3.3 カメラ撮影
アーク現象のカメラ撮影では、用いる機材や撮影条件が通常の風景撮影とは少し異なります。常識的な話ですが、何を目的として、どのような撮影をして、いかなる解析を行って、その結果を理解してもらうべく表示する、の一連の内容を吟味して撮影する必要があります。右図に撮影手法の概略を示します。撮影目的(何を見たいのか)によって、用いるべきカメラの種類や性質が決まります。同時に、用いるべき照明およびフィルタの性質や種類も決まります。さらには解析手段を何にするのかによって、トレーサーなどの用意が必要になる場合もあります。撮影目的によっては、Ｘ線カメラが必要なこともあります。
右図に撮影機材から出力までの一連の過程と照明効果の例について示します。実際に生起している事象は種種雑多な情報を有しています。その光がレンズを通過する時点で、紫外や赤外の情報が除去され、レンズによる歪も生じます。撮像素子に到達した光は、各素子で光の強度に応じた電荷を発生します。カラー撮影の場合には、素子のＢａｙｅｒ配列などによる色フィルターを通過して所定の色情報に応じた光が到達します。フィルターによる減衰と波長帯に依存した電荷発生効率により、色情報は大きく変形します。発生した電荷を意味のあるデジタル信号に変換するために、アンプでＡＤ変換可能な電圧まで増幅します。この過程で光強度が弱い場合には雑音の影響が大きく、光強度が強すぎる場合には増幅しにくくなります。アナログ式のカメラの場合には、データ転送過程で減衰とノイズの付与があります。デジタル信号に変換された場合には、雑音の影響は少なくなります。データは記録され、モニタで出力されますが、一般的にモニタは信号に比例して明るくはならないために、ガンマ変換などの強度変換を行って自然な色合いに調整されます。
右図はアーク溶接を撮影する場合の特徴を表しています。照明に使用する光源の性質と、撮影する物体表面の性質により、カメラに入る光量が決まります。問題はアークの光が通常の照明光より格段に大きい点にあります。この結果、散乱や減衰によりカメラに到達する光が所定の品質に達しない場合もあります。撮影したい事象が水中にある場合には、カメラを水中に設置する場合もあります。あるいは外部に設置したカメラで撮影する場合もあります。
同じ事象を撮影する場合でも、カメラと撮影対象との距離により、カメラに到達する光強度が異なり、周辺(背景)からの光の量も異なります。上図に示すように、カメラ位置と画角により得られる画像は大きく異なります。この結果、高品質撮影を行うために必要な照明も、それぞれの条件により異なってきます。
アーク現象の撮影の場合、(1)アークが発生している領域と(2)溶融池の領域および(3)母材などの背景部分とでは、光の強度とその周波数成分とが大きく異なり、通常のカメラでの撮影は困難となります。図17は対数表示をしてあるため、３領域の強度分布ははっきりと分かれているように見えます。図18は直線で表示した例で、溶融池領域と背景領域両者とも、アーク光に比べて格段に強度が弱いために、普通にアークを撮影すると上図右のように背景部は真っ黒に撮影されます。絞りを極端に絞って、溶融池部分が明瞭に観察できるようにすると、アーク部は完全に飽和してしまい、アーク領域内部の相違は観察不可能になります。
溶融池領域と背景領域およびアーク領域をすべて高品質な映像として撮影したい場合には、高強度の外部照明を用いる必要があります。一般にはアークに匹敵する外部光源を用意することは困難です。溶融池とアーク部とを高品質に撮影する効果的な方法は、狭い帯域の波長のみを通過させる干渉フィルターを用いる方法です。溶融池部分からの光波長成分を含んだ波長帯域で、アークからの発光成分があまり強くない帯域でかつカメラに感度がある帯域として900-1500nmの波長帯があります。例えば950nm近傍の光のみを透過する干渉フィルターを用いて撮影すれば、
アークと溶融池とが明瞭に撮影できます。この場合、可視光とピントの合う距離が異なるため、ピントあわせが難しくなります。幸い、テレビのリモコンなどはこの波長のLEDを用いていますので、リモコンのLEDを被写体におくことであらかじめピントあわせを行うことができます。
通常のアーク溶接で発生するアーク光強度は、1-10kW程度になります。アーク光に匹敵する強力な光源を用意することは、容易ではありません。昔は、カーボンアークなどを用いて撮影することもありました。1990年代からアーク溶接中に溶接線を検出するためにレーザを利用することが行われていました。特定波長のレーザを照明することで、現象の観察が容易になります。アークからの光は特定波長の
離散的なスペクトルと再結合などで生じる連続波長の光です。
アーク光の強い波長帯を含んで撮影すると、レーザ照明でも効果はありません。しかし、レーザ照明の波長にあわせた狭帯域の干渉フィルタをカメラに装着すれば、、鮮明な映像を撮影することができます。この場合には、レーザのパルスが発生している瞬間に、カメラのシャッターが開いていること、なおかつ、シャッターが開いている時間幅がレーザのパルス幅より大きいが、連続的に蓄積されるアークからの光より強いことが必要です。高速度ビデオのほとんどは、パルス照明に同期する機能があります。レーザ自体は単色のコヒーレントな光ですから、例えば、緑色のレーザを照明に使用した場合には、アークから発生している赤や青そして緑の光も同時に撮影します。現在では、デジタル化が進展し、NTSC方式のカメラを用いて撮影する機会(カメラ)は減少してしまいましたが、NTSC方式のカメラは、1/60秒の時間間隔で、奇数ラインと偶数ラインとを交互に撮影していました。このため、映像を奇数ラインと偶数ラインとに分離してしまえば、照明で明るく撮影された背景領域と、照明されていないくらい背景の写真を得ることができます。
この両者の映像を利用して、アークは金属蒸気の影響の少ない映像を抽出することができます。白黒画像の撮影の場合には、レーザの波長のみを透過させる干渉フィルタをカメラに装着することで、連続発振の半導体レーザを照明に使用できます。
右図に、明るさ(画像素子に入射する光量)と得られる輝度との関係を示します。図15が両対数表示をした関係、図16が通常の座標系です。両対数表示のグラフには、比較のためにCCDとCMSの感度を記載しています。実際の画像データは８ビットで取り扱いますから、
計測目的でリニアーな関係で撮影する場合には、データ品質には実質的な影響はほとんどありません。高速度カメラが取り扱うデータは12ビットからよりダイナミックレンジの大きい16ビットにシフトする傾向があり、CMOSの特性が有効に活用できる傾向となっています。右図に、溶接現象の撮影のときに知っておいたほうが好ましい、大まかな明るさの関係を示しておきます。
次章 2014.10.10作成 2019.8.5改定