JPH06273322A - カメラ、分光システムおよびこれらを用いた燃焼評価装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 １台で、通常のカラ−画像と、分光分析用の
画像との両方を得ることのできる分光カメラおよび分光
システムを提供することを目的とする。 【構成】 カメラのＣＣＤ上において、ｎ個の受光素子
で１受光単位を構成することとする。該ｎ個の検出波長
範囲を重ならないようにする。分光分析は、各受光素子
（Ｓ１〜Ｓ９）個々の出力信号を用いて行う。一方、カ
ラ−画像は、各受光素子の出力信号を合成してＲ，Ｇ，
Ｂ信号を作り、該Ｒ，Ｇ，Ｂ信号を用いてカラ−画像を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、１台で、通常のカラ−
画像と、分光分析用のデ−タとの両方を得ることのでき
るカメラ、分光システムおよびこれらを用いた燃焼評価
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ等を用いたカメラを分光分析に用
いる際には、カメラに外付けでフィルタを設けることに
よって、所望の波長の光のみを測定するようにしてい
た。また、複数種類の波長について分析を行う場合や、
通常のカラ−画像を必要とする場合には、複数のフィル
タやカメラを使用している。

【０００３】このようにカメラを分光に実際に使用した
例としては、例えば、特開平３−２０７９１２号記載の
ガスタ−ビン燃焼器の火炎分光映像装置が挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、複数のフィル
タを切り換えて使用する場合には、フィルタ駆動のため
の機構が必要となり、構造上複雑になるという問題が有
った。

【０００５】フィルタ毎にカメラを設けることも考えら
れる。しかし、この場合には、使用するカメラの台数分
だけ、撮影位置・角度の決定、ピントあわせ等の作業を
行わなければならず、迅速な測定ができないという問題
がある。特に、分光分析においては、各カメラは同一部
分にピントがあっている必要があり、特に操作が困難で
あった。

【０００６】また、装置コストが高くなるという問題が
あった。

【０００７】本発明は、1台のカメラで通常のカラ−画
像を得るとともに、分光分析用の情報を同時にえること
のできるカメラおよびこれを用いた分光システムを提供
することを目的とする。また、これらを用いた燃焼評価
装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたものでその第１の態様としては、撮
像面上に複数の受光素子を備えるとともに、各受光素子
の光検出信号を各々分けて出力するカメラにおいて、予
め決められた組合せの複数の受光素子を一つの受光単位
とし、該一つの受光単位に含まれる各受光素子は、その
検出波長範囲が重ならないようにしたこと、を特徴とす
るカメラが提供される。

【０００９】上記一つの受光単位を構成する受光素子
は、上記撮像面上において隣接して配置されていること
が好ましい。

【００１０】上記一つの受光単位を構成する受光素子全
体での検出波長範囲は、可視領域全体をカバ−している
ことが好ましい。

【００１１】ある特定波長の光を観測するカメラにおい
て、上記各受光単位中には、上記特定波長付近において
最大検出感度を有する受光素子が含まれることが好まし
い。

【００１２】上記特定波長としては、ＣＨラジカルと、
Ｃ₂ラジカルと、ＯＨラジカルとの発光波長のうちの少
なくとも一つが含まれることが好ましい。

【００１３】本発明の第２の態様としては、上記第１の
態様のカメラと、上記カメラの出力信号から、所望の受
光素子の信号のみを分離する分離手段と、を備えたこと
を特徴とする分光システムが提供される。

【００１４】本発明の第３の態様としては、上記第１の
態様のカメラと、該カメラの出力信号を用いて、Ｒ，
Ｇ，Ｂ信号をそれぞれ合成する合成手段と、を備えたこ
とを特徴とする分光システムが提供される。

【００１５】本発明の第４の態様としては、撮像面上に
複数の受光素子を備えるとともに、各受光素子の光検出
信号を各々分けて出力するカメラにおいて、その検出波
長範囲に、ＣＨラジカルの発光波長を含むが、Ｃ₂ラジ
カルおよびＯＨラジカルの発光波長は含まない第１の受
光素子と、その検出波長範囲に、Ｃ₂ラジカルの発光波
長を含むが、ＣＨラジカルおよびＯＨラジカルの発光波
長は含まない第２の受光素子と、その検出波長範囲に、
ＯＨラジカルの発光波長を含むが、ＣＨラジカルおよび
Ｃ₂ラジカルの発光波長は含まない第３の受光素子と、
のうち少なくとも一つを有すること、を特徴とするカメ
ラが提供される。。

【００１６】本発明の第５の態様としては、撮像面上に
複数の受光素子を備えるとともに、各受光素子の光検出
信号を各々分けて出力するカメラにおいて、隣接した複
数の受光素子を一つの受光単位とし、該一つの受光単位
には、その検出波長範囲に、ＣＨラジカルの発光波長を
含むが、Ｃ₂ラジカルおよびＯＨラジカルの発光波長は
含まない第１の受光素子と、その検出波長範囲に、Ｃ₂
ラジカルの発光波長を含むが、ＣＨラジカルおよびＯＨ
ラジカルの発光波長は含まない第２の受光素子と、その
検出波長範囲に、ＯＨラジカルの発光波長を含むが、Ｃ
ＨラジカルおよびＣ₂ラジカルの発光波長は含まない第
３の受光素子と、のうち、少なくとも２種類の受光素子
が含まれること、を特徴とするカメラが提供される。

【００１７】本発明の第６の態様としては、上記第４の
態様のカメラと、該カメラの出力信号から、所望の受光
素子の信号のみを分離する分離手段と、を備えたことを
特徴とする分光システムが提供される。

【００１８】本発明の第７の態様としては、上記第４の
態様のカメラと、該カメラの出力信号を用いて、Ｒ，
Ｇ，Ｂ信号をそれぞれ合成する合成手段と、を備えたこ
とを特徴とする分光システムが提供される。

【００１９】本発明の第８の態様としては、複数の受光
素子を備えるとともに、各受光素子の検出信号を各々分
けて出力するカメラにおいて、隣接した複数の受光素子
を一つの受光単位とし、該一つの受光単位には、通常の
カラ−テレビの感度曲線に一致した感度曲線を備えたカ
ラ−画像用の受光素子と、各受光素子の検出波長範囲が
互いに重ならない分光分析用の受光素子と、が含まれる
こと、を特徴とするカメラが提供される。

【００２０】本発明の第９の態様としては、上記第８の
態様のカメラと、上記分光分析用の受光素子に由来する
出力信号のうち、所望の受光素子の信号のみを分離する
分離手段を有すること、を特徴とする分光システムが提
供される。

【００２１】本発明の第１０の態様としては、火炎の燃
焼状態を評価するための燃焼評価装置において、火炎を
撮影するカメラと、上記カメラの出力信号を用いて火炎
画像を表示する表示手段と、上記カメラの出力信号を用
いて火炎の燃焼性を評価するための物理量を求める演算
手段と、を有することを特徴とする燃焼評価装置が提供
される。

【００２２】本発明の第１１の態様としては、燃料と空
気とを燃焼させるバ−ナと、上記バ−ナに燃料および空
気を供給する供給手段と、上記バ−ナに供給される燃料
と空気とのうちの、少なくとも一方の供給量を調整する
調整手段と、火炎を撮影するカメラと、上記カメラの出
力信号を用いて火炎画像を表示する表示手段と、上記カ
メラの出力信号を用いて火炎の燃焼性を評価するための
物理量を求める演算手段と、上記演算手段の求めた上記
物理量に応じて上記調整手段を制御する制御手段と、を
有することを特徴とする燃焼システムが提供される。

【００２３】

【作用】特許請求の範囲第１項から第７項に対応する態
様について述べる。

【００２４】分離手段によって、各受光素子各々の出力
信号を分離することによりある検出波長範囲での光の強
度を検出することができる。一方、合成手段により各受
光素子の出力信号を合成することによって、通常のカラ
−画像を得ることができる。

【００２５】火炎の燃焼状態の評価に使用する場合、３
１０ｎｍ，４３１ｎｍ，５１７ｎｍのうち少なくとも一
つを上記特定波長としておけば、燃焼に伴って生じる反
応中間体ラジカルの発光強度を検出することができる。

【００２６】特許請求の範囲第８項ないし第１１項に対
応する態様について述べる。

【００２７】第１〜第３の受光素子は、それぞれ特定ラ
ジカルの発光のみを検出し、他のラジカルの発光は検出
しない。従って、すくなくともいずれか一種類の受光素
子を有していれば、火炎の燃焼状態を知ることができ
る。さらには、少なくともいずれか２種類の受光素子を
有していれば、該カメラの光検出信号を用いて両者の信
号の比をとる等の処理を行うことができる。

【００２８】特許請求の範囲第１２項および第１３項に
対応する態様について述べる。

【００２９】カラ−画像用の受光素子の出力信号を用い
ることによって、通常のカラ−画像を得ることができ
る。一方、分離手段によって、分光分析用の受光素子の
出力信号を分離することによって、所望の検出波長範囲
での情報を得ることができる。

【００３０】特許請求の範囲第１４項および第１６項に
対応する態様について述べる。

【００３１】表示手段に表示された火炎画像による燃焼
状態の監視と、演算手段の算出した物理量を用いた評価
とが可能になる。さらに、制御手段は、該物理量を用い
て調整手段を制御する。これにより供給手段による燃
料、空気の供給量を正確に調整することができる。

【００３２】

【実施例】本発明の一実施例である分光システムについ
て説明する。

【００３３】本実施例の分光システムは、１台のカメラ
で、目的とする波長の光を観測すると同時に、通常のカ
ラ−画像をも得ることができる点を特徴としている。

【００３４】該分光システムは、図１に示すとおり、カ
メラ３００、信号処理装置４００、モニタ５００から構
成される。

【００３５】カメラ３００のＣＣＤ受光素子部の拡大図
を図２に示した。該カメラ３００は、１受光単位を９つ
の受光素子（Ｓ１〜Ｓ９）で構成している。各受光素子
（Ｓ１〜Ｓ９）の検出波長範囲は、図３（ｂ）に示すご
とく、ほとんど重なることはない。その一方で、９つの
受光素子（Ｓ１〜Ｓ９）の検出波長範囲を総合してみた
場合、可視領域のほぼ全体をカバ−している。比較のた
め通常のカメラの相対検出感度曲線の概略を図３（ｃ）
に示す。図３（ｃ）と図３（ｂ）とを比較してみれば分
かるように、受光素子（Ｓ１〜Ｓ３）の検出波長範囲
は、通常のカメラの青色光用の受光素子の検出波長範囲
付近に位置している。受光素子（Ｓ４〜Ｓ６）の検出波
長範囲は、通常のカメラの緑色光用の受光素子の検出波
長範囲付近に位置している。受光素子（Ｓ７〜Ｓ９）の
検出波長範囲は、通常のカメラの赤色光用の受光素子の
検出波長範囲付近に位置している。このような検出波長
範囲の調整は、受光素子部に設けるフィルタの光透過特
性を変更することにより可能である。該光透過特性の変
更は、例えば、特性のフィルタを重ねて形成すること、
一つのフィルタについても領域ごとに膜厚、組成を変え
ること等によって可能である。

【００３６】該カメラ３００は、各受光素子（Ｓ１〜Ｓ
９）に対応して設けられた出力信号線（Ｌ１〜Ｌ９）を
備えており、各受光素子（Ｓ１〜Ｓ９）の検出信号を各
々独立的に、かつ、受光単位毎に、信号処理装置４００
へ出力可能に構成されている。但し、信号処理装置４０
０への出力信号線そのものが９本独立的に設けられてい
なくても、各々の受光素子毎の信号成分を分離可能な状
態で出力がなされていればよいことは言うまでもない。
このような独立出力を可能にするための回路等の構成自
体は、特に限定されるものではないためここでは説明し
ない。

【００３７】信号処理装置４００は、各受光素子（Ｓ１
〜Ｓ９）からの出力信号を自由に合成、演算等する機能
を備えている。また、カメラの出力信号をそのまま、あ
るいは合成、演算した後、モニタ５００および他のなん
らかの解析装置Ａへ出力する機能を備えている。なお、
特許請求の範囲においていう”分離手段”、”合成手
段”は該信号処理装置４００によって実現されるもので
ある。

【００３８】モニタ５００は、通常のカラ−モニタ（あ
るいは、モノクロモニタ）である。

【００３９】次に、該分光システムを用いて、図３
（ａ）に示すスペクトル分布を有する光を観測した場合
を考える。

【００４０】波長λ１の光は、受光素子Ｓ１によっての
み検出される。また、波長λ２の光は受光素子Ｓ２によ
ってのみ検出される。同様に、波長λ４，λ５，λ７の
光は、おのおの、受光素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ７によっての
み検出される。信号処理装置４００は、解析対象とされ
る光を検出する受光素子の信号のみを解析装置Ａに出力
させる。例えば、波長λ１および波長λ７の光について
解析を行う場合には、受光素子Ｓ１および受光素子Ｓ７
の検出信号を出力させる。この場合も、受光素子Ｓ１の
検出信号と、受光素子Ｓ７の検出信号とは、分離等可能
な状態で送ることは言うまでもない。

【００４１】解析装置Ａは、信号処理装置４００から送
られてきた信号を解析することによって、目的とする波
長の光についての情報を得る。なお、該解析の方法はな
んら限定されるものではない。この場合、受光素子Ｓ１
の検出した光の出射された位置と、受光素子Ｓ７の検出
した光の出射された位置とは、厳密には異なっている。
しかしながら、各受光素子（Ｓ１〜Ｓ９）は極めて近接
して存在するため、各受光素子の検出する信号は、同一
の位置から出射された光についてのものであるとして扱
っても通常は差し支えない。

【００４２】一方、信号処理装置４００は、上記解析装
置Ａへの信号出力と並行して、モニタ５００への出力信
号の合成等を行う。該合成は、通常のカラ−画像を得る
ためのものである。従って、受光素子（Ｓ１〜Ｓ３）の
全信号を合成し、該合成信号を通常のカメラにおけるＢ
信号に対応するものとして出力する。受光素子（Ｓ４〜
Ｓ６）の信号を合成し、該合成信号を通常のカメラにお
けるＧ信号に対応するものとして出力する。同様に、受
光素子（Ｓ７〜Ｓ９）の信号を合成し、該合成信号を通
常のカメラにおけるＲ信号に対応するものとして出力す
る。この場合、各受光素子の信号に重み付けを与えた上
で合成すれば、より自然な色の画像が得られることは言
うまでもない。さらに、例えば、Ｇ信号に対応した信号
を合成する際に、上記受光素子（Ｓ４〜Ｓ６）のみなら
ず、その周辺波長域の受光素子（Ｓ２，Ｓ３，Ｓ７，Ｓ
８）等も含めて合成を行ってやれば、より自然なカラ−
画像を得ることができる。

【００４３】各受光素子（Ｓ１〜Ｓ９）の最大感度は、
同じであることが好ましいが、異なっていても、信号処
理による補正が可能である。各受光素子（Ｓ１〜Ｓ９）
の検出波長範囲の重なりは、合成処理を容易とするた
め、また、分光をより正確に行うため、できるだけ小さ
い方が好ましい。

【００４４】該分光システムを汎用性の高いものとする
ためには、カメラ３００の検出感度曲線は、図４のごと
く、各受光素子の検出感度が平坦で、各受光素子間にお
ける感度の谷部（感度の低くなっている部分）が無くな
っていることが好ましい。これは、解析対象となる光の
波長が、検出感度の谷部に位置した場合には、解析に必
要な光の検出感度が低くなり、事実上、該システムを適
用できなくなるからである。一方、特定の用途に向けた
専用のシステムとして構成する場合には、各受光素子の
検出感度の曲線が山をなし、かつ、最大となる波長と目
的とする光の波長とを一致させて置くことが好ましい
（図３（ａ），（ｂ）参照））。これは、いうまでもな
く、目的とする光を感度良く検出する一方、解析に関係
のない光の検出を最小限に抑るためである。

【００４５】各受光素子個々の検出波長範囲を狭くした
方が、一般的には、汎用性が高くかつ、正確な測定が可
能になる。この場合には、より多数の受光素子で、１受
光単位を構成することになる。原理的には、画面全体を
１受光単位して扱い、すべての受光素子の検出波長範囲
を重ならないようにすることも考えられる。ＣＣＤは一
般に数十万の受光素子を含んでいるため、各受光素子の
検出波長範囲は極めて狭いものとなり、プリズムや回折
格子を用いた分光器に匹敵する波長解像度でのスペクト
ル分析も可能となる。このような構成としたカメラはプ
リズムを内包したカメラとしても見ることができる。こ
の場合、プリズムとは異なり、分光に際して機械的な駆
動部を有することなく、かつ、全波長域を同時に測定で
きるため、その測定の早さ、および耐衝撃性の高さ、機
器の小型化といった面で特に有効である。このような微
細な領域毎の透過特性の変更は、上述したとおり、受光
素子部にフィルタを多層形成すること、さらには、一つ
のフィルタ層についても、領域ごとにフィルタの膜厚や
フィルタを構成する物質の組成を領域ごとに変更するこ
と、によって可能である。

【００４６】上記実施例においては、通常のカラ−画像
を得る際に、受光素子（Ｓ１〜Ｓ９）の信号を合成する
ことによって、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号を作り出していた。しか
し、このような合成を行うことなく、カラ−画像専用の
受光素子を設けても良い。例えば、図５に示すごとく、
１受光単位を構成する受光素子（Ｓ１１〜Ｓ１９）のう
ち、受光素子（Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３）は、通常のカ
メラと同じ検出感度曲線をもたせる。他の受光素子（Ｓ
１４〜Ｓ１９）は、上記図３（ｂ）と同様の観点からで
きるだけ検出波長範囲が重ならないようにする。これに
より受光素子（Ｓ１１，Ｓ２１，Ｓ１３）の出力信号
を、各々Ｒ，Ｇ，Ｂ信号として取り扱って、より自然な
カラ−画像を得ることができる。一方、受光素子（Ｓ１
４〜Ｓ１９）の信号は、光の解析に用いる。このように
すれば、より自然なカラ−画像と、正確な光の測定と
を、両立させることができる。この場合には、受光素子
（Ｓ１１〜Ｓ１３）と他の受光素子（Ｓ１４〜Ｓ１９）
との検出波長範囲が重なることになるが、両者の信号
は、各々の目的（カラ−画像の作成、分光分析）に従っ
て、別々に使用されるためなんら問題はないことは言う
までもない。

【００４７】なお、図５においては、分光分析に使用す
る受光素子（Ｓ１４〜Ｓ１９）の検出波長範囲に感度の
谷部ができないようにしているが、予め観測する光の波
長が特定されているような場合には、必ずしも、このよ
うにする必要はない。分光分析用受光素子の出力信号は
カラ−画像作成のために使用することはないため、図６
の受光素子（Ｓ’１４〜Ｓ’１９）のごとく、必要な波
長範囲のみについて感度を有するように構成しても良
い。

【００４８】以上説明したとおり、本実施例の分光シス
テムは、精度の高い分光検出と、肉眼で見るのと同等の
通常のカラ−画像（あるいは、所望の色調の画像）との
両方を得ることができる。

【００４９】上記説明においては、一般的には、受光素
子の検出波長範囲は狭い方が測定が正確になる旨を述べ
た。しかし、目的とする光の波長の範囲が広がっている
場合には、狭ければ良いというものではない。また、各
受光素子の検出波長範囲の広さは、等しくなくても良
い。例えば、図７の光６００のように、目的とする光の
波長が比較的広い範囲に広がっている場合には、その波
長の広がり具合に合わせて受光素子Ｓ１０３の検出波長
範囲を広く設定しても良い。一方、光の波長がほとんど
広がりを持たない光５００については、受光素子Ｓ１０
２の検出波長範囲を狭くしてもよい。但し、この場合に
は、受光素子（Ｓ１０１〜Ｓ１０３）の信号を合成した
のでは自然な色のカラ−画像は得られないため、上記図
５、図６に示した手法を取り入れることが好ましい。

【００５０】該分光システムに用いたカメラは、あらゆ
る分光解析において適用可能である。例えば、後述する
実施例（燃焼システム、図９等）のカメラ１０は、本実
施例の一適用例である。該カメラ１０は、従来カメラと
同様に１受光単位を３種類の受光素子で構成している
が、各受光素子の検出波長範囲は従来のものとは異なり
ほとんど重ならないようにしている。また、測定対象と
なる光の中心波長（ＣＨラジカル発光：４３１ｎｍ，Ｃ
２ラジカル発光：５１７ｎｍ）と、受光素子の最大検出
感度を有する波長（Ｂ：４５０ｎｍ、Ｇ：５１０ｎｍ）
とを、ほぼ一致させている（図８参照）。

【００５１】上記本発明の分光カメラを燃焼システムに
適用した実施例を説明する。

【００５２】該燃焼システムの概要を図９を用いて説明
する。

【００５３】本実施例の燃焼システムは、燃焼器１１に
バーナ５０を備え、火炎１００を形成する。前記バーナ
５０より形成される火炎１００の発光画像を、カメラ１
０で採光する。このカメラは、赤画像信号（Ｒ信号）、
緑画像信号（Ｇ信号）、青画像信号（Ｂ信号）がそれぞ
れ単独でも、合成でも出力できる、いわゆるＲＧＢ対応
の電子カメラである。

【００５４】カメラ１０の出力するＲＧＢカメラ信号
は、赤画像信号（Ｒ信号）、緑画像信号（Ｇ信号）、青
画像信号（Ｂ信号）は、合成されて、通常のカラーモニ
タ４０に火炎のカラー画像が監視用として出力される。
従って、カラ−モニタ４０には、肉眼で見た場合と同様
の炎の映像が映し出される。また、同時に無処理の元画
像として、図１０記載の画像記憶装置４２に記憶され
る。従って、後日、該画像を再生することができる。

【００５５】また、カメラ１０の出力するＲＧＢカメラ
信号は、上記カラ−モニタ４０等への出力と並行して、
画像取り込み装置２０および演算装置２１へ送られてい
る。演算装置２１では、Ｇ信号、Ｂ信号を用いて燃焼状
態を評価するための空気比算出処理等が行われる。該空
気比算出処理については、図１３を用いて後ほど詳細に
説明する。

【００５６】演算装置２１により処理された信号は、画
像処理装置２２に至る。ここでは、例えば燃焼状態を評
価するための物理量画像について、擬似カラー表示処
理、任意の強度以上と以下を２分化する２値化処理、２
値化処理した画像についての面積算出、位置算出、境界
のみを線で結ぶエッジ処理、エッジで囲まれた領域の面
積算出、エッジ長算出、測定領域内の全画素の受光強度
の平均値及び分散算出等を行う。入力物理量画像につい
て、以上のような特徴量として算出された結果は、比較
装置２４、画像処理結果のモニタ装置４１へ出力され
る。

【００５７】画像処理結果のモニタ装置４１では、主に
燃焼状態を評価するための物理量画像について、擬似カ
ラー表示処理された結果が表示されるが、上記処理結果
像でもよい。従って、モニタ装置４１に映し出されてい
る炎と、カラ−モニタ４０が映しだしている炎とは同一
の炎についての映像ではあるが、その表示画像はカラ−
モニタ４０とは異なったものとなる（図１０参照）。な
お、画像取り込み装置２０、演算装置２１、画像処理装
置２２等による処理結果は、図１０記載の処理結果記憶
装置２７に記憶され後日利用することができる。

【００５８】比較装置２４では、記憶装置２３に予め記
憶されている理想的な燃焼火炎の特徴量データと、実際
に入力された実燃焼火炎の特徴量データとが比較され
る。実際の燃焼火炎と理想的な燃焼火炎との差異が大き
な場合には、任意の範囲内で一致するような制御信号が
燃料量制御装置３０、空気量制御装置３１等へ出力され
る。燃料量制御装置３０、空気量制御装置３１は、該制
御信号に従って、燃焼器１１内に燃料を供給する燃料量
制御バルブ３３を、燃焼器１１内に空気を供給する空気
量制御バルブ３５，３６の開度を変更する。例えば、空
気が不足している場合には、空気量制御装置３１は、供
給する空気量を増加させる。これにより、常に最適な燃
焼状態を保つことができる。

【００５９】本実施例は、燃焼状態を検出するための構
成（つまり、カメラ１０、演算装置２１など）を最大の
特徴とするものである。従って、これ以降においては、
該特徴点を中心に説明する。

【００６０】本実施例のカメラ１０は、赤画像信号（Ｒ
信号）、緑画像信号（Ｇ信号）、青画像信号（Ｂ信号）
がそれぞれ単独でも、合成でも出力できる、いわゆるＲ
ＧＢ対応の電子カメラである。該カメラの相対検出感度
は、図１１に示すとおり、青画像は４５０ｎｍに、緑画
像は５１０ｎｍに、赤画像は６００ｎｍに最大感度を有
している。従って、後述する図１２の火炎の発光スペク
トルと重ね合わせて考えると分かるとおり、該カメラ１
０で炎を映した場合、青画像信号（Ｂ信号）として得ら
れる画像は主にＣＨラジカルの光であり、緑画像信号
（Ｇ信号）として得られる画像は主にＣ₂ラジカルの光
である。上記各検出感度の幅は、極めて狭いものではな
く有る程度の幅を有している。従って、例えば、青色を
検出する受光素子は波長４５０ｎｍの光だけではなく、
４５０ｎｍ付近の光もある程度検出する特性を備えてい
る。しかし、火炎の光は、該図に示した波長以外の成分
は微弱なため、分析を行う際に問題となることはない。

【００６１】さらに、本実施例のカメラ１０は受光素子
全体としてみた場合、可視域全体について光を検出でき
るようになっている。

【００６２】次に、演算装置２１によりなされる火炎の
空気比算定の原理を説明する。

【００６３】”空気比”とは、Ｑｒ／Ｑｔで規定される
ものである。ここで、Ｑｒは供給されたある量の燃料を
燃焼させるために実際に供給した空気量であり、Ｑｔは
供給されたある量の燃料を完全燃焼させるために必要な
理論空気量である。

【００６４】空気比条件を変えて測定した、火炎の発光
スペクトルの一例を図１２に示す。図１２中、空気比条
件１が空気が過剰な場合、空気比条件２が空気が不足し
た状態である。この図を見れば分かるように、反応中間
体であるＯＨラジカル、ＣＨラジカル、Ｃ₂ラジカルの
強い発光（ＯＨラジカル：３１０ｎｍ、ＣＨラジカル：
４３１ｎｍ、Ｃ₂ラジカル：５１７ｎｍ）が観察され、
空気比条件でそれらの強度が変化することが分かる。す
なわち、各ラジカルの発光強度と空気比の関係を調べて
おけば、ラジカルの発光強度から空気比を知ることがで
きる。

【００６５】この場合、単に、一つのラジカルの発光強
度のみを調べたのでは、火炎を観察する窓の汚れに起因
した発光強度の低下と区別ができない。しかし、これ
は、各ラジカル間の発光強度の比を求め、該比を用いて
やれば、窓の汚れによる影響を相殺することができる。
各ラジカル間の発光強度比と空気比の関係を調べた結果
を図１３に示す。この図からも明らかなように、発光強
度比を求めることによって、火炎の空気比を知ることが
できる。なお、ＯＨラジカルは紫外光なので、通常市販
の材質が石英以外のガラス材料の光学部品類では、減衰
してしまう。そこで、扱いやすい光として、可視域の光
であるＣＨラジカルとＣ₂ラジカルの発光を用いるの
が、すなわち、４３１ｎｍと５１７ｎｍの光の強度を調
べて、空気比を求めるのが実用的である。

【００６６】実際の空気比算定においては、カメラから
出力される青画像信号（Ｂ信号）と緑画像信号（Ｇ信
号）の検出強度比を調べれば、ＣＨラジカルとＣ₂ラジ
カルの発光強度比を調べることができる。該強度比の算
出を１受光単位毎に（つまり、画面上、同一の受光単位
（ｉ，ｊ）に属する、青画素と緑画素との間で）、か
つ、画面全体（あるいは、所望の領域）について行え
ば、空気比分布画像を得ることができる（図１４参
照）。

【００６７】以上のように、本実施例の燃焼システムで
は、1台のカメラを用いて、通常のカラ−画像による火
炎の監視と、空気比の分布画像を求めることが出来る。
しかも、該空気比の分布画像を得るに必要な時間は短
く、かつその、精度も良い。また、装置の操作も容易で
ある。従って、燃料及び空気量をより精密に制御するこ
とができ、環境性に優れ、かつ、燃焼効率の高い燃焼シ
ステムを得ることができる。また、カメラが一台である
ためピントの調整は容易である。

【００６８】本実施例のカメラ１０は、そのまま広く火
炎の燃焼状態を測定するのに使用可能である。この場
合、火炎のもととなる燃料は、天然ガス、重油等様々な
液体、気体の燃料について適用することができる。これ
は、これらの燃料はいずれもＣ，Ｈ等を含み、炎部分に
おいては、ＣＨラジカル等の発光を伴っているからであ
る。但し、Ｃを含んでいても石炭等のような固体燃料
は、燃焼の際に、ラジカル発光の他に輻射熱も放出する
ため、カメラ１０をそのまま適用するのではなく、別
途、なんらかの対策を施す必要がある。カメラの受光素
子の感度曲線等を変更すれば、他のあらゆる燃焼状態の
評価に使用できるのは言うまでもない。

【００６９】他の実施例を説明する。

【００７０】該燃焼システムは、１台のカメラで複数の
バ−ナの燃焼性を評価、制御する点を特徴とするもので
ある。

【００７１】該燃焼システムの燃焼器６１を図１５に示
す。なお、該図に示していない部分（例えば、カラ−モ
ニタ４０、演算装置２１、モニタ４１等）については、
基本的には上記実施例と同様である。

【００７２】燃焼器６１はガスタービン燃焼器であり、
内側バーナ群６２と外側バーナ群６３がある。観察窓６
４からの観察結果のうち、空気比分布画像は、モニタ装
置４１に表示され、内側バーナ群６２と外側バーナ群６
３で形成される火炎帯の空気比分布全体が同時に測定で
きる。従って、本実施例においては、同時に複数のバー
ナの燃焼状態を評価し、管理できる効果がある。バーナ
群６２で形成される火炎帯６７やバーナ群６３で形成さ
れる火炎帯６８は、それぞれの火炎帯では均一の空気比
で燃焼することが望ましいが、なんらかの原因で不均一
になっている場合が有る。本実施例によれば、不均一と
なっている事実、およびその不均一となっている場所を
特定することができる。この場合、内側バ−ナ群６２の
燃焼状態を評価する際には、画面上、該火炎帯６７の映
っている領域のデ−タを用いて判断することは言うまで
もない（図１６参照）。同様に、外側バ−ナ群６３の燃
焼状態を評価する際には、画面上、該火炎帯６８の映っ
ている領域のみを用いて判断することは言うまでもない
（図１６参照）。従って、該空気比の不均一を解消すべ
く、燃料量、空気量の調整等を行うことができる。ある
いは、該不均一の原因が燃焼器自体の構造的なものであ
れば、改造個所も明らかになる。炎を均一に燃焼させる
ことは、燃焼効率の向上につながり、また、排出ガス中
窒素酸化物濃度も低減できるので、空気比分布の測定は
非常に効果的である。

【００７３】なお、測定対象が複数あり、かつ、その光
の波長が測定対象によって異なっているような場合（例
えば、バ−ナ６２には炭化水素系の燃料を使用し、バ−
ナ６３には炭化水素を含まない燃料を使用する場合）に
は、ＣＣＤの撮像面上の位置に応じて受光素子の感度特
性を変えても良い。例えば、上記実施例については、図
１７、図１８に示すごとく、主に内側バ−ナ６２を映す
撮像面１０００の中心領域１１００と、主に外側バ−ナ
６３を映す周辺領域１２００とで、分光分析に使用する
受光素子（Ｓ２４〜Ｓ２９）の感度特性を変える。言う
までもなく、中心領域１０００の受光素子（Ｓ２４〜Ｓ
２９）の感度特性は、内側バ−ナ１０００の光を観測す
るに適したものとする。一方、周辺領域１１００の受光
素子（Ｓ’２４〜Ｓ’２９）の感度特性は、外側バ−ナ
６３に適したものとする。但し、カラ−画像を得るため
の受光素子（Ｓ２１〜Ｓ２３）は、ともに、通常のカメ
ラと同じ特性のままとしておく。このようにすること
で、受光素子数の少ないＣＣＤを使用しながらも、より
精密な分光分析が可能となる。また、受光素子数の少な
いＣＣＤは一般に価格が安いため、装置のコストをさら
に低減させることもできる。

【００７４】この他、本発明の分光カメラは、例えば、
プラズマ化学プロセスにおけるプロセス管理への適用が
考えられる。プラズマ化学プロセスとは、発光を伴うラ
ジカルを反応に使用して、物質を合成するプロセスであ
り、発光を伴うラジカルの分布状態が製品の性状を大き
く左右する。従って、該ラジカルの分布状態を常に監視
しつつ、プロセスチャンバ内圧や原料供給量等を制御す
る必要がある。しかしながら、現状においては、ラジカ
ル発光強度分布の監視を行うことはまれであり、通常
は、単に完成品を検査するのみである。そのため、現状
においては、不合格性状を示す割合が高い。現状におい
て、ラジカルの発光強度分布の監視をほとんど行ってい
ないのは、従来のカメラを使用したのでは、装置が複雑
化するからである。すなわち、従来カメラでは、レンズ
の前に、特定波長域の光のみを通過させるフィルタを配
置しなければならない。さらに、監視するラジカルが２
種類以上有る場合や、また、通常のカラ−画像をも得た
い場合には、フィルタの切り換えなどを行うための機械
的な駆動機構を設けるか、カメラを複数台使用しなけれ
ばならない。駆動機構等を設けた場合には、故障等の生
じる可能性も大きく、また取扱も面倒になる。カメラを
複数台使用する構成とした場合には、複数のカメラで、
常に、同一の発光部分を捉えなければならないが、これ
は非常に困難である。なお、ここで言う従来カメラと
は、図３（ｃ）のごとく、Ｒ，Ｇ，Ｂの検出波長域が互
いに重なりあって、全可視波長域を検出波長域とするも
のを指す。本発明の分光カメラおよびこれを用いた分光
システムは、このような問題を伴うことなく適用するこ
とができる。従って、常にラジカル発光強度分布の監視
を行うことができ、品質を高めることができる。

【００７５】上記実施例の説明ではカラ−画像用のモニ
タと、分光分析用のモニタとを別々に設けていたが、テ
レビモニタを１台としてもよい。この場合でも、両機能
の切り換えは装置内での信号処理の内容（あるいは、モ
ニタに出力する信号の選択）を変更するだけでよいた
め、故障等の生じる可能性はほとんどない。また、操作
も容易である。

【００７６】上記実施例の説明においては、ＣＣＤを使
用したカメラを前提として説明を行ったが、これに限定
されるものではない。撮像面上において、部分毎に（画
素毎に）検出波長範囲を異なるものとすることができる
カメラであれば、他の原理あるいは他の方式によって光
を検出するカメラにも適用可能であることは言うまでも
ない。

【００７７】

【発明の効果】本発明の分光システムでは、１台のカメ
ラで、人間の肉眼に近いカラ−画像とと、特定波長の光
のみを抽出しての分光分析との両方を行うことができ
る。従って、コスト的に有利である。また、波長毎の分
光に際して、カメラ外付けのフィルタ等を使用しないた
め、故障等も少なく、操作も通常のカメラと同様であ
る。

【００７８】本発明の分光システムを例えば燃焼評価装
置に適用すれば、カラ−画像と、空気比等に基づく観察
との両方を行うことができる。また、焦点調整といった
単純な光学調整のみで、火炎の燃焼性を短時間に空間的
に評価できる。従って、火炎診断を正しく行うことがで
き、燃焼制御の精度も向上する。さらに、これらの装置
あるいは方法を適用することで環境性に優れ、燃焼効率
の高い燃焼システムを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分光システムの全体構成を示す図であ
る。

【図２】ＣＣＤ上における１受光単位を構成する受光素
子を示す図である。

【図３】本発明のカメラおよび従来のカメラにおける相
対検出感度を示す図である。

【図４】本発明のカメラに汎用性を持たせた場合の理想
的な相対検出感度を示す図である。

【図５】カラ−画像用の受光素子と、分光分析用の受光
素子とを、完全に分けて構成した場合の相対検出感度を
示す図である。

【図６】カラ−画像用の受光素子と、分光分析用の受光
素子とを、完全に分けて構成した場合の相対検出感度を
示す図である。

【図７】検出波長範囲を変えた場合の例を示す図であ
る。

【図８】本発明の分光カメラを燃焼システムに適用する
場合の状態を示す図である。

【図９】本発明の一実施例の燃焼システムの全体構成図
である。

【図１０】採光システムを示す図である。

【図１１】本実施例のカメラの相対検出感度を示す図で
ある。

【図１２】火炎の発光スペクトルを示す図である。

【図１３】ラジカル間の発光強度比と空気比との関係を
示すグラフである。

【図１４】空気比分布画像を得る方法を示す図である。

【図１５】本発明の他の実施例の燃焼システムを示す図
である。

【図１６】図１５の例についての撮影した画面を示す図
である。

【図１７】測定対象に合わせて、撮像面の領域ごとに、
受光素子の感度特性を変えた例を示す図である。

【図１８】測定対象に合わせて、撮像面の領域ごとに、
受光素子の感度特性を変えた場合の、相対検出感度特性
の一例を示す図である。

【符号の説明】

１０……カメラ、１１……燃焼器、２０……画像取り込
み装置、２１……演算装置、２２……画像処理装置、２
４……比較装置、２３、２７……記憶装置、３０……燃
料量制御装置、３１……空気量制御装置、４０、４１３
モニタ装置、５０……バーナ、１００……火炎、６１…
…燃焼器、６２……内側バーナ群、６３……外側バーナ
群、６４……観察窓、６７……火炎帯、６８……火炎
帯、３００……カメラ、４００……信号処理装置、５０
０……モニタ、Ｌ……出力信号線、Ｓ……受光素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 忠孝 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】撮像面上に複数の受光素子を備えるととも
   に、各受光素子の光検出信号を各々分けて出力するカメ
   ラにおいて、 予め決められた組合せの複数の受光素子を一つの受光単
   位とし、該一つの受光単位に含まれる各受光素子は、そ
   の検出波長範囲が重ならないようにしたこと、を特徴と
   するカメラ。
2. 【請求項２】上記一つの受光単位を構成する受光素子
   は、上記撮像面上において隣接して配置されているこ
   と、 を特徴とする請求項１記載のカメラ。
3. 【請求項３】上記一つの受光単位を構成する受光素子全
   体での検出波長範囲は、可視領域全体をカバ−している
   こと、 を特徴とする請求項１記載のカメラ。
4. 【請求項４】ある特定波長の光を観測するカメラにおい
   て、 上記各受光単位中には、上記特定波長付近において最大
   検出感度を有する受光素子が含まれること、 を特徴とする請求項１記載のカメラ。
5. 【請求項５】上記特定波長としては、ＣＨラジカルと、
   Ｃ₂ラジカルと、ＯＨラジカルとの発光波長のうちの少
   なくとも一つが含まれること、 を特徴とする請求項１記載のカメラ。
6. 【請求項６】請求項１記載のカメラと、 上記カメラの出力信号から、所望の受光素子の信号のみ
   を分離する分離手段と、 を備えたことを特徴とする分
   光システム。
7. 【請求項７】請求項１記載のカメラと、 上記カメラの出力信号を用いて、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号をそれ
   ぞれ合成する合成手段と、 を備えたことを特徴とする分光システム。
8. 【請求項８】撮像面上に複数の受光素子を備えるととも
   に、各受光素子の光検出信号を各々分けて出力するカメ
   ラにおいて、 その検出波長範囲に、ＣＨラジカルの発光波長を含む
   が、Ｃ₂ラジカルおよびＯＨラジカルの発光波長は含ま
   ない第１の受光素子と、 その検出波長範囲に、Ｃ₂ラジカルの発光波長を含む
   が、ＣＨラジカルおよびＯＨラジカルの発光波長は含ま
   ない第２の受光素子と、 その検出波長範囲に、ＯＨラジカルの発光波長を含む
   が、ＣＨラジカルおよびＣ₂ラジカルの発光波長は含ま
   ない第３の受光素子と、 のうち少なくとも一つを有すること、 を特徴とするカメラ。
9. 【請求項９】撮像面上に複数の受光素子を備えるととも
   に、各受光素子の光検出信号を各々分けて出力するカメ
   ラにおいて、 隣接した複数の受光素子を一つの受光単位とし、 該一つの受光単位には、 その検出波長範囲に、ＣＨラジカルの発光波長を含む
   が、Ｃ₂ラジカルおよびＯＨラジカルの発光波長は含ま
   ない第１の受光素子と、 その検出波長範囲に、Ｃ₂ラジカルの発光波長を含む
   が、ＣＨラジカルおよびＯＨラジカルの発光波長は含ま
   ない第２の受光素子と、 その検出波長範囲に、ＯＨラジカルの発光波長を含む
   が、ＣＨラジカルおよびＣ₂ラジカルの発光波長は含ま
   ない第３の受光素子と、 のうち、少なくとも２種類の受光素子が含まれること、 を特徴とするカメラ。
10. 【請求項１０】請求項８記載のカメラと、 上記カメラの出力信号から、所望の受光素子の信号のみ
    を分離する分離手段と、 を備えたことを特徴とする分
    光システム。
11. 【請求項１１】請求項８記載のカメラと、 上記カメラの出力信号を用いて、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号をそれ
    ぞれ合成する合成手段と、 を備えたことを特徴とする分光システム。
12. 【請求項１２】複数の受光素子を備えるとともに、各受
    光素子の検出信号を各々分けて出力するカメラにおい
    て、 隣接した複数の受光素子を一つの受光単位とし、 該一つの受光単位には、 通常のカラ−テレビの感度曲線に一致した感度曲線を備
    えたカラ−画像用の受光素子と、 各受光素子の検出波長範囲が互いに重ならない分光分析
    用の受光素子と、が含まれること、 を特徴とするカメラ。
13. 【請求項１３】請求項１２記載のカメラと、 上記分光分析用の受光素子に由来する出力信号のうち、
    所望の受光素子の信号のみを分離する分離手段を有する
    こと、 を特徴とする分光システム。
14. 【請求項１４】火炎の燃焼状態を評価するための燃焼評
    価装置において、 火炎を撮影するカメラと、 上記カメラの出力信号を用いて火炎画像を表示する表示
    手段と、 上記カメラの出力信号を用いて火炎の燃焼性を評価する
    ための物理量を求める演算手段と、 を有することを特徴とする燃焼評価装置。
15. 【請求項１５】上記カメラは、請求項５、８または９記
    載のカメラであること、 を特徴とする請求項１４記載の燃焼評価装置。
16. 【請求項１６】燃料と空気とを燃焼させるバ−ナと、 上記バ−ナに燃料および空気を供給する供給手段と、 上記バ−ナに供給される燃料と空気とのうちの、少なく
    とも一方の供給量を調整する調整手段と、 火炎を撮影するカメラと、 上記カメラの出力信号を用いて火炎画像を表示する表示
    手段と、 上記カメラの出力信号を用いて火炎の燃焼性を評価する
    ための物理量を求める演算手段と、 上記演算手段の求めた上記物理量に応じて上記調整手段
    を制御する制御手段と、 を有することを特徴とする燃焼システム。
17. 【請求項１７】上記カメラは、請求項５、８または９記
    載のカメラであること、 を特徴とする請求項１６記載の燃焼評価装置。