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可視化ソリューション(プロジェクションシュリーレン)

シュリーレン法とは(ポータブルプロジェクションシュリーレン)

ポータブルプロジェクションシュリーレン

ポータブルプロジェクションシュリーレン

シュリーレンとは、光学的な可視化手法の一つで、19世紀に開発された手法です。大気中に透明な気体を噴出させても、気体そのものは直接人間の目で見ることはできません。しかし、噴出した気体と大気中に密度の異なる場合には、その部分を通過する光が屈折し、あかるさに明暗の差が生じます。
この屈折率が極端に大きくなれば、肉眼でも見ることができ、例えば、夏場にみられる陽炎などはこの現象に起因します。この現象を応用した流体の光学的な可視化手法をシュリーレン法と呼びます。シュリーレンはドイツ語の"斑(むら)"に由来します。

シュリーレン法は光源、複数のレンズや極めて高い精度を要求される凸面鏡、ナイフエッジなどの光束カットフィルターを用います。これらの機器を用いて、光束上に出来るかすかな差分が、画像では大きな差分となって現れることを利用し、温度、密度、圧力や結合など重要な物理的パラメーターに起因する、空気や水中での歪み可視化の一般的な技術として確立しています。

従来のシュリーレン装置ではミラーやレンズにより作られた平行光を用いたために計測領域が限られ、広範囲の画像を取る場合は様々な制約がありました。
また、光学系の設置や調整や光源など、さまざまな制約が発生しており、セッティングには膨大な時間と熟練した技術が必要とされてきました。

西華デジタルイメージで取り扱っているSpectabit Optics社のポータブル プロジェクション シュリーレン装置はデジタルフォーカシング(US Patent 9,232,117 B2)を用い、複雑な装置構成や光学調整を必要とせずに、簡単に広範囲のシュリーレン画像が取れる画期的なシステムです。

撮影方法としてはまず、デジタルプロジェクターやモニターなどから映し出されたラインパターン(Fig.1 )をバックにします。次に計測したい対象物を格子状のカットオフフィルター、カメラが一体となっている光学系 sTube(Fig.2 )で撮影します。

fig1.映し出されるラインパターン        fig2.一体光学系sTubeとプロジェクション

fig1. 映し出されるラインパターン        fig2. 一体光学系sTube とプロジェクション


このときsTube内に組み込まれたカメラ側のレンズの焦点はスクリーンやカットオフフィルターではなく、熱流やガスリーク疑定点などの計測したい対象物に合わせます。
計測したい対象物に焦点を合わせるため、仮にスクリーンや画面のラインパターンが大きくても、背景に投影されているスクリーンパターンはほとんど焦点が合っていない状態にまで被写界深度が浅くなります。

もし、大気中の屈折率が一定である状態(密度勾配がない状態)であれば、光線はスクリーンや画面から、光線のおおよそ半分はsTube内のカットオフフィルターに直進します。
SchlierenView™ソフトウェアに組み込まれている、高度な画像処理アルゴリズムは、バックグラウンドノイズを除去し、コントラストを強化し、均一な強度のバックグラウンドをもたらすために適用されます。

測定環境の中に対して、高温および低温の気流、大気とは大きく成分の異なるガス、衝撃波などは、測定環境に対して屈折率の変化をもたらし、密度勾配が大きい状態を作り出します。
そのため、密度勾配が大きい部分が存在すれば、SchlienViewソフトウエアによって、スクリーンや画面上に投影されたラインパターンを歪ませます。
温風や冷風、蒸気、衝撃波は歪みとしてスクリーン上のラインパターンを背景に、sTube内のカットオフフィルターを通して、カメラ等のイメージセンサーに光量変化として現れます。

sTubeを通して、結果として得られる画像では、灰色の背景に鋭く集中した明暗の物体として、先鋭化されて、いわば光学式シュリーレンのナイフエッジの働きをし、気流と衝撃波が画像として現れます。
また、SchlierenView™ソフトウェアを用いた本システムは非常に敏感で感度が高く、伸ばした手の手のひらから暖かい空気が上昇すもようを観察することができます。

このポータブルプロジェクションシュリーレンシステムによる革新的なシステムは、これまでのほとんどのシュリーレンシステムに比べて、非常に大きな実用上の利点を持っています。
まず、ポータブルプロジェクションシュリーレンシステムに実装されているコンポーネントは、1)一体化されたsTube光学系、2)プロジェクタあるいはディスプレイ、3)PCの3点のみです。
この一体化されたsTubeは非常に軽量です。また、sTube光学系は設置するだけでシュリーレン画像を得ることができます。
これまでの従来型のシュリーレン法に必要とされてきた光学系の複雑な調整は一切必要ありません。

既製のデジタルプロジェクタや、ディスプレイを使用しますので、計測撮影の規模に応じてさまざまなシステムを構築することができます。
また、プロジェクタによってラインパターンを投影しますので、計測対象が広範囲にわたっているとしても、用意するのは小型のプロジェクタで対応可能です。
ポータブルプロジェクションシステムに必要なのは、sTubeとデジタルプロジェクタもしくはディスプレイです。
これらは簡単な三脚に取り付けることができます。これ以外には、SchlierenView™ソフトウェアをコントロールするPCが必要です。
投影スクリーンはオプションであり、必ずしも必要ではありません。1.5M 程度の被写体であれば、平らで、ある程度明るく塗装された壁があれば撮影可能です。
4.5M以上の撮影距離を必要とする場合においてのみ、スクリーンが必要となります。この場合のスクリーンも特別なものは必要なく、市販のもので充分に機能します。

用途

用途

用途
  • 熱対流の可視化
  • 衝撃波、衝撃音、ノイズの可視化
  • CO2やヘリウムなど各種ガスリーク、排気の可視化
  • 各種温度・圧力変化等の可視化

シュリーレン動画ギャラリー

炭酸飲料 開封時の炭酸ガスの可視化

自動車エンジン 実車エンジンルームの放熱の可視化

ブタンガスの可視化 ( 約10mmパイプからのリークテスト事例 )

システム構成

システム構成

  • 一体光学系sTube(レンズ、センサー部込み)
  • Workstation
  • デジタルプロジェクタおよびディスプレイ
  • 外部レコーダー
  • スクリーン
  • ソフトウエア ( SchlierenView )

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