粒子画像速度測定

粒子画像流速測定法（PIV）は、教育^[1]や研究[ 2]で使用される流れの可視化の光学的な方法です。 ^{[3] [ 4] [5] [6]これは、}流体の瞬間的な速度測定値と関連特性を取得するために使用されます。流体にはトレーサー粒子が撒かれ、十分に小さい粒子の場合、流れの力学に忠実に従うと想定されます（粒子が流れに忠実に従う度合いはストークス数で表されます）。粒子が混入した流体は、粒子が見えるようになるように照明されます。撒かれた粒子の動きを使用して、研究対象の流れの 速度と方向（速度場）を計算します。

流れを測定するために使用される他の技術には、レーザードップラー速度測定法と熱線流速測定法があります。PIVとこれらの技術の主な違いは、PIVが2次元または3次元のベクトル場を生成するのに対し、他の技術は点での速度を測定することです。PIV中、粒子濃度は画像内で個々の粒子を識別することは可能ですが、画像間で粒子を確実に追跡することはできません。粒子濃度が非常に低く個々の粒子を追跡できる場合、それは粒子追跡速度測定法と呼ばれ、レーザースペックル速度測定法は、粒子濃度が非常に高く画像内で個々の粒子を観察することが困難な場合に使用されます。

典型的な PIV 装置は、カメラ(現代のシステムでは通常、電荷結合素子 (CCD) チップを備えたデジタル カメラ)、照射される物理的な領域を制限する光学的配置を備えたストロボまたはレーザー(通常は光線を線に変換する円筒レンズ)、カメラとレーザー、シーディング粒子、調査対象の流体を制御するための外部トリガーとして機能する同期装置で構成されています。光ファイバー ケーブルまたは液体光ガイドを使用して、レーザーをレンズ セットアップに接続できます。PIV ソフトウェアは、光学画像の後処理に使用されます。^{[7] [8]}

粒子画像流速測定法 (PIV) は、流体の流れのパターンと速度を研究するために使用される非侵入型光学フロー測定技術です。PIV は、空気力学、燃焼、海洋学、生体流体など、科学と工学のさまざまな分野で広く応用されています。PIV の開発は、研究者が流体の流れを視覚化および測定するためのさまざまな方法を模索し始めた 20 世紀初頭にまで遡ります。

PIV の初期の時代は、現代の空気力学の父とみなされることが多いドイツの物理学者でエンジニアのルートヴィヒ・プラントルの先駆的な研究によるものです。1920 年代、プラントルと彼の同僚は、シャドウグラフとシュリーレン技術を使用して、風洞内の流れのパターンを視覚化し、測定しました。これらの方法は、画像のコントラストを生成するために、対象の流体領域と周囲の媒体の屈折率の差に依存していました。ただし、これらの方法は定性的な観察に限定されており、定量的な速度測定は提供していませんでした。

初期の PIV 設定は比較的シンプルで、画像記録媒体として写真フィルムが使用されていました。流れに追加された油滴や煙などの粒子をレーザーで照射し、その結果生じた粒子の動きをフィルムに記録しました。その後、フィルムを現像して分析し、流速情報を取得しました。これらの初期の PIV システムは空間解像度が限られており、手間がかかりましたが、流体の流れの挙動に関する貴重な情報を提供しました。

1960 年代のレーザーの出現は、流れの可視化と測定の分野に革命をもたらしました。レーザーは、焦点を合わせたり方向を定めたりしやすいコヒーレントな単色光源を提供し、光学的な流れの診断に理想的でした。1960 年代後半から 1970 年代前半にかけて、Arthur L. Lavoie、Hervé LJH Scohier、Adrian Fouriaux などの研究者がそれぞれ独立して粒子画像流速測定 (PIV) の概念を提唱しました。PIV は当初、気流の研究や風速の測定に使用されていましたが、すぐに流体力学の他の分野にも応用されました。

1980 年代には、電荷結合素子(CCD) とデジタル画像処理技術の開発により、PIV に革命が起こりました。CCD カメラが画像記録媒体として写真フィルムに取って代わり、より高い空間解像度、より高速なデータ取得、およびリアルタイム処理機能を実現しました。デジタル画像処理技術により、PIV 画像の正確で自動化された分析が可能になり、データ分析に必要な時間と労力が大幅に削減されました。

1980 年代と 1990 年代のデジタル画像処理とコンピュータ処理機能の登場により、PIV は革命的な変化を遂げ、マルチフレーム PIV、ステレオ PIV、時間分解 PIV などの高度な PIV 技術が開発されました。これらの技術により、精度の向上、空間および時間解像度の向上、3 次元測定が可能になり、PIV の機能が拡張され、より複雑なフロー システムへの適用が可能になりました。

その後の数十年間、PIV はいくつかの重要な分野で進化と進歩を続けました。重要な進歩の 1 つは、PIV でのデュアルまたはマルチ露出の使用です。これにより、瞬間速度場と時間平均速度場の両方を測定できるようになりました。デュアル露出 PIV (「ステレオ PIV」または「ステレオ PIV」と呼ばれることが多い) では、2 台のカメラを使用して、既知の時間遅延で 2 つの連続画像をキャプチャし、平面内の 3 成分速度ベクトルを測定できます。これにより、流れ場のより完全な画像が得られ、乱流や渦などの複雑な流れを研究できるようになりました。

2000 年代以降、PIV は高出力レーザー、高速カメラ、高度な画像解析アルゴリズムの開発により進化を続けました。これらの進歩により、高速流、燃焼システム、マイクロスケール流などの極限条件で PIV を使用できるようになり、PIV 研究の新たな領域が開かれました。PIV は温度や濃度測定などの他の測定技術とも統合され、マイクロスケールおよびナノスケール流、粒状流、積層造形などの新興分野でも使用されています。

PIV の進歩は、新しいレーザー光源、カメラ、画像解析技術の開発によって推進されてきました。レーザー技術の進歩により、Nd:YAG レーザーやダイオード レーザーなどの高出力レーザーが使用されるようになり、照明強度が向上し、高速流や燃焼システムなどのより厳しい環境での測定が可能になりました。感度とフレーム レートが向上した高速カメラも開発され、高い時間分解能で過渡的な流れの現象を捉えられるようになりました。さらに、相関ベースのアルゴリズム、位相ベースの方法、機械学習アルゴリズムなどの高度な画像解析技術が開発され、PIV 測定の精度と効率が向上しました。

PIV におけるもう一つの大きな進歩は、画像解析用のデジタル相関アルゴリズムの開発でした。これらのアルゴリズムにより、PIV 画像をより正確かつ効率的に処理できるようになり、空間解像度の向上とデータ取得速度の高速化が実現しました。相互相関、フーリエ変換ベースの相関、適応相関など、さまざまな相関アルゴリズムが開発され、PIV 研究で広く使用されています。

PIV は数値流体力学(CFD) シミュレーションの開発からも恩恵を受けており、CFD シミュレーションは流体の流れの挙動を予測および分析するための強力なツールとなっています。PIV データは CFD シミュレーションの検証と調整に使用でき、CFD シミュレーションは PIV データの解釈と分析に関する洞察を提供します。実験的な PIV 測定と数値シミュレーションを組み合わせることで、研究者は流体の流れの現象をより深く理解できるようになり、さまざまな科学および工学分野で新たな発見と進歩につながっています。

技術的な進歩に加えて、PIV は温度や濃度測定などの他の測定技術と統合され、より包括的で複数のパラメータのフロー測定が可能になりました。たとえば、PIV をサーモグラフィー蛍光体またはレーザー誘起蛍光と組み合わせると、速度と温度または濃度場を同時に測定できるため、流体の流れにおける熱伝達、混合、化学反応を 研究するための貴重なデータが得られます。

PIV の歴史的発展は、科学や工学のさまざまな分野における正確で非侵入的な流れ測定の必要性によって推進されてきました。PIV の初期の時代は、2 フレーム PIV などの基本的な PIV 技術の開発と、主に学術的な環境での流体力学の基礎研究への PIV の応用によって特徴づけられました。PIV が普及するにつれて、研究者は空気力学、燃焼、海洋学などのより実用的な用途で PIV を使用し始めました。

PIV は今後も進歩と進化を続け、流体力学の基礎研究から工学、環境科学、医学の実用化まで、幅広い分野でのさらなる応用が期待されています。レーザー、カメラ、画像解析アルゴリズムの進歩、他の計測技術との統合など、PIV 技術の継続的な開発により、その機能がさらに強化され、用途が広がります。

空気力学では、PIV は航空機の翼、ローターブレード、その他の空気力学的表面上の流れを研究するために使用され、これらのシステムの流れの挙動と空気力学的性能に関する洞察を提供します。

PIV が普及するにつれ、燃焼、海洋学、生体流体、マイクロスケールの流れなど、空気力学以外の幅広い分野での応用が見出されました。燃焼研究では、PIV は火炎伝播、点火、燃料噴霧ダイナミクスなどの燃焼プロセスの詳細を研究するために使用され、燃焼システムにおける燃料と空気の複雑な相互作用に関する貴重な洞察を提供しています。海洋学では、PIV は水流、波、乱流の動きを研究するために使用され、海洋循環パターンや海岸浸食の理解に役立っています。生体流体研究では、PIV は動脈と静脈の血流、呼吸の流れ、微生物の繊毛と鞭毛の動きを研究するために使用され、生理学的プロセスと疾患メカニズムを理解するための重要な情報を提供しています。

PIV は、マイクロスケールやナノスケールの流れ、粒状体の流れ、多相流などの新しい分野でも使用されています。マイクロ PIV とナノ PIV は、マイクロチャネル、ナノ細孔、生物システム内の流れをマイクロスケールとナノスケールで研究するために使用されており、これらの長さスケールでの流体の独特な挙動に関する洞察を提供しています。PIV は、雪崩や地滑りなどの粒状体の流れにおける粒子の動きの研究や、環境プロセスや産業プロセスで重要な気泡流や油水流などの多相流の調査に適用されています。マイクロスケールの流れでは、関係する長さスケールが小さいため、従来の測定技術を適用するのは困難です。マイクロ PIV は、ラボオンチップシステムなどのマイクロ流体デバイス内の流れの研究や、液滴形成、混合、細胞運動などの現象の調査に使用されており、薬物送達、生物医学診断、マイクロスケールエンジニアリング に応用されています。

PIV は、高品質で高精度の製品を実現するために流体の流れの挙動を理解して最適化することが重要な、積層造形などの高度な製造プロセスにも応用されています。PIV は、積層造形プロセスにおけるガス、液体、粉末の流動ダイナミクスを研究するために使用されており、製造された製品の品質と特性に影響を与えるプロセス パラメータに関する洞察を提供します。

PIV は環境科学の分野でも、大気や水中の汚染物質の拡散、河川や沿岸地域での堆積物の輸送、自然システムや人工システムにおける汚染物質の挙動を研究するために使用されています。エネルギー研究では、PIV は風力タービン、水力発電所における流れの挙動、エンジンやタービンの燃焼プロセスを研究するために使用されており、より効率的で環境に優しいエネルギーシステムの開発に役立っています。

シーディング 粒子は、PIV システムの本質的に重要なコンポーネントです。調査対象の流体に応じて、粒子は流体の特性と十分に一致する必要があります。そうでない場合、粒子は流れに十分追従せず、PIV 分析が正確であるとみなされません。理想的な粒子は、使用している流体システムと同じ密度を持ち、球形です (これらの粒子はマイクロスフィアと呼ばれます)。実際の粒子の選択は流体の性質によって異なりますが、マクロ PIV 調査の場合、一般的にはガラスビーズ、ポリスチレン、ポリエチレン、アルミニウムフレーク、または油滴(調査対象の流体がガスの場合) です。シーディング粒子の屈折率は、シーディングする流体とは異なる必要があります。そうすることで、流体の流れに入射するレーザーシートが粒子で反射し、カメラに向かって散乱します。

粒子の直径は通常 10 ～ 100 マイクロメートル程度です。粒子のサイズについては、流体の動きに対する粒子の応答時間が流れに正確に追従できるほど十分に小さく、かつ入射レーザー光のかなりの量を散乱できるほど十分に大きくする必要があります。燃焼を伴う一部の実験では、不活性粒子が炎に及ぼす可能性のある消炎効果を回避するために、シード粒子のサイズが 1 マイクロメートル程度と小さくなる場合があります。粒子のサイズが小さいため、粒子の動きはストークスの抵抗と沈降または上昇効果によって支配されます。非常に低いレイノルズ数で粒子が球形 (マイクロスフィア)としてモデル化されるモデルでは、粒子が流体の流れに追従する能力は、粒子と流体の密度の差に反比例し、また粒子の直径の 2 乗にも反比例します。粒子からの散乱光はミー散乱が大部分を占めるため、粒子の直径の二乗に比例します。したがって、粒子のサイズは、レーザーシート面内のすべての粒子を正確に視覚化できるほど十分な光を散乱させつつ、流れを正確に追跡できるほど小さくなるようにバランスをとる必要があります。

シード機構は、流れを過度に乱すことなく、十分な程度に流れをシードするように設計する必要もあります。

流れの PIV 分析を実行するには、流れからカメラにレーザー光を 2 回照射する必要があります。当初、カメラは高速で複数のフレームをキャプチャできなかったため、両方の露光を同じフレームでキャプチャし、この 1 つのフレームを使用して流れを判定していました。この分析には、自己相関と呼ばれるプロセスが使用されました。ただし、自己相関の結果、どの粒子スポットが最初のパルスからのもので、どの粒子スポットが 2 番目のパルスからのものかが明確でないため、流れの方向が不明瞭になります。その後、 CCDまたはCMOSチップを使用したより高速なデジタル カメラが開発され、フレーム間の差が数百 ns の高速で 2 つのフレームをキャプチャできるようになりました。これにより、各露光を独自のフレームで分離して、より正確な相互相関分析を行うことができます。一般的なカメラの制限は、この高速速度が 2 枚のショットに制限されることです。これは、各ショットのペアをコンピューターに転送してからでないと、次のショットのペアを撮影できないためです。一般的なカメラは、はるかに低速で 2 枚のショットしか撮影できません。高速 CCD または CMOS カメラも利用可能ですが、はるかに高価です。

マクロ PIV セットアップでは、短いパルス持続時間で高出力の光線を生成できるため、レーザーが主流です。これにより、各フレームの露出時間が短くなります。PIV セットアップで一般的に使用されるNd:YAG レーザーは、主に 1064 nm の波長とその高調波(532、266 など) を放射します。安全上の理由から、レーザー放射は通常、532 nm の高調波 (これは緑色の光で、肉眼で見ることができる唯一の高調波) を分離するためにバンドパス フィルターされます。光ファイバー ケーブルまたは液体光ガイドを使用して、レーザー光を実験セットアップに導くことができます。

光学系は、球面レンズと円筒レンズの組み合わせで構成されています。円筒レンズはレーザーを平面に拡大し、球面レンズは平面を薄いシートに圧縮します。PIV 技術では一般にレーザー シートに垂直な動きを測定できないため、これは重要です。したがって、理想的には、完全に 2 次元のレーザー シートを維持することで、この動きを排除します。球面レンズは、レーザー シートを実際の 2 次元平面に圧縮することはできません。最小の厚さはレーザー光の波長のオーダーで、光学系のセットアップ (球面レンズの焦点) から有限の距離で発生します。これは、実験の分析領域を配置するのに最適な場所です。

調査領域内の粒子に適切に焦点を合わせて視覚化するには、カメラに適切なレンズも選択する必要があります。

シンクロナイザは、カメラとレーザーの両方の外部トリガーとして機能します。過去には、フォトセンサー、回転絞り、光源の形でアナログ システムが使用されていましたが、現在使用されているシステムのほとんどはデジタルです。コンピューターで制御されるシンクロナイザは、レーザーの発射と連動して CCD カメラのシーケンスの各フレームのタイミングを 1 ns 以内の精度で指示できます。したがって、レーザーの各パルスと、カメラのタイミングを基準としたレーザー ショットの配置との間の時間を正確に制御できます。このタイミングの知識は、PIV 分析で流体の速度を決定するために必要なため、非常に重要です。デジタル遅延ジェネレータと呼ばれるスタンドアロンの電子シンクロナイザは、250 ps から数 ms までの可変分解能タイミングを提供します。最大 8 チャネルの同期タイミングにより、複数のフラッシュ ランプと Q スイッチを制御し、カメラの複数の露出を提供する手段を提供します。

フレームは多数の検査領域、つまりウィンドウに分割されます。信号処理と自己相関または相互相関技術を利用して、各ウィンドウの変位 ベクトルを計算できます。これは、レーザー ショット間の時間とカメラの各ピクセルの物理的サイズを使用して速度に変換されます。検査ウィンドウのサイズは、平均してウィンドウあたり少なくとも 6 個の粒子が含まれるように選択する必要があります。PIV 分析の視覚的な例については、こちらを参照してください。

シンクロナイザーは、画像露出間のタイミングを制御し、また、流れに沿ってさまざまな時間に画像ペアを取得できるようにします。正確な PIV 分析を行うには、対象の流れ領域で約 8 ピクセルの平均粒子変位が表示されるのが理想的です。これは、粒子がフレーム間でより遠くまで移動してどの調査ウィンドウがどのポイントに移動したかを識別するのが難しくなる長い時間間隔と、流れ内の変位を識別するのが過度に難しくなる短い時間間隔との間の妥協点です。

各粒子からの散乱光は、画像上で 2 ～ 4 ピクセルの範囲にある必要があります。記録される領域が大きすぎると、粒子画像のサイズが小さくなり、サブピクセル精度が失われてピーク ロックが発生する可能性があります。ピーク ロック効果を克服する方法はありますが、追加の作業が必要になります。

社内に PIV の専門知識とシステム開発の時間があれば、簡単ではありませんが、カスタム PIV システムを構築することは可能です。ただし、研究グレードの PIV システムには、研究で必要な最も広範囲の実験で測定を行えるように、高出力レーザーとハイエンド カメラ仕様が備わっています。

インストールなしでのPIV分析の例: [1]

PIV は、相関技術を使用して固体材料の変形を調べる光学変位測定技術である デジタル画像相関と密接に関連しています。

この方法は、大部分において非侵入的である。添加されたトレーサー（適切に選択された場合）は、通常、流体の流れにほとんど歪みを生じさせない。^[9]

光学測定では、ピトー管、熱線風速計、その他の侵入型流量測定プローブが不要になります。この方法では、流れ場の 2次元 断面 (形状)全体を同時に測定できます。

高速データ処理により、多数の画像ペアを生成し、それをパソコン上でリアルタイムまたは後で 分析して、大量のほぼ連続した情報を得ることができます。

各ベクトルは特定のタイル内の多数のパーティクルの統計平均であるため、サブピクセル変位値を使用すると高い精度が得られます。変位は通常、画像平面上の 1 ピクセルの 10% まで正確です。

場合によっては、粒子は密度が高いため、流体（気体/液体）の動きに完全には追従しません。たとえば、水中で実験を行う場合、水と同じ密度の非常に安価な粒子（直径約 60 μm のプラスチック粉末など）を簡単に見つけることができます。それでも密度が合わない場合は、流体の温度を上げたり下げたりして流体の密度を調整できます。これによりレイノルズ数がわずかに変化するため、これを考慮して流体の速度または実験対象物のサイズを変更する必要があります。

粒子画像速度測定法では、一般的に、Z 軸に沿った成分 (カメラに向かう方向またはカメラから離れる方向) を測定することはできません。これらの成分は見逃されるだけでなく、視差によって x/y 成分のデータに干渉が生じる可能性もあります。これらの問題は、2 台のカメラを使用して 3 つの速度成分すべてを測定する立体 PIV では発生しません。

結果として得られる速度ベクトルは、流れの小さな領域にわたる強度分布の相互相関に基づいているため、結果として得られる速度場は、実際の速度場の空間平均表現です。これは明らかに、PIV 速度場から得られることが多い速度場、渦度、および空間相関関数の空間導関数の精度に影響を及ぼします。

研究で使用される PIV システムでは、クラス IV レーザーと高解像度の高速カメラが使用されることが多く、コストと安全性の制約が生じます。

立体PIV では、異なる視野角を持つ 2 台のカメラを使用して、Z 軸の変位を抽出します。両方のカメラは、流れの中の同じ場所に焦点を合わせる必要があり、同じ焦点点になるように適切に調整する必要があります。

基礎流体力学では、X、Y、Z 方向の単位時間内の変位は、通常、変数 U、V、W によって定義されます。前述のように、基本的な PIV では、U および V の変位が面内 X および Y 方向の関数として抽出されます。これにより、、、速度勾配を計算できます。ただし、速度勾配テンソルの他の 5 つの項は、この情報からは見つけることができません。立体 PIV 解析では、その平面内の Z 軸変位成分 W も得られます。これにより、対象平面での流体の Z 軸速度が得られるだけでなく、さらに 2 つの速度勾配項、 およびを決定できます。速度勾配成分、、およびは決定できません。速度勾配成分は、テンソルを形成します。 ${\displaystyle U_{x}}$${\displaystyle V_{y}}$${\displaystyle U_{y}}$${\displaystyle V_{x}}$${\displaystyle W_{x}}$${\displaystyle W_{y}}$${\displaystyle U_{z}}$${\displaystyle V_{z}}$${\displaystyle W_{z}}$

${\displaystyle {\begin{bmatrix}U_{x}&U_{y}&U_{z}\\V_{x}&V_{y}&V_{z}\\W_{x}&W_{y}&W_{z}\ \\end{bmatrix}}}$

これは、最初の平面から直接オフセットされた 2 番目の調査平面を追加することで立体 PIV を拡張したものです。この分析には 4 台のカメラが必要です。2 つのレーザー光平面は、ビーム スプリッターでレーザー放射を 2 つのビームに分割することで作成されます。各ビームは、互いに直交するように偏光されます。次に、一連の光学系を通過し、2 つの平面の 1 つを同時に照射するために使用されます。

4 台のカメラは 2 台ずつペアになっています。各ペアは、単一平面立体 PIV と同じように、レーザー シートの 1 つに焦点を合わせます。4 台のカメラにはそれぞれ偏光フィルターが付いており、それぞれの対象平面からの偏光散乱光のみを通過させるように設計されています。これにより、対象平面間の分離距離が最小限に抑えられた 2 つの別々の立体 PIV 分析設定が同時に実行されるシステムが構築されます。

この技術により、単平面立体 PIV では計算できなかった 3 つの速度勾配成分、、、を決定できます 。この技術により、2 次元の対象平面における流体の速度勾配テンソル全体を定量化できます。レーザー シートは、2 次元平面を近似するために十分に近接して維持する必要があり、同時に、Z 方向に意味のある速度勾配が見つかる程度にオフセットする必要があるという問題があります。 ${\displaystyle U_{z}}$${\displaystyle V_{z}}$${\displaystyle W_{z}}$

デュアルプレーン立体PIVのアイデアにはいくつかの拡張があります。ビームスプリッターと1/4波長板のセットを使用して複数の平行レーザーシートを作成し、単一のレーザーユニットと立体PIVセットアップを使用して3つ以上の平面を提供するオプションがあり、これをXPIVと呼びます。^[10]

エピ蛍光顕微鏡を使用すると、微細な流れを分析できます。MicroPIV は、特定の波長で励起し、別の波長で発光する蛍光粒子を使用します。レーザー光はダイクロイックミラーで反射され、対象点に焦点を合わせる対物レンズを通過し、局所的なボリュームを照らします。粒子からの発光は、反射されたレーザー光とともに、対物レンズ、ダイクロイックミラー、およびレーザー光をブロックする発光フィルターを通過して戻ります。PIV がレーザーシートの平面性から 2 次元分析特性を引き出すのに対し、microPIV は、一度に 1 つの平面にのみ焦点を合わせる対物レンズの機能を利用して、目に見える粒子の 2 次元平面を作成します。^{[11] [12]}

MicroPIV 粒子の直径は数百 nm 程度で、ブラウン運動の影響を非常に受けやすいことを意味します。したがって、この手法では特別なアンサンブル平均化解析手法を使用する必要があります。一連の基本的な PIV 解析の相互相関を平均化して、実際の速度場を決定します。したがって、定常流のみを調査できます。画像には、背景ノイズと低い信号対ノイズ比によるゼロ変位バイアスが発生する傾向があるため、特別な前処理手法も使用する必要があります。通常、最大放出光を捉えるために、高開口数の対物レンズも使用されます。同じ理由から、光学系の選択も重要です。

ホログラフィック PIV (HPIV) には、粒子によって散乱されたコヒーレント光と参照ビームの干渉を利用して、センサー面に入射する散乱光の振幅と位相の情報をエンコードするさまざまな実験技術が含まれます。このエンコードされた情報はホログラムと呼ばれ、光学的方法またはデジタル近似によって元の参照ビームでホログラムを照射することで、元の強度フィールドを再構築できます。強度フィールドは 3D 相互相関技術を使用して調べられ、速度フィールドが生成されます。

オフ アクシス HPIV は、物体波と参照波を別々のビームで提供します。この設定は、散乱媒体内で 2 つの波が干渉してスペックル ノイズが発生するのを防ぐために使用されます。この干渉は、2 つの波が両方とも媒体を伝搬した場合に発生します。オフ アクシス実験は、多数の光学要素で構成される非常に複雑な光学システムであり、より完全な説明については、 Sheng ら^{[13]の模式図を参照してください。}

インライン ホログラフィーは、粒子イメージングに独自の利点をもたらすもう 1 つのアプローチです。おそらく、その最大のメリットは前方散乱光の使用です。前方散乱光は、ビーム方向に垂直な散乱光よりも桁違いに明るいです。さらに、このようなシステムの光学設定は、残留光を別の場所で分離して再結合する必要がないため、はるかにシンプルです。インライン構成では、CCD センサーを適用するための拡張も比較的簡単に行えるため、デジタル インライン ホログラフィーと呼ばれる別の種類の実験が生まれます。このような設定の複雑さは、光学設定から、シミュレートされた参照ビームの使用を伴う画像後処理に移行します。これらのトピックに関する詳細な説明はこの記事の範囲を超えており、Arroyo と Hinsch ^{[14]で取り上げられています。}

さまざまな問題により、HPIV 結果の品質が低下します。最初の種類の問題は、再構成自体に関係します。ホログラフィーでは、粒子の物体波は通常球形であると想定されますが、ミー散乱理論により、この波は複雑な形状になり、再構成された粒子を歪める可能性があります。もう 1 つの問題は、粒子画像の全体的な信号対雑音比を低下させる大きなスペックル ノイズの存在です。この影響は、参照ビームが散乱物体ビームとともにボリューム内を伝播するため、インライン ホログラフィー システムでは大きな懸念事項となります。また、温度変化やウィンドウの傷など、散乱媒体の不純物によってノイズが発生することもあります。ホログラフィーではコヒーレントな画像化が必要であるため、これらの影響は従来の画像化条件よりもはるかに深刻です。これらの要因の組み合わせにより、相関処理の複雑さが増します。特に、HPIV 記録のスペックル ノイズにより、従来の画像ベースの相関方法を使用できなくなることがよくあります。代わりに、粒子数密度に制限を設ける単一粒子の識別と相関が実装されます。これらの誤差源のより包括的な概要は、Meng et al. ^{[15]に記載されています。}

これらの問題を考慮すると、HPIV は流れの測定に使用するには複雑すぎてエラーが発生しやすいと思われるかもしれません。しかし、すべてのホログラフィック アプローチで多くの印象的な結果が得られています。Svizher と Cohen ^{[16] は、}ハイブリッド HPIV システムを使用してヘアピン渦の物理を研究しました。Tao ら^{[17] は、}高レイノルズ数乱流における渦度テンソルとひずみ速度テンソルの配置を調査しました。最後の例として、Sheng ら^{[13] は、}ホログラフィック顕微鏡を使用して、乱流境界層内の乱流せん断応力と速度の壁近傍の測定を実行しました。

回転ミラー、高速カメラを使用し、形状の変化を補正することで、流れ場全体の一連の平面に対して PIV をほぼ瞬時に実行できます。平面間の流体特性は補間できます。したがって、対象体積に対して準体積分析を実行できます。スキャン PIV は、説明した他の 2 次元 PIV 方法と組み合わせて実行し、3 次元体積分析を近似できます。

トモグラフィー PIV は、3 次元測定ボリューム内のトレーサー粒子の照射、記録、および再構成に基づいています。この技術では、複数のカメラを使用して照射ボリュームの同時ビューを記録し、それを再構成して離散化された 3 次元強度フィールドを生成します。一対の強度フィールドは、3 次元相互相関アルゴリズムを使用して分析され、ボリューム内の 3 次元、3 次元速度フィールドを計算します。この技術は、2006 年に Elsinga ら^{[19]によって最初に開発されました[18] 。}

再構成手順は、複雑な劣決定逆問題である。^[要出典]主な複雑さは、多数の 3-D ボリュームから 1 セットのビューが生成される可能性があることです。一連のビューから一意のボリュームを適切に決定する手順は、トモグラフィー分野の基礎です。ほとんどの Tomo-PIV 実験では、乗法代数再構成技術 (MART) が使用されます。このピクセル単位の再構成技術の利点は、個々の粒子を識別する必要がないことです。^[要出典]離散化された 3-D 強度フィールドの再構成は計算集約的であり、MART 以外にも、この計算コストを大幅に削減することを目指した開発がいくつか行われてきました。たとえば 、3-D 強度フィールドのスパース性を利用してメモリ ストレージと計算要件を削減する 、複数の視線同時乗法代数再構成技術 (MLOS-SMART) ^{[20]です。}

経験則として、許容できる再構成精度を得るには少なくとも4台のカメラが必要であり、カメラを測定体積に対して約30度の垂直に配置すると最良の結果が得られます。^[19]実験を成功させるには、さらに多くの要素を考慮する必要があります。^[要出典]

Tomo-PIVは、広範囲の流れに適用されています。例としては、乱流境界層/衝撃波相互作用の構造^[21] 、円筒後流の渦度^[22]、ピッチング翼^[23] 、 ロッド翼の空力音響実験^[24]、小規模なミクロの流れの測定などがあります。^[25] 最近では、Tomo-PIVは3D粒子追跡速度測定法と組み合わせて捕食者と被食者の相互作用を理解するために使用され、^{[26] [27]}、Tomo-PIVのポータブルバージョンは南極のユニークな遊泳生物の研究に使用されています。^[28]

サーモグラフィ PIV は、サーモグラフィ蛍光体をシーディング粒子として使用することを基本としています。これらのサーモグラフィ蛍光体を使用すると、流れ内の速度と温度を同時に測定できます。

サーモグラフィ蛍光体は、希土類または遷移金属イオンをドープしたセラミックホスト材料で構成され、紫外線を照射するとリン光を発します。このリン光の減衰時間とスペクトルは温度に敏感で、温度を測定する 2 つの異なる方法があります。減衰時間法は、リン光の減衰を指数関数に当てはめるもので、通常は点測定に使用されますが、表面測定でも実証されています。スペクトル フィルターを使用して追跡されるリン光放出の 2 つの異なるスペクトル線間の強度比も温度に依存し、表面測定に使用できます。

サーモグラフィ PIV で使用されるマイクロメートル サイズの蛍光体粒子は、トレーサーとして流れの中に散布され、薄いレーザー光シートで照射された後、通常は強度比技術を使用して、蛍光から粒子の温度を測定できます。粒子が流れに十分追従するだけでなく、流れの温度に素早く適応できるように、粒子のサイズが小さいことが重要です。直径が 2 μm の場合、粒子とガスの間の熱スリップは速度スリップと同じくらい小さくなります。

蛍光体の照明は、UV 光を使用して行われます。ほとんどのサーモグラフィ蛍光体は、UV の広帯域の光を吸収するため、YAG:Nd レーザーを使用して励起できます。理論的には、同じ光を PIV と温度測定の両方に使用できますが、これは UV 感度カメラが必要であることを意味します。実際には、別々のレーザーから発せられる 2 つの異なるビームが重ね合わされます。ビームの 1 つは速度測定に使用され、もう 1 つは温度測定に使用されます。

サーモグラフィ蛍光体を使用すると、反応性および高温環境に耐える能力、化学的安定性、圧力およびガス組成に対する蛍光発光の非感受性など、いくつかの有利な特徴が得られます。さらに、サーモグラフィ蛍光体は異なる波長で光を放射するため、励起光と背景に対するスペクトルの識別が可能になります。

^{サーモグラフィPIVは、時間平均[29]} およびシングルショット ^[30]測定で実証されています 。最近では、時間分解高速（3kHz）測定 ^[31]も 成功裏に実施されています。

人工知能の発展に伴い、ディープラーニングと畳み込みニューラルネットワークに基づく PIV 計算を提案する科学出版物や商用ソフトウェアが登場しています。使用される方法論は、主にマシンビジョンで人気のオプティカルフローニューラルネットワークに由来しています。粒子画像を含むデータセットが生成され、ネットワークのパラメータをトレーニングします。その結果、記録された画像が許せば、最大 1 ピクセルあたり 1 つのベクトルまで、高密度の動きを推定できる PIV 用のディープニューラルネットワークが生まれます。AI PIV は、従来の PIV では 16 x 16 ピクセルあたり 1 つのベクトルに制限される検査ウィンドウのサイズに制限されない、高密度の速度場を実現します。^[32]

デジタル技術の進歩により、PIV のリアルタイム処理とアプリケーションが可能になりました。たとえば、GPU を使用すると、単一の検査ウィンドウの直接フーリエ変換ベースの相関を大幅に高速化できます。同様に、複数の CPU またはマルチコア CPU でのマルチ処理、並列処理、またはマルチスレッド処理は、複数の検査ウィンドウまたは複数の画像の分散処理に役立ちます。一部のアプリケーションでは、FPGA ベースのオンザフライ画像圧縮や画像処理などのリアルタイム画像処理方法が使用されます。最近では、フローベースのフィードバックによるアクティブフロー制御での将来の使用のために、PIV のリアルタイム測定および処理機能が実装されています。^[33]

PIV は、風洞内の航空機の翼上の流れから人工心臓弁の渦形成まで、幅広い流れの問題に適用されてきました。乱流とジェットを解析するために 3 次元技術が求められてきました。

相互相関に基づく基本的な PIV アルゴリズムは数時間で実装できますが、より高度なアルゴリズムにはかなりの時間を要する場合があります。いくつかのオープン ソース実装が利用可能です。米国の教育システムにおける PIV の適用は、産業研究グレードの PIV システムの価格の高さと安全性の懸念により制限されています。

^{PIV は、振動容器、 [34]、}タンブラー^[35] 、雪崩などの粒状流における自由表面と基底境界の速度場を測定するためにも使用できます。この分析は、砂、砂利、石英、または地球物理学で一般的なその他の粒状材料などの不透明媒体に特に適しています。この PIV アプローチは「粒状 PIV」と呼ばれます。粒状 PIV のセットアップは、粒状流の表面を照射することによって生成される光学表面構造が、すでに動きを検出するのに十分であるという点で、通常の PIV セットアップとは異なります。つまり、バルク材料にトレーサー粒子を追加する必要がありません。

• デジタル画像相関
• 熱線風速計
• レーザードップラー速度測定
• 分子タグ速度測定
• 粒子追跡速度測定

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ウィキメディア・コモンズには、粒子画像速度測定法に関連するメディアがあります。

• 実験流体力学研究所（J. Katz研究室）における PIV 研究