JP2003270261A - 局所空間平均粒子追跡法 - Google Patents
局所空間平均粒子追跡法Info
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Landscapes
- Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ブラウン運動による速度ベクトルの変動成分
と流れ場に存在する速度変化を分離し、時間分解能を犠
牲にすることなくブラウン運動の影響を取り除くことが
できる局所空間平均粒子追跡法を提供することを目的と
する。 【解決手段】 トレーサ粒子を撮像し、その粒子の移動
距離から、速度を計測する計測方法において、あらかじ
め決められた画素の集合に属するトレーサ粒子を見出す
ステップと、そのトレーサ粒子のそれぞれの位置の変化
から、それぞれの速度ベクトルを求めるステップと、前
記それぞれの速度ベクトルから、前記の集合を代表する
速度ベクトルを求めるステップと、その集合を代表する
速度ベクトルと画素の集合を代表する位置との対応づけ
を行うステップとを備える方法とする。また、その速度
ベクトルと画素の集合を代表する位置との対応づけを用
いて、マイクロチャネル内における流速の測定を行う。
と流れ場に存在する速度変化を分離し、時間分解能を犠
牲にすることなくブラウン運動の影響を取り除くことが
できる局所空間平均粒子追跡法を提供することを目的と
する。 【解決手段】 トレーサ粒子を撮像し、その粒子の移動
距離から、速度を計測する計測方法において、あらかじ
め決められた画素の集合に属するトレーサ粒子を見出す
ステップと、そのトレーサ粒子のそれぞれの位置の変化
から、それぞれの速度ベクトルを求めるステップと、前
記それぞれの速度ベクトルから、前記の集合を代表する
速度ベクトルを求めるステップと、その集合を代表する
速度ベクトルと画素の集合を代表する位置との対応づけ
を行うステップとを備える方法とする。また、その速度
ベクトルと画素の集合を代表する位置との対応づけを用
いて、マイクロチャネル内における流速の測定を行う。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、マイクロチャネ
ル内における微小領域速度計測に使用することのできる
局所空間平均粒子追跡法に関するものである。
ル内における微小領域速度計測に使用することのできる
局所空間平均粒子追跡法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】少ない量の試料を用いて分析を行うため
や反応生成物を調べるために、マイクロチャネルが用い
られている。このマイクロチャネルは、微細加工技術を
用いてガラスなどの基板上に作られる。その、マイクロ
チャネル内部には、微量な流体が流されるが、微小空間
における流体現象を利用して、微量な試料の分離や混合
を効果的に行うことが可能である。しかし、多くの場
合、マイクロチャネル内部では、非定常な流れとなるた
め、これらの流体を用いたマイクロデバイスの更なる高
効率化・高精度化のためには、内部の流れを詳細に捉え
る必要がある。
や反応生成物を調べるために、マイクロチャネルが用い
られている。このマイクロチャネルは、微細加工技術を
用いてガラスなどの基板上に作られる。その、マイクロ
チャネル内部には、微量な流体が流されるが、微小空間
における流体現象を利用して、微量な試料の分離や混合
を効果的に行うことが可能である。しかし、多くの場
合、マイクロチャネル内部では、非定常な流れとなるた
め、これらの流体を用いたマイクロデバイスの更なる高
効率化・高精度化のためには、内部の流れを詳細に捉え
る必要がある。
【０００３】このような速度計測手法としては多数存在
するが、マイクロチャネル内部での速度計測には、粒子
画像流速計（ＰＩＶ; Particle ImageVelocimetry）が
利用できることが知られている。この計測方法は、例え
ば、トレーサ粒子を連続して撮像した２枚の画像からト
レーサ粒子の移動距離を計測し、撮像時間差で除して流
速とするものである。この撮像においては、連続光源と
テレビカメラなどの時間分解可能な撮像装置の組み合わ
せや、パルス光源と写真乾板あるいはテレビカメラの組
み合わせが使われる。
するが、マイクロチャネル内部での速度計測には、粒子
画像流速計（ＰＩＶ; Particle ImageVelocimetry）が
利用できることが知られている。この計測方法は、例え
ば、トレーサ粒子を連続して撮像した２枚の画像からト
レーサ粒子の移動距離を計測し、撮像時間差で除して流
速とするものである。この撮像においては、連続光源と
テレビカメラなどの時間分解可能な撮像装置の組み合わ
せや、パルス光源と写真乾板あるいはテレビカメラの組
み合わせが使われる。
【０００４】また、マイクロチャネルに適用可能なＰＩ
Ｖ（マイクロＰＩＶ） は、文献１（Santiago , J.
G., ほか4 名, Exp. in Fluids,25 (1998), 316）に記
載されている。このＰＩＶは、顕微鏡を用いてＰＩＶ
を微小空間における速度計測に適用したものである。こ
こで用いるトレーサ粒子は数百ｎｍと非常に小さく、対
象とする流れ場の速度が遅いため、トレーサ粒子のブラ
ウン運動が顕著となる。ＰＩＶ は粒子が流れに追従し
画像フレーム間で粒子の相対位置が変化しないという前
提で使用するが、ブラウン運動によりこの前提が満たさ
れない可能性があり、速度検出の際にブラウン運動の影
響を受けることになる。
Ｖ（マイクロＰＩＶ） は、文献１（Santiago , J.
G., ほか4 名, Exp. in Fluids,25 (1998), 316）に記
載されている。このＰＩＶは、顕微鏡を用いてＰＩＶ
を微小空間における速度計測に適用したものである。こ
こで用いるトレーサ粒子は数百ｎｍと非常に小さく、対
象とする流れ場の速度が遅いため、トレーサ粒子のブラ
ウン運動が顕著となる。ＰＩＶ は粒子が流れに追従し
画像フレーム間で粒子の相対位置が変化しないという前
提で使用するが、ブラウン運動によりこの前提が満たさ
れない可能性があり、速度検出の際にブラウン運動の影
響を受けることになる。
【０００５】ここで、ブラウン運動が偏りのないランダ
ムな運動であることから、文献１には、速度ベクトルの
時間平均を行って速度ベクトル分布を平滑化する方法が
記載されている。また、文献２（Meinhart, C. D., ほ
か2 名, Exp. in Fluids, 27(1999), 414）あるいは文
献３（Meinhart , C. D., ほか2 名,Symposium on Opti
cal Methods and Image Processing in Fluid Flow, AS
ME/JSMEFluid Engineering Conference, San Francisc
o, CA, U.S.A, July 18-23 (1999),FEDSM99-7261）に
は、ＰＩＶ の相関演算の際に算出される相関値マップ
を時間平均し、速度ベクトル分布を平滑化する方法が記
載されている。
ムな運動であることから、文献１には、速度ベクトルの
時間平均を行って速度ベクトル分布を平滑化する方法が
記載されている。また、文献２（Meinhart, C. D., ほ
か2 名, Exp. in Fluids, 27(1999), 414）あるいは文
献３（Meinhart , C. D., ほか2 名,Symposium on Opti
cal Methods and Image Processing in Fluid Flow, AS
ME/JSMEFluid Engineering Conference, San Francisc
o, CA, U.S.A, July 18-23 (1999),FEDSM99-7261）に
は、ＰＩＶ の相関演算の際に算出される相関値マップ
を時間平均し、速度ベクトル分布を平滑化する方法が記
載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のＰＩＶ
では、定常な流れ場を計測する際には、このような時間
平均操作はブラウン運動の速度検出に与える影響を取り
除くのに有効である。しかし、流体の挙動を任意に制御
する非定常な流れ場を目的とした計測を実行するとき、
時間平均操作はブラウン運動の影響である速度ベクトル
の変動成分を取り除くと同時に、流れ場に存在する時間
的な速度変化までも平滑化し速度情報から取り除いてし
まう。
では、定常な流れ場を計測する際には、このような時間
平均操作はブラウン運動の速度検出に与える影響を取り
除くのに有効である。しかし、流体の挙動を任意に制御
する非定常な流れ場を目的とした計測を実行するとき、
時間平均操作はブラウン運動の影響である速度ベクトル
の変動成分を取り除くと同時に、流れ場に存在する時間
的な速度変化までも平滑化し速度情報から取り除いてし
まう。
【０００７】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
ブラウン運動による速度ベクトルの変動成分と流れ場に
存在する速度変化を分離し、時間分解能を犠牲にするこ
となくブラウン運動の影響を取り除くことができる局所
空間平均粒子追跡法を提供することを目的とする。
ブラウン運動による速度ベクトルの変動成分と流れ場に
存在する速度変化を分離し、時間分解能を犠牲にするこ
となくブラウン運動の影響を取り除くことができる局所
空間平均粒子追跡法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、ブラウン運動
が偏りのないランダムな運動という性質を基礎として、
瞬時の速度ベクトルを局所的に空間平均を行うことで、
ブラウン運動が速度検出に与える影響を除去する手法を
提案するものである。この手法は、ＰＩＶ で計測され
た速度ベクトルを単に空間平均するのではなく、各粒子
の速度を計測する粒子追跡法（ＰＴＶ）を用いて同一領
域の速度情報を増加させることで、空間分解能の低下を
防ぐ手法である。
が偏りのないランダムな運動という性質を基礎として、
瞬時の速度ベクトルを局所的に空間平均を行うことで、
ブラウン運動が速度検出に与える影響を除去する手法を
提案するものである。この手法は、ＰＩＶ で計測され
た速度ベクトルを単に空間平均するのではなく、各粒子
の速度を計測する粒子追跡法（ＰＴＶ）を用いて同一領
域の速度情報を増加させることで、空間分解能の低下を
防ぐ手法である。
【０００９】上記目的を達成するために、本発明におけ
る第１の発明は、あらかじめ決められた時間間隔をおい
て流体に混入したトレーサ粒子を撮像し、そのトレーサ
粒子の移動距離から、トレーサ粒子の速度を計測する計
測方法において、あらかじめ決められた画素の集合に属
するトレーサ粒子を見出すステップと、そのトレーサ粒
子のそれぞれの位置の変化から、それぞれの速度ベクト
ルを求めるステップと、前記それぞれの速度ベクトルか
ら、前記の集合を代表する速度ベクトルを求めるステッ
プと、その集合を代表する速度ベクトルと画素の集合を
代表する位置との対応づけを行うステップとを備えるこ
とを特徴としている。
る第１の発明は、あらかじめ決められた時間間隔をおい
て流体に混入したトレーサ粒子を撮像し、そのトレーサ
粒子の移動距離から、トレーサ粒子の速度を計測する計
測方法において、あらかじめ決められた画素の集合に属
するトレーサ粒子を見出すステップと、そのトレーサ粒
子のそれぞれの位置の変化から、それぞれの速度ベクト
ルを求めるステップと、前記それぞれの速度ベクトルか
ら、前記の集合を代表する速度ベクトルを求めるステッ
プと、その集合を代表する速度ベクトルと画素の集合を
代表する位置との対応づけを行うステップとを備えるこ
とを特徴としている。
【００１０】また、本発明における第２の発明は、上記
した第１の発明の方法における、その集合を代表する速
度ベクトルと画素の集合を代表する位置との対応づけを
用いて、マイクロチャネル内における流速の測定を行う
ことを特徴としている。
した第１の発明の方法における、その集合を代表する速
度ベクトルと画素の集合を代表する位置との対応づけを
用いて、マイクロチャネル内における流速の測定を行う
ことを特徴としている。
【００１１】また、本発明における第３の発明は、上記
した第１の発明において、それぞれの速度ベクトルか
ら、前記の集合を代表する速度ベクトルを求めるステッ
プは、それぞれの速度ベクトルの算術平均を求めること
を含むことを特徴としている。
した第１の発明において、それぞれの速度ベクトルか
ら、前記の集合を代表する速度ベクトルを求めるステッ
プは、それぞれの速度ベクトルの算術平均を求めること
を含むことを特徴としている。
【００１２】また、本発明における第４の発明は、上記
した第１の発明において、それぞれの速度ベクトルか
ら、前記の集合を代表する速度ベクトルを求めるステッ
プは、それぞれの速度ベクトルに重み付けをおこなった
加重平均を求めることを含むことを特徴としている。
した第１の発明において、それぞれの速度ベクトルか
ら、前記の集合を代表する速度ベクトルを求めるステッ
プは、それぞれの速度ベクトルに重み付けをおこなった
加重平均を求めることを含むことを特徴としている。
【００１３】また、本発明における第５の発明は、上記
した第１の発明において、あらかじめ決められた画素の
集合は、隣接する画素の集合と共通部分を有することを
特徴としている。
した第１の発明において、あらかじめ決められた画素の
集合は、隣接する画素の集合と共通部分を有することを
特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を詳
細に説明する。図１は、本発明の実施の形態を示す計測
装置図の模式図である。図１の計測装置図は、顕微鏡
（Nikon、 E800)を用いたもので、トレーサ粒子には流
路の微小化に対応するため直径の小さいものを選定し、
波長以下の径をもつ粒子の位置検出が容易となるよう
に、表１に示すような蛍光剤を含むポリスチレン粒子
（DukeScientific Co.）を使用した。
細に説明する。図１は、本発明の実施の形態を示す計測
装置図の模式図である。図１の計測装置図は、顕微鏡
（Nikon、 E800)を用いたもので、トレーサ粒子には流
路の微小化に対応するため直径の小さいものを選定し、
波長以下の径をもつ粒子の位置検出が容易となるよう
に、表１に示すような蛍光剤を含むポリスチレン粒子
（DukeScientific Co.）を使用した。
【００１５】
【表１】
【００１６】今回対象としたマイクロチャネル内での流
速は遅く、カメラのシャッタースピードで画像凍結が可
能であったので、光源に連続光の水銀ランプを用いた。
必要に応じて、文献２あるいはアメリカ合衆国特許第
４、９８８、１９１号に記載されているようにパルスレ
ーザ光、特にダブルパルスレーザ光を照射することで、
より分解能が向上し、また、高速な流れにも対応可能で
ある。フィルタによりトレーサ粒子に含まれる蛍光剤の
吸収波長（４６８ｎｍ）の光を流路に照射し、もう一方
のフィルタで入射光を除去してトレーサ粒子からの発光
（５０８ｎｍ）を４９４pixels× 656pixels × 12 bit
s のＣＣＤカメラ（浜松フォトニクス、 C-4880-80）で
撮像した。カメラのフレーム間隔は３７ｍｓとした。対
物レンズは倍率６０倍で光の屈折による像の歪みを抑え
る効果があり、被写界深度の浅い油浸対物レンズ（Niko
n、CFIPlan Apo 60xH）を使用した。流路の温度を一定
に保つために、観察台の上に恒温プレートを設置し、２
９３Ｋに設定した。
速は遅く、カメラのシャッタースピードで画像凍結が可
能であったので、光源に連続光の水銀ランプを用いた。
必要に応じて、文献２あるいはアメリカ合衆国特許第
４、９８８、１９１号に記載されているようにパルスレ
ーザ光、特にダブルパルスレーザ光を照射することで、
より分解能が向上し、また、高速な流れにも対応可能で
ある。フィルタによりトレーサ粒子に含まれる蛍光剤の
吸収波長（４６８ｎｍ）の光を流路に照射し、もう一方
のフィルタで入射光を除去してトレーサ粒子からの発光
（５０８ｎｍ）を４９４pixels× 656pixels × 12 bit
s のＣＣＤカメラ（浜松フォトニクス、 C-4880-80）で
撮像した。カメラのフレーム間隔は３７ｍｓとした。対
物レンズは倍率６０倍で光の屈折による像の歪みを抑え
る効果があり、被写界深度の浅い油浸対物レンズ（Niko
n、CFIPlan Apo 60xH）を使用した。流路の温度を一定
に保つために、観察台の上に恒温プレートを設置し、２
９３Ｋに設定した。
【００１７】この実験に用いた流路は、光硬化性樹脂
（ＳＵ−８）を用いて、フォトリソグラフィ法によりガ
ラス基板上に製作したマイクロチャネルであり、これを
図２に示す。
（ＳＵ−８）を用いて、フォトリソグラフィ法によりガ
ラス基板上に製作したマイクロチャネルであり、これを
図２に示す。
【００１８】このマイクロチャネルの作成方法を以下に
示す。まず、１）顕微鏡用カバーガラス（直径５０ｍ
ｍ、厚さ１７０μｍ）を有機溶媒に浸して超音波洗浄を
行い、塵・油などの汚れを取り除いた。２）次に、洗浄
したガラス上にＳＵ−８ をスピンコーターを用いて均
一（４５μｍ）に塗布し、３７３Ｋ設定のオーブンで２
５分間加熱した。３）次にこの上にマスクを被せ、紫外
光を４０秒間照射し必要な部分を固め、３４３Ｋ設定の
オーブンで１５分間加熱した。４）最後に現像液に浸
し、光の照射されなかった部分を取り除いた。５）流路
の蓋に関しては、もう一枚のカバーガラス上面にＳＵ−
８を１ミクロンの厚さで塗布し、６）先ほど作成した流
路と張り合わせ、７）３７３Ｋ設定のオーブンで５分間
加熱を行った。８）次に、紫外光を１２０秒間照射し、
９）再びオーブンで１５分間加熱した。上述の方法で図
２のマイクロチャネルは製作した。流路の長さ＝３５ｍ
ｍ、幅＝１００μｍ、深さ＝４５μｍである。
示す。まず、１）顕微鏡用カバーガラス（直径５０ｍ
ｍ、厚さ１７０μｍ）を有機溶媒に浸して超音波洗浄を
行い、塵・油などの汚れを取り除いた。２）次に、洗浄
したガラス上にＳＵ−８ をスピンコーターを用いて均
一（４５μｍ）に塗布し、３７３Ｋ設定のオーブンで２
５分間加熱した。３）次にこの上にマスクを被せ、紫外
光を４０秒間照射し必要な部分を固め、３４３Ｋ設定の
オーブンで１５分間加熱した。４）最後に現像液に浸
し、光の照射されなかった部分を取り除いた。５）流路
の蓋に関しては、もう一枚のカバーガラス上面にＳＵ−
８を１ミクロンの厚さで塗布し、６）先ほど作成した流
路と張り合わせ、７）３７３Ｋ設定のオーブンで５分間
加熱を行った。８）次に、紫外光を１２０秒間照射し、
９）再びオーブンで１５分間加熱した。上述の方法で図
２のマイクロチャネルは製作した。流路の長さ＝３５ｍ
ｍ、幅＝１００μｍ、深さ＝４５μｍである。
【００１９】一般に、数十〜数百ミクロンオーダーの微
小空間における流体の速度をトレーサ粒子を用いて計測
するとき、流れ場を乱さないために直径数百ナノメート
ルの非常に小さなトレーサ粒子を用いる。しかし、この
ように微小なトレーサ粒子はブラウン運動が顕著にな
り、流体の速度検出に影響を与える。例えば、図３に示
した粒子画像の流動場はレイノルズ数Ｒｅ＝５×１０-3
と層流であるにも関わらず、マイクロＰＩＶで計測され
た速度ベクトルは図４のように乱れたものとなる。
小空間における流体の速度をトレーサ粒子を用いて計測
するとき、流れ場を乱さないために直径数百ナノメート
ルの非常に小さなトレーサ粒子を用いる。しかし、この
ように微小なトレーサ粒子はブラウン運動が顕著にな
り、流体の速度検出に影響を与える。例えば、図３に示
した粒子画像の流動場はレイノルズ数Ｒｅ＝５×１０-3
と層流であるにも関わらず、マイクロＰＩＶで計測され
た速度ベクトルは図４のように乱れたものとなる。
【００２０】ブラウン運動は時間的にも空間的にも偏り
のないランダムな運動であるので、速度ベクトルの時間
平均または空間平均操作によって速度検出への影響を抑
制することができる。図５は、時間を追って検出した連
続する１０枚の瞬時速度ベクトルを平均したものであ
る。速度ベクトルの乱れが抑制されていることが判る。
定常な流れ場の速度計測には、時間平均操作が有効で、
空間分解能を低下させることのない計測が実現される。
のないランダムな運動であるので、速度ベクトルの時間
平均または空間平均操作によって速度検出への影響を抑
制することができる。図５は、時間を追って検出した連
続する１０枚の瞬時速度ベクトルを平均したものであ
る。速度ベクトルの乱れが抑制されていることが判る。
定常な流れ場の速度計測には、時間平均操作が有効で、
空間分解能を低下させることのない計測が実現される。
【００２１】しかし、時間的に速度が変化する非定常な
流れ場を計測するとき、時間平均操作は時間分解能を低
下させる。このため、流れ場の変動周期を超えて時間平
均を行うと、ブラウン運動の影響による速度ベクトルの
空間的変動成分が取り除かれると同時に、流れ場に存在
する時間的な速度変化までもが速度情報から取り除かれ
る。
流れ場を計測するとき、時間平均操作は時間分解能を低
下させる。このため、流れ場の変動周期を超えて時間平
均を行うと、ブラウン運動の影響による速度ベクトルの
空間的変動成分が取り除かれると同時に、流れ場に存在
する時間的な速度変化までもが速度情報から取り除かれ
る。
【００２２】将来、微小領域での攪拌の目的で流路の複
雑化、電気力、磁力等による強制変動流の測定を考慮に
入れれば、時間分解能を犠牲にすることなくブラウン運
動が速度検出に与える影響を取り除く新たな計測法の開
発が必要となることは容易に理解できる。汎用ＰＩＶに
より求めた速度ベクトルを単に空間平均すると、空間分
解能の低下をもたらし、流れ場を詳細に捉えることが難
しくなるので、本発明は、粒子追跡法（PIV;Particle T
racking Velocimetry）により各粒子の速度を計測し、
ＰＩＶに比べ同一領域における速度情報を増加させた後
に、空間平均を行うことで空間分解能の低下を避けるも
のである。ＰＩＶに用いる粒子画像は粒子濃度が高く、
また、ＰＴＶ法では画像フレーム間で粒子の対応付けが
困難であるので、粒子対応付けの精度向上には、文献４
（Keane,R. D., ほか1 名, Meas. Sci. Technol., 23
(1995), 261）に記載されたSuper resolution PIVに見
られるような手法、即ち、汎用のＰＩＶで計測して粒子
群の移動距離を求め、その距離情報を手がかりにＰＴＶ
を行うことで、より高空間分解能を得ることが可能であ
る。しかしながら、これらの手法のみでランダムな変動
を持つブラウン運動の影響を除去することはできない。
雑化、電気力、磁力等による強制変動流の測定を考慮に
入れれば、時間分解能を犠牲にすることなくブラウン運
動が速度検出に与える影響を取り除く新たな計測法の開
発が必要となることは容易に理解できる。汎用ＰＩＶに
より求めた速度ベクトルを単に空間平均すると、空間分
解能の低下をもたらし、流れ場を詳細に捉えることが難
しくなるので、本発明は、粒子追跡法（PIV;Particle T
racking Velocimetry）により各粒子の速度を計測し、
ＰＩＶに比べ同一領域における速度情報を増加させた後
に、空間平均を行うことで空間分解能の低下を避けるも
のである。ＰＩＶに用いる粒子画像は粒子濃度が高く、
また、ＰＴＶ法では画像フレーム間で粒子の対応付けが
困難であるので、粒子対応付けの精度向上には、文献４
（Keane,R. D., ほか1 名, Meas. Sci. Technol., 23
(1995), 261）に記載されたSuper resolution PIVに見
られるような手法、即ち、汎用のＰＩＶで計測して粒子
群の移動距離を求め、その距離情報を手がかりにＰＴＶ
を行うことで、より高空間分解能を得ることが可能であ
る。しかしながら、これらの手法のみでランダムな変動
を持つブラウン運動の影響を除去することはできない。
【００２３】そこで、ＰＴＶ により計測された速度ベ
クトルを探索窓内で局所的に空間平均し、トレーサ粒子
のブラウン運動が速度検出に与える影響を取り除く方法
として、本発明では、局所空間平均粒子追跡法（SAT-PT
V：Spatial Averaged Time-resolved Particle Trackin
g Velocimetry）なる速度検出方法を提案している。こ
こで、ＰＴＶにより計測された速度ベクトルを探索窓内
で局所的に空間平均する方法は、算術平均を用いても、
たとえば代表点からの距離に依存した重みづけを変えた
加重平均によっても類似の結果を得る事が出来る。ま
た、探索窓は、その一部であれば、隣の探索窓と重なる
部分があっても重大な問題とはならない。次に、この方
法を詳しく説明する。図６は、ＳＡＴ−ＰＴＶの模式図
である。図６（ｂ）が示すように，２画像間の各粒子の
速度ベクトルｓpは流体の速度ベクトルｓfとブラウン運
動の速度ベクトルｓBの合成ベクトルである。例えば、
探索窓内にＮ個のトレーサ粒子が存在するとき、図６
（ｄ）に示されたＳＡＴ−ＰＴＶのベクトルは数１の左
辺で表される。
クトルを探索窓内で局所的に空間平均し、トレーサ粒子
のブラウン運動が速度検出に与える影響を取り除く方法
として、本発明では、局所空間平均粒子追跡法（SAT-PT
V：Spatial Averaged Time-resolved Particle Trackin
g Velocimetry）なる速度検出方法を提案している。こ
こで、ＰＴＶにより計測された速度ベクトルを探索窓内
で局所的に空間平均する方法は、算術平均を用いても、
たとえば代表点からの距離に依存した重みづけを変えた
加重平均によっても類似の結果を得る事が出来る。ま
た、探索窓は、その一部であれば、隣の探索窓と重なる
部分があっても重大な問題とはならない。次に、この方
法を詳しく説明する。図６は、ＳＡＴ−ＰＴＶの模式図
である。図６（ｂ）が示すように，２画像間の各粒子の
速度ベクトルｓpは流体の速度ベクトルｓfとブラウン運
動の速度ベクトルｓBの合成ベクトルである。例えば、
探索窓内にＮ個のトレーサ粒子が存在するとき、図６
（ｄ）に示されたＳＡＴ−ＰＴＶのベクトルは数１の左
辺で表される。
【００２４】
【数１】
【００２５】ここで、ブラウン運動は空間的にも偏りの
ないランダムな運動のため、粒子数Ｎの増加に伴いｓB
の総和が小さくなり、更に分母のＮが大きくなるため右
辺の第２項がゼロに近づく。したがって、粒子数Ｎがブ
ラウン運動による速度ベクトルのランダム成分を打ち消
すのに十分なとき、空間平均された速度ベクトル、即ち
ＳＡＴ−ＰＴＶの速度ベクトルは流体の速度ベクトルと
等しくなる。ＳＡＴ−ＰＴＶは時系列計測が可能なた
め、時間平均操作を行った汎用の相関法を用いたＰＩＶ
では捉えきれない流れ場の速度変化を計測できる。
ないランダムな運動のため、粒子数Ｎの増加に伴いｓB
の総和が小さくなり、更に分母のＮが大きくなるため右
辺の第２項がゼロに近づく。したがって、粒子数Ｎがブ
ラウン運動による速度ベクトルのランダム成分を打ち消
すのに十分なとき、空間平均された速度ベクトル、即ち
ＳＡＴ−ＰＴＶの速度ベクトルは流体の速度ベクトルと
等しくなる。ＳＡＴ−ＰＴＶは時系列計測が可能なた
め、時間平均操作を行った汎用の相関法を用いたＰＩＶ
では捉えきれない流れ場の速度変化を計測できる。
【００２６】ＳＡＴ−ＰＴＶの計測精度は数１からも分
かるように、平均するベクトル数に依存する。同一領域
でのベクトル数を増加させるためには、粒子濃度を高く
する必要がある。しかし、粒子濃度の増加に伴い粒子の
対応付けが困難になる。粒子濃度には限界があり、図６
（ｂ）の図に示すように、トレーサ粒子間の距離が、画
像フレーム間にブラウン運動で粒子が移動する距離より
大きいことが望ましいため、粒子濃度を高くしてトレー
サ粒子間の距離を際限なく小さくすることはできない。
本発明で提案するＳＡＴ−ＰＴＶでは、上述したよう
に、１）１組の粒子画像から正確な流体の速度ベクトル
を求め、２）各粒子の速度ベクトルの空間平均はＰＩＶ
の探索窓内で行い、３）その結果を探索窓内の流体の速
度ベクトルとするものである。
かるように、平均するベクトル数に依存する。同一領域
でのベクトル数を増加させるためには、粒子濃度を高く
する必要がある。しかし、粒子濃度の増加に伴い粒子の
対応付けが困難になる。粒子濃度には限界があり、図６
（ｂ）の図に示すように、トレーサ粒子間の距離が、画
像フレーム間にブラウン運動で粒子が移動する距離より
大きいことが望ましいため、粒子濃度を高くしてトレー
サ粒子間の距離を際限なく小さくすることはできない。
本発明で提案するＳＡＴ−ＰＴＶでは、上述したよう
に、１）１組の粒子画像から正確な流体の速度ベクトル
を求め、２）各粒子の速度ベクトルの空間平均はＰＩＶ
の探索窓内で行い、３）その結果を探索窓内の流体の速
度ベクトルとするものである。
【００２７】次に、粒子画像モンテカルロ法を用いて行
ったシミュレーションによる本発明のＳＡＴ−ＰＴＶの
性能評価について説明する。まず、トレーサ粒子のブラ
ウン運動を組み込んだ微小空間における粒子画像を作成
した。ここで、各粒子は微小空間に３次元的にランダム
に配置し、粒子像の輝度は２５６階調で表現した。その
際、粒子像を生成するにあたり、次の様に、光の回折理
論を用いた。
ったシミュレーションによる本発明のＳＡＴ−ＰＴＶの
性能評価について説明する。まず、トレーサ粒子のブラ
ウン運動を組み込んだ微小空間における粒子画像を作成
した。ここで、各粒子は微小空間に３次元的にランダム
に配置し、粒子像の輝度は２５６階調で表現した。その
際、粒子像を生成するにあたり、次の様に、光の回折理
論を用いた。
【００２８】点光源からの球面波は、円形開口によって
回折し、焦点近傍において３ 次元的な強度分布を持
つ。ロンメル（Lommel） 関数により焦平面からずれた
位置に存在する粒子像の強度分布を求めることが可能で
あり、図７に示すように粒子のぼやけを表現した粒子画
像を作成した。時間間隔Δｔにおいてブラウン運動によ
る粒子の移動量ｓの２乗平均は、拡散係数Ｄを用いて数
２のように表される。
回折し、焦点近傍において３ 次元的な強度分布を持
つ。ロンメル（Lommel） 関数により焦平面からずれた
位置に存在する粒子像の強度分布を求めることが可能で
あり、図７に示すように粒子のぼやけを表現した粒子画
像を作成した。時間間隔Δｔにおいてブラウン運動によ
る粒子の移動量ｓの２乗平均は、拡散係数Ｄを用いて数
２のように表される。
【００２９】
【数２】
【００３０】Ｔは絶対温度、ｋBはボルツマン定数、π
は円周率、μは粘性係数、ｄpは粒子の直径である。こ
こで、ブラウン運動による粒子の移動距離の分布は平均
移動距離が数２を満たすガウス関数とした。また、粒子
の移動方向と距離は３次元的で、流体の移動距離とブラ
ウン運動の移動距離の和である。粒子画像を生成する上
でのパラメータは、すべて後に説明する実験の条件と揃
えた。作動流体は水として粘性を与え、温度＝２９３
Ｋ、画像フレーム間を３７ｍｓとした。このときブラウ
ン運動によるトレーサ粒子の移動量は粒径のみに依存す
るので、粒径は２００、４００、１０００ｎｍと変化さ
せ、一様流と速度勾配を持つ流れの粒子画像を作成し
た。ＰＩＶ、時間平均ＰＩＶ、ＳＡＴ−ＰＴＶと３つの
方法でシミュレーションを行い、ＳＡＴ−ＰＴＶの性能
を評価した。ここで用いたＰＩＶ は相互相関ＰＩＶで
サブピクセル精度を出すためにガウシアン補間法を採用
している。この方法については、文献５（Westerweel,
J., Meas. Sci. Technol., 8 (1997), 1379）に記載さ
れている。また、上記の時間平均ＰＩＶ は瞬時の速度
ベクトル分布１０枚分を平均したものである。
は円周率、μは粘性係数、ｄpは粒子の直径である。こ
こで、ブラウン運動による粒子の移動距離の分布は平均
移動距離が数２を満たすガウス関数とした。また、粒子
の移動方向と距離は３次元的で、流体の移動距離とブラ
ウン運動の移動距離の和である。粒子画像を生成する上
でのパラメータは、すべて後に説明する実験の条件と揃
えた。作動流体は水として粘性を与え、温度＝２９３
Ｋ、画像フレーム間を３７ｍｓとした。このときブラウ
ン運動によるトレーサ粒子の移動量は粒径のみに依存す
るので、粒径は２００、４００、１０００ｎｍと変化さ
せ、一様流と速度勾配を持つ流れの粒子画像を作成し
た。ＰＩＶ、時間平均ＰＩＶ、ＳＡＴ−ＰＴＶと３つの
方法でシミュレーションを行い、ＳＡＴ−ＰＴＶの性能
を評価した。ここで用いたＰＩＶ は相互相関ＰＩＶで
サブピクセル精度を出すためにガウシアン補間法を採用
している。この方法については、文献５（Westerweel,
J., Meas. Sci. Technol., 8 (1997), 1379）に記載さ
れている。また、上記の時間平均ＰＩＶ は瞬時の速度
ベクトル分布１０枚分を平均したものである。
【００３１】探索窓内の粒子数に関する性能評価は、図
８（ａ）に示すような一様流における粒子画像（ｄp＝
４００ｎｍ）をモンテカルロ法により作成して行った。
探索窓の大きさを変化させ、探索窓内の粒子数とブラウ
ン運動による計測誤差の関係を調べた。計測誤差とは流
体の既知のｘ方向の移動量と計測されたｘ方向の移動量
の差のことである。探索窓内の粒子数の増加にともな
い、計測誤差が減少する様子が図９に示されている。時
間平均ＰＩＶの計測誤差はＰＩＶ、ＳＡＴ−ＰＴＶの誤
差より小さかった。これは時間平均ＰＩＶが粒子画像１
０枚分の豊富な情報を含むためである。瞬時の速度計測
に関して比較すると、ＳＡＴ−ＰＴＶの計測誤差がＰＩ
Ｖより常に抑えられ、特に探索窓内に粒子数が１０個以
下のときは、ＳＡＴ−ＰＴＶがＰＩＶより２０％以上誤
差を低減している。
８（ａ）に示すような一様流における粒子画像（ｄp＝
４００ｎｍ）をモンテカルロ法により作成して行った。
探索窓の大きさを変化させ、探索窓内の粒子数とブラウ
ン運動による計測誤差の関係を調べた。計測誤差とは流
体の既知のｘ方向の移動量と計測されたｘ方向の移動量
の差のことである。探索窓内の粒子数の増加にともな
い、計測誤差が減少する様子が図９に示されている。時
間平均ＰＩＶの計測誤差はＰＩＶ、ＳＡＴ−ＰＴＶの誤
差より小さかった。これは時間平均ＰＩＶが粒子画像１
０枚分の豊富な情報を含むためである。瞬時の速度計測
に関して比較すると、ＳＡＴ−ＰＴＶの計測誤差がＰＩ
Ｖより常に抑えられ、特に探索窓内に粒子数が１０個以
下のときは、ＳＡＴ−ＰＴＶがＰＩＶより２０％以上誤
差を低減している。
【００３２】粒子直径に関する性能評価は、探索窓内の
粒子数に関する性能評価の場合と同様の一様流におい
て、粒子直径を２００、４００、１０００ｎｍと変化さ
せた粒子画像を作成して行った。探索窓内の粒子数を１
０個としたときのトレーサ粒子直径による速度検出にお
ける誤差の変化を図１０に示す。時間平均ＰＩＶの計測
誤差は粒径に関わらず最も小さかった。瞬時の速度計測
に注目すると、ＳＡＴ−ＰＴＶは時間分解能を保ちなが
ら、ＰＩＶよりも粒径が４００ｎｍのときで２５％、１
０００ｎｍのときで５０％誤差を低減した。
粒子数に関する性能評価の場合と同様の一様流におい
て、粒子直径を２００、４００、１０００ｎｍと変化さ
せた粒子画像を作成して行った。探索窓内の粒子数を１
０個としたときのトレーサ粒子直径による速度検出にお
ける誤差の変化を図１０に示す。時間平均ＰＩＶの計測
誤差は粒径に関わらず最も小さかった。瞬時の速度計測
に注目すると、ＳＡＴ−ＰＴＶは時間分解能を保ちなが
ら、ＰＩＶよりも粒径が４００ｎｍのときで２５％、１
０００ｎｍのときで５０％誤差を低減した。
【００３３】次に速度勾配の影響に関する性能評価は、
図８（ｂ）に示すように、ｙ方向に１pixel進むとｘ方
向に０．０１〜０．０５pixelずつ増加する一定の速度
勾配を有する流れ場における粒子画像（ｄp＝４００ｎ
ｍ）を作成して行った。探索窓の大きさを４０×４０pi
xelと設定し、速度勾配の大きさと計測誤差の関係を調
べたところ図１１に示す結果が得られた。時間平均ＰＩ
Ｖの誤差は小さく抑えられているが、速度勾配が大きく
なるにつれ計測誤差は増大した。瞬時の速度計測に注目
すると、ＰＩＶに比べＳＡＴ−ＰＴＶの誤差は安定して
低く抑えられている。ＳＡＴ−ＰＴＶは壁近傍のような
速度勾配の大きい流れ場の計測に適しており、さらに時
系列で速度計測が可能であることが分かる。図１２は速
度勾配の大きさ０．０５pixels/pixelのときのＰＩＶと
ＳＡＴ−ＰＴＶにより計測された速度ベクトル分布を示
す。ＰＩＶは速度の遅い領域で流体の速度を正確に捉え
ていないが、ＳＡＴ−ＰＴＶの結果はせん断流れをより
的確に表している。この結果から、ＳＡＴ−ＰＴＶが速
度勾配を持つ流れ場計測に適しており、実際の流れ場計
測においても、ブラウン運動による速度変動と流れ場自
身の速度変化の分離の可能性が期待される。
図８（ｂ）に示すように、ｙ方向に１pixel進むとｘ方
向に０．０１〜０．０５pixelずつ増加する一定の速度
勾配を有する流れ場における粒子画像（ｄp＝４００ｎ
ｍ）を作成して行った。探索窓の大きさを４０×４０pi
xelと設定し、速度勾配の大きさと計測誤差の関係を調
べたところ図１１に示す結果が得られた。時間平均ＰＩ
Ｖの誤差は小さく抑えられているが、速度勾配が大きく
なるにつれ計測誤差は増大した。瞬時の速度計測に注目
すると、ＰＩＶに比べＳＡＴ−ＰＴＶの誤差は安定して
低く抑えられている。ＳＡＴ−ＰＴＶは壁近傍のような
速度勾配の大きい流れ場の計測に適しており、さらに時
系列で速度計測が可能であることが分かる。図１２は速
度勾配の大きさ０．０５pixels/pixelのときのＰＩＶと
ＳＡＴ−ＰＴＶにより計測された速度ベクトル分布を示
す。ＰＩＶは速度の遅い領域で流体の速度を正確に捉え
ていないが、ＳＡＴ−ＰＴＶの結果はせん断流れをより
的確に表している。この結果から、ＳＡＴ−ＰＴＶが速
度勾配を持つ流れ場計測に適しており、実際の流れ場計
測においても、ブラウン運動による速度変動と流れ場自
身の速度変化の分離の可能性が期待される。
【００３４】そこで、ＳＡＴ−ＰＴＶを実流動場へ適用
した例について説明する。これは、図２に示すマイクロ
チャネル内の流れ場にＳＡＴ−ＰＴＶを適用したもので
ある。ＳＡＴ−ＰＴＶは２値化により粒子を抽出し、周
りの粒子の相対位置から粒子の対応付けを行った。この
とき誤った対応付けを防ぐためにＰＩＶの結果を利用し
て狭い範囲で対応する粒子を探索した。この例では、イ
オン交換水にトレーサ粒子を混入し、マイクロチャネル
に注入した。流路中心での流速５０μｍ／ｓと流路幅１
００μｍに基づくレイノルズ数Ｒｅは５×１０-3であっ
た。トレーサ粒子は直径２００、４００、１０００ｎｍ
のものを用いた。各粒子の移動距離を検出し、ＳＡＴ−
ＰＴＶを用いて局所的な平均移動距離を求めた。探索窓
内における粒子の平均移動距離と各粒子の移動距離の差
でる変動成分を求めると、図１３のように、上記の数２
から求まるブラウン運動の平均移動量と一致した。これ
はＳＡＴ−ＰＴＶの空間平均を行う際に取り除かれる各
粒子の移動距離の変動成分がブラウン運動による粒子の
移動であり、したがってＳＡＴ−ＰＴＶによりこの成分
が取り除かれることを意味する。図１４に直径４００ｎ
ｍのトレーサ粒子を用いたときのＳＡＴ−ＰＴＶにより
計測されたマイクロチャネル内の瞬時の速度ベクトル分
布を示す。
した例について説明する。これは、図２に示すマイクロ
チャネル内の流れ場にＳＡＴ−ＰＴＶを適用したもので
ある。ＳＡＴ−ＰＴＶは２値化により粒子を抽出し、周
りの粒子の相対位置から粒子の対応付けを行った。この
とき誤った対応付けを防ぐためにＰＩＶの結果を利用し
て狭い範囲で対応する粒子を探索した。この例では、イ
オン交換水にトレーサ粒子を混入し、マイクロチャネル
に注入した。流路中心での流速５０μｍ／ｓと流路幅１
００μｍに基づくレイノルズ数Ｒｅは５×１０-3であっ
た。トレーサ粒子は直径２００、４００、１０００ｎｍ
のものを用いた。各粒子の移動距離を検出し、ＳＡＴ−
ＰＴＶを用いて局所的な平均移動距離を求めた。探索窓
内における粒子の平均移動距離と各粒子の移動距離の差
でる変動成分を求めると、図１３のように、上記の数２
から求まるブラウン運動の平均移動量と一致した。これ
はＳＡＴ−ＰＴＶの空間平均を行う際に取り除かれる各
粒子の移動距離の変動成分がブラウン運動による粒子の
移動であり、したがってＳＡＴ−ＰＴＶによりこの成分
が取り除かれることを意味する。図１４に直径４００ｎ
ｍのトレーサ粒子を用いたときのＳＡＴ−ＰＴＶにより
計測されたマイクロチャネル内の瞬時の速度ベクトル分
布を示す。
【００３５】また、図１５に探索窓内で空間平均を行う
速度ベクトル数の確率密度を示す。探索窓の大きさを変
え、平均する速度ベクトル数の確率密度と速度ベクトル
の乱れを観測した。探索窓の大きさを６．７×６．７μ
ｍ（４０×４０pixels）と設定すると、図１５（ａ）の
ように平均３個のＰＴＶ速度ベクトルが空間平均され
る。前節でのモンテカルロ法により作成された粒子画像
の結果（図９）から判るように、速度ベクトル３個では
ブラウン運動が速度検出に与える影響を取り除くのは難
しく、図１４（ａ）のように瞬時の速度ベクトル分布は
乱れている。そこで、探索窓の大きさを２倍の１３．３
×１３．３μｍ（８０×８０pixels）に設定し、図１５
（ｂ）に示すように探索窓内で平均７個の速度ベクトル
を平均したところ、図１４（ｂ）のように、図１４
（ａ）より平滑化された速度ベクトルが計測された。Ｓ
ＡＴ−ＰＴＶは１組の粒子画像から速度計測が可能であ
り、本発明の目的である時間分解能の向上は達成され
た。ブラウン運動による計測誤差を減少させるために探
索窓を大きくし空間平均する速度ベクトル数が３個から
７個に増加すると、図９より計測誤差は３分の１低減す
ると判断され、実際に図１４（ａ）より図１４（ｂ）の
方がより的確な速度計測が行われている様子が観測され
た。
速度ベクトル数の確率密度を示す。探索窓の大きさを変
え、平均する速度ベクトル数の確率密度と速度ベクトル
の乱れを観測した。探索窓の大きさを６．７×６．７μ
ｍ（４０×４０pixels）と設定すると、図１５（ａ）の
ように平均３個のＰＴＶ速度ベクトルが空間平均され
る。前節でのモンテカルロ法により作成された粒子画像
の結果（図９）から判るように、速度ベクトル３個では
ブラウン運動が速度検出に与える影響を取り除くのは難
しく、図１４（ａ）のように瞬時の速度ベクトル分布は
乱れている。そこで、探索窓の大きさを２倍の１３．３
×１３．３μｍ（８０×８０pixels）に設定し、図１５
（ｂ）に示すように探索窓内で平均７個の速度ベクトル
を平均したところ、図１４（ｂ）のように、図１４
（ａ）より平滑化された速度ベクトルが計測された。Ｓ
ＡＴ−ＰＴＶは１組の粒子画像から速度計測が可能であ
り、本発明の目的である時間分解能の向上は達成され
た。ブラウン運動による計測誤差を減少させるために探
索窓を大きくし空間平均する速度ベクトル数が３個から
７個に増加すると、図９より計測誤差は３分の１低減す
ると判断され、実際に図１４（ａ）より図１４（ｂ）の
方がより的確な速度計測が行われている様子が観測され
た。
【００３６】上記の説明では、時間分解能はＣＣＤカメ
ラの画像フレーム間隔３７ｍｓであったが、この値は、
自由に設定できるものであり、したがってＳＡＴ−ＰＴ
Ｖにより任意の時系列速度分布計測が可能であるため、
マイクロチャネル内におけるより大きな速度変化検出が
可能である。
ラの画像フレーム間隔３７ｍｓであったが、この値は、
自由に設定できるものであり、したがってＳＡＴ−ＰＴ
Ｖにより任意の時系列速度分布計測が可能であるため、
マイクロチャネル内におけるより大きな速度変化検出が
可能である。
【００３７】
【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。
以下に説明するような効果を奏することができる。
【００３８】本発明における第１の発明では、ＰＩＶの
手法に加えて、あらかじめ決められた画素の集合に属す
る流体に混入したトレーサ粒子を見出すステップと、そ
のトレーサ粒子のそれぞれの位置の変化から、それぞれ
の速度ベクトルを求めるステップと、前記それぞれの速
度ベクトルから、前記の集合を代表する速度ベクトルを
求めるステップと、その集合を代表する速度ベクトルと
画素の集合を代表する位置との対応づけを行うステップ
とを備えることを特徴とする処理を行い、また、本発明
における第２の発明で、その集合を代表する速度ベクト
ルと画素の集合を代表する位置との対応づけを用いて、
マイクロチャネル内における流速の測定を行うようにし
たので、ブラウン運動が速度検出に与える影響を抑制し
て、時間分解能を犠牲にすることなく瞬時の速度分布計
測が可能である。また、ＰＴＶによる豊富な速度情報の
獲得により、空間平均による空間分解能の低下を防ぐこ
とができる。また、この発明では、ＰＩＶにより粒子群
の移動距離の手掛りを得たのちにＰＴＶを行うため、粒
子濃度の高い流れ場に適用でき、空間分解能を高めるこ
とができる。
手法に加えて、あらかじめ決められた画素の集合に属す
る流体に混入したトレーサ粒子を見出すステップと、そ
のトレーサ粒子のそれぞれの位置の変化から、それぞれ
の速度ベクトルを求めるステップと、前記それぞれの速
度ベクトルから、前記の集合を代表する速度ベクトルを
求めるステップと、その集合を代表する速度ベクトルと
画素の集合を代表する位置との対応づけを行うステップ
とを備えることを特徴とする処理を行い、また、本発明
における第２の発明で、その集合を代表する速度ベクト
ルと画素の集合を代表する位置との対応づけを用いて、
マイクロチャネル内における流速の測定を行うようにし
たので、ブラウン運動が速度検出に与える影響を抑制し
て、時間分解能を犠牲にすることなく瞬時の速度分布計
測が可能である。また、ＰＴＶによる豊富な速度情報の
獲得により、空間平均による空間分解能の低下を防ぐこ
とができる。また、この発明では、ＰＩＶにより粒子群
の移動距離の手掛りを得たのちにＰＴＶを行うため、粒
子濃度の高い流れ場に適用でき、空間分解能を高めるこ
とができる。
【００３９】本発明は、数値シミュレーションからわか
る様に、ブラウン運動がＰＩＶによる速度検出に与える
影響を抑制できる。これは、特に速度勾配のある流れ場
において有用である。実流動場であるマイクロチャネル
内の流れにＳＡＴ−ＰＴＶを適用した結果は、シミュレ
ーションの結果と同様、探索窓を大きくし平均する速度
ベクトル数を増加させると、ブラウン運動の影響による
速度計測誤差が低減される。このように、本発明の局所
空間平均粒子追跡法によれば、１組の粒子画像からブラ
ウン運動の影響が低減された瞬時の速度ベクトルが計測
でき、ブラウン運動による速度の変動成分と流れ場自身
の速度変化を分離することが可能である。このように、
本発明は、マイクロチャネルにおける加速度流れや減速
度流れ、化学反応場や電気浸透流などの計測に適用可能
である。
る様に、ブラウン運動がＰＩＶによる速度検出に与える
影響を抑制できる。これは、特に速度勾配のある流れ場
において有用である。実流動場であるマイクロチャネル
内の流れにＳＡＴ−ＰＴＶを適用した結果は、シミュレ
ーションの結果と同様、探索窓を大きくし平均する速度
ベクトル数を増加させると、ブラウン運動の影響による
速度計測誤差が低減される。このように、本発明の局所
空間平均粒子追跡法によれば、１組の粒子画像からブラ
ウン運動の影響が低減された瞬時の速度ベクトルが計測
でき、ブラウン運動による速度の変動成分と流れ場自身
の速度変化を分離することが可能である。このように、
本発明は、マイクロチャネルにおける加速度流れや減速
度流れ、化学反応場や電気浸透流などの計測に適用可能
である。
【図１】顕微鏡を用いた測定システムの模式図である。
【図２】マイクロチャネルの模式図である。
【図３】マイクロチャネル中の蛍光性サブミクロントレ
ーサ粒子の顕微鏡写真である。
ーサ粒子の顕微鏡写真である。
【図４】ある時点のマイクロチャネル中のベクトル場を
示す図である。
示す図である。
【図５】マイクロチャネル中の時間平均されたベクトル
場を示す図である。
場を示す図である。
【図６】速度検出へのブラウン運動の影響を考慮したＳ
ＡＴ−ＰＴＶの模式図である。
ＡＴ−ＰＴＶの模式図である。
【図７】組み合わせた粒子像を示す図である。
【図８】シシュミレーションで用いた流れの形態の模式
図である。
図である。
【図９】一様な流れにおいて探索窓内の粒子数を変えた
場合の測定誤差を示すグラフである。
場合の測定誤差を示すグラフである。
【図１０】一様な流れにおいて探索窓内の粒子数を１０
として粒子径を変えた場合の測定誤差を示すグラフであ
る。
として粒子径を変えた場合の測定誤差を示すグラフであ
る。
【図１１】線形の速度勾配を持った流れにおいて勾配を
変えた場合の測定誤差を示すグラフである。
変えた場合の測定誤差を示すグラフである。
【図１２】線形の速度勾配を持った流れにおいてＰＩＶ
法とＳＡＴ−ＰＴＶとで評価した速度プロファイルを示
す図である。
法とＳＡＴ−ＰＴＶとで評価した速度プロファイルを示
す図である。
【図１３】探索窓内の粒子の変移の平均値とそれぞれの
粒子の変移との差を平均化した粒子の変移変移を示すグ
ラフである。
粒子の変移との差を平均化した粒子の変移変移を示すグ
ラフである。
【図１４】ある時点の速度ベクトル場を示す図である。
【図１５】探索窓内の平均化されるベクトル数を示す図
である。
である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 稲葉 靖二郎
神奈川県横浜市港北区日吉３−14−１ 慶
應義塾大学理工学部内
(72)発明者 前田 昌信
神奈川県横浜市港北区日吉３−14−１ 慶
應義塾大学理工学部内
(72)発明者 菱田 公一
神奈川県横浜市港北区日吉３−14−１ 慶
應義塾大学理工学部内
Claims (5)
- 【請求項１】 あらかじめ決められた時間間隔をおいて
流体に混入したトレーサ粒子を撮像し、そのトレーサ粒
子の移動距離から、トレーサ粒子の速度を計測する計測
方法において、 あらかじめ決められた画素の集合に属するトレーサ粒子
を見出すステップと、そのトレーサ粒子のそれぞれの位
置の変化から、それぞれの速度ベクトルを求めるステッ
プと、前記それぞれの速度ベクトルから、前記の集合を
代表する速度ベクトルを求めるステップと、その集合を
代表する速度ベクトルと画素の集合を代表する位置との
対応づけを行うステップとを備えることを特徴とする局
所空間平均粒子追跡法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の、その集合を代表する
速度ベクトルと画素の集合を代表する位置との対応づけ
の時間変化を用いて、マイクロチャネル内における流速
の測定を行うことを特徴とする局所空間平均粒子追跡
法。 - 【請求項３】 それぞれの速度ベクトルから、前記の集
合を代表する速度ベクトルを求めるステップは、それぞ
れの速度ベクトルの算術平均を求めることを含むことを
特徴とする請求項１に記載の局所空間平均粒子追跡法。 - 【請求項４】 それぞれの速度ベクトルから、前記の集
合を代表する速度ベクトルを求めるステップは、それぞ
れの速度ベクトルに重み付けをおこなった加重平均を求
めることを含むことを特徴とする請求項１に記載の局所
空間平均粒子追跡法。 - 【請求項５】 あらかじめ決められた画素の集合は、隣
接する画素の集合と共通部分を有することを特徴とする
請求項１に記載の局所空間平均粒子追跡法。
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|---|---|---|---|
| JP2002075098A JP3867122B2 (ja) | 2002-03-18 | 2002-03-18 | 局所空間平均粒子追跡法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2002075098A JP3867122B2 (ja) | 2002-03-18 | 2002-03-18 | 局所空間平均粒子追跡法 |
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Family
ID=29204297
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002075098A Expired - Lifetime JP3867122B2 (ja) | 2002-03-18 | 2002-03-18 | 局所空間平均粒子追跡法 |
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2002
- 2002-03-18 JP JP2002075098A patent/JP3867122B2/ja not_active Expired - Lifetime
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