(57)【特許請求の範囲】
【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、あらかじめ設定した探索窓内における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像を上記の時間間隔で1組得る第１ステップと、
上記の１組のトレーサ粒子像間でトレーサ粒子の対応づけを、ＰＩＶの結果を利用して前記探索窓の範囲で対応する粒子を探索することで行う第２ステップと、
対応付けられた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第３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第４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第５ステップとを備え、
トレーサ粒子のブラウン運動による測定結果への影響を抑制しつつ、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２】
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４】
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。
【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【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。
【０００４】
また、マイクロチャネルに適用可能なＰＩＶ（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 Optical Methods and Image Processing in Fluid Flow, ASME/JSMEFluid Engineering Conference, San Francisco, 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。
【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。
【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。
【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、あらかじめ設定した探索窓内における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像を上記の時間間隔で1組得る第１ステップと、上記の１組のトレーサ粒子像間でトレーサ粒子の対応づけを、ＰＩＶの結果を利用して前記探索窓の範囲で対応する粒子を探索することで行う第２ステップと、対応付けられた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第３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第４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第５ステップとを備え、トレーサ粒子のブラウン運動による測定結果への影響を抑制しつつ、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２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。
【００１２】
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４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。
【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。
【００１５】
【表１】
0003867122.tif 000002
【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 bits 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（Nikon、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、２９３Ｋ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。
【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５０ｍｍ、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２５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＝３５ｍｍ、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。
【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。
【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。
【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 Tracking 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-PTV：Spatial Averaged Time -resolved Particle Tracking 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】
0003867122.tif 000003
【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。
【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。
【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。
【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。
【００２９】
【数２】
0003867122.tif 000004
【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＝２９３Ｋ、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１０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ＰＩＶ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１０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％、１０００ｎｍ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＝４００ｎｍ）を作成して行った。探索窓の大きさを４０×４０pixel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ＰＩＶ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１００μｍ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あ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４００ｎｍ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６．７×６．７μｍ（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。ＳＡＴ−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−ＰＴＶ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。
【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って、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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【図６】速度検出へのブラウン運動の影響を考慮したＳＡＴ−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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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