JPH0735764A - 気流の可視化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 気流を鮮明に可視化する。 【構成】 可視化しようとする気流中に、純水ミストを
混入する。レーザ発振装置３から特定の可視光域の波長
を含んだビーム状のレーザ光を、繰り返し走査させるよ
うにして前記気流に照射し、その際に生じる純水ミスト
からの散乱光を、前記レーザ光の発振波長域にだけ相対
的に高い透過率を持った光学フィルタ９を通して認識す
る。 【効果】 散乱光の光の強度は大きく、レーザ発振装置
を小型化できる。しかも光学フィルタの透過特性と相俟
って、気流を鮮明に可視化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気流の可視化方法に係
り、可視化しようとする気流中に混入したトレーサにレ
ーザ光を照射し、その際に生ずる散乱光を認識すること
によって気流を可視化する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来気流を可視化するにあたっては、い
わゆるトレーサ法が多用されている。これは可視化しよ
うとする気流中にトレーサを混入し、このトレーサの動
きによって気流の動きを視覚によって認識しようとする
ものであり、多くの場合、これらトレーサ自体の動きを
ビデオカメラ等で撮影して記録するようにしている。

【０００３】そして従来における方法では、トレーサと
して、気流に浮遊しやすい軽い微小粒子、例えば線香の
煙や化学合成された微粉末を用いたり、あるいは清浄な
水（純水）を原料にした微小な水滴ミストを用いてい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
技術中、前者の煙や微粉末をトレーサとして用いる方法
によれば、可視化しようとする気流中やその周辺部にあ
る物体の表面に、これらの粒子が付着し、表面汚染を引
き起こす。そのため例えばクリーンルームなどの清浄空
間では使用することができない。

【０００５】一方後者の純水を原料にした微小水滴ミス
トをトレーサとして用いる方法によれば、ミストが表面
に付着しても短時間の間に蒸発するため、上記のような
表面汚染を引き起こす恐れはない。

【０００６】ところが水滴ミストは気流で搬送される短
時間の間に蒸発したり、周囲に拡散してしまって著しく
その個数濃度が減少してしまい、その結果ビデオカメラ
等で撮影した画像の鮮明度が不足し、特に気流の下流側
や乱れが大きい部分では十分に気流を観察できないとい
う問題があった。

【０００７】さらに従来は、適宜の照明装置によって気
流中に光を照射し、微小水滴ミストからの反射光を観測
するようにしているが、画像の鮮明度を向上させるに
は、大型の照明装置で照明したり、大出力のレーザ発振
装置から出たレーザ光をシート状に広げて照射するな
ど、大がかりな光源装置を必要とした。

【０００８】しかもレーザ光を用いて広い空間の可視化
を行う場合には、通常、ビーム状のレーザ光をシリンド
リカルレンズなどで広げることにより面状光として、可
視化したい空間に照射しているが、面状のレーザ光の強
度は、ビーム状のレーザ光の強度よりも格段に低下して
しまう。したがって、その分微小水滴ミストからの反射
光が弱まり、さほど鮮明な画像を得るには至らなかった
のである。

【０００９】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、表面汚染を発生させず、しかもビデオカメラ等で
撮影した場合にも鮮明な画像が得られ、また必要な装置
も小型化できる気流の可視化方法を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１によれば、可視化しようとする気流中に、
この気流によって移動するトレーサを混入し、特定の可
視光域の波長を含んだビーム状のレーザ光を、繰り返し
走査させるようにして前記気流の、例えば特定エリアに
照射し、その際に生じる散乱光を、前記レーザ光の発振
波長域にだけ相対的に高い透過率を持った光学フィルタ
を通して認識することを特徴とする、気流の可視化法が
提供される。

【００１１】ここでビーム状のレーザ光を、そのように
特定エリアに対して繰り返し走査させるようにして照射
するには、例えばレーザ光発振装置自体を例えば所定角
度の範囲内で回動させたり、一旦ミラーに反射させてそ
の反射光によってを特定エリアを照射するように構成
し、かつ当該ミラーを所定角度の範囲内で回動させるよ
うにしてもよい。この場合、後者の方がレーザ光発振装
置に与える影響がないので、実用上好ましい。

【００１２】またその際の単位時間あたりの走査回数
は、１秒間に６０回程度以上が好ましい。そうすれば視
覚によって認識する場合、視覚の残像現象によって連続
的な画像として認識されるからである。

【００１３】そして散乱光を認識するための具体的な手
段としては、視覚による直接の認識の他に、例えばビデ
オカメラでの画像化や光学カメラによる写真撮影等が挙
げられる。

【００１４】上記請求項１における構成中、特定の可視
光域の波長を含んだビーム状のレーザ光は、次のような
理由から、紫外線（波長３９０ｎｍ以下）や赤外線（８
００ｎｍ以上）を含まないレーザ光が好ましい。

【００１５】すなわち、紫外線は別名「化学線」とも呼
ばれるように強い化学作用があり、空気中で照射すると
オゾンを発生させたり、人の目に入射した場合には視力
障害を引き起こす恐れがあり好ましくない。しかも半導
体製造におけるフォトリソグラフィ工程では特定の波長
の光に反応するレジストと呼ばれる薬剤を使用してお
り、その反応波長は３６５ｎｍ（ｉ線）などにあるた
め、使用場所等に制限が加えられる。

【００１６】一方赤外線は紫外線と異なり化学作用は少
ないが、物体に当たると吸収された大部分が熱に変わる
性質がある。そして高温物体や照明灯表面からも赤外線
が盛んに放射され、常温下の機器、器具さらには人体か
らも赤外線が放射されている。したがって、赤外線を含
むレーザ光を使用した場合、気流中に混入した水滴ミス
トからの散乱光にこれら種々の物体からの放射赤外線が
混ざり、光学フィルタを用いても両者を分離することが
難しくなる場合があるからである。

【００１７】請求項２によれば、上記の気流の可視化方
法において、アルゴン（Ａｒ⁺）レーザによるレーザ光
を用いたことを特徴とする、気流の可視化方法が提供さ
れる。

【００１８】請求項３によれば、トレーサとして、純水
を原料として発生させた水滴ミストを用いたことを特徴
とする気流の可視化方法が提供される。かかる場合、純
水の水滴ミストを発生させるには、水槽内の純水を超音
波によって振動させてその方面からミストを発生させる
方法、純水水蒸気を急冷凝縮して純水ミストを発生させ
る方法などを用いることができる。

【００１９】

【作用】請求項１によれば、レーザ光が気流中に照射さ
れた際に、気流中のトレーサから生ずる散乱光を、前記
レーザ光の発振波長域にだけ相対的に高い透過率を持っ
た光学フィルタを通して認識するようにしているので、
迷光（コントラストを低下させる光）として入ってくる
照明光の成分を極力少なくすることができる。したがっ
て、例えばビデオカメラ等でこれを撮影した場合、画像
中のトレーサの鮮明度が向上する。

【００２０】ところで、近年の無窓建築工場（半導体製
造用のクリーンルーム等）の照明には、分光分布が図
１、図２および図３に示されるような蛍光灯が使用さ
れ、その中でも通常は図２に示された昼白色蛍光灯が多
く使用されている。一方、特殊な環境、例えば半導体製
造におけるフォトリソグラフィ工程では、分光分布が図
４に示される純黄色カラード蛍光灯が使用されている。

【００２１】これらの分光分布は、前記図１〜４でわか
るように可視光の波長域全体に分布しているが、本発明
ではレーザ発振光が特定の波長の光（線スペクトル）を
出すことに着目し、光学フィルタの透過特性を特定波長
のみに極力限定することで、背景や他の照明光などから
入り込む迷光の量を抑え、鮮明な可視化画像を得ること
が可能である。

【００２２】また照射光にビーム状レーザを使い、可視
化空間に高周波で繰り返し走査することにより、散乱光
の光の強度を強くすることができ、また光源装置自体の
小型化を図ることが可能である。しかもレーザ光の搬送
は光ファイバなどで行えるため、光源装置本体と可視化
空間の距離を離すことができ、それによって可視化する
空間の気流を乱すことをも防止できる。

【００２３】さらに、レーザ光はハーフミラー等で分配
が可能であるため一台の光源装置で複数の場所における
気流の可視化も可能である。

【００２４】請求項２によれば、アルゴン（Ａｒ⁺）レ
ーザによるレーザ光を用いているが、アルゴンレーザ
は、例えば数十Ｗ程度もの比較的高い出力が容易に得ら
れ、しかも取扱いが容易である。

【００２５】そのうえＡｒ⁺レーザ励起色素レーザで
は、色素を選択することにより、４００〜１０００ｎｍ
の波長範囲の連続発振が得られ、使用する照明条件等に
応じて、適宜選択的に発振波長を設定することにより、
鮮明な画像を得ることが可能となっている。

【００２６】請求項３によれば、さらにトレーサとし
て、純水を原料として発生された水滴ミストを使用して
いるから、これら水滴ミストが蒸発しても不純物が残存
せず、物体の表面や室内を汚染することがない。

【００２７】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図５は、本実施例を実施するための基本的なシス
テムの構成を示しており、１は水蒸気の急冷方式によっ
て純水ミストを発生させるミスト発生装置であって、こ
のミスト発生装置１には、可視化しようとする気流空間
へ純水ミストを吹き出すためのノズルを多数有するノズ
ル装置２が接続されている。

【００２８】３はレーザ発振装置であり、本実施例にお
いては、アルゴンレーザ発振装置を用いており、その発
振線と相対出力は、図６のグラフに示したような特性を
有するものである。そしてこのレーザ発振装置３から発
進されたレーザ光は、光ファイバ４によって可視化しよ
うとする気流空間付近まで搬送され、レンズ装置５によ
ってビーム状のレーザ光が、可視化しようとする気流空
間付近に設けられた振動ミラー６に向けて射出されるよ
うに構成されている。

【００２９】この振動ミラー６は、適宜の駆動装置（図
示せず）によって３０Ｈｚ以上の振動数で往復回動する
ように構成されており、レンズ装置５からのビーム状の
レーザ光を反射させ、前記往復回動運動によって、可視
化しようとする気流空間内の特定エリア（断面）に、当
該反射光を連続走査するように構成されている。

【００３０】７は撮影用のビデオカメラであり、このビ
デオカメラ７のカメラ用レンズ８には、光学フィルタ９
が設けられている。本実施例で使用したこれらビデオカ
メラ７の撮像管の分光感度と、光学フィルタ９の透過特
性は、図７のグラフに示した通りであり、特に光学フィ
ルタ９の透過特性は、約４７５ｎｍ〜５２５ｎｍの間の
波長の光のみを、高い透過率で透過させる特性を有して
いる。

【００３１】そしてビデオカメラ７で撮影された可視化
しようとする気流空間の画像は、モニタ１０で確認され
ながら、ビデオデッキ１１で記録されるようになってい
る。なお１２は室内照明灯である。

【００３２】本実施例を実施するためのシステムは以上
のように構成されており、可視化画像を得る際には、ま
ずミスト発生装置１によって純水ミストを発生させてこ
れを可視化しようとする気流空間内に混入させ、さらに
振動ミラー６を作動させるとともに、レーザ発振装置３
からビーム状のレーザ光を振動ミラー６に向けて射出さ
せる。

【００３３】そうするとレーザ光は振動ミラー６によっ
て反射されて、可視化しようとする気流空間内の特定エ
リア（断面）を繰り返し連続走査し、その際に生ずる純
水ミストからの散乱光が、光学フィルタ９を通じてビデ
オカメラ７で撮影される。

【００３４】この場合光学フィルタ９の透過特性は、図
７に示したように約４７５ｎｍ〜５２５ｎｍの間の波長
の光のみを高い透過率で透過させる特性を有し、透過さ
せる波長帯が極めて狭いものとなっている。一方レーザ
光の発振波長群における出力の大きい主要な波長が、４
８８．０ｎｍと５１４．５ｎｍであるから、かかる波長
でレーザ光を発振させることにより、光学フィルタ９を
通じて他の迷光はカットされ、ビデオカメラ７で撮影さ
れるこれら純水ミストからの散乱光の画像は極めて鮮明
となる。したがって、前述の光学フィルタ９の透過特性
と相俟って、トレーサとしての純水ミストの動きを鮮明
に画像化することが可能である。

【００３５】またレーザ光は可視化しようとする気流空
間に繰り返して走査しているので、純水ミストからの散
乱光の強度は大きくなっており、この点からも鮮明な画
像が得られるものである。またレーザ発振装置３につい
ても、さほど出力の大きいものでなくとも構わず、装置
を小型化できる。

【００３６】しかもレーザ発振装置３から発振されるレ
ーザ光を４８８．０ｎｍ、５１４．５ｎｍに設定してお
くことにより、人体や観測自体に悪影響を与える紫外線
（波長３９０ｎｍ以下）や赤外線（８００ｎｍ以上）を
含まないものとなり、この点でも好ましい可視化方法と
なっている。

【００３７】さらにレーザ発振装置３から発振されるレ
ーザ光は、上記の如く、可視化しようとする気流空間付
近まで光ファイバ４によって搬送させることができるの
で、光源装置であるレーザ発振装置３を、可視化しよう
とする気流空間から離して設置することができ、当該気
流空間の気流を乱すことはない。

【００３８】一方散乱光を発するトレーサは、ミスト発
生装置１から発生される純水ミストが用いられているか
ら、蒸発しても不純物が残存せず、物体の表面や室内を
汚染することがない。

【００３９】ところでレーザ光はハーフミラー等で分配
が可能であるから、１のレーザ発振装置を用いて同時に
複数の異なった場所の気流空間の可視化も可能である。
図８はそのような場合の他の実施例のシステム要部を示
しており、レーザ発振装置３、及びこのレーザ発振装置
３から発振されるビーム状のレーザ光をレンズ装置５ま
で搬送させる光ファイバ４の構成は、前出第１実施例と
同様であるが、本第２実施例においては、レンズ装置５
から射出されるビーム状のレーザ光は、まずハーフミラ
ー２１に照射され、このハーフミラー２１を通過するレ
ーザ光はミラー２２に向けて射出されるように構成され
ている。

【００４０】そしてハーフミラー２１によって反射され
たレーザ光は、ミラー２３で反射されて第１振動ミラー
２４に向けて照射され、一方ハーフミラー２１を通過し
てミラー２２に向けて射出されたレーザ光は、ミラー２
５で反射されて第２振動ミラー２６に向けて照射される
ように構成されている。

【００４１】上記各第１振動ミラー２４及び第２振動ミ
ラー２６は、既述の第１実施例における振動ミラー６と
同様、適宜の駆動装置（図示せず）によって往復回動す
るように構成されており、夫々可視化しようとする別の
気流空間内の特定エリアＰ、Ｑに、前記レーザ光を繰り
返し照射して、各々対応する各エリアを連続走査するよ
うに構成されている。

【００４２】かかる第２実施例によれば、１台のレーザ
発振装置３によって異なった２カ所の気流空間に存する
特定のエリアＰ、Ｑを夫々可視化することが可能であ
る。

【００４３】

【発明の効果】請求項１によれば、トレーサからの散乱
光の強度を大きくすることができ、光源装置の小型化が
図れる。そして特定波長の光を照射する一方、トレーサ
からの散乱光を光学フィルタで透過させることにより、
トレーサの散乱光を強調することができ、散乱光強度の
大きさと相俟って、気流を鮮明に可視化することが可能
である。しかもレーザ光の搬送は光ファイバなどで行え
るため、光源装置本体と可視化空間の距離を離すことが
でき、それによって可視化する空間の気流を乱すことを
も防止できる。そのうえレーザ光はハーフミラー等で分
配が可能であるため、一台の光源装置で複数の場所にお
ける気流の可視化も可能である。

【００４４】請求項２によれば、請求項１の発明を実施
するうえで、アルゴンレーザによるレーザ光を使用して
おり、その発振波長群における出力の高いの主要な波長
が４８８．０ｎｍと５１４．５ｎｍと狭い波長範囲で存
在するため、光学フィルタの透過特性をこれらの狭い範
囲に限定することができ、より効果的に迷光の侵入を防
ぐことができる。またアルゴンレーザは、取扱いが容易
で、比較的高い出力も容易に得られるので、装置化して
システム構成することが簡単である。

【００４５】請求項３によれば請求項１、２の効果をそ
のまま保持しつつ、さらに水滴ミストが蒸発しても不純
物が残存しないので、器具表面や室内を汚染することが
ないという効果が得られる。従って、清浄度を要求され
るクリーンルーム内においても適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】昼光色蛍光灯の分光分布を示すグラフである。

【図２】昼白色蛍光灯の分光分布を示すグラフである。

【図３】白色蛍光灯の分光分布を示すグラフである。

【図４】純黄色カラード蛍光灯の分光分布を示すグラフ
である。

【図５】第１実施例にかかる気流の可視化方法を実施す
るためのシステムの構成を示す説明図である。

【図６】アルゴンレーザの発振波長と相対出力との関係
を示すグラフである。

【図７】第１実施例で用いた光学フィルタの透過特性と
ビデオカメラの撮像管の分光感度特性を示す説明図であ
る。

【図８】第２実施例にかかる気流の可視化方法を実施す
るためのシステムの構成の要部を示す説明図である。

【符号の説明】

１ ミスト発生装置 ３ レーザ発振装置 ４ 光ファイバ ５ レンズ装置 ６ 振動ミラー ７ ビデオカメラ ９ 光学フィルタ １０ モニタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可視化しようとする気流中に、この気流
   によって移動するトレーサを混入し、特定の可視光域の
   波長を含んだビーム状のレーザ光を、繰り返し走査させ
   るようにして前記気流に照射し、その際に生じる散乱光
   を、前記レーザ光の発振波長域にだけ相対的に高い透過
   率を持った光学フィルタを通して認識することを特徴と
   する、気流の可視化法。
2. 【請求項２】 レーザ光はアルゴンレーザによるレーザ
   光であることを特徴とする、請求項１に記載の気流の可
   視化法。
3. 【請求項３】 トレーサは、純水を原料として発生され
   る水滴ミストであることを特徴とする、請求項１又は２
   に記載の気流の可視化法。