JPH0325352A - 火炎断層計測法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 ？発明は、燃焼火炎の内部を断層計測する光学計測法に
関する。

（従来の技術） 燃焼計測は従来、点や線（一次元）であったものが面（
二次元）の計測、さらに、三次元計測へと計測領域も広
がる傾向にあり、また、計測手法も従来の接触式のもの
から、レーザ計測に代表されるような非接触式のものが
多くなって来ている。

一方，時間分解能の点からは、非定常性の強い乱流燃焼
を究明するうえで瞬時計測が求められている． このような背景や■技術開発の進展から今後は、ますま
す、現象を面、すなわち、イメージで捉え、かつ、瞬時
高速計測が必要で、そのための要素技術開発が進むもの
と思われる。

従来、レーザ光をシート状にして火炎断面の計測を行う
ものとして燃焼生成物や外部より供給したシード材から
の散乱光を利用して流動や濃度をイメージ化（画像化）
したものや、燃焼生戒物をレーザ光で電子のエネルギ準
位間で励起し、励起状態から基底状態のエネルギ準位へ
遷移する過程で発生する蛍光やりん光を利用して生或物
の濃度や温度をイメージ解析したものがある。

ところで燃焼現象は、一般に、多くの燃焼パラメータが
複雑にからんで究明を難しくしているが、その究明の和
として、まず，燃焼反応過程で発生する中間生或物（ラ
ジカル等）濃度の時間的，空間的分布状況を知る意義は
大きい。中間生成物は空間断面についてみてもその種類
は多くまた濃度レベルもまちまちであることが予想され
る。本発明のポイントは，これらの各種生戒物のうち、
複数種の生或物の濃度を空間的に同一断層面で、同時に
イメージ計測が行なえる点にある。本発明に関連する公
知技術はＫｙｃｈａｋｏｆｆ等によって行われたＯＨラ
ジカルの蛍光断層画像計測等がある．（Ｑｕａｎｔｉｔ
ｉｖｅ　　ｕｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　　ｏｆ　　ｃ
ｏｍｂｕｓｔｉｏｎｓｐｅｃｉｅｓ　ｉｎ　ａ　ｐｌａ
ｎｅ．Ｇｅｏｒｇａ　Ｋｙｃｈａｋｏｆｆ　ｅｔ　ａｌ
Ａｐｐｌｉｅｄ　ＯＰＴＩＣＳ　Ｌｏ　Ｑ　２１ＮＱ１
８　Ｓｅｐ．１９８２）．〔発明が解決しようとする課
題〕 従来のレーザ光を利用した断層計測法は単一物質濃度の
計測に限られていた． 本発明の目的は、燃焼の素反応過程で発生する中間生成
物の複数成分の濃度を同時、且つ、瞬時にイメージ計測
する光学、及び、計測システムを提供することにある． 〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達或するために同時に計測する複数の物質の
それぞれの吸収スペクトルに一致するようにレーザ光（
コヒーレント光）をチューニングし、且つ、混合した後
、シリンドリカルレンズ等を用いてビームを円形断面か
らシード状断面に変更し、被測定物に照射すると断面上
にある物質は光エネルギを吸収し、基底状態から励起状
態にエネルギ準位を上げ、その後短時間内（約１０″″
８秒程度）に元の基底状態に遷移する過程で蛍光やりん
光を発する．この蛍光やりん光は吸収スペクトル波長よ
りも長波長側（振動数の底い側）で観測される場合が多
い． 今、被測定物質が二個の場合を例にとると吸収スペクト
ル波長λＬ，λ２にチューニングされたレ一ザ光を照射
すると照射断層面からそれぞれ▲λｌ，Δλ２だけ波長
の長いλ１＋Δλｈλ２＋Δλ２の蛍光が発生する。こ
の二種の蛍光を断層面に直角方向に配置した高感度カメ
ラ装置でｓｉ８ｌ！する．波長の分離はビームスプリツ
タ及び光学フィルタ等の手段を用いて行なうようにした
ものである．〔作用〕 上記の構或によれば被測定物質の吸収スペクトルの波長
にチューニングしたレーザ光によって、照射断層面に存
在する物質から発生する波長の異なる蛍光（複数種）を
光学フィルタにより容易に分離し、同時映像化ができる
点で、複数種の生成物濃度の相対比較が可能となり、燃
焼性の診断，評価をより確度の高いものにすることがで
きる。

吸収スペクトル波長へのレーザ光チューニング方法とし
ては高出力のレーザ光を光源として波長可変の色素レー
ザを使用するのが現実的である。

発生する蛍光は、一般に、微弱である場合が多く、さら
に、光学系を通過する過程で減衰するので、映像の増強
器が必要で、本発明ではこの増強器にイメージインテン
シファイヤを用いた。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第３図により説
明する。第１図は本発明の基本的な計測システムの系統
図で、ここでは一例として被測定物質が二個の場合を示
した。被測定物が２個以上ある場合も、光学的配置の基
本的な考え方は同じである． １は燃料を燃焼させるための燃焼筒を示す。ここに示し
た燃焼筒は最も一般的な構或を示すもので、燃焼筒の上
流側中心部に燃焼ノズル３を配置し、ノズルの外側に環
状通気孔２をもち、旋回器４を通過した空気は旋回しな
がら環状通気孔２を流れ、燃料ノズルから噴射される燃
料と混合し、燃焼反応によって火炎５が形威される．ま
た、燃焼筒にはシート状のレーザ光が貫通できるだけの
レーザ照射用窓６，６′及び観測用窓７，７′が設けら
れる．燃焼反応過程の生成物を観測する目的のためには
急激な反応がみられるノズル出口近傍が観測できるよう
に窓を配置すべきである．また、計測断面も縦方向断面
と横方向断面（後述）があるので後者の計測の場合は上
部観測用窓８が有効となる。

次に、シート状レーザ光の作成法について述べる。二成
分の同時蛍光測定の場合には、これら或分の吸収スペク
トル波長に一致した，すなわち、図に示す波長λｌ，λ
２の二つのレーザ光（コヒーレント光）が必要であり、
従来の技術ではレーザソース１１を励起光として波長可
変色素レーザを二台用いるのが一般的である．本光学方
式では被測定物の数と色素レーザの数は同数となる．色
素レーザ１，１２より得られた波長λ２の光はミラー１
４で方向を９０’変更する。一方、色素レーザ２，１３
で得られた波長λ１の光は４５＠ダイクロイツクミラ−
１５により９０’方向を変更する．このダイクロイツク
ミラ−１５は波長λ２に対しては完全透過、λｌに対し
ては完全反射するように特殊コーデングされたミラーで
ある．従って、ダイクロイツクミラ−１５を出たレーザ
光は波長λｌとλ２の混合光となる。この時点ではレー
ザ光の特性にもよるがビーム形状はほぼ円形に近い形を
している，これをシリンドリカルレンズ系１６を通すこ
とによりシート状のビームに変えることができる．本光
学系では複数種の波長の光を通す必要があるのでシリン
ドリカルレンズ系１５は、特に、波長に対する色収差の
少ないレンズを配置する必要がある。

シート状ビーム１０は図に示すように左側のレーザ光照
射用窓６から入り、火炎５を通過し、右側のレーザ光照
射用窓６′を通って燃焼筒１外へ出る．燃焼筒外に出た
レーザ光は１−ラップ９等を用い減衰除去される。

波長λｈλ２のシート状レーザ光が照射される火炎断層
面では吸収スペクトル波長λ棗，λ２をもつ物質１．物
質２はレーザ光からエネルギを吸収し電子エネルギ準位
の安定な基底状態から励起状態に移行し、次の短時間（
約１０−δ秒程度）の間に元の基底状態にエネルギ遷移
する過程で物質は蛍光を発する．蛍光には波長５８２ｎ
ｍのＮａ原子のＤ線のように吸収波長と蛍光波長が同じ
もの（共鳴放射）もあるが、一般には、吸収波長よりも
長波長側に発生する．例えば、炭化水素系燃料の燃焼素
反応過程で重要な役割をはたしている紫外域に存在する
ＯＨラジカルは２８５ｎｍ付近に吸収帯をもち．３０６
．４　　ｎｍから３１５ｎｍ付近の間に蛍光帯をもつ（
ここでは蛍光発生のエネルギ遷移等にツイてはＡ　，　
Ｇ　．Ｇａｙｄｏｎの著書（ＴｈｅＩｄｅｎｔｉｆｉｃ
ａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｓｐｅｃｔｒ
ａ；ＣＨＡＰＭＡ｝！ＡＮＤ　｝ＩＡＬＬ）等に述べら
れており、詳述は省＜）．第３図は二成分の蛍光発生の
波長分布を模擬的に示したものである。今、物質１，物
ｇｔ２の吸収波長をそれぞれλ１，λ２（λ２〉λ１と
する。λ１，λ２にチューニングされたシート状レーザ
光を物質１，物質２に照射すると、そのシート状レーザ
光の断層面から、蛍光の中心波長まで、それぞれ，Δλ
１，Δλ２だけ長波長側にシフトした蛍光が発生する。

蛍光は電子エネルギ準位の中の振動エネルギ準位の各準
位へ遷移する確率をもつので、一般には図に示したよう
に蛍光の波長はある幅をもつことになる。図中、レーザ
ー散乱光と示したのは，物質にレーザ光を照射すると、
物質（分子，原子を含む）の表面で反射、すなわち、散
乱現象を起す．この散乱はエネルギ的には光（光量子）
と物質との弾性衝突であり、波長の変更を伴わない．分
子レベルでの微弱なレーザー散乱も、粉末や固体粒子と
なると散乱のエネルギレベルも高くなる．後者のような
散乱断面積の大きなもののレーザー散乱を特にミュー（
Ｍｉｅ）散乱と呼んで区別している． 次に蛍光の検出方法について述べる。第１図の右に示す
図は燃焼筒工のレーザ照射用窓６，６′面で切った横方
向断面図である。レーザ照射用窓６，６′に対して直角
の位置に１１８１！Ｉ用窓７，７′を設けてある。この
観測用窓の７、又は、７′はいずれか一方向から検出す
る場合について図に基づいて説明する．本発明では、二
種類の蛍光分布を同時計測する光学映像方式を採ること
を特徴と゜しており，それらは次のように行なわれる。

まず，ＩＲｉｍ用窓７を通って外部に放射された帯状の
蛍光像はビームスプリツタｌ７を用いてそれぞれ直角方
向に二分割される。分割された映像はそれぞれ光学フィ
ルタ１８．１８’　を用い、λｌ＋Δλ１の蛍光とλ２
＋Δλ２の蛍光のみの光が抽出される。

なお、光学フィルタには誘電体や金属薄膜の光干渉を利
用した干渉膜フィルタが使用される．第３図に蛍光観測
用の光学フィルタの波長特性を破線で示した。フィルタ
特性は使用する波長帯に依存するが、最少半値幅は近紫
外（〜３００ｎｍ）用で約１０ｎｍ程度、可視用（４０
０〜７００ｎｍ）で約０．９　　ｎｍ程度のものが製造
できる．光学フィルタ１８．１８’以降の映像装置の光
学配置は同一である。光学フィルタ１８．１８’で抽出
されたλ１＋Δλ１の蛍光、及び、λ２＋＾１．の蛍光
は、それぞれ、対物レンズ１９．１９’　を用いて蛍光
像を増強するためのイメージインテンシファイア２０．
２０’の光電面に結像される。

光電面で光から電子に光電変換が行われ、電子はイメー
ジインテンシファイア内で増強され、イメージインテン
ジファイア後端の蛍光面に衝突することにより新たに蛍
光面に充分な照度の像全再生する。この像をリレーレン
ズ２１，２１’等の手段により、高感度カメラ２２．２
２’の撮像管、又は，撮像素子に結像し、映像信号に変
換された後，コンピュータ２３の制御によって各種モニ
タに写されると共に録画することもできる．また、取込
まれた映像はコンピュータ２３の制御の下で画像解析装
！１２４を用い各種の画像処理が行われ、被測定物質の
濃度分布の比較等が定量的に行なわれる。なお、高感度
カメラは撮像管タイプのものであればＳＩＰカメラ等が
，撮像素子のものであれば冷却型ＣＯＤカメラ等が優れ
ている。

ところで，蛍光の強度を上げる方法として励起用レーザ
光の出力が高い方が有利であり、その点、尖頭出力の高
いバルスレーザが用いられることが多い．パルスレーザ
の繰返し数は現在では数十〜数百Ｈｚのものがある。火
炎中での蛍光計測では、火炎からの発光や固体スス等か
ら発生する連続スペクトルなどの雑音によって蛍光強度
のＳ／Ｎ比が低下することが起こるので，パルスレーザ
を用いる場合には、レーザ光が発射されている時間、す
なわち、近似的に蛍光が観測される時間（前述の約１０
−ａ秒程度）のみ蛍光像を取込むようにするのがよい。

このために用いられるがゲーテイングユニット２５であ
る．これはレーザソース（パルスレーザの場合）１１の
パルスに同期してゲート信号を発する機器であり、この
ゲート信号はイメージインテンシファイア２０．２０’
に送られゲート信号に同期してイメージインテンシファ
イアに印加される高電圧のオン，オフ制御が行われる。

すなわち、ゲート信号が送られているときはゲート幅（
時間）に対応して電圧が印加され、ゲート信号が来ない
場合にはオフの状態になる．この結果、高感度カメラ２
２．２２’でｌＩ！測される蛍光像はレーザパルスに同
期して観測されることになる． 第１図では被測定物質が二個の場合について説明したが
、三個以上の場合にも基本的構成は同じで、吸収スペク
トル波長に一致したレーザ光発生装置（本文では色素レ
ーザ）が被測定物質の数だけ必要となる。被測定物質の
数が多くなった場合の問題点はレーザソースに、さらに
、高出力のものが必要となる。また，吸収スペクトルに
一致したレーザ光を混合する場合のダイクロイツクミラ
−１５の光学的性能にも依存する。ダイクロイックミラ
ーの波長特性にも製作限度があるので、被測定物質の吸
収スペクトル波長とダイクロイックミラーの特性を勘案
した波長選択が求められる。

第１図はシート状レーザ光を燃焼筒の長手方向に配置し
た場合を示したが、燃焼筒の横断面に配置する場合も当
然ありうる． 第２図はこの横断面にレーザ光を配置した場合を示す．
この場合はレーザシート面に直角方向にｗ４８Ｉ！１部
を設ける必要があり，第２図では上部Ｉｌ！測用窓８か
ら採光する様子を示した。映像検出部は第１図で示した
ものと同一であるので省略する．以上、二測定物質の蛍
光分布計測について述べて来たが、本発明の変形例とし
て蛍光とレーザー散乱光に基づく画像計測を実施するこ
とも可能である． 第３図に示したように、λヱ，λ２のレーザ光波長に対
してレーザ光の波長と同じ波長の光が物質から反射され
る。これがレーザー散乱と呼ばれることは先に述べた。

レーザー散乱の強度はその物質の固有の散乱断面積と関
係している。火炎中で生成される物質の散乱断面積は空
気の散乱断面積に対して同等レベルであるので普通は火
炎中での散乱光の検出は難しい。そこでＴｉＯｚのよう
な微粒子を燃料と空気ラインに入れてやり，火炎の各断
面での粒子密度分布をＴｉｌｔのレーザー散乱から求め
ることができる．この粒子密度分布から、燃料の拡散や
、流動に関する情報を得ることができる．レーザー散乱
光の波長選択は蛍光計測で説明したのと同種の光学フィ
ルターを用いればよく、他の映像機器の配置も先の方式
と同じでよい． 〔発明の効果〕 本発明は、以下説明したように構成されているので以下
に記載されるような効果を奏する．すなわち、被測定物
の吸収スペクトル波長に合致したレーザ光を合成し、シ
ート状にして照射することにより、火炎断層内の被測定
物質濃度の情報が蛍光強度分布画像として得られる。被
測定物の数は光学系や、レーザソースの出力により制限
されるが二，三個の計測の同時計測は現技術レベルで問
題なくできる． バルスレーザを用いることが本発明を効率よく運用する
うえで有利であり、バルスレーザと同期した映像のオン
ーオフ制御を行うことにより、Ｓ／Ｎ比の高い映像と瞬
時映像化が可能となる。

さらに本発明の変形例の一つは被測定物質（項目）が二
つの場合を例にとると、第３図に示すような物質からの
蛍光とレーザー（ミュー）散乱光分布を同時画像化する
ことも可能であり、前者の蛍光からは反応生成物の濃度
情報が後者のレーザー（ミュー）散乱からは拡散，流動
に関する情報が得られる，

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼火炎内の燃焼状態を二次元平面断層計測する光
   学方式において、 数種類の燃焼生成物の濃度分布を同時画像計測する方法
   として、生成物の吸収スペクトルの波長に合致するよう
   にレーザ光の波長をチューニングし、その光を混合する
   光学手段を備え、さらに、混合光をシリンドリカルレン
   ズにより微少幅のシート状ビームに変更し、火炎の一断
   層面に前記シート状ビームを貫通させ、前記シート状ビ
   ーム面より発生する蛍光又はレーザー散乱光をビーム面
   と直角方向より同時観測する光学手段を備え、これを画
   像解析し、相対濃度分布状況等を抽出することを特徴と
   する火炎断層計測法。