DE10018305C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von Strömungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Strömungen.

Stand der Technik

In der älteren Anmeldung nach der DE 199 63 393 C1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Be­ stimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten oder Gasen vorgeschlagen, wobei elektromagnetische Wellen, die zumindest teilweise von in einem Detektionsraum enthal­ tenen, die Strömung charakterisierenden Teilchen ausgehen oder gestreut werden, detektiert werden. Dazu werden dort zeitlich nacheinander mindestens zwei zumindest näherungs­ weise parallele, räumlich hintereinander angeordnete Licht­ ebenen mit elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Fre­ quenz oder unterschiedlichem Frequenzspektrum erzeugt, mit denen der Detektionsraum abgetastet wird. Weiter wurde dort bereits vorgeschlagen, mit Hilfe einer Detektionseinrichtung frequenzselektiv oder frequenzbandselektiv zweidimensionale, insbesondere farbige Bilder des abgetasteten Bereiches des Detektionsraumes aufzunehmen. Die Detektionseinrichtung ist dort beispielsweise eine CCD-Farbkamera.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war, ausgehend von der älteren Anmeldung nach der DE 199 63 393 C1, ein dazu alter­ natives Verfahren und eine zur Durchführung dieses Verfah­ rens geeignete Vorrichtung zu entwickeln.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor­ richtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil eines verringer­ ten und weniger störanfälligen apparativen Aufwandes im Be­ reich der Beleuchtungseinrichtung, wobei gleichzeitig die Vorteile des aus der DE 199 63 393 C1 bekannten Verfahrens gewahrt bleiben. Insbesondere sind die anfallenden Datenmen­ gen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren relativ gering und damit leicht und übersichtlich bearbeitbar und auswertbar. Weiter kann nunmehr vorteilhaft auch auf eine Farbmodulation des einfallenden Lichtstrahles bzw. Laserstrahles beispiels­ weise mit Hilfe eines akusto-optischen Modulators, verzich­ tet werden, indem die Farbkodierung der aufgenommenen zwei­ dimensionalen Bilder nun empfangsseitig, d. h. im Bereich des Bilddetektors, vorgenommen wird.

Schließlich hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass beispielsweise im Vergleich zu Verfahren, die Hochge­ schwindigkeitskamerasysteme einsetzen, deutlich geringere Streulichtintensitäten ausreichend sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So bestehen vorteilhaft eine Vielzahl von Möglichkeiten, das beim Abtasten des Detektionsraumes von dem oder den Bildde­ tektoren detektierte Frequenzspektrum oder die von dem oder den Bilddetektoren detektierte Frequenz bzw. die von diesen detektierte Intensität als Funktion der Zeit zu verändern. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn als Bilddetektor eine CCD-Kamera eingesetzt wird, die beispielsweise drei Sensoren (Chips) für drei unterschiedliche Farben, beispielsweise rot, grün und blau, aufweist. Das von dieser CCD-Kamera de­ tektierte Bild kann durch Veränderung der auf die einzelnen Sensoren in der CCD-Kamera entfallenden Belichtungszeiten und/oder eine Veränderung der Empfindlichkeit dieser einzel­ nen Sensoren besonders einfach als Funktion der Zeit verän­ dert werden, wobei diese Veränderungen in einfacher Weise mit dem Abtasten des Detektionsraumes durch die zeitlich nacheinander erzeugten, hintereinander angeordneten Lich­ tebenen synchronisierbar sind. Ebenso ist es damit vorteil­ haft möglich, beispielsweise vor jedem dieser in der CCD- Kamera befindlichen Chips einen rotierenden Filter anzubrin­ gen, um auf diese Weise die von diesen Chips detektierte In­ tensität als Funktion der Zeit definiert und periodisch zu verändern.

Weiterhin kann vorteilhaft auch eine schwarz-weiß-Kamera an Stelle einer CCD-Farbkamera eingesetzt werden, die in ihrem Inneren beispielsweise drei Sensoren aufweist, deren Emp­ findlichkeit für die Intensität der einfallenden elektroma­ gnetischen Strahlung jeweils separat als Funktion der Zeit veränderbar ist, so dass diesen Sensoren jeweils eine Falschfarbe, beispielsweise rot, grün und blau, zugeordnet werden kann, und aus den von den einzelnen Sensoren aufge­ zeichneten Bildern als Funktion der Zeit durch Überlagerung, beispielsweise in einem Computer, ein farbiges Bild des De­ tektionsraumes erhältlich ist.

In jedem Fall wird dadurch vorteilhaft erreicht, dass das von dem Bilddetektor schließlich registrierte zweidimensio­ nale Bild des Detektionsraumes mit einer Farbinformation versehen wird, die mit dem Ort und der Zeit der Erzeugung einer Lichtebene in dem Detektionsraum und damit der y- Koordinate des Ortes eines Licht streuenden oder emittieren­ den Teilchens eindeutig korreliert ist.

Darüber hinaus ist vorteilhaft, wenn der oder die Bilddetek­ toren während der Abtastung des Detektionsraumes in ihrer Tiefenschärfe kontinuierlich oder schrittweise nachgeregelt werden, so dass die einzelnen Lichtebenen am Ort des Bildde­ tektors jeweils zumindest annähernd scharf abgebildet wer­ den.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ei­ ne Strömungsanalysevorrichtung, Fig. 2 einen Sensor mit vorgeschaltetem rotierenden Filter in Seitenansicht, Fig. 3 den Sensor mit vorgeschaltetem Filter gemäß Fig. 2 in Draufsicht, Fig. 4 eine zeitabhängige Variation der spek­ tralen Empfindlichkeit von drei Sensoren in einer CCD-Kamera für die Farben rot, grün und blau und Fig. 5 eine Darstel­ lung einer Farbmusterfolge durch unterschiedliche Belich­ tungszeiten dreier Sensoren in einer CCD-Kamera für die Far­ ben rot, grün und blau.

Ausführungsbeispiele

Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass zunächst mittels einer Beleuchtungseinrichtung elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, mit der ein Detektionsraum zumindest bereichsweise abgetastet wird, wobei elektromagnetische Wellen, die zumindest teilweise von in dem Detektionsraum ent­ haltenen, die zu analysierende Strömung charakterisierenden Teilchen ausgehen oder gesteuert werden, mit mindestens ei­ nem Bilddetektor detektiert werden.

Eine geeignete elektromagnetische Strahlung ist dabei bei­ spielsweise eine monochromatische elektromagnetische Strah­ lung oder eine elektromagnetische Strahlung mit einer Mehr­ zahl von Frequenzen bzw. einem vorgegebenen Frequenzspek­ trum, insbesondere einer vorgegebenen Farbe. Bevorzugt liegt die eingesetzte elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Frequenzbereich, das erläuterte Ausführungsbeispiel ist je­ doch nicht darauf beschränkt, da prinzipiell eine weitgehend beliebige elektromagnetische Strahlung eingesetzt werden kann, sofern dafür geeignete Bilddetektoren verfügbar sind. Insbesondere kommt für das erfindungsgemäße Verfahren auch IR-Strahlung oder UV-Strahlung in Frage.

Die Beleuchtungseinrichtung erzeugt somit zunächst zumindest näherungsweise parallele Lichtebenen, die räumlich und zeit­ lich hintereinander angeordnet den Detektionsraum oder einen Bereich des Detektionsraumes abtasten bzw. abrastern. Im Un­ terschied zu der Lehre von der DE 199 63 393 C1, von der das erläuterte Ausführungsbeispiel ausgeht, wird dabei jedoch auf eine Farbmodulation des von der Beleuchtungseinrichtung bereitgestellten Lichtstrahles bzw. Laserstrahles verzich­ tet, und eine Farbkodierung der von dem Bilddetektor aufge­ nommenen zweidimensionalen Bilder empfangsseitig vorgenom­ men.

Es werden somit zunächst einfarbige oder monochromatische, zumindest näherungsweise parallele Lichtebenen erzeugt, die räumlich und zeitlich hintereinander angeordnet einen Detek­ tionsraum abtasten bzw. abrastern. Während dieses Abtastvor­ gangs wird dann von einem oder mehreren Bilddetektoren, beispielsweise einer an der Stirnseite des Detektionsraumes an­ geordnete 3-Chip-CCD-Farbkamera, ein Abbild des Detektions­ raumes aufgezeichnet. Um dabei die Positionen und somit die Geschwindigkeiten der die zu untersuchende Strömung charak­ terisierenden Teilchen in Normalenrichtung, d. h. in y- Richtung, bestimmen zu können, werden gleichzeitig mit dem Abtasten in Abhängigkeit von der sich zeitlich und räumlich verändernden Position der Lichtebenen bei der Bilddetektion Farbkodierungen vorgenommen.

Im Einzelnen kann dies beispielsweise dadurch geschehen, dass das zu untersuchende Detektionsvolumen mit einer 3- Chip-CCD-Farbkamera aufgezeichnet wird, bei der jedes ein Streulichtsignal hervorrufende Teilchen auf jedem der drei Sensoren bzw. Chips dieser Kamera abgebildet wird, die die Grundfarben rot, grün und blau repräsentieren. Dies erfolgt in üblichen 3-Chip-CCD-Farbkameras beispielsweise dadurch, dass vor jedem Chip ein frequenz- oder frequenzbandselekti­ ver Filter angeordnet ist. Alternativ kann jedoch ebenso ei­ ne CCD-Kamera mit beispielsweise drei schwarz-weiß-Chips (s/w-Sensor) vorgesehen sein, die jeweils nur die auf sie einfallenden Intensitäten als Funktion der Zeit aufzeichnen, und aus deren Bildern anschließend ein farbiges Bild erzeugt wird, indem die Grauwertsignale der einzelnen Sensoren bei­ spielsweise den Farben eines RGB-Monitors (rot/grün/blau) zugeordnet werden. Insofern repräsentiert jeder dieser s/w- Sensoren eine definierte Farbe eines RGB-Bildes, das danach beispielsweise in einem Computer in Falschfarben erstellt wird.

Wird nun in Abhängigkeit von der Position der Lichtebene die Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren bzw. Chips in der Ka­ mera variiert, werden die die Strömung charakterisierenden Teilchen in Abhängigkeit der Anteile der Intensitäten der Farben rot, grün und blau im Summenbild der drei Bilder der Einzelsensoren in einer Mischfarbe dargestellt, die in ein­ deutiger Weise mit einer konkreten Lichtebene, d. h. einer definierten y-Koordinate des Ortes des Teilchens, verknüpft ist.

Unter der zu variierenden Empfindlichkeit kann dabei einer­ seits die integrale Empfindlichkeit eines Sensors, das heißt dessen Signal in Abhängigkeit von der Intensität des auf den Sensor einfallenden Lichtes bzw. der auf den Sensor einfal­ lenden elektromagnetischen Strahlung, verstanden werden, oder andererseits die spektrale Empfindlichkeit eines Sen­ sors für eine definierte Frequenz oder ein definiertes Fre­ quenzspektrum der auf den Sensor auftreffenden elektromagne­ tischen Strahlung, das heißt dessen Signal als Funktion der Frequenz.

Die erläuterte Intensitätsänderung der auf die einzelnen Sensoren auftreffenden Intensität wird weiter im erläuterten Beispiel über mindestens einen rotierenden Graufilter reali­ siert, der bzw. die vor mindestens einem der einzelnen Sen­ soren bzw. Chips in der CCD-Kamera positioniert werden. Al­ ternativ zu rotierenden Graufiltern sind auch rotierende Farbfilter oder rotierende Polarisationsfilter mit vorge­ schaltetem Polarisator einsetzbar. Weiter steht auch die Möglichkeit einer elektronischen Veränderung der von den einzelnen Sensoren bzw. Chips der CCD-Kamera detektierten Intensitäten bzw. Frequenzspektren oder Frequenzen zur Ver­ fügung, so dass auf diese Weise in einem von der CCD-Kamera aufgenommenen, zweidimensionalen, insbesondere farbigen Bild Farbkodierungen der einzelnen Streulichtsignale entstehen, die eindeutig einer bestimmten Lichtebene zugeordnet sind.

Schließlich können auch drei unterschiedliche CCD-Kameras eingesetzt werden, die jeweils mit einer geeigneten Einrich­ tung zur zeitabhängigen Modulation der detektierten Intensitäten bzw. des detektierten Frequenzspektrums oder der de­ tektierten Frequenz versehen sind. In diesem Fall ist es er­ forderlich, das jede der drei Kameras den selben Bildaus­ schnitt detektiert, d. h. den selben Bereich des Detektions­ raumes erfasst, was beispielsweise über einen an sich be­ kannten Strahlteiler zur Aufteilung der einfallenden Inten­ sität auf die eingesetzten Kameras realisierbar ist. Im Fall der Verwendung von drei CCD-Kameras, die in ihrem Inneren jeweils drei Sensoren (Chips) aufweisen, die für die Grund­ farben rot, grün und blau empfindlich sind oder diese reprä­ sentieren, ist dann, wie vorstehend bereits erläutert, bei­ spielsweise vorgesehen, dass zumindest vor einigen der Sen­ soren der CCD-Kameras beispielsweise rotierende Graufilter installiert sind.

Im Übrigen ist in den nachfolgend weiter erläuterten Ausfüh­ rungsbeispielen bevorzugt vorgesehen, dass beim Abrastern des Detektionsraums durch die parallelen Lichtebenen am Ort der Bilddetektoren bzw. des Bilddetektors stets eine zumin­ dest weitgehend gleichbleibend gute Tiefenschärfe gewährlei­ stet ist. Dazu ist der Bilddetektor bevorzugt jeweils mit einer zusätzlichen Einrichtung zur kontinuierlichen oder schrittweisen Einstellung der Tiefenschärfe in Abhängigkeit vom Ort der gerade den Detektionsraum abtastenden Lichtebene versehen.

Insgesamt kommen somit zur Realisierung eines schnellen Farbwechsels bzw. einer schnellen Farbkodierung der von dem Bilddetektor aufgenommenen zweidimensionalen Bilder einer­ seits rotierende Farb- oder Graufilter oder allgemeiner Fil­ ter, die zeitabhängig ihre Transmission ändern, und die dem oder den Bilddetektoren vorangestellt sind, in Frage. Ande­ rerseits kann bei handelsüblichen CCD-Kameras mit beispiels­ weise drei Sensoren (Chips) auch eine hochfrequente Mehr­ fachbelichtung dieser einzelnen Sensoren vorgenommen werden, wobei sich unterschiedliche Intensitäten auf den einzelnen Sensoren dann durch unterschiedlich lange Belichtungszeiten bzw. unterschiedlich lange Belichtungspausen einstellen.

So führen längere Belichtungszeiten auf einem dieser Senso­ ren zu einer höheren Bildintensität des Einzelbildes dieses Sensors, was schließlich über die unterschiedlichen Intensi­ tätsbeiträge der Einzelbilder und/oder der jeweils einem Sensor zugeordneten Einzelfarben, beispielsweise rot, grün und blau, zu einer definierten Farbkodierung des Summenbil­ des der drei Sensoren in der CCD-Kamera, d. h. der Überlage­ rung bzw. Addition der Bilder der Einzelsensoren, führt. Die hochfrequente Mehrfachbelichtung kann dabei bis in den MHz- Bereich hinein reichen.

Neben der erläuterten hochfrequenten Mehrfachbelichtung ei­ nes oder mehrerer Sensoren kommt weiter für die einzelnen Sensoren zusätzlich oder alternativ auch eine zeitabhängige, insbesondere elektronische Modulation der spektralen Emp­ findlichkeit oder auch der integralen Empfindlichkeit über das gesamte detektierte Frequenzspektrum hinaus in Frage.

Auf diese Weise kann ein einzelner Sensor in der CCD-Kamera, insbesondere innerhalb einer Aufnahme eines zweidimensiona­ len Bildes, seine spektrale oder integrale Empfindlichkeit derart verändern, dass unterschiedliche Intensitätsbeiträge der einzelnen Sensoren in der CCD-Kamera in Abhängigkeit von der Zeit und somit der Position der Lichtebenen in Normalen­ richtung innerhalb einer Aufnahme realisierbar sind. Dies führt in dem von der CCD-Kamera gespeicherten Summenbild der Bilder der einzelnen Sensoren zu einer Farbkodierung der Normalenrichtung, d. h. der y-Koordinate, der die Strömung charakterisierenden Teilchen als Funktion der Zeit bzw. des Ortes der zu dieser Zeit in dem Detektionsraum erzeugten Lichtebene.

Im Übrigen sei erwähnt, dass die vorstehend erläuterten Ver­ fahren zur Farbkodierung auch in Kombination eingesetzt wer­ den können.

Die Fig. 1 zeigt eine in ähnlicher Form in der DE 199 63 393 C1 bereits vorgeschlagene Strömungsanalysevor­ richtung 5 mit einer Beleuchtungseinrichtung 12, die von ei­ ner Lichtquelle 10, insbesondere einem monochromatischen, weißen oder farbigen Laserstrahl, einem nachgeschalteten Kollimator 13, einem Polygon-Scanner 15 und einem Galvanome­ ter-Scanner 14 gebildet wird. Mit dieser Beleuchtungsein­ richtung 12 wird somit zunächst ein Lichtstrahl 11 erzeugt, der einen Detektionsraum 25 in Form von zeitlich nacheinan­ der erzeugten, räumlich hintereinander angeordneten, zumin­ dest näherungsweise parallelen gleichfarbigen Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21, 22 abrastert. An einer Stirnseite 26 des Detektionsraumes 25 ist weiter ein Bilddetektor 16 in Form einer CCD-Kamera angeordnet, die in ihrem Inneren drei Sen­ soren 16' aufweist. Diese Sensoren 16' sind in dem Bildde­ tektor 16 beispielsweise in Form von an sich bekannten Chips repräsentiert, die für die Farben rot, grün und blau emp­ findlich sind. Das von dem Bilddetektor 16 abgegebene bzw. zwischengespeicherte zweidimensionale Bild ist somit eine Summe der Bilder der Sensoren 16' und damit insbesondere farbig. Alternativ können die drei Sensoren 16' in der CCD- Kamera jeweils auch s/w-Sensoren (schwarz/weiß) sein, deren Grauwertsignale dann jeweils einer Farbe zugeordnet sind, so dass auf diese Weise ebenfalls, beispielsweise durch Zuord­ nung dieser drei s/w-Sensoren zu den R-, G- und B- Anschlüssen eines RGB-Farbmonitors (rot/grün/blau), ein zweidimensionales farbiges Bild entsteht.

In dem Bilddetektor 16 ist weiter eine elektronische Steuer­ einheit 27 integriert, mit deren Hilfe die auf die einzelnen Sensoren 16' entfallenden Belichtungszeiten und/oder die auf die einzelnen Sensoren 16' entfallenden Empfindlichkeiten für die jeweiligen Frequenzbereiche dieser Sensoren 16' ver­ änderbar sind. Weiter ist vorgesehen, dass der Bilddetektor 16 mit einer Auswerteeinheit 29, beispielsweise einem Compu­ ter, in Verbindung steht, der die von dem Bilddetektor 16 aufgenommenen zweidimensionalen farbigen Bilder speichert. Die Auswerteeinheit 29 ist weiter zur Auswertung der aufge­ nommenen zweidimensionalen Bilder des Detektionsraumes 25 mit Hilfe von "Particle-Tracking"-Algorithmen oder Korrela­ tionsverfahren vorgesehen, wobei diese Auswertung unter Ein­ beziehung der spektralen Zusammensetzung der aufgenommenen Bilder erfolgt. Auf diese Weise wird mit Hilfe der Auswerte­ einheit 29 aus dem oder den aufgenommenen zweidimensionalen Bildern der Ort der Teilchen in dem abgetasteten Bereich des dreidimensionalen Detektionsraumes 25 sowie auch deren räum­ liche Verschiebung als Funktion der Zeit bestimmt. Unter Be­ rücksichtigung der Zeitdauer zwischen den einzelnen Ab­ tastvorgängen des Detektionsraumes 25, wobei unter einem Ab­ tastvorgang ein einmaliges, vollständiges Abrastern des De­ tektionsraumes 25 mit Hilfe der Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21 und 22 zu verstehen ist, können somit nunmehr auch die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten der einzelnen, die Strö­ mung charakterisierenden Teilchen bestimmt werden. Die x- bzw. z-Komponente der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten er­ gibt sich dabei unmittelbar aus der örtlichen Verschiebung dieses Teilchens in der xz-Ebene, während die y-Komponente der lokalen Strömungsgeschwindigkeit dieses Teilchens aus der in der erläuterten Weise erzeugten Farbinformation bzw. der vorgenommenen Farbkodierung des oder der aufgenommenen Bilder bestimmbar ist.

In Fig. 1 ist weiter vorgesehen, dass der Bilddetektor 16 mit der Beleuchtungseinrichtung 12, insbesondere der Licht­ quelle 10, über eine Korrelationseinheit 30 in Verbindung steht. Diese Korrelationseinheit 30 gewährleistet einer­ seits, dass die zeitliche Veränderung des detektierten Fre­ quenzspektrums bzw. der detektierten Frequenz und/oder der detektierten Intensität in dem Detektor 16 periodisch er­ folgt, und dass gleichzeitig diese periodische Veränderung mit dem periodischen Abtasten des Detektionsraumes 25 durch die Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21, 22 korreliert oder syn­ chronisiert wird. Dabei ist die Abtastperiode des Detekti­ onsraumes 25 durch die Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21, 22 bevorzugt gleich der Periode der zeitlichen Veränderung des detektierten Frequenzspektrums bzw. der detektierten Fre­ quenz und/oder der detektierten Intensität des Bilddetektors 16. Darüber hinaus kann die Abtastperiode aber auch ein ganzzahliges Vielfaches dieser Periode sein.

Die Fig. 2 erläutert exemplarisch wie mindestens einer von drei Sensoren 16', die in dem Bilddetektor 16 integriert sind, mit einem rotierenden Graufilter 28 versehen ist. Die Rotation dieses Graufilters 28 ist dabei über die Korrelati­ onseinheit 30 mit dem Abtasten des Detektionsraumes 25 der­ art korreliert, dass die auf den Sensor 16' als Funktion der Zeit entfallende Intensität der von den in dem Detektions­ raum 25 enthaltenen, die Strömung charakterisierenden Teil­ chen ausgehenden oder gestreuten elektromagnetischen Wellen eindeutig einer definierten Lichtebene 17, 18, 19, 20, 21 oder 22 zugeordnet werden kann. Insgesamt wird durch den ro­ tierenden Graufilter 28 erreicht, dass das von dem Bildde­ tektor 16 aufgenommene zweidimensionale Bild während des Ab­ rasterns des Detektionsraumes 25 in seiner spektralen Zusam­ mensetzung und damit seiner Farbe verändert wird, indem der Beitrag eines der Sensoren 16' zu dem aufgenommenen Bild durch die von diesem registrierte Intensitätsänderung auf Grund des rotierenden Graufilters 28 moduliert wird. Das aufgenommene zweidimensionale Bild ist dabei die Summe der Einzelbilder der in dem Bilddetektor 16 integrierten Sensoren 16'. Zur Realisierung der Intensitätsänderung im Sensor 16' durch den rotierenden Graufilter 28 ist dieser weiter derart ausgebildet, dass die von dem Sensor 16' detektierte Intensität bei konstanter Intensität der auf den rotierenden Graufilter 28 einfallenden elektromagnetischen Wellen eine der Rotation des Graufilters 28 entsprechende periodische Modulation erfährt. Dabei entspricht die Periode der Inten­ sitätsmodulation im Sensor 16' bevorzugt einer ganzen Umdre­ hung des Graufilters 28.

Konkret beträgt die Rotationsfrequenz des Graufilters 28 ge­ mäß Fig. 2 beispielsweise bis zu 20 kHz und ist weiter ins­ besondere gleich der Abtastfrequenz des Detektionsraumes 25 durch die in der erläuterten Weise erzeugten Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21, 22. Dabei ist weiter auch zu beachten, dass die eingesetzte Abtastfrequenz natürlich an die zu messenden Strömungsgeschwindigkeiten angepasst sein muss. Die Fig. 3 zeigt die Fig. 2 in Draufsicht.

Die Fig. 4 erläutert ein zu den Fig. 2 und 3 alternati­ ves Verfahren zur zeitlichen Veränderung des von dem Bildde­ tektor 16 detektierten Frequenzspektrums bzw. der von diesem detektierten Intensität. Gemäß Fig. 4 ist dabei zunächst erneut vorgesehen, dass der Bilddetektor 16 in Form einer CCD-Kamera ausgeführt ist, in deren Inneren sich drei Senso­ ren 16' befinden, die für die Farben rot, grün und blau sen­ sitiv sind oder als s/w-Sensoren diese repräsentieren. Wei­ ter ist vorgesehen, dass der Bilddetektor 16 eine elektroni­ sche Steuereinheit 27 aufweist, mit der separat für jeden Sensor 16' eine zeitabhängige Variation der Intensitätsemp­ findlichkeit dieses Sensors 16' vorgenommen wird. Diese zeitabhängige Variation der Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren 16' ist in Fig. 4 für die Farben rot, grün und blau dargestellt.

Auf Grund dieser Variation ergibt sich in dem Summenbild der Einzelbilder der einzelnen Sensoren 16', das von dem Bildde­ tektor 16 in Form eines zweidimensionalen farbigen Bildes registriert wird, eine definierte Farbkodierung der in dem Detektionsraum 25 enthaltenen, die Strömung charakterisie­ renden Teilchen. Die Farbkodierung enthält dabei die Infor­ mation über den Ort dieser Teilchen in y-Richtung. Auf diese Weise kann insbesondere auch innerhalb einer Aufnahme, d. h. durch Aufnahme eines einzigen zweidimensionalen farbigen Bildes des untersuchten Bereiches des Detektionsraumes 25 die Bewegung eines Teilchens sowohl in der xz-Ebene als auch in der dazu senkrechten y-Richtung ermittelt werden.

Die Fig. 5 erläutert ein zu Fig. 4 alternatives Verfahren zur Farbkodierung, wobei dort im Gegensatz zu Fig. 4 nicht eine Modulation der Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren 16' vorgenommen wird, sondern eine Veränderung der auf die einzelnen Sensoren 16' bzw. Chips entfallenden Belichtungs­ zeiten. Die Belichtungszeiten können dabei in an sich be­ kannter Weise durch eine Phasenmodulation und/oder eine Pulsbreitenmodulation der Ansteuerung der einzelnen Sensoren 16' mit Hilfe der elektronischen Steuereinheit 27 erfolgen. Diese Phasen- bzw. Pulsbreitenmodulation ist gleichzeitig mit den Abtasten des Detektionsraumes 25 durch die Lichtebe­ nen 17, 18, 19, 20, 21, 22 über die Korrelationseinheit 30 synchronisiert.

Hinsichtlich weiterer Details zur Auswertung der von dem Bilddetektor 16 aufgenommenen zweidimensionalen farbigen Bilder des Detektionsraumes 25 sei auf die Anmeldung DE 199 63 393.2 verwiesen. Die dort erläuterten Auswerteverfahren können auch für den Fall der vorstehend erläuterten Ausfüh­ rungsbeispiele eingesetzt werden.

Weiter erfolgt auch die Bestimmung der Strömungsgeschwindig­ keit der Teilchen in dem Detektionsraum 25 mit Hilfe der dort ausführlich beschriebenen Verfahren.

In diesem Zusammenhang sei weiter betont, dass von dem Bild­ detektor 16 entweder für jeden Abtastvorgang des Detektions­ raumes 25 ein zweidimensionales farbiges Bild aufgenommen wird, das dann mit einem insbesondere kurzzeitig danach auf­ genommenen zweidimensionalen Bild des Detektionsraumes 25 korreliert wird, oder dass alternativ in einem zweidimensio­ nalen farbigen Bild des Detektionsraumes 25 mehrere Tastvor­ gänge erfasst werden, so dass sich die Bewegung eines Teil­ chens in dem Detektionsraum 25 unmittelbar als punktförmige Spur gegebenenfalls unterschiedlich gefärbter Streulicht­ punkte in diesem zweidimensionalen farbigen Bild ergibt.

Weiter sei erneut darauf hingewiesen, dass die Abbildung des Strömungsraumes bzw. des Detektionsraumes 25 alternativ zu einer CCD-Kamera auch mittels einer 3-Chip-Spezialkamera, beispielsweise einer sogenannten LLT3-Kamera, erfolgen kann. In diesem Fall werden innerhalb dieser Kamera drei Sensoren 16' in Form von schwarz/weiß-Sensoren eingesetzt, die die Farben rot, grün und blau eines RGB-Bildes repräsentieren. Die jeweiligen Farben werden dann in der Auswerteeinheit 29 durch Überlagerung der Teilbilder der Sensoren 16' aus dem Verhältnis der Intensitäten der Grauwertteilbilder der Ein­ zelsensoren rekonstruiert, und in Falschfarben dargestellt. Über die Empfindlichkeit bzw. die auf die einzelnen Sensoren entfallenden Belichtungszeiten 16' ist daher auch mit einer derartigen LLT3-Kamera eine Farbkodierung der schließlich erhaltenen Bilder des Detektionsraumes 25 möglich.

Die Dimension des Detektionsraumes 25 weist in dem erläuter­ ten Beispiel Dimensionen von 10 cm × 10 cm × 10 cm auf. Die Anzahl der hintereinander angeordneten Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21 beträgt mindestens 3, in der Regel sind jedoch eine Vielzahl von beispielsweise 100 bis 200 Lichtebenen vorgesehen. Weiter ist an Stelle des Polygon-Scanners 15 in der Beleuchtungseinrichtung 12 auch der Einsatz einer oder mehrerer bekannter Zylinderlinsen möglich. Bevorzugt rotiert der Polygon-Scanner 15 je nach Messaufgabe mit 20.000 bis 60.000 U/min, insbesondere 40.000 Umdrehungen pro Minute. Die Scangeschwindigkeit kann jedoch prinzipiell, gegebenen­ falls unter Einsatz weiterer optischer Komponenten, auch bis in den MHz-Bereich gesteigert werden. Die Größe der in dem Detektionsraum enthaltenen Teilchen liegt typischerweise in der Größenverordnung von 1 µm bis 60 µm.

Claims (25)

1. Verfahren zur Analyse von Strömungen in einem Detektionsraum (25), wobei zeitlich nacheinander mindestens zwei zumindest näherungsweise parallele, räumlich hintereinander angeordnete Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) mit elektromagnetischer Strahlung erzeugt werden, mit denen der Detektionsraum (25) zumindest bereichsweise abgetastet wird, wobei weiter elektromagnetische Wellen, die zumindest teilweise von in dem Detektionsraum (25) enthaltenen, die Strömung charakterisierenden Teilchen ausgehen oder gestreut werden, mit mindestens einem Bilddetektor (16) detektiert werden, und wobei beim Abtasten des Detektionsraumes (25) eine von mindestens einem der Bilddetektoren (16) detektierte Frequenz oder ein von mindestens einem der Bilddetektoren (16) detektiertes Frequenzspektrum und/oder eine von mindestens einem der Bilddetektoren (16) detektierte Intensität der von den Teilchen ausgehenden oder gestreuten elektromagnetischen Wellen als Funktion der Zeit verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Zusammensetzung in nacheinander von mindestens einem der Bilddetektoren (16) aufgenommenen Bildern und/oder die spektrale Zusammensetzung innerhalb eines von mindestens einem der Bilddetektoren (16) aufgenommenen Bildes zumindest eines Bereiches des Detektionsraumes (25) als Funktion der Zeit verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Empfindlichkeit mindestens eines Bilddetektors (16), die auf mindestens einen der Bilddetektoren (16) einfallende Intensität und/oder die Dauer des Einfalls der elektromagnetischen Wellen auf mindestens einen der Bilddetektoren (16) beim Abtasten des Detektionsraumes (25) zwischen den nacheinander aufgenommenen Bildern und/oder innerhalb eines Bildes als Funktion der Zeit verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtasten des Detektionsraumes (25) mit mindestens einer CCD-Kamera als Bilddetektor (16) aufgezeichnet wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtstrahl (11), insbesondere ein farbiger oder monochromatischer Laserstrahl, zur Erzeugung der zumindest näherungsweise parallelen, räumlich hintereinander angeordneten Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) eingesetzt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung der Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) eingesetzte elektromagnetische Strahlung im Puls- oder Dauerstrichbetrieb erzeugt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlich nacheinander erzeugten und räumlich hintereinander angeordneten parallelen Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) den Detektionsraum (25) derart abtasten, dass der Bilddetektor (16) eine zeitlich zumindest näherungsweise kontinuierliche Ausleuchtung des Detektionsraumes (25) wahrnimmt.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Bilddetektoren (16) während der Abtastung des Detektionsraumes (25) in ihrer Tiefenschärfe kontinuierlich oder schrittweise derart nachgeregelt werden, so dass die zeitlich nacheinander erzeugten und räumlich hintereinander angeordneten Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) am Ort des Bilddetektors (16) jeweils zumindest annähernd scharf abgebildet werden.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Abtastungen des Detektionsraumes (25) in kurzem Zeitabstand, insbesondere eine Vielzahl von periodischen Abtastungen, erfolgen, wobei mittels des Bilddetektors (16) ein zweidimensionales Bild des Detektionsraumes (25) aufgenommen wird, mit dem das von den Teilchen ausgehende oder gestreute Licht von mindestens zwei, insbesondere unmittelbar aufeinander folgenden Abtastungen des Detektionsraumes (25) erfasst wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Bilddetektors (16) zweidimensionale Bilder des Detektionsraumes (25) aufgenommen werden, wobei in mindestens zwei, insbesondere kurzzeitig nacheinander aufgenommenen Bildern das von den Teilchen ausgehende oder gestreute Licht von jeweils mindestens einer Abtastung des Detektionsraumes (25) erfasst wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der aufgenommenen Bilder des Detektionsraumes (25) mit Hilfe von "Particle-Tracking"-Algorithmen oder Korrelationsverfahren unter Einbeziehung der spektralen Zusammensetzung der aufgenommenen Bilder erfolgt, wobei aus dem oder den aufgenommenen zweidimensionalen Bildern der Ort der Teilchen in dem abgetasteten Bereich des dreidimensionalen Detektionsraumes (25) und/oder deren räumliche Verschiebung als Funktion der Zeit bestimmt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung der Zeitdauer zwischen den Abtastvorgängen die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten der einzelnen Teilchen bestimmt werden.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Veränderung der detektierten Frequenz oder des detektierten Frequenzspektrums und/oder der detektierten Intensität periodisch erfolgt.

14. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Veränderung der detektierten Frequenz oder des detektierten Frequenzspektrums und/oder der detektierten Intensität in nacheinander von mindestens einem der Bilddetektoren (16) aufgenommenen Bildern und/oder von innerhalb eines von mindestens einem der Bilddetektoren (10) aufgenommenen Bildes mit dem periodischen Abtasten des Detektionsraumes (25) korreliert oder synchronisiert wird, wobei die Abtastperiode insbesondere gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der zeitlichen Veränderung der detektierten Frequenz oder des detektierten Frequenzspektrums und/oder der detektierten Intensität ist.

15. Vorrichtung zur Analyse von Strömungen in einem Detektionsraum (25), wobei mit mindestens einer Beleuchtungseinrichtung (12) zeitlich nacheinander mindestens zwei zumindest näherungsweise parallele, räumlich hintereinander angeordnete Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) mit elektromagnetischer Strahlung mit vorgegebener Frequenz oder vorgegebenem Frequenzspektrum erzeugbar sind, mit denen der Detektionsraum (25) zumindest bereichsweise abtastbar ist, wobei weiter elektromagnetische Wellen, die zumindest teilweise von in dem Detektionsraum (25) enthaltenen, die Strömung charakterisierenden Teilchen ausgehen oder gestreut werden, mit mindestens einem Bilddetektor (16) detektierbar sind, und wobei mindestens ein Mittel (27, 28) vorgesehen ist, mit dem beim Abtasten des Detektionsraumes (25) die von dem Bilddetektor (16) detektierte Frequenz oder das von dem Bilddetektor (16) detektierte Frequenzspektrum und/oder die von dem Bilddetektor (16) detektierte Intensität der von den Teilchen ausgehenden oder gestreuten elektromagnetischen Wellen als Funktion der Zeit veränderbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (12) mindestens eine Lichtquelle (10), insbesondere einen Laser, einen Kollimator (13), einen Polygon-Scanner (15) und einen Galvanometer- Scanner (14) aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilddetektor (16) an mindestens einer Seitenfläche des Detektionsraumes (25), insbesondere an einer zu den erzeugten Lichtebenen (17, 18, 19, 20, 21, 22) parallelen Stirnseite (26) des Detektionsraumes (25), angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilddetektor (16) eine schwarz/weiß-Kamera oder eine Farbkamera, insbesondere eine CCD-Kamera oder eine 3- Chip-Kamera, ist, mit der zweidimensionale farbige Bilder zumindest eines Bereiches des Detektionsraumes (25) aufnehmbar oder in Falschfarben darstellbar sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera oder der Bilddetektor (16) mit einer Einrichtung zur Einstellung der Tiefenschärfe versehen ist.

20. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (29), insbesondere ein Computer, zur Auswertung und/oder Speicherung der aufgenommenen zweidimensionalen Bilder vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrelationseinheit (30) zur Korrelation, insbesondere Synchronisation, der durch das Mittel hervorgerufenen zeitlichen Veränderung des detektierten Frequenzspektrums oder der detektierten Frequenz und/oder der zeitlichen Veränderung der detektierten Intensität mit der durch die Beleuchtungseinrichtung (12) vorgenommenen Abtastung des Detektionsraumes (25) vorgesehen ist.

22. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilddetektor (16) eine CCD-Kamera mit drei Sensoren (16'), insbesondere drei Chips zur Detektion dreier unterschiedlicher Farben oder Frequenzbereiche, und das Mittel (27, 28) eine insbesondere in die CCD-Kamera integrierte elektronische Steuereinheit (27) ist, mit der selektiv die spektrale oder integrale Empfindlichkeit mindestens eines Sensors (16')in der Kamera und/oder die auf mindestens einen Sensor (16') einfallende Intensität in der Kamera als Funktion der Zeit veränderbar ist.

23. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei CCD- Kameras als Bilddetektoren (16) vorgesehen sind, die jeweils einen gleichen Bereich des Detektionsraumes (25) erfassen und deren detektierte Frequenz oder detektiertes Frequenzspektrum und/oder deren detektierte Intensität mittels einer elektronischen Steuereinheit (27) jeweils als Funktion der Zeit veränderbar ist.

24. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (27, 28) ein mindestens vor einem Bilddetektor (16) oder mindestens vor einem Sensor (16'), insbesondere Chip, der CCD-Kamera angebrachter Filter, insbesondere ein rotierender Graufilter (28), ein rotierender Farbfilter oder ein rotierender Polarisationsfilter mit vorgeschaltetem Polarisator, ist.

25. Verwendung der Vorrichtung oder des Verfahrens nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche zur dreidimensionalen Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeitskomponenten oder der dreidimensionalen Sichtbarmachung von Strömungen in Flüssigkeiten oder Gasen.