(57)【要約】      （修正有）【課題】既存の手法よりも広い３次元空間で流体計測を行うことができるトレーサー粒子、及びこれを用いた３次元流体計測法を提供する。【解決手段】光照射手段から第１の偏光板を介して流体に光を照射し、トレーサー粒子により前記光の偏光面を回転させ、前記第１の偏光板の偏光角と異なる偏光角を有する第２の偏光板により偏光面が回転した光を通過させ、前記第２の偏光板を通過した光を撮影手段により撮影することにより前記流体の流れを計測する。【選択図】図１
2019132840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレーサー粒子が供給された流体の流れを計測する方法であって、
光照射手段から第１の偏光板を介して当該流体に光を照射し、前記トレーサー粒子により当該光の偏光面を回転させ、第１の偏光板の偏光角と異なる偏光角を有する第２の偏光板により偏光面が回転した光を通過させ、第２の偏光板を通過した光を撮影手段により撮影することにより前記流体の流れを計測する、流体の流れの計測方法。
【請求項２】
前記トレーサー粒子は、旋光性を有する、請求項１に記載の流体の流れの計測方法。
【請求項３】
前記第１の偏光板の偏光角と前記第２の偏光板の偏光角が直交する、請求項１又は２に記載の流体の流れの計測方法。
【請求項４】
前記流体が液体である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
【請求項５】
前記トレーサー粒子は、前記流体の屈折率に近い屈折率を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
【請求項６】
前記トレーサー粒子は、旋光性を有する物質を含むコア部と、当該コア部を被覆する被覆部から構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
【請求項７】
前記トレーサー粒子は、光学的異方性を有し、その内部に水を大量に取り込んだカプセル状の粒子から構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
【請求項８】
前記トレーサー粒子は、複屈折性を有する材料からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
【請求項９】
前記第１の偏光板が円偏光板であり、前記第２の偏光板が第１の偏光板の回転方向と逆の回転方向を有する円偏光板である、請求項７又は８に記載の流体の流れの計測方法。
【請求項１０】
トレーサー粒子が存在しない流体の部分は、前記第１の偏光板と前記第２の偏光板によって遮光されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
【請求項１１】
撮影された光の色相又は明るさから、前記トレーサー粒子の重なりの数を計測することを含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
【請求項１２】
前記流体が水である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
【請求項１３】
偏光面を回転させることができるトレーサー粒子が供給された流体の流れに光を照射する光照射手段と、
前記流体の流れの画像を撮影する撮影手段と、
前記光照射手段と前記撮影手段との間であって、前記光照射手段の側に設けられた第１の偏光板と、
前記光照射手段と前記撮影手段との間であって、前記撮影手段の側に設けられた、第１の偏光板の偏光角と異なる偏光角を有する第２の偏光板と、
を備える３次元流体計測装置。
【請求項１４】
前記第１の偏光板の偏光角と前記第２の偏光板の偏光角が直交する、請求項１３に記載の３次元流体計測装置。
【請求項１５】
前記第１の偏光板が円偏光板であり、前記第２の偏光板が第１の偏光板の回転方向と逆の回転方向を有する円偏光板である、請求項１３に記載の３次元流体計測装置。
【請求項１６】
前記トレーサー粒子の重なりの数又は位置の少なくとも１以上を計測する解析手段を更に備える、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の３次元流体計測装置。
【請求項１７】
前記第２の偏光板と前記撮影手段の間であって、前記第２の偏光板の近傍に半球レンズが設けられている、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の３次元流体計測装置。
【請求項１８】
旋光性を有する物質を含むコア部と、当該コア部を被覆する被覆部から構成される、流体の流れを計測するために用いられるトレーサー粒子。
【請求項１９】
旋光性を有する物質が、流体の屈折率に近い屈折率を有する、請求項１８に記載のトレーサー粒子。
【請求項２０】
前記旋光性を有する物質がスクロース、フルクトース、マルトース、ガラクトース、マンノース、グルコースアラビノース、ガラクトサミン塩酸塩、イソアスコルビン酸ナトリウム一水和物又はイソマンニドである、請求項１８又は１９に記載のトレーサー粒子。
【請求項２１】
前記コア部分が、スクロース、フルクトース、マルトース、ガラクトース、マンノース、グルコース、アラビノース、ガラクトサミン塩酸塩、イソアスコルビン酸ナトリウム一水和物又はイソマンニドの水溶液である、請求項２０に記載のトレーサー粒子。
【請求項２２】
前記被覆部が、アルギン酸ナトリウムと乳酸カルシウムが反応して形成される被膜、あるいは、ゼラチン、油脂、食品添加物、ツェエン又は硬化油を含むマイクロカプセルから構成される、請求項１８〜２１のいずれか１項に記載のトレーサー粒子。
【請求項２３】
水を大量に取り込むことができる材料に、旋光性を有する物質の水溶液が大量に取り込まれた粒子から構成される、流体の流れを計測するために用いられるトレーサー粒子。
【請求項２４】
前記水溶液が、スクロース、フルクトース、マルトース、ガラクトース、マンノース、グルコース、アラビノース、ガラクトサミン塩酸塩、イソアスコルビン酸ナトリウム一水和物又はイソマンニドの水溶液である、請求項２３に記載のトレーサー粒子。
【請求項２５】
光学的異方性を有し、その内部に水を大量に取り込んだカプセル状の粒子から構成される、流体の流れを計測するために用いられるトレーサー粒子。
【請求項２６】
複屈折性を有する材料からなる、流体の流れを計測するために用いられるトレーサー粒子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体の流れを３次元で計測する方法、及び３次元流体計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体を計測するには、流体に微小な粒子(トレーサー粒子)を散布し、レーザーの照射等によって発光させることで水の流れをカメラにより計測して可視化する粒子イメージ計測法（ＰＩＶ）が用いられる場合が多い（非特許文献１）。しかしながら、既存の流体計測手法には、水泳用プールのような人が存在する広域な３次元空間において流体計測を実現することができないという問題があった。
その原因の一つには、レーザー等の照射範囲を十分な強度を保ったまま広げる場合、大きな光学系と強力な光源が必要となることがある。また、トレーサー粒子が重なった場合、背後の粒子を計測することができないため、奥行き方向の計測範囲を大幅に制限する必要があった。また、粒子の誤飲や視野の阻害などによる人体への悪影響も考えられた。
【０００３】
また、近年、３次元流体計測手法としてステレオＰＩＶが検討されている（非特許文献２及び３）この方法は、２台のカメラにより粒子を観測し、２次元断面上の粒子の移動方向を計測して、空間を走査することで３次元空間を測定する手法である。この手法では、走査範囲を広くするほど各面の計測データに時間的なズレが生じてしまうため、流体の３次元的な計測を広範囲で行うことができない。
【０００４】
また、３台以上のカメラを用いて粒子を撮影し、それぞれの撮影画像から粒子の３次元分布を再構築するトモグラフィックＰＩＶという手法も提案されている（非特許文献４及び５）。この手法ではステレオＰＩＶの上記問題を相当程度解消し得るものの、レーザーの照射範囲を広くすると十分な蛍光が得られないという問題がある。また、カメラから見て前後に粒子が重なった場合、背後にある粒子を計測することができない。
【０００５】
このように、流体にトレーサー粒子を散布し水の流れを可視化するＰＩＶを始めとする既存の手法では、水泳用プールのような人が存在する広域な３次元空間において流体計測を実現することができなかった。また、計測環境に人が存在する場合、水中に散布された粒子による視野の妨げと、レーザー光の照射や粒子の誤飲による人体への悪影響が問題となり、これらの問題を解消できる３次元流体計測手法は未だ開発されていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Raffel, Markus, et al. "Particle image velocimetry"; a practical guide, Springer, 201
【非特許文献２】Camera arrangement for 2D- and Stereo-PIV,LAVISION website http://lavision.de/
【非特許文献３】Burgmann, S, Ch Brucker, and W.Schroder, "Scanning PIV measurements of a laminar separation bubble." Experiments in Fluide 41.2 (2006); 319-326
【非特許文献４】Camera arrangement for Tomorgraphic PIV,Konamax website http://www.kanomax.co.jp/
【非特許文献５】長尾隆央、et al.”PIV技術の開発と実機への適用”ＩＨＩ技法、PP.39-49、2015
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、既存の手法よりも広い３次元空間で流体計測を行うことができるトレーサー粒子、及びこれを用いた３次元流体計測法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためには、本発明者は、（１）人の視野を阻害しないトレーサー粒子を開発すること、（２）カメラにのみ粒子を可視化する技術を開発すること、（３）粒子の背後に隠された粒子を計測する技術を開発すること、が必要であると考えて鋭意検討した。
その結果、本発明者は、トレーサー粒子の屈折率を水と近づけることにより上記（１）の課題を解決することができること、更に、偏光板による遮光により暗い背景を作り、トレーサー粒子に偏光面を回転する能力を持たせることにより上記（２）の課題を解決できることを見出した。
更に、本発明者は、背後に隠された粒子を計測する方法について検討したところ、粒子の厚みの合計に応じて色相（又は明るさ）が法則的に変化することに着目して、色相や明るさから背後の粒子の数を算出することができることを見出した。
これらの知見に基づき、本発明者は更なる検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明は、
［１］トレーサー粒子が供給された流体の流れを計測する方法であって、
光照射手段から第１の偏光板を介して当該流体に光を照射し、前記トレーサー粒子により当該光の偏光面を回転させ、第１の偏光板の偏光角と異なる偏光角を有する第２の偏光板により偏光面が回転した光を通過させ、第２の偏光板を通過した光を撮影手段により撮影することにより前記流体の流れを計測する、流体の流れの計測方法。
［２］前記トレーサー粒子は、旋光性を有する、［１］に記載の流体の流れの計測方法。
［３］前記第１の偏光板の偏光角と前記第２の偏光板の偏光角が直交する、［１］又は［２］に記載の流体の流れの計測方法。
［４］前記流体が液体である、［１］〜［３］のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
［５］前記トレーサー粒子は、前記流体の屈折率に近い屈折率を有する、［１］〜［４］のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
［６］前記トレーサー粒子は、旋光性を有する物質を含むコア部と、当該コア部を被覆する被覆部から構成される、［１］〜［５］のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
［７］前記トレーサー粒子は、光学的異方性を有し、その内部に水を大量に取り込んだカプセル状の粒子から構成される、［１］〜［５］のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
［８］前記トレーサー粒子は、複屈折性を有する材料からなる、［１］〜［５］のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
［９］前記第１の偏光板が円偏光板であり、前記第２の偏光板が第１の偏光板の回転方向と逆の回転方向を有する円偏光板である、［７］又は［８］に記載の流体の流れの計測方法。
［１０］トレーサー粒子が存在しない流体の部分は、前記第１の偏光板と前記第２の偏光板によって遮光されている、［１］〜［９］のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
［１１］撮影された光の色相又は明るさから、前記トレーサー粒子の重なりの数を計測することを含む、［１］〜［１０］のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
［１２］前記流体が水である、［１］〜［１１］のいずれか１項に記載の流体の流れの計測方法。
［１３］偏光面を回転させることができるトレーサー粒子が供給された流体の流れに光を照射する光照射手段と、
前記流体の流れの画像を撮影する撮影手段と、
前記光照射手段と前記撮影手段との間であって、前記光照射手段の側に設けられた第１の偏光板と、
前記光照射手段と前記撮影手段との間であって、前記撮影手段の側に設けられ、第１の偏光板の偏光角と異なる偏光角を有する第２の偏光板と、
を備える３次元流体計測装置。
［１４］前記第１の偏光板の偏光角と前記第２の偏光板の偏光角が直交する、［１３］に記載の３次元流体計測装置。
［１５］前記第１の偏光板が円偏光板であり、前記第２の偏光板が第１の偏光板の回転方向と逆の回転方向を有する円偏光板である、［１３］に記載の３次元流体計測装置。
［１６］前記トレーサー粒子の重なりの数及び位置を計測する解析手段を更に備える、［１３］〜［１５］のいずれか１項に記載の３次元流体計測装置。
［１７］前記第２の偏光板と前記撮影手段の間であって、前記第２の偏光板の近傍に半球レンズが設けられている、［１３］〜［１６２］のいずれか１項に記載の３次元流体計測装置。
［１８］旋光性を有する物質又は複屈折を有する物質を含むコア部と、当該コア部を被覆する被覆部から構成される、流体の流れを計測するために用いるトレーサー粒子。
［１９］旋光性を有する物質が、流体の屈折率に近い屈折率を有する、［１８］に記載のトレーサー粒子。
［２０］前記旋光性を有する物質がスクロース、フルクトース、マルトース、ガラクトース、マンノース、グルコースアラビノース、ガラクトサミン塩酸塩、イソアスコルビン酸ナトリウム一水和物又はイソマンニドである、［１８］又は［１９］に記載のトレーサー粒子。
［２１］前記コア部分が、スクロース、フルクトース、マルトース、ガラクトース、マンノース、グルコースアラビノース、ガラクトサミン塩酸塩、イソアスコルビン酸ナトリウム一水和物又はイソマンニドの水溶液である、［２０］に記載のトレーサー粒子。
［２２］前記被覆部が、アルギン酸ナトリウムと乳酸カルシウムが反応して形成される被膜、あるいは、ゼラチン、油脂、食品添加物、ツェエン又は硬化油を含むマイクロカプセルから構成される、［１８］〜［２１］のいずれか１項に記載のトレーサー粒子。
［２３］水を大量に取り込むことができる材料に、旋光性を有する物質の水溶液が大量に取り込まれた粒子から構成される、流体の流れを計測するために用いられるトレーサー粒子。
［２４］前記水溶液が、スクロース、フルクトース、マルトース、ガラクトース、マンノース、グルコース、アラビノース、ガラクトサミン塩酸塩、イソアスコルビン酸ナトリウム一水和物又はイソマンニドの水溶液である、［２３］に記載のトレーサー粒子
［２５］光学的異方性を有し、その内部に水を大量に取り込んだカプセル状の粒子から構成される、流体の流れを計測するために用いられるトレーサー粒子。
［２６］複屈折性を有する材料からなる、流体の流れを計測するために用いられるトレーサー粒子。
を、提供するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、従来の流体計測手法よりも広い３次元空間で流体計測を行うことができるトレーサー粒子、及びこれを用いた３次元流体計測法を提供することが可能である。
本発明により、従来のレーザーや並行光の照射を用いて粒子を蛍光方法よりも、計測範囲の拡張が簡易である。
更に、本発明により、流体中において人の視野を阻害しないトレーサー粒子を提供することができ、カメラにのみ粒子を可視化することができ、粒子の背後に隠された粒子を計測することができる流体計測法を提供することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の基本原理の模式図。
【図２】本発明の流体の流れの計測方法により、カメラにのみ粒子を可視化することができることを示す非限定的な例。
【図３】本発明の流体の流れの計測方法において、背後の粒子の数を計測する方法を説明する図。
【図４Ａ】ガラスビーカー中に吸水性ポリマーを入れてチェスボード模様の上に置いた場合の写真を示す。
【図４Ｂ】水の入ったガラスビーカー中に吸水性ポリマーを入れてチェスボード模様の上に置いた場合の写真を示す。
【図５】本発明を適用した非限定的な応用例を示す図。
【図６Ａ】実施例で用いた３次元流体計測装置。
【図６Ｂ】実施例１においてカメラにのみ可視化されたトレーサー粒子を示す。
【図７】同じ粒子径のトレーサー粒子の明度が、粒子が保有するフルクトース水溶液の濃度によって変化していることを示す。
【図８Ａ】第１の直線偏光板003を通過後、第２の直線偏光板004を通るまでの間に通過したトレーサー粒子の数と、最もデジタルＣＣＤカメラ000に近いトレーサー粒子の明るさと色相の関係を示す。
【図８Ｂ】フルクトース水溶液を内包するトレーサー粒子において、重なっている粒子の数に応じて直線的に明るさが変化することを示す図。
【図９Ａ】フルクトース水溶液の濃度と屈折率の関係を示す。
【図９Ｂ】トレーサー粒子が内包するフルクトース水溶液の濃度と水中に存在するトレーサー粒子の表面に発生する光学的歪みの関係を示す。
【図１０Ａ】実施例５で調製した透明な皮膜に覆われた物体を液晶ディスプレイの上に置き撮影した図。
【図１０Ｂ】実施例５で調製した透明な皮膜に覆われた物体を液晶ディスプレイが持つ直線偏光板に直交する光を透過する直線偏光を通して撮影した図。
【図１１】厚い膜を持つトレーサー粒子の外観と粒子追跡法によって追跡した粒子の軌跡を示す。
【図１２】実施例７において、水泳者の腕の周辺に発生した水の流れを粒子画像流速測定法によって計測した結果を示す。
【図１３】水泳者の腕の周辺に発生した水の流れを粒子のブレにより示した図（実施例７）
【図１４】実施例８において、ポンプによって発生した水流にのって漂うトレーサー粒子を粒子画像流速測定法によって計測した結果を示す。
【図１５】球状、半流線型、流線型の物質を一定のスピードで流れる水の流れの中に設置し、それぞれの物質周辺の水の流れを粒子画像流速測定法によって計測した結果を示す（実施例８）。
【図１６】水の抵抗が小さいポーズをした人形と、大きいポーズをした人形を一定のスピードで流れる水の流れの中に設置し、それぞれの人形周辺の水の流れを粒子画像流速測定法によって計測した結果を示す（実施例８）
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施の形態の一例であり、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の記載内容に限定されるものではない。
【００１３】
１．流体の流れの計測方法
本発明の１つの実施態様は、トレーサー粒子が供給された流体の流れを計測する方法であって、光照射手段から第１の偏光板を介して当該流体に光を照射し、前記トレーサー粒子により当該光の偏光面を回転させ、第１の偏光板の偏光角と異なる偏光角を有する第２の偏光板により偏光面が回転した光を通過させ、第２の偏光板を通過した光を撮影手段により撮影することにより前記流体の流れを計測する、流体の流れの計測方法である。
即ち、本発明の流体の流れの計測方法では、光照射手段から流体に光を照射し、第１の偏光板を介して照射した光のうち特定の方向の振幅成分を持つ光（偏光）を通過させ、前記トレーサー粒子により当該光の偏光面を回転させ、第１の偏光板の偏光角と異なる偏光角を有する第２の偏光板により偏光面が回転した光を通過させて、第２の偏光板を通過した光を撮影手段により撮影することによって、流体の流れを計測することができる。
【００１４】
本発明の流体の流れの計測方法は、流体が例えば水等の場合には、流体中の人体に悪影響を与えない程度の光を用いて計測用のカメラ等の撮影手段にのみトレーサー粒子を可視化することで流体の動きを３次元計測可能とするものである。
【００１５】
本発明においては、トレーサー粒子をカメラのみに可視化するために、偏光を用いることが重要である。偏光角が異なる２枚の偏光板を重ねて用いることにより、後部からの光が透過しなくなる遮光が起こる（図１の左図）。
【００１６】
また、本発明で用いるトレーサー粒子は、第１の偏光板を通過した偏光の偏光面を回転させる能力を有することが重要である。
２つの偏光板に挟まれた位置に偏光面を回転する能力を持つ粒子があることにより、偏光板の外から見ると粒子の存在する位置のみが明るくなり（図１の右図）、トレーサー粒子が存在しない流体の部分は、第１の偏光板と第２の偏光板によって遮光され暗い背景となる。
【００１７】
図２に本発明の流体の流れの計測方法を用いた非限定的な例を示す。トレーサー粒子が存在する部分のみが光っており、カメラによる追跡が可能である。
【００１８】
以下、本発明の流体の流れの計測方法の構成要素について詳細に説明する。
【００１９】
（１）トレーサー粒子
本発明のトレーサー粒子は、第１の偏光板を通過した光の偏光面を回転させる能力を有することから、トレーサー粒子は、旋光性を有することが好ましい。
【００２０】
本発明のトレーサー粒子は、流体の屈折率と近い屈折率、好ましくは略同じ屈折率を有する。
トレーサー粒子が流体と近い屈折率を有することで、水等の流体中に人（例えば、水泳者）や生物がいる場合は、その視野を阻害せずに流体の流れを計測することができる。
また、詳細は後述するが、トレーサー粒子が流体と近い屈折率を有することで粒子を通して後ろの景色を見た際の光学的歪みを無くし、後ろに隠された粒子の３次元位置を認識できるようにできる。
【００２１】
本発明のトレーサー粒子は、粒子全体が食品で構成されていることが好ましい。トレーサー粒子が食品で構成されていると、水等の流体中に人等がいる場合に本発明の計測方法を実施した際に人が誤飲した場合の人体への悪影響が少ない。また、トレーサー粒子が食品で構成されていると基本的に生分解性であるため、使用後に自然消滅するため、トレーサー粒子の回収等の作業が必要なくなる。
【００２２】
本発明の１つの好ましい側面においては、トレーサー粒子は、旋光性を有する物質を含むコア部と、当該コア部を被覆する部分から構成される（以下「本発明のトレーサー粒子１」とも言う）。好ましくは、コア部は被覆部に内包される。
ここで、旋光性を有する物質は、計測する流体と近い屈折率、好ましくは略同じ屈折率を有する。
また、旋光性を有する物質は食品であることが好ましい。
【００２３】
旋光性を有する物質としては、好ましくは、スクロース、フルクトース、マルトース、ガラクトース、マンノース、グルコース、アラビノース、ガラクトサミン塩酸塩、イソアスコルビン酸ナトリウム一水和物、又はイソマンニドであり、より好ましくは、スクロース、フルクトース、マルトース、ガラクトース、マンノース、グルコースである。
【００２４】
本発明の１つの好ましい側面においては、コア部は、スクロース、フルクトース、マルトース、ガラクトース、マンノース、グルコースアラビノース、ガラクトサミン塩酸塩、イソアスコルビン酸ナトリウム一水和物又はイソマンニドの水溶液である。
より好ましくは、コア部は、スクロース、フルクトース、マルトース、ガラクトース、マンノース又はグルコースの水溶液である。
【００２５】
被覆部は、コア部を被覆し形状を安定に保つことができる強度を有することが好ましい。また、被覆部を構成する物質は、計測する流体と近い屈折率、好ましくは略同じ屈折率を有する。
【００２６】
被覆部は、アルギン酸ナトリウムと乳酸カルシウムが反応して形成される被膜、あるいは、ゼラチン、油脂、食品添加物、ツェエン又は硬化油を含むマイクロカプセルから構成されることが好ましい。これらの素材は何れも食品の１種であることから、水等の流体中に人等がいる場合に本発明の計測方法を実施した際に人が誤飲した場合の人体への悪影響が少ない。
【００２７】
本発明の１つの好ましい側面においては、被覆部は、アルギン酸ナトリウムと乳酸カルシウムが反応して形成される被膜であり、かかる被膜に、前記したスクロース、フルクトース、マルトース、ガラクトース、マンノース、グルコースアラビノース、ガラクトサミン塩酸塩、イソアスコルビン酸ナトリウム一水和物又はイソマンニドの水溶液が内包されている。また、より好ましくは、コア部は、スクロース、フルクトース、マルトース、ガラクトース、マンノース又はグルコースの水溶液が前記被膜に内包されている。
アルギン酸ナトリウム、乳酸カルシウムは食品の１種であることから、水等の流体中に人等がいる場合に本発明の計測方法を実施した際に人が誤飲した場合の人体への悪影響が少ない。
【００２８】
本発明のトレーサー粒子１を調製する方法としては、例えば、アルギン酸ナトリウムと乳酸カルシウムを用いて人工いくらを作製する方法（例えば、http://www.rs.kagu.tus.ac.jp/~elegance/jikkensp10/jinkouikura.html）
や、その他、マイクロカプセルを作成するために使用される通常の技術を使用することができる。
【００２９】
本発明のもう１つの好ましい側面においては、トレーサー粒子は、水を大量に取り込むことができる材料に、旋光性を有する物質の水溶液が大量に取り込まれた粒子から構成される（以下「本発明のトレーサー粒子２」とも言う）。
水を大量に取り込むことができる材料としては、透明な吸水性ポリマーが好ましく、例えば、寒天、ゼラチン、マンナン、アガーなどが挙げられる。
旋光性を有する物質、及びその水溶液については、本発明のトレーサー粒子１で説明したものと同様のものを使用することができる。
【００３０】
水溶液の取り込み量は、その水溶液が量あたりどの程度偏光面を回転することができるかにより異なる。量あたりの回転量は比旋光度という指標で示され、比旋光度が高い物質の水溶液を使う程、相対的に水の割合を多くすることができる。水の割合が多いほど、比重と屈折率が水と近くなる。また、比旋光度が高い物質の水溶液を使うほど、より少ない厚みでも偏光面を回転できるようになるため、粒子のサイズを小さくすることができる。従って、比旋光度が高い物質を用いるのが好適である。
【００３１】
本発明のもう１つの好ましい側面においては、トレーサー粒子は、光学的異方性を有し、その内部に水を大量に取り込んだカプセル状の粒子から構成される（以下「本発明のトレーサー粒子３」とも言う）。このようなトレーサー粒子は主に水を含んでいるため、比重が水に近接していることから、水の流れとともに滑らかに移動することができる。また、かかるトレーサー粒子の屈折率は水の屈折率と近似しているため、非常に透明であり、水中では目に見えないという特性を有する。このため、例えば、本発明の流体の流れの計測方法を水中に人が存在する環境において３次元流体計測に適用する場合に、トレーサー粒子が水泳者の視界を阻害しない点でより優れており好ましい。
【００３２】
本発明のトレーサー粒子３の非限定的な例としては、アルギン酸ナトリウムと乳酸カルシウムが反応して形成されるゲルから構成される。
このトレーサー粒子は、アルギン酸ナトリウムの水滴を乳酸カルシウムの水溶液の中にたらすことで作成することができる。まず、水滴の周辺にアルギン酸ナトリウムの水滴と乳酸カルシウムが反応してできる膜が水滴の周辺に生成される。この段階で取り出すといくらのような薄い皮に覆われた球が現れる。この内部にはアルギン酸ナトリウム水溶液が入っている。反応時間が長くなると膜の厚みが厚くなる。膜の厚さがいくらのように薄い場合は複屈折が弱いが、膜の厚さが厚くなるほど複屈折が強くなり、本発明の方法で用いる光学系中で非常に明るくなる。膜の厚さは、１ｍｍ程度又はそれ以上が好ましい。長時間反応させると内部に液体はなくなり全体がゲルのような媒体になる。また、膜が厚くなった粒子の内部に水溶液が残っている場合でもトレーサー粒子として有効に用いることができる。これら粒子はゲルであるため大部分が水で構成されている。
このように形成されるトレーサー粒子３は、表面張力のためにほぼ完全な球状の粒子として得ることができる。
【００３３】
本発明のトレーサー粒子３は、その素材自体に光学異方性がなくても、化学反応の後、複屈折(その素材に光学異方性を持たせる現象)を有するもの、及び、元から光学異方性がある素材を使用して得られるものの何れであってもよい。
【００３４】
本発明のもう１つの好ましい側面においては、トレーサー粒子は、複屈折性を有する材料からなる粒子である（以下「本発明のトレーサー粒子４」とも言う）。このような粒子としては、微結晶セルロース、マイクロプラスチックと呼ばれる微少なプラスチック繊維、延ばして作られたプラスチックフィルムの破片などが挙げられる。これらの中でも、微結晶セルロースは、食物繊維や健康食品として販売されており食用あるため、誤飲した場合等でも人体に安全であることから好ましい。
本発明のトレーサー粒子４の形状としては、球状、半流線型、流線型が挙げられるが、流体の流れの計測方法に用いると後方の乱流が少なくなることから球状であることが好ましい。
【００３５】
本発明におけるトレーサー粒子の粒径は、特段限定されるものではないが、通常、粒子径が小さく比重が流体のものと近いほど追従性がよい傾向にあり、本発明の計測方法を用いる状況（測定サイズ、流体の種類等）に応じて適宜定めることができる。
【００３６】
（２）光照射手段
本発明における光照射手段は、バックライト（例えば、白色バックライト）、レーザー照射装置、フレネルレンズ等で集光した日光等特に限定はないが、白色バックライトを用いると、流体が例えば水等の場合には、流体中の人体に悪影響を与えない程度の光を照射できるので好ましい。
また、後述する通り、本発明の流体の流れの計測方法は、トレーサー粒子が複数個重なった際には、その色相や明るさが粒子の全体の厚みの合計(粒子数) によって変化することを利用して、トレーサー粒子の重なりの数を算出することを含むが、色相の変化からトレーサー粒子の重なりの数を算出する場合は、白色バックライトを用いるのが好ましい。白色の光源は赤〜紫の波長の光をすべて含んでいることから、粒子上に全ての色が現れるため、色相の変化が法則的に行われる。
また、フルクトースをコアにしたトレーサー粒子等の場合には、フルクトースの水溶液の濃度が４０％で粒子が６個（６ｃｍ）の範囲では粒子が重なった際に色相はほぼ変化せず、明るさのみが変わる。このようなコアを用いる場合には、白色バックライト以外のものも好適に使用することができる。
【００３７】
バックライトとしては、エッジライト方式、直下型方式の何れも用いることができる。また、光源としては、冷陰極管、発光ダイオード、エレクトロルミネッセンスパネル、レーザー等任意のものを用いることができるが、白色バックライトの光源としては、発光ダイオード、エレクトロルミネッセンスパネルを用いるのが好ましい。
【００３８】
（２）第１の偏光板及び第２の偏光板
本発明において、第１の偏光板及び第２の偏光板は、液晶ディスプレイに通常用いられている偏光板を用いることができる。
このような液晶ディスプレイで使用される偏光板の非限定的例としては、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を主体に、ヨウ素（Ｉ）化合物分子を吸着配向させて作られたものが挙げられるが、これに限定されるわけではない。
【００３９】
第２の偏光板は、第１の偏光板の偏光角と異なる偏光角を有する偏光板を用いる。また、第２の偏光板は、第１の偏光板の偏光角と直交する偏光角を有する偏光板であることが好ましい。
これにより第２の偏光板後部からの光が透過しなくなる遮光が起こり、トレーサー粒子が存在しない流体の部分は遮光されて暗い背景とすることができる。
【００４０】
第１の偏光板を通過する偏光には、直線偏光、楕円偏光、円偏光などが含まれる。
直線偏光板を用いる場合は、例えば、第１の偏光板を透過する光と直交する光を透過させる第２の偏光板を用いる。
また、円偏光板を用いる場合は、回転方向がお互いに逆の円偏光板を用いることで、遮光を起こすことができる(左円偏光板と右円偏光板など)。
円偏光板は、直線偏光板に１／４波長板と呼ばれる光学フィルム（位相差フィルム）を貼り付けることで作ることができる。具体的には、位相差フィルム側を内側にして、左右の円偏光板を重ねると、光を遮断する事ができる。 
【００４１】
円偏光板を使用して本発明の流体の流れの計測方法を行う場合、以下のような流れで遮光が起こる。
バックライトの光は円偏光板を構成する直線偏光板を通る際に、直線偏光になる。その後、１／４波長板によって円偏光に変えられる。その円偏光は、カメラ側に設けられる円偏光板表面にある１／４波長板を通る際に、直線偏光に変えられる。また直線偏光板によって吸収される。
円偏光を利用すると、直線偏光板と違い、設置する角度が変わっても遮光が崩れないという利点がある。
【００４２】
偏光板として円偏光板を利用する場合は、トレーサー粒子として光学異方性を有する粒子、即ち、旋光性（その化学物質のもつ光学特性）を有する粒子、及び、複屈折（その材料の構造による光学特性）を有する粒子の双方について有効に使用することができる。
ここで、旋光性を持つ粒子の場合は、直線偏光板の組み合わせを好適に使用することができるが、複屈折をもつ粒子の場合は、円偏光板の組み合わせを使用するのがより好ましい。これは、旋光性を持つ物質の場合はその物質の角度によらず同じ角度だけ偏光面を回転させるが、複屈折をもつ物質の場合は角度に依存して回転する角度が変わる特性を持つためである。複屈折は縦方向と横方向で屈折率が違う現象であり、遅延軸という軸を持ち、この遅延軸が直線偏光の角度に対して４５度、−４５度の角度の際に最も多く偏光面を回転させ、０度、９０度の際には偏光面を回転させない。つまり、粒子が角度によって明るくなったり暗くなったりする。一方、円偏光板の組み合わせの場合は、この角度依存性を無視でき、複屈折を持つ粒子でも角度によらず同じだけ明るくなる。
【００４３】
トレーサー粒子として、本発明のトレーサー粒子３（光学的異方性を有し、その内部に水を大量に取り込んだカプセル状の粒子）又は本発明のトレーサー粒子４（屈折性を有する材料からなる粒子）を用いる場合は、第１の偏光板及び第２の偏光板として円偏光板を好適に使用することができる。
【００４４】
本発明の１つの側面は、本発明のトレーサー粒子３が供給された流体の流れを計測する方法であって、光照射手段から第１の円偏光板を介して当該流体に光を照射し、前記トレーサー粒子により当該光の偏光面を回転させ、第１の偏光板の回転方向と逆の回転方向を有する第２の円偏光板により偏光面が回転した光を通過させ、第２の偏光板を通過した光を撮影手段により撮影することにより前記流体の流れを計測する、流体の流れの計測方法である。
本発明のトレーサー粒子３は、光学的異方性を有し、その内部に水を大量に取り込んだカプセル状の粒子から構成され、その詳細は上述した通りである。
【００４５】
本発明のもう１つ別の側面は、本発明のトレーサー粒子４が供給された流体の流れを計測する方法であって、光照射手段から第１の円偏光板を介して当該流体に光を照射し、前記トレーサー粒子により当該光の偏光面を回転させ、第１の偏光板の回転方向と逆の回転方向を有する第２の円偏光板により偏光面が回転した光を通過させ、第２の偏光板を通過した光を撮影手段により撮影することにより前記流体の流れを計測する、流体の流れの計測方法である。
本発明のトレーサー粒子４は、複屈折性を有する材料からなり、その詳細は上述した通りである。
【００４６】
第１の偏光板は、光照射手段の近傍に設けることが好ましい。また、第１の偏光板が光照射手段を被覆して設けられていることが好ましい。平面的なバックライトを使用する際には偏光板が被覆されている方が持ち運びがしやすく好ましい。
【００４７】
（３）撮影手段
本発明において、撮影手段は、撮像用レンズ、画像センサ及びカメラ本体を有する。画像センサは、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどにより構成することができる。
【００４８】
本発明の流体の流れの計測方法は、好ましくは、撮影された光の色相又は明るさから、前記トレーサー粒子の重なりの数を計測することを含む。
本発明においては、２つの偏光板に挟まれた位置に偏光面を回転する能力を有するトレーサー粒子を配することで、偏光板の外から見るとトレーサー粒子のある位置のみが明るくなり、粒子のみが周囲に比べて大幅に明るく見える場合に、カメラを用いた位置計測が可能となる。そして、粒子が球状である場合、カメラから見たサイズの変化から粒子の３次元位置を推測できる。
しかしながら、カメラから見て粒子が重なって見える場合には、後ろにある粒子を観測することはできない。そこで、本発明者は、旋光性を示す物質が持つ、厚みに応じて色相や明るさが法則的に変化する特性等を、他の粒子によって隠された粒子の計測に使用することを着想した。ここで、色相と明るさがどのような変化をするかは、トレーサー粒子に使われる旋光性を持つ化学物質の種類及び量による。
【００４９】
図３には、偏光面を回転させる粒子が１つの場合、２つの場合、３つの場合について、干渉色図表で表されるように色相と明るさが変化する様子を示す。これを利用して、他の粒子によって隠された粒子の計測を行うことができる。
【００５０】
具体的には、厚みに応じて色相が変化するコアが使用される場合、干渉色図表を参照することでいくつの粒子が背後に隠されているか判断することができる。粒子の合計の厚み（粒子の数）と干渉色図表に示される色は比例して変化する。例えば、粒子径が１ｃｍとすると、粒子が２つ重なった際には合計の厚みが約２ｃｍ、三つ重なった際には合計の厚みが約３ｃｍとなる。干渉色図表の縦軸は粒子の合計の厚みを示しており、例えば、１ｃｍなら白色、２ｃｍならオレンジ色、３ｃｍなら緑色と法則的に変化する。逆にカメラに最も近い粒子の色から合計の厚み（粒子の数）を推測することができる。
【００５１】
また、例えば、フルクトースの場合、フルクトースの水溶液の濃度が４０％で粒子が６個（６ｃｍ）の範囲では色相はほとんど変化せず明るさが、粒子の合計の厚み(重なっている粒子の数)に比例して直線的に増加した。この場合、もっともカメラに近い粒子の明るさ情報から後ろに存在する粒子の数を推測することが可能である（図１０参照）。
【００５２】
また、本発明者は、トレーサー粒子の屈折率が水等の流体と非常に近い場合、屈折により粒子表面に発生する光学的歪みが少なくなることから、光学的なゆがみが少ない場合、既存の画像処理手法によって歪みを矯正し、粒子の後ろにある粒子の位置を正確に認識することができるようになることを見出した。
即ち、流体とトレーサー粒子の屈折率が同じ場合、粒子表面では屈折が発生しないため、重なった後ろ側の粒子の位置を、前面の粒子を通して計測することができる。ここで、トレーサー粒子の屈折率を流体の屈折率と全く同じにすることは実際には難しいため、前面の粒子による屈折を考慮して後ろの粒子の位置を算出する、レンズ補正のような画像処理を行うことが好ましい。
【００５３】
この点を図４で具体的に示す。図４Ａ、図４Ｂとして、それぞれガラスビーカー中に吸水性ポリマーを入れてチェスボード模様の上に置いたもの（図４Ａ）、水の入ったガラスビーカー中に吸水性ポリマーを入れてチェスボード模様の上に置いたもの（図４Ｂ）の写真を示す。図４Ｂでは、屈折率が水と近いため、吸水性ポリマーのボールが光学的歪みを起こさず、水中で不可視になっている。
【００５４】
本発明で、使用することができる画像処理としては、例えば、歪曲収差補正等を用いることができる。
【００５５】
本発明の流体の流れの計測方法においては、好ましくは、第２の偏光板と撮影手段の間であって、第２の偏光板の近傍に半球レンズが設けられている。半球レンズを設けることにより、水等の流体による光学歪を矯正することができる。
【００５６】
本発明の流体の流れの計測方法においては、例えば一定の範囲の流体の部分に用いる場合、トレーサー粒子が当該流体の部分の外部に流出することを防ぐために、敷居を設けることができる。
【００５７】
本発明の流体の流れの計測方法は、好ましくは液体に用いられ、更に好ましくは水に用いられる。
【００５８】
２．３次元流体計測装置及び３次元流体計測システム
本発明のもう１つの実施態様は、偏光面を回転させることができるトレーサー粒子が供給された流体の流れに光を照射する光照射手段と、前記流体の流れの画像を撮影する撮影手段と、前記光照射手段と前記撮影手段との間であって、前記光照射手段の側に設けられた第１の偏光板と、前記光照射手段と前記撮影手段との間であって、前記撮影手段の側に設けられた、第１の偏光板を透過する光と直交する光を透過させる第２の偏光板と、を備える３次元流体計測装置である。
【００５９】
また、本発明のもう１つの実施態様は、偏光面を回転させることができるトレーサー粒子が供給された流体の流れに光を照射する光照射手段と、前記流体の流れの画像を撮影する撮影手段と、前記光照射手段と前記撮影手段との間であって、前記光照射手段の側に設けられた第１の偏光板と、前記光照射手段と前記撮影手段との間であって、前記撮影手段の側に設けられた、第１の偏光板を透過する光と直交する光を透過させる第２の偏光板と、を備える３次元流体計測システムである。
【００６０】
本発明の３次元流体計測装置及び３次元流体計測システムに用いられる、トレーサー粒子、光照射手段、第１の偏光板、第２の偏光板及び撮影手段は、本発明の流体の流れの計測方法において説明したものと同様である。
【００６１】
本発明の３次元流体計測装置及び３次元流体計測システムは、偏光面を回転させることができるトレーサー粒子が供給された流体が入れられた収容手段を備えることができる。収容手段は、例えば、水等の流体をためた水槽、プール（遊泳場、水泳場）、貯水槽等が挙げられる。また、アクアリウムなど人間以外の生物が入る環境においても使用することができる。
また、収容手段には、化学プラントや石油精製プロセス等の配管の全体又は一部等のような流体が定常的に又は非定常的に流れる装置も含まれる。
【００６２】
本発明の３次元流体計測装置及びシステムは、好ましくは、トレーサー粒子の重なりの数及び／又は位置を計測する解析手段を更に備える。これにより、他の粒子によって隠された粒子の数及び位置を計測することができる。
このような解析手段としては、例えば、レンズ補正のような画像処理、歪曲収差補正が挙げられる。
【００６３】
本発明の３次元流体計測装置及びシステムには、好ましくは、第２の偏光板と撮影手段の間であって、第２の偏光板の近傍に半球レンズが設けられている。半球レンズを設けることにより、水等の流体による光学歪を矯正することができる。
【００６４】
本発明の３次元流体計測装置及びシステムを、例えば一定の範囲の流体の部分に用いる場合、トレーサー粒子が当該流体の部分の外部に流出することを防ぐために、敷居を設けることができる。
【００６５】
本発明の流体の流れの計測方法、３次元流体計測装置及びシステムを適用した非限定的な応用例を図５に示す。
図５では、計測範囲を２５ｍプールの１レーンの広さ（２５ｍ×２ｍ×１．４ｍ）とし、人が泳ぐときに起こす渦のような水流を計測するために本発明を使用する。
使用するトレーサー粒子の大きさは１ｃｍ３で、粒子密度は１／５００ｃｍ３である。また、カメラの数は、２ｍ毎に１２台設け、フレームレート（ＦＰＳ）は１２０である。
【００６６】
本発明のもう１つの実施態様は、旋光性を有する物質又は複屈折を有する物質を含むコア部分と、当該コア部分を被覆する被覆部から構成される、流体の流れを計測するために用いるトレーサー粒子である。
【００６７】
本発明の流体の流れを計測するために用いるトレーサー粒子におけるコア部部分及び被覆部については、本発明の流体の流れの計測方法において説明したものと同様である。
【００６８】
本発明の用途
本発明は、例えば、水中に人が存在する環境において３次元流体計測を実現することができる。この技術は、映像が投影されるプール型エンターテイメント環境等において、水の流れを反映するインタラクティブな映像コンテンツを実現することができる。
また、本発明を用いることにより、水泳などの水中競技のトレーニング効率を向上することも可能である。例えば、泳ぐ際の推進力の向上には３次元空間の流体の動きの理解が重要であることが知られている。もし水泳プール中の水の流れが３次元計測できれば、今までのコーチの経験に基づいたトレーニング法に加えて、推進力を数値化したデータに基づいた水泳フォームの矯正などが可能になることが予測される。
【実施例】
【００６９】
以下本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００７０】
［実施例１］
実施例１は吸水性ポリマーで構成されたトレーサー粒子を用いた３次元流体計測装置に関する。本実施例の３次元流体計測装置は図６Ａに示すように、撮影種手段にはデジタルＣＣＤカメラ000を、光照射手段には白色バックライト001を、トレーサー粒子002には濃度が４０％のフルクトースの水溶液を吸収させた吸水性ポリマーを、トレーサー粒子を可視化する手段には光照射手段と撮影手段との間であって、光照射手段の側に設けられた第１の直線偏光板003と、光照射手段と撮影手段との間であって、撮影手段の側に設けられた第１の直線偏光板と直交する偏光角を持つ第２の直線偏光板004を使用する。
【００７１】
デジタルＣＣＤカメラ000は、ＰＣ(パーソナルコンピュータ)005に接続されており、PC005はデジタルＣＣＤカメラ000により撮影した画像を連続的に保存するともに、画像中にある他よりも明度の高いピクセルの塊を検出するブロブ解析を用いたトレーサー粒子の追跡を実行する。
【００７２】
実施例1では計測対象の流体として、寸法が縦３８ｃｍ横３０ｃｍ高さ２８ｃｍの水槽に高さ１０ｃｍまで満たされた水、約１１．５Ｌを使用した。流体中に供給されるトレーサー粒子の数は２５個とした。
【００７３】
トレーサー粒子002として、水溶液あるいは水を最大まで吸収した際に大きさが最大約１ｃｍになる球状の無色透明な吸水性ポリマーを使用した。
【００７４】
トレーサー粒子002は、前述した吸水性ポリマーを濃度が４０％のフルクトースの水溶液が入ったガラス製のビーカーに、２４時間以上漬け込むことにより作成した。
【００７５】
白色バックライト001と第１の直線偏光板003として、液晶ディスプレイ等を使用することができる。実施例1では「Lenovo ThinkVision LT2223p」を使用した。
【００７６】
図６Ｂは、カメラにのみ可視化されたトレーサー粒子を示している。本発明による透明なトレーサー粒子の可視化手法の原理および構成を説明する。
【００７７】
白色バックライト001が出射した無偏光の光は、第１の偏光板003によって直線偏光に変えられ、計測対象のトレーサー粒子002が供給された流体中に入射される。流体中に入射した直線偏光は第２の直線偏光板004に入射される。流体中を通過する際に流体中を漂うトレーサー粒子002に入射した直線偏光は、その偏光面が一定量（約６°）回転した状態で第２の直線偏光板004に入射される。
【００７８】
トレーサー粒子を通過しなかった直線偏光は、第２の直線偏光板004によって遮光され、トレーサー粒子を通過した直線偏光は僅かに第２の直線偏光板004を通過する。このため、デジタルＣＣＤカメラ000が撮影する画像中ではトレーサー粒子が存在する部分のみが明るく観測される。
【００７９】
トレーサー粒子の明度は、粒子が保有する旋光性を持つ化学物質の量と粒子の厚み(直線偏光が粒子内を通過する長さ)によって変化する。
【００８０】
［実施例２］
フルクトース水溶液の濃度とトレーサー粒子の明度の検討
実施例１と同様の手順により、フルクトース水溶液の濃度が異なるトレーサー粒子を調製し、これらを用いてトレーサー粒子の明度を調べた。
図７は同じ粒子径のトレーサー粒子の明度が、粒子が保有するフルクトース水溶液の濃度によって変化していることを示す。図７中のトレーサー粒子の直径はすべて１ｃｍであり、白色バックライトの光をすべての粒子に一様な強さで照射した。
【００８１】
撮影手段として、デジタルＣＣＤカメラ「LUMIX DMC-FZ1000」が使用され、設定は以下の通りであった。
・ISO: 1600,
・Focal length: 9.12 mm
・Exposure: -0.66 ev
・F-number: f/3.1
・Shutter speed: 1/8 
【００８２】
トレーサー粒子が含むフルクトースの水溶液の濃度と粒子径がすべてのトレーサー粒子で同じ場合、最もデジタルＣＣＤカメラ000に近い場所にあるトレーサー粒子の明るさ(又は色相)から、その粒子の背後に隠されたトレーサー粒子の数を算出することができた。
【００８３】
［実施例３］
フルクトース水溶液の濃度とトレーサー粒子の色相の検討
実施例１と同様の手順により、フルクトース水溶液の濃度が異なるトレーサー粒子を調製し、これらを用いてトレーサー粒子の色相を調べた。
図８（Ａ）は、第１の直線偏光板003を通過後、第２の直線偏光板004を通るまでの間に通過したトレーサー粒子の数と、最もデジタルＣＣＤカメラ000に近いトレーサー粒子の明るさと色相の関係を示している。
【００８４】
図８（Ｂ）に示すように、旋光性を持つ水溶液としてフルクトース水溶液を内包するトレーサー粒子の場合、重なっている粒子の数に応じて直線的に明るさが変化することを確認した。
【００８５】
トレーサー粒子の屈折率が、トレーサー粒子が供給される流体の屈折率と同じ場合、粒子表面に光学的歪みが発生しない。これにより、ある粒子の背後にある粒子を、前面の粒子を通して観測しその位置や大きさを計測することができる。
【００８６】
トレーサー粒子の屈折率が、トレーサー粒子が供給される流体の屈折率と非常に近い場合、粒子表面に僅かな光学的歪みが発生する。僅かな光学的歪みの影響は、デジタルＣＣＤカメラ000が撮影したトレーサー粒子上に、既存の画像処理(レンズ補正手法など)を適用することで取り除くことができる。
【００８７】
［実施例４］
フルクトース水溶液の濃度と屈折率の関係の検討
実施例１と同様の手順により、フルクトース水溶液の濃度が異なるトレーサー粒子を調製し、これらの屈折率を調べた。
トレーサー粒子の表面に発生する光学的歪みの大きさは、トレーサー粒子が保有する水溶液の屈折率によって変化した。前述の水溶液の屈折率は、全体に対する旋光性を持つ化学物質の量(水溶液の濃度)に応じて変化した。
【００８８】
図９（Ａ）はフルクトース水溶液の濃度と屈折率の関係を示す。図９（Ｂ）はトレーサー粒子が内包するフルクトース水溶液の濃度と水中に存在するトレーサー粒子の表面に発生する光学的歪みの関係を示す。図９（Ｂ）では、フルクトースの水溶液をそれぞれ別の濃度で含む無色透明な球状の吸水性ポリマー製のトレーサー粒子６つが、屈折率約１．３３の水に満たされたガラス製のフラスコに設置されている。トレーサー粒子が含むフルクトースの水溶液の濃度は、左から順に６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、１０％であり、トレーサー粒子の粒子径はすべて１ｃｍである。
【００８９】
トレーサー粒子をフルクトースの水溶液を吸収した吸水性ポリマーで構成する場合、浸透圧によりフルクトースが流体中へ流れ出すことが確認された。このため、吸水性ポリマーのように自重の数百倍の水溶液を保有できる素材によりトレーサー粒子を構成する場合、流体と屈折率の近い被覆で周囲を覆い、旋光性を持つ水溶液の流出を防ぐ必要があることがわかった。
【００９０】
［実施例５］
アルギン酸ナトリウムと乳酸カルシウムを被覆部、内部（コア部）をスクロースの水溶液で構成したトレーサー粒子の生成方法に関する検討。
アルギン酸ナトリウムの水溶液と乳酸カルシウムの水溶液が反応すると、アルギン酸カルシウムの膜が生成されることが知られている。スポイトなどを用いて水滴状のアルギン酸ナトリウム水溶液を乳酸カルシウム水溶液に投下すると、周囲を透明な皮膜に覆われた球状の物体が生成される。
【００９１】
アルギニン酸ナトリウムの含有量は水２５０ｍｌあたり１．３ｇ程度が好適である。乳酸カルシウムの含有量は水１０００ｍｌあたり６ｇ程度が好適である。
【００９２】
実施例５では、上述した皮膜内部に旋光性を持つ水溶液を包む方法について検証した。
【００９３】
濃度が４０％程度のスクロース水溶液を、濃度１％程度のアルギン酸ナトリウム水溶液と混ぜ合わせた後、さらにアルギン酸ナトリウムを追加し、アルギン酸ナトリウムの濃度が同程度になるようにした。
【００９４】
前述したスクロース水溶液とアルギン酸ナトリウム水溶液を混ぜ合わせた溶液を大さじのスプーンですくい、濃度が２％の乳酸カルシウム水溶液中に投下したところ、周囲を透明な皮膜に覆われた物体が生成された。
【００９５】
厚さ約５ｍｍ程度の前述した透明な皮膜に覆われた物体には、僅かながら旋光性が見られた。図１０Ａは前述した物体を液晶ディスプレイの上に置き撮影したものである。図１０Ｂは同じ物体を液晶ディスプレイが持つ直線偏光板に直交する光を透過する直線偏光を通して撮影したものである。
【００９６】
前述した生成される膜と被覆部内部に含まれるアルギン酸カルシウムは食用である。また、スクロースは一般に砂糖と呼ばれる食用の化学物質である。このため、前述した方法によって生成されたトレーサー粒子は、人体に誤飲された場合にも悪影響が少ないことが考えられる。
【００９７】
前述した透明な皮膜の厚みは、アルギン酸ナトリウム水溶液の水滴が乳酸カルシウム水溶液中に存在した時間(投下から回収までの時間)によって変化することが確認された。時間が長いほど被膜の厚みは厚くなり、それに伴い硬度が上がり、徐々に増加する被膜の白濁により透明度が下がることが確認された。
【００９８】
本発明の流体の流れを計測するために用いるトレーサー粒子は内部に旋光性を持たないアルギン酸ナトリウム水溶液を含む必要はない。また、旋光性を持つ他の水溶液が相対的に多い方が好ましい。
【００９９】
このため、アルギン酸ナトリウムの水溶液と乳酸カルシウムによって、アルギン酸カルシウムの膜によるカプセルを生成した後、内部のアルギン酸ナトリウムの水溶液を取り出し、代わりに旋光性を持つ水溶液を内部に注入するようなトレーサー粒子の生成方法も考えられる。
【０１００】
［実施例６］
アルギン酸ナトリウムの水溶液の水滴を乳酸カルシウム水溶液に滴下することで生成されたアルギン酸カルシウムの皮膜を厚くすることにより構成したトレーサー粒子に関する検討。
【０１０１】
アルギン酸ナトリウムの水溶液の水滴を乳酸カルシウム水溶液に滴下することによって作成されたアルギン酸カルシウムの膜は複屈折を持つ。
【０１０２】
皮膜の厚みはアルギン酸ナトリウム水溶液の水滴が乳酸カルシウム水溶液中に存在した時間(投下から回収までの時間)によって変化し、厚みの増加に伴い複屈折が強くなることが確認された。
【０１０３】
実施例６では、粒子の皮膜が厚く複屈折が強い場合、計測対象の流体中を漂う粒子の動きを 粒子追跡法(Particle Tracking Velocimetry, PTV)を用いて追跡可能であるか検証した。
【０１０４】
アルギン酸ナトリウム水溶液は、５０ｍＬの水に３．２ｍｇのアルギン酸ナトリウムを添加することによって準備した（６％）。また、乳酸カルシウム水溶液は、１００ｍＬの水に３ｍｇの乳酸カルシウムを添加することによって準備した（１．５％）。
出口の直径が２ｍｍのスポイドによってアルギン酸ナトリウム水溶液を乳酸カルシウム水溶液に滴下した。
トレーサー粒子は、滴下したアルギン酸ナトリウム水溶液を乳酸カルシウム水溶液中に約１８０秒間浸漬した後に取り出すことで生成した。
【０１０５】
トレーサー粒子の粒子追跡法による追跡の可否を検証するための環境は、大きさが横幅２０ｃｍ、高さ２０ｃｍ、奥行き６ｃｍの水槽、循環ポンプ(流量＝２００Ｌ／ｈ）、水槽前面から約30cm離れた位置に設置されたカメラ（Ｓｏｎｙ  ＲＸ１００Ｖ）、水槽の後ろに設置された白色バックライト（１１００ｌｕｘ）から構成した。
白色バックライトの前面には左円偏光板を貼り付け、カメラは右円偏光板を通して水槽を撮影した。
水槽には、直径が約５ｍｍのトレーサー粒子２０粒を配布し、ポンプが起こす水によって水槽中を漂うようにした。
計測には粒子追跡法のためのPython用ソフトウェアライブラリであるＴｒａｃｋｐｙを用いた。画像中から粒子の位置を認識するためには、画像中のつながった領域を見つける画像処理手法を用いた。
【０１０６】
図１１は厚い膜を持つトレーサー粒子の外観と粒子追跡法によって追跡した粒子の軌跡を示している。実験の結果、アルギン酸ナトリウムの水溶液の水滴を乳酸カルシウム水溶液に滴下することによって作成された厚い皮膜を持つトレーサー粒子の動きは、粒子追跡法によって追跡可能であることが確認された。
カメラの設定は以下の通りにした。露光＝０．０ＥＶ、Ｆ値＝ｆ／１．８、  シャッタースピード＝１／２５０；ＦＰＳ＝２４０。
【０１０７】
［実施例７］
水泳者によって引き起こされた水流を粒子画像流速測定法(Particle Image Velocimetry、PIV)を用いて計測する検証。
【０１０８】
検証には、プール（３×２×１．５ｍ）、プールの内部の壁に設置された白色バックライト（１２０×１２０×１ｃｍ、１４．４Ｗ）、防水カメラ（ＧｏＰｒｏ  ＨＥＲＯ６モデル）を用いた。
白色バックライトの前面に右円偏光板が貼り付け、防水カメラのレンズには左円偏光板を貼り付けた。
【０１０９】
水泳選手によって引き起こされた水流を計測するために、経験豊富な水泳選手2名にプール中でクロールの水泳動作を複数回行ってもった。
水泳動作を行う水泳者のプール中の位置を固定位置に維持するために、水泳者にはゴムチューブがつながったコルセットの装着を依頼した。コルセットについたゴムチューブの反対側の端は、プール外部の、安定して固定されている場所につながれている。
プール中には約５０００Ｌの水をいれ、２Ｌ分の直径約５ｍｍのトレーサー粒子を散布した。水泳者はトレーサー粒子が漂うプール中でクロールの水泳動作を行った。
【０１１０】
図１２は水泳者の腕の周辺に発生した水の流れを粒子画像流速測定法によって計測した結果である。（Ａ）から（Ｄ）は、時間の経過に伴う水の流れの変化を示している。
計測データからは2種類の特徴的な水流が観測された。一つは、水泳者の腕を追従するように動く流れで、もう一つは水泳者の腕が通った後に発生する渦状の流れである。
カメラの設定は、以下の通りにした。
露光＝０．０ＥＶ、シャッタースピード＝１／１２０；ＦＰＳ＝１２０。カメラから水泳者の距離は約１４０ｃｍにした。録画した映像から水の流れを取得するためには、粒子画像流速測定法用ソフトウェアであるＰＩＶｖｉｅｗを使用した。
【０１１１】
図１３は水泳者の腕の周辺に発生した水の流れを粒子のブレにより示したものである。ブレは同様のカメラのＦＰＳを３０ＦＰＳに下げることによって撮影した。トレーサー粒子のブレから、粒子が粒子画像流速測定法によって計測した水の流れと同様の動きをしていることが確認できる。
【０１１２】
［実施例８］
微結晶セルロースのトレーサー粒子として用いた流体計測に関する検証。
【０１１３】
セルロースは強い複屈折を持つ。また、大きさが１０から３０μｍ程度のセルロースの結晶は、微結晶セルロースと呼ばれトレーサー粒子として用いられている。微結晶セルロースは食物繊維としても一般に販売されており、誤飲した際の安全性も保証されている。
【０１１４】
実施例８では、計測対象の流体中を漂う微結晶セルロース製のトレーサー粒子の動きを粒子画像流速測定法 (Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ  Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ，  ＰＴＶ)を用いて追跡可能であるか検証した。
検証には、水槽(３０ｃｍ×２０ｃｍ×２５ｃｍ)、径が約１０から３０μミリサイズの微結晶セルロース、水流を発生させるポンプ、カメラ（Ｓｏｎｙ  ＲＸ１００Ｖ）を用いた。
底面もガラス製の水槽の下部には白色バックライト(１１００Ｌｕｘ）が敷かれており、バックライトの表面には右円偏光板が貼り付けられている。カメラは左円偏光板を通して水槽を上部から撮影できる位置に設置されている。
【０１１５】
図１４はポンプによって発生した水流にのって漂うトレーサー粒子を粒子画像流速測定法によって計測した結果である。左の写真は流れの早さを粒子のブレ度合いで表したものである。右の図は、流れの速さを粒子画像流速測定法によって計測した結果を矢印の大きさで示したものである。
カメラの設定は、以下の通りにした。
露光＝０．０ＥＶ、シャッタースピード＝１／２０、Ｆ値＝ｆ／２．８。カメラから水槽底面の距離は約３０ｃｍにした。水の厚みは約５ｃｍにした。また、微結晶セルロースは０．５ｃｃ程度用いた。
水中を物質が進む際や、水の中に物質が設置された際にはその物質の後方に乱流が発生する。乱流の多さは、その物質の水中での抵抗の大きさを示している。一般的に、流線型をした物質は水の抵抗が小さく、反対に板状や球状の物質は水の抵抗が大きいことが知られている。
【０１１６】
図１５は球状、半流線型、流線型の物質を一定のスピードで流れる水の流れの中に設置し、それぞれの物質周辺の水の流れを粒子画像流速測定法によって計測した結果である。
球状、半流線型、流線型の物質の順に後方の乱流が少なくなることが確認された。計測結果は、既存の物体後方の乱流と抵抗の大きさに関する知見と一致するため、微結晶セルロースが追跡可能であり、かつトレーサー粒子として有効であることが確かめられた。
【０１１７】
図１６は水の抵抗が小さいポーズをした人形（正しいけのびの姿勢）と、大きいポーズをした人形(正しくないけのびの姿勢)を一定のスピードで流れる水の流れの中に設置し、それぞれの人形周辺の水の流れを粒子画像流速測定法によって計測した結果である。
水の抵抗の小さいポーズをした人形（正しいけのびの姿勢）の周辺は、ほとんどの部分で水が前方から後方に向かってまっすぐ流れているのに対して、水の抵抗の大きいポーズをした人形(正しくないけのびの姿勢)の周辺は、水が様々な方向に向かって流れていることが確認された。
水が様々な方向に向かって流れていることは、水泳者を進行方向ではない後方や下方にむかって引くような力が働いていることを意味し、水泳において好ましくない状況である。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明は、水中に人が存在する環境において３次元流体計測を実現することができる。この技術は、映像が投影されるプール型エンターテイメント環境等において、水の流れを反映するインタラクティブな映像コンテンツを実現する。
また、水泳などの水中競技のトレーニング効率を向上する。例えば、泳ぐ際の推進力の向上には３次元空間の流体の動きの理解が重要であることが知られている。もし水泳プール中の水の流れが３次元計測できれば、今までのコーチの経験に基づいたトレーニング法に加えて、推進力を数値化したデータに基づいた水泳フォームの矯正などが可能になることが予測される。
【符号の説明】
【０１１９】
000デジタルCCDカメラ
001 白色バックライト
002 トレーサー粒子
003 トレーサー粒子を可視化する手段には光照射手段と撮影手段との間であって、光照射手段の側に設けられた第１の直線偏光板
004 光照射手段と撮影手段との間であって、撮影手段の側に設けられた第１の直線偏光板と直交する偏光角を持つ第２の直線偏光板
005 PC(パーソナルコンピュータ)
【図１】
2019132840.tif 000003
【図２】
2019132840.tif 000004
【図３】
2019132840.tif 000005
【図４Ａ】
2019132840.tif 000006
【図４Ｂ】
2019132840.tif 000007
【図５】
2019132840.tif 000008
【図６Ａ】
2019132840.tif 000009
【図６Ｂ】
2019132840.tif 000010
【図７】
2019132840.tif 000011
【図８Ａ】
2019132840.tif 000012
【図８Ｂ】
2019132840.tif 000013
【図９Ａ】
2019132840.tif 000014
【図９Ｂ】
2019132840.tif 000015
【図１０Ａ】
2019132840.tif 000016
【図１０Ｂ】
2019132840.tif 000017
【図１１】
2019132840.tif 000018
【図１２】
2019132840.tif 000019
【図１３】
2019132840.tif 000020
【図１４】
2019132840.tif 000021
【図１５】
2019132840.tif 000022
【図１６】
2019132840.tif 000023