からレ
   ーザ光照明を行なうことにより広い観測視野角が
   得られるようにしたレーザホログラフイ方式によ
   る流れ場観測装置。 ２ 測定領域空間をとり囲む円筒形枠組の相対す
   る周面に、複数方向から照明される光拡散板と帯
   状ホログラム記録用感光材料或いは記録されたホ
   ログラムを取りつけ、該感光材或はホログラム取
   付部の背後に、上記同筒枠上に取りつけられ、ホ
   ログラムの背面に沿つて移動する画像記録装置を
   有するレーザホログラフイ方式による流れ場観測
   装置。