(57)【要約】【課題】三次元空間内の音波等の粗密波を、光などの電磁波の発信強度あるいは吸収特性変化の分布に変換し、リアルタイムで画像化すること。【解決手段】圧力あるいは圧力変化を、光等の電磁波あるいは電磁波の吸収特性変化に変換する微細なセンサ２を音波等の疎密波が伝搬する測定空間１内に多数、分散配置する。また、上記測定対象の空間１を観測する単数あるいは複数の高感度カメラ３を設置し、カメラ３により観測された画像を画像処理装置４に送る。そして、カメラ３により、センサ群が発する光の強弱を捉え、測定空間内を伝搬する疎密波の波面を、リアルタイムで画像化する。上記センサ２としては、例えば、窪みを持つ単結晶のシリコン片に、該窪みを密閉するようにピエゾ素子等の感圧素子を取付け、また、該ピエゾ素子が発生する起電力により発光する発光ダイオードを作り込んだものを用いることができる。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明流体を伝搬する粗密波または透明固体内を伝搬する粗密波の波面をリアルタイムに３次元的に可視化し観察可能とする疎密波のリアルタイム画像化方法であって、
近傍の空間の局部的な圧力あるいは圧力変化に応じて、電磁波を発するか、あるいは、電磁波吸収特性が変化する微小な多数のセンサを、上記測定する空間に分散配置し、
上記空間内の各センサからの電磁波もしくは上記各センサによる電磁波吸収を検出し、広範囲の空間における粗密波の波面をリアルタイムに画像化する
ことを特徴とする三次元空間内の粗密波波面のリアルタイム画像化方法。
【請求項２】
測定する空間内に分散配置され、透明流体を伝搬する粗密波または透明固体内を伝搬する粗密波の波面をリアルタイムに３次元的に可視化して観察可能とするための微小なセンサであって、
上記センサは、近傍の空間の局部的な圧力あるいは圧力変化に応じて、電磁波を発するか、あるいは、電磁波吸収特性が変化する手段を備える
ことを特徴とする疎密波リアルタイム画像化用センサ。
【請求項３】
上記センサは、電磁波を発するセンサであり、該センサの発する電磁波が、発光素子によって発振される可視光あるいは近赤外光である
ことを特徴とする請求項２の疎密波リアルタイム画像化用センサ。
【請求項４】
体積に比較して表面積を大きくする手段を設けた
ことを特徴とする請求項２または３の疎密波リアルタイム画像化用センサ。
【請求項５】
上記センサが糸もしくはメッシュ上に分散して固定されている
ことを特徴とする請求項２または３の疎密波リアルタイム画像化用センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透明な物質（気体、液体、固体を問わない）の内部を伝搬する音波等の粗密波の挙動を、その波面を可視化することによって三次元的にリアルタイムに観測するための方法およびそのためのセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波は医療機器や非破壊検査をはじめとする広い分野で用いられている。その開発過程において、音波そのものの三次元空間内での伝搬状況や分布状況を把握することが有効なことがある。また、劇場等の音響設計においても、従来は理論計算やコンピュータシミュレーションだけで行われていたが、音波の分布が直接可視化できればさらにその精度が高まることが期待される。
従来においては、上記音波のような粗密波の挙動を、その波面を可視化することによって三次元的にリアルタイムに観測する方法は知られていなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来においては、音波のような粗密波の挙動を、三次元的にリアルタイムに観測する方法は知られていなかった。
本発明はこのような観点からなされたものであって、本発明の目的は、三次元空間内の音波等の粗密波を、光などの電磁波の発信強度あるいは吸収特性変化の分布に変換し、画像化するための画像化方法およびそのためのセンサを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、空間内を伝搬する粗密波が空間の局所的な圧力変化を伴うことに着目し、圧力あるいは圧力変化を、光等の電磁波あるいは電磁波の吸収特性変化に変換する微細なセンサを用い、図１に示すように、上記センサ２を音波等の疎密波が伝搬する測定空間１内に多数、分散配置する。
そして、測定対象の空間を、単数あるいは複数の高感度カメラ３等で観測し、その空間を満たす粗密波の波面をリアルタイムで立体的に撮影する。
ここで、上記疎密波の周波数に同期した、あるいは、わずかに同期からはずれたサンプレングレートのカメラを用いれば、疎密波伝搬による非常に速い圧力分布の変化を、止まった画像として、あるいは、ゆっくり動く画像として捉えることができる。
上記センサ２としては、例えば、窪みを持つ単結晶のシリコン片に、該窪みを密閉するようにピエゾ素子等の感圧素子を取付けるとともに、該ピエゾ素子が発生する起電力により発光する発光ダイオード等の発光素子を作り込んだものを用いることができる。
また、上記センサ２を測定空間１内に分散配置する方法としては以下の方法を用いることができる。
（ａ）　空間を満たしているものが流体の場合には、流体をポンプ等により攪拌しながら、センサ２を空間中に浮遊させる。この場合、密度あるいは粘性の低い流体中での浮遊を容易にするため、センサ２に翼等の表面積を大きくする手段を取り付けてもよい。
（ｂ）　空間を満たしているものが流体の場合には、センサ２を糸、あるいはメッシュ、３次元メッシュ等に取付け、測定対象空間１内にセンサ２を取付けた糸、メッシュ等を張りめぐらせる。
これにより、センサ２の取り扱いが容易となり、またセンサ２の配置を調整することができる。
（ｃ）　空間を満たしているものが固体の場合には、固体塊の製造時に埋め込んでおく。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例の概念構成を示す図である。
同図は、立方体として表した空間１を満たす透明な気体、液体、あるいは固体内を伝搬する粗密波の挙動を、３次元的にリアルタイムで観測する場合を示しており、上記測定空間１内には、微細なセンサ２が浮遊している。
上記微細なセンサ２は、上記測定空間１を透過する電磁波を発するか吸収する。たとえば、この空間が空気で満たされているのならば、センサ２は空気を透過することのできる光、近赤外線、紫外線等を発するか、あるいは吸収する。なお、光等の電磁波を吸収するセンサを用いる場合に、上記空間１にセンサが吸収する波長域の電磁波を照射しておく。
上記センサ２は、空間１内に充分な数だけ散布されて浮遊しており、例えば、上記空間１を気体あるいは液体が満たしている場合には、ポンプやプロペラによる適切な攪拌によってなるべく均一に分布するよう浮遊させる。
また、固体の場合はあらかじめその固体塊の製造時に埋め込んでおく。センサ２の分布密度は、測定対象とする粗密波の波長に対して充分に高く、互いの間隔が測定対象の粗密波の波長の１／２を越えないようにする。
なお、以下では、上記空間１内に流体が満たされ、センサ２が光を発する場合を例として説明する。
【０００６】
上記センサ２は、図２に示すように（後述する）、その周囲の空間の局所的な圧力あるいは圧力変化を光の強弱として周囲に発振する機能を持つ。
なお、圧力変化に応じて、発する光の波長が変わるセンサを用いてもよい。また、センサが光を吸収するものの場合には、圧力変化に応じて、吸収波長が変わるものであってもよい。
上記空間１の外側には、この場合、２台のカメラ３が配置され、カメラ３により、上記センサ群が発する光を一括して捉え、画像処理装置４に送る。
上記カメラ３により、センサ群が発する光の強弱として表現された粗密波の波面が、リアルタイムで画像化される。すなわち、空間１中を伝搬する疎密波の圧力に応じて、微細なセンサ群が発する光の強弱が変わるので、発生源から空間１中を同心円状に広いがっていく音波等の波面をカメラ３により、捉えることが可能となる。
また、上記のように、カメラ３を複数にして、画像処理装置４により処理を行うことにより、波面の立体的な構造の把握も可能となる。
なお、センサ２が発する光が弱い場合はカメラ３を高感度のものとすることによって対応することができる。
さらに、上記音波等の周波数に同期した、あるいは、わずかに同期からはずれたサンプレングレートのカメラを用いて、空間１の画像を捉えることにより、疎密波伝搬による非常に速い圧力分布の変化を、止まった画像として、あるいは、ゆっくり動く画像として捉えることができる。
これにより、上記空間１の疎密波の伝搬特性を画像として、より確実に得ることが可能となる。
【０００７】
図２、図３（ａ）、図３（ｂ）は、上記センサ２の構成例を示す図であり、図２は図３のＡ−Ａ断面図、図３（ａ）（ｂ）は斜視図であり、それぞれ図２のセンサを発光ダイオード側からみた図、およびピエゾ素子側から見た図である。
このセンサ２は、気体を含む透明な流体中にも容易に浮遊させることができるよう、最大辺の大きさが２００μｍ以下となるよう製作する。
センサ２の骨格を成す構造体２ａは一面に窪み２ｂを持つ例えば単結晶シリコンの微小な片である。
窪み２ｂはピエゾ素子あるいは充分な起電力を得るために積層されたピエゾ素子２ｃによって密閉され、外部の空間から隔絶されている。
上記窪み２ｂが密閉されているので、ピエゾ素子２ｃは外部の圧力の変化に応じて変形し、変形によってその両端Ａ，Ｂの間に電位差を生みだす。
その電位差は構造体２ａの側面に作り込まれた導電帯２ｄによって、構造体２ａの反対側の面に導かれる。
なお、上記構造体２ａに微細な孔を開けて、窪み２ｂ内の空間と外部の空間が連通するようにしてもよい。これにより、上記窪み２ｂ内の空間内の圧力は、ゆっくりと外部の圧力に等しくなり、また、外部の圧力が変化したときは、ピエゾ素子２ｃが圧力変化に応じて電位差を生ずる。
構造体２ａの反対側の面には、発光ダイオード素子２ｅが作り込まれており、上記ピエゾ素子２ｃのＡ，Ｂ間に電位差が生ずると、上記発光ダイオード２ｅが発光し、光２ｆを生ずる。
この光２ｆが単体で、あるいは多数集合したものが、図１のカメラ３にて捉えられ、画像として画像処理装置４により処理されることになる。
【０００８】
図４は上記センサの他の構成例を示す図である。同図は、前記図３（ａ）と同様、センサ２を発光ダイオード側から見た斜視図であり、内部構造は前記図２と同様であり、また、ピエゾ素子側から見た図は前記図３（ｂ）と同様である。
このセンサ２は、発光ダイオード２ｅとして、赤色発光領域を有する第１の発光ダイオード２ｅ−１と緑色発光領域を有する第２の発光ダイオード２ｅ−２を用いて、それらを逆極性に並列接続したものである。
ピエゾ素子２ｃは、加圧時と減圧時で起電力の極性の正負が反転するので、上記構成とすることにより、加圧時と減圧時で発光ダイオード２ｅ−１もしくは２ｅ−２のいずれかを選択的に発光させることができる。このため、上記センサ２を用いれば、疎密波の伝搬に伴う、空間の加圧動作だけでなく、減圧動作も同時に観察することができる。
なお、上記実施例では、発光ダイオード２ｅをセンサ２の一面に設けた場合について説明したが、発光ダイオード２ｅをセンサ２の複数面に設けてもよい。これにより、センサ２の向きに係わらず、センサ２が発する光等の電磁波を捉えることが可能となる。
【０００９】
また、図５に示すようなセンサ２に翼２ｇを付属させることによって質量あたりの表面積を増大させることができる。このセンサ２を用いれば、希薄な、あるいは粘性の低い流体においてより容易に浮遊状態を維持するようにすることが可能である。
上記のようにセンサ２を空間１中に浮遊させる代わりに、以下のように、センサを空間中に分散配置してもよい
（ｉ）　センサ２を細い糸に、例えば等間隔に固定し、その糸（複数でも単数でもよい）を測定対象空間に適当に張りめぐらせる。上記センサ２の糸への固定は、例えば、接着剤や粘着剤を用いることができ、糸の製造時に、糸にセンサ２を組み込んでもよい。
上記構成とすれば、測定終了後のセンサの回収が容易になる等、取り扱いが確実かつ楽になり、また、センサ２の配置を調節できるようになる。
（ｉｉ）センサ２を細い糸等からなるメッシュに固定し、該メッシュ（複数でも単数でもよい）を測定対象空間内に適当に張って使用する。
このようにしても、上記（ｉ）　と同様、取り扱いが確実かつ楽になり、また、センサ２の配置を調節できるようになる。
（ｉｉｉ）　センサ２をあらかじめ組み上げられた３次元メッシュに固定して使用する。このようにすれば、上記（ｉ）（ｉｉ）　と同様、取り扱いが確実かつ楽になり、また、センサ２の配置を調節できるようになる。特に、センサ２の三次元配置を予め設定しておくことが可能となる。
【００１０】
（付記１）　透明流体を伝搬する粗密波または透明固体内を伝搬する粗密波の波面をリアルタイムに３次元的に可視化し観察可能とする疎密波のリアルタイム画像化方法であって、
近傍の空間の局部的な圧力あるいは圧力変化に応じて、電磁波を発するか、あるいは、電磁波吸収特性が変化する微小な多数のセンサを、上記測定する空間に分散配置し、
上記空間内の各センサからの電磁波もしくは上記各センサによる電磁波吸収を検出し、広範囲の空間における粗密波の波面をリアルタイムに画像化することを特徴とする三次元空間内の粗密波波面のリアルタイム画像化方法。
（付記２）　単数あるいは複数のカメラを用いて、上記センサの発する電磁波あるいはセンサによる電磁波吸収を画像として捉える
ことを特徴とする付記１の三次元空間内の粗密波波面のリアルタイム画像化方法。
（付記３）　上記疎密波の周波数に同期もしくは該周波数からわずかにずれたサンプリング・レートで、上記画像をカメラに取り込むことを特徴とする付記２の三次元空間内の粗密波波面のリアルタイム画像化方法。
（付記４）　測定する空間内に分散配置され、透明流体を伝搬する粗密波または透明固体内を伝搬する粗密波の波面をリアルタイムに３次元的に可視化して観察可能とするための微小なセンサであって、
上記センサは、近傍の空間の局部的な圧力あるいは圧力変化に応じて、電磁波を発するか、あるいは、電磁波吸収特性が変化する手段を備えることを特徴とする疎密波リアルタイム画像化用センサ。
（付記５）　上記センサは、電磁波を発するセンサであり、該センサの発する電磁波が、発光素子によって発振される可視光あるいは近赤外光であることを特徴とする付記４の疎密波リアルタイム画像化用センサ。
（付記６）　上記圧力あるいは圧力変化を検知して電磁波を発するためのエネルギー源としてピエゾ素子を用いることを特徴とする付記４または付記５の疎密波リアルタイム画像化用センサ。
（付記７）　少なくとも２個の発光素子を備え、圧力の増加または圧力の減少によって正負の起電力を発生させ、正負の起電力に応じて上記２個の発光素子を選択的に発光させることを特徴とする付記５または付記６の疎密波リアルタイム画像化用センサ。
（付記８）　体積に比較して表面積を大きくする手段を設けたことを特徴とする付記４，５，６または付記７の疎密波リアルタイム画像化用センサ。
（付記９）　上記センサが糸もしくはメッシュ上に分散して固定されていることを特徴とする付記４，５，６または付記７の疎密波リアルタイム画像化用センサ。
（付記１０）　上記センサが３次元メッシュ上に分散して固定されていることを特徴とする付記４，５，６または付記７の疎密波リアルタイム画像化用センサ。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、近傍の空間の局部的な圧力あるいは圧力変化に応じて、電磁波を発するか、あるいは、電磁波吸収特性が変化する微小な多数のセンサを、上記測定する空間に分散配置し、空間内の各センサからの電磁波もしくは上記各センサによる電磁波吸収を検出するようにしたので、空間を伝搬する疎密波の波面をリアルタイムで画像化し、三次元的に観察することができる。
このため、音波等の３次元空間内での伝搬状況や分布状況をリアルタイムで把握し、解析することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の概念構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例のセンサの構成例を示す図（断面図）である。
【図３】本発明の実施例のセンサの構成例を示す図（発光ダイオード側、ピエゾ素子側の面）である。
【図４】発光色の異なる逆並列に接続された２個の発光ダイオードを用いたセンサの例を示す図である。
【図５】翼の付加によって、質量に比較して表面積を大きくしたセンサの例を示す図である。
【符号の説明】
１　　測定対象空間
２　　センサ
２ａ　センサの構造体
２ｂ　窪み
２ｃ　ピエゾ素子
２ｄ　導電帯
２ｅ　発光ダイオード素子
２ｆ　光
２ｇ　翼
３　　カメラ
４　　画像処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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