EP1277059A1 - Method and device for analysing flows - Google Patents

Method and device for analysing flows

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Publication number
EP1277059A1
EP1277059A1 EP01929261A EP01929261A EP1277059A1 EP 1277059 A1 EP1277059 A1 EP 1277059A1 EP 01929261 A EP01929261 A EP 01929261A EP 01929261 A EP01929261 A EP 01929261A EP 1277059 A1 EP1277059 A1 EP 1277059A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
detection space
detected
image
image detector
recorded
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01929261A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Arndt
Christian Heinen
Klaus Reymann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1277059A1 publication Critical patent/EP1277059A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/001—Full-field flow measurement, e.g. determining flow velocity and direction in a whole region at the same time, flow visualisation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/18—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01P5/20—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance using particles entrained by a fluid stream

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the analysis and quantification of flows, in particular for the three-dimensional determination of flow velocity components or the three-dimensional visualization of flows in liquids or gases, according to the preamble of the independent claims.
  • the object of the present invention was, based on the application DE 199 63 393.2, to develop an alternative method and a device suitable for carrying out this method.
  • the method according to the invention and the device according to the invention with the characterizing features of the independent claims has the advantage over the prior art of a reduced and less trouble-prone apparatus in the area of the lighting device, while at the same time the advantages of the method known from the application DE 199 63 393.2 are preserved ,
  • the amounts of data obtained in the method according to the invention are relatively small and are therefore easy and clear to process and evaluate.
  • color modulation of the incident light beam or laser beam for example with the aid of an acousto-optical modulator, can now advantageously be dispensed with, in that the color coding of the recorded two-dimensional images is now received, ie. H. in the area of the image detector.
  • the method according to the invention has the advantage that, for example, in comparison to methods that use high-speed camera systems, significantly lower scattered light intensities are sufficient.
  • the image detected by this CCD camera can be changed particularly simply as a function of time by changing the exposure times attributable to the individual sensors in the CCD camera and / or changing the sensitivity of these individual sensors, these changes being carried out in a simple manner with the Scanning of the detection space can be synchronized by the successively arranged light planes arranged one behind the other. It is also advantageously possible, for example, to install a rotating filter in front of each of these chips in the CCD camera, in order to define and periodically change the intensity detected by these chips as a function of time.
  • a black and white camera can advantageously also be used instead of a CCD color camera, which has, for example, three sensors in its interior, the sensitivity of which to the intensity of the incident electromagnetic radiation can be changed separately as a function of time, so that these sensors In each case a false color, for example red, green and blue, can be assigned, and a colored image of the detection space can be obtained from the images recorded by the individual sensors as a function of time by superimposition, for example in a computer.
  • a false color for example red, green and blue
  • the two-dimensional image of the detection space that is finally registered by the image detector is provided with color information that relates to the location and time of the generation of a light plane in the detection space and thus the y-coordinate of the location Light scattering or emitting particle is clearly correlated.
  • the depth of focus of the image detector (s) is continuously or step-wise adjusted during the scanning of the detection space, so that the individual light planes are at least approximately sharply imaged at the location of the image detector.
  • FIG. 1 shows a flow analysis device
  • FIG. 2 shows a sensor with an upstream rotating filter in a side view
  • FIG. 3 shows the sensor with an upstream filter according to FIG. 2 in a top view
  • FIG. 4 shows a time-dependent variation of the spectral sensitivity of three sensors in a CCD camera for the colors red, green and blue
  • FIG. 5 shows a color pattern sequence through different exposure times of three sensors in a CCD camera for the colors red, green and blue.
  • the essence of the method according to the invention is that electromagnetic radiation is initially generated by means of an illumination device, with which a detection space is scanned at least in some areas, with electromagnetic waves being len, which at least partially emanate from or are controlled by particles contained in the detection space that characterize the flow to be analyzed, are detected with at least one image detector.
  • a suitable electromagnetic radiation is, for example, monochromatic electromagnetic radiation or electromagnetic radiation with a plurality of frequencies or a predetermined frequency spectrum, in particular a predetermined color.
  • the electromagnetic radiation used is preferably in the visible frequency range, but the exemplary embodiment explained is not restricted to this, since in principle a largely arbitrary electromagnetic radiation can be used if suitable image detectors are available for this.
  • IR radiation or UV radiation is also suitable for the method according to the invention.
  • the lighting device thus initially generates at least approximately parallel light planes, which, arranged spatially and temporally one behind the other, scan or scan the detection space or a region of the detection space.
  • color modulation of the light beam or laser beam provided by the lighting device is dispensed with, and color coding of the two-dimensional images recorded by the image detector is carried out on the receiving side.
  • At least approximately parallel light planes are generated, which, in terms of space and time, arranged one behind the other, scan or scan a detection space.
  • one or more image detectors for example, a 3-chip CCD color camera arranged on the front side of the detection space, an image of the detection space is recorded.
  • color coding is carried out simultaneously with the scanning in dependence on the position of the light planes which changes in time and space during image detection ,
  • this can be done, for example, by recording the detection volume to be examined with a 3-chip CCD color camera, in which each particle producing a scattered light signal is imaged on each of the three sensors or chips of this camera, the primary colors being red, represent green and blue.
  • a 3-chip CCD color camera in which each particle producing a scattered light signal is imaged on each of the three sensors or chips of this camera, the primary colors being red, represent green and blue.
  • this is done, for example, by arranging a frequency- or frequency band-selective filter in front of each chip.
  • a CCD camera can also be provided with, for example, three black / white chips (b / w sensor), which each record only the intensities incident on them as a function of time, and from whose images a colored image is subsequently generated by assigning the gray value signals of the individual sensors to the colors of an RGB monitor (red / green / blue), for example.
  • each of these b / w sensors represents a defined color of an RGB image, which is then created in false colors, for example in a computer.
  • the particles characterizing the flow become red, green and blue in the sum of the three images depending on the proportions of the intensities of the colors Individual sensors shown in a mixed color, which is uniquely linked to a specific light plane, ie a defined y-coordinate of the location of the particle.
  • the sensitivity to be varied can be understood on the one hand to mean the integral sensitivity of a sensor, i.e. its signal as a function of the intensity of the light incident on the sensor or the electromagnetic radiation incident on the sensor, or on the other hand the spectral sensitivity of a sensor for a defined frequency or a defined frequency spectrum of the electromagnetic radiation impinging on the sensor, that is to say its signal as a function of the frequency.
  • the explained change in intensity of the intensity impinging on the individual sensors is further realized in the illustrated example via at least one rotating gray filter which is positioned in front of at least one of the individual sensors or chips in the CCD camera.
  • rotating gray filters rotating color filters or rotating polarization filters with an upstream polarizer can also be used.
  • an electronic change of the intensities or frequency spectra or frequencies detected by the individual sensors or chips of the CCD camera so that in this way color coding is carried out in a two-dimensional, in particular colored, image recorded by the CCD camera of the individual scattered light signals arise which are clearly assigned to a specific light level.
  • three different CCD cameras can also be used, each with a suitable device for time-dependent modulation of the detected intensities. deed or the detected frequency spectrum or the detected frequency are provided.
  • three CCD cameras each of which has three sensors (chips) inside, which are sensitive to or represent the basic colors red, green and blue, then, as already explained above, it is provided, for example, that at least Rotating gray filters, for example, are installed in front of some of the sensors of the CCD cameras.
  • the exemplary embodiments explained further below preferably provide that when scanning the detection space through the parallel light planes at the location of the image detectors or the image detector, an at least largely constant depth of field is always ensured.
  • the image detector is preferably each provided with an additional device for the continuous or step-wise adjustment of the depth of field depending on the location of the light plane that is currently scanning the detection space.
  • rotating color filters or gray filters or general filters which change their transmission depending on time and which precede the image detector (s) are thus possible for realizing a quick color change or a quick color coding of the two-dimensional images recorded by the image detector.
  • high-frequency multiple exposure of these individual sensors can also be carried out with commercially available CCD cameras with, for example, three sensors (chips), where different intensities on the individual sensors are then set by exposure times of different lengths or exposure pauses of different lengths.
  • a time-dependent, in particular electronic modulation of the spectral sensitivity or also of the integral sensitivity over the entire detected frequency spectrum can also be used additionally or alternatively for the individual sensors.
  • an individual sensor in the CCD camera in particular within a recording of a two-dimensional image, can change its spectral or integral sensitivity in such a way that different intensity contributions of the individual sensors in the CCD camera are dependent on the time and thus the position of the Light levels in the normal direction can be realized within a picture.
  • the above-described methods for color coding can also be used in combination.
  • FIG. 1 shows a current analysis device 5 already known in a similar form from the application DE 199 63 393.2 with an illumination device 12 which is emitted by a light source 10, in particular a monochromatic, white or colored laser beam, a downstream collimator 13, a polygon scanner 15 and a galvanometer scanner 14 is formed.
  • a light beam 11 is thus initially generated, which scans a detection space 25 in the form of light planes 17, 18, 19, 20, 21, 22 of the same color, which are produced one after the other in time, spatially arranged one behind the other, at least approximately parallel.
  • an image detector is further arranged in the form of a CCD camera 16 having ⁇ 16 in its interior three sensors.
  • These sensors 16 ⁇ are represented in the image detector 16, for example in the form of chips known per se, which are sensitive to the colors red, green and blue.
  • the two-dimensional image output or temporarily stored by the image detector 16 is thus a sum of the images of the sensors 16 ⁇ and thus in particular colored.
  • the three sensors 16 ⁇ in the CCD camera can also be b / w sensors (black / white), the gray value signals of which are then each assigned to a color, so that in this way, too, for example by assigning these three b / w - Sensors for the R, G and B connections of an RGB color monitor (red / green / blue), a two-dimensional color image is created.
  • an electronic control unit 27 is also integrated, with the aid of which the individual Exposure times of sensors 16 ⁇ and / or the sensitivities of individual sensors 16 for the respective frequency ranges of these sensors 16 ⁇ can be changed. It is further provided that the image detector 16 is connected to an evaluation unit 29, for example a computer, which stores the two-dimensional color images recorded by the image detector 16. The evaluation unit 29 is further provided for evaluating the recorded two-dimensional images of the detection space 25 with the aid of “particle tracking” algorithms or correlation methods, this evaluation taking into account the spectral composition of the recorded images.
  • the location of the particles in the scanned area of the three-dimensional detection space 25 and also their spatial displacement as a function of time are determined from the recorded two-dimensional images, taking into account the length of time between the individual scanning processes of the detection space 25, with one scanning process taking place once , complete scanning of the detection space 25 with the aid of the light planes 17, 18, 19, 20, 21 and 22 can be understood, the local flow velocities of the individual particles characterizing the flow can now also be determined.
  • the x or z component of the local flow rate results directly from the local displacement of this particle in the xz plane, while the y component of the local flow rate of this particle results from the color information generated in the manner explained or the color coding of the or the captured images can be determined.
  • the image detector 16 is connected to the illumination device 12, in particular the light source 10, via a correlation unit 30 stands.
  • this correlation unit 30 ensures that the temporal change in the detected frequency spectrum or the detected frequency and / or the detected intensity takes place periodically in the detector 16, and that at the same time this periodic change with the periodic scanning of the detection space 25 by the light planes 17, 18 , 19, 20, 21, 22 is correlated or synchronized.
  • the scanning period of the detection space 25 through the light planes 17, 18, 19, 20, 21, 22 is preferably equal to the period of the temporal change in the detected frequency spectrum or the detected frequency and / or the detected intensity of the image detector 16.
  • the Sampling period can also be an integer multiple of this period.
  • FIG. 2 exemplarily explains how at least one of three sensors 16, which are integrated in the image detector 16, is provided with a rotating gray filter 28.
  • the rotation of this gray filter 28 is correlated over the correlation unit 30 with the scanning of the detection space 25 such that the sensor 16 ⁇ as a function of time attributable intensity of the outgoing or scattered from those contained in the detection chamber 25, the flow characterizing particles electromagnetic Waves can be clearly assigned to a defined light level 17, 18, 19, 20, 21 or 22.
  • the rotating density filter 28 such that the image taken by the image detector 16, two-dimensional image raster scanning during the exhaust of the detection space 25 in its spectral composition and thus its color is changed by the contribution of one of the sensors 16 ⁇ to the captured image by the change in intensity registered by this is modulated due to the rotating gray filter 28.
  • the recorded two-dimensional image is the sum of the individual images of the sensor integrated in the image detector 16. ren 16 ⁇ .
  • the latter is further configured such that the intensity detected by the sensor 16 ⁇ experiences a periodic modulation corresponding to the rotation of the gray filter 28, with a constant intensity of the electromagnetic waves incident on the rotating gray filter 28 ,
  • the period of the intensity modulation in the sensor 16 ⁇ preferably corresponds to an entire revolution of the gray filter 28.
  • the rotation frequency of the gray filter 28 according to FIG. 2 is, for example, up to 20 kHz and is furthermore in particular the same as the sampling frequency of the detection space 25 due to the light planes 17, 18, 19, 20, 21, 22 generated in the manner explained note that the sampling frequency used must of course be adapted to the flow velocities to be measured.
  • FIG. 3 shows FIG. 2 in a top view.
  • FIG. 4 explains an alternative method to FIGS. 2 and 3 for changing the frequency spectrum detected by the image detector 16 or the intensity detected by the latter.
  • the image detector 16 is designed in the form of a CCD camera, in the interior of which there are three sensors 16 which are sensitive to the colors red, green and blue or as b / w sensors represent.
  • the image detector 16 comprises an electronic control unit 27, with the separately for each sensor 16 ⁇ a time-dependent variation of the intensities tatsemblkeit this sensor is made x 16th This time-dependent variation of the sensitivity of the individual sensors 16 ⁇ is shown in Figure 4 for the colors red, green and blue.
  • a defined color coding of the particles characterizing the flow contained in the detection space 25 results in the total image of the individual images of the individual sensors 16 which is registered by the image detector 16 in the form of a two-dimensional color image.
  • the color coding contains the information about the location of these particles in the y direction. In this way, the movement of a particle can be determined both in the xz plane and in the y direction perpendicular to it, in particular also within a recording, ie by recording a single two-dimensional colored image of the examined area of the detection space 25.
  • FIG. 5 explains a method for color coding that is alternative to FIG. 4, whereby, in contrast to FIG. 4, it is not a modulation of the sensitivity of the individual sensors 16 inci , but a change in the exposure times attributable to the individual sensors 16 ⁇ or chips.
  • the exposure times can take place in a manner known per se by a phase modulation and / or a pulse width modulation of the control of the individual sensors 16 ⁇ using the electronic control unit 27.
  • This phase or pulse width modulation is synchronized with the scanning of the detection space 25 by the light planes 17, 18, 19, 20, 21, 22 via the correlation unit 30.
  • the image detector 16 either captures a two-dimensional color image for each scanning operation of the detection space 25, which is then correlated with a two-dimensional image of the detection space 25 that was recorded shortly thereafter, or alternatively in a two-dimensional color image of the detection space 25, several scanning processes are detected, so that the movement of a particle in the detection space 25 results directly as a point-like trace of differently colored scattered light points in this two-dimensional colored image.
  • the flow space or the detection space 25 can also be imaged by means of a 3-chip special camera, for example a so-called LLT3 camera.
  • a 3-chip special camera for example a so-called LLT3 camera.
  • three sensors 16 ⁇ in the form of black / white sensors are used within this camera, which represent the colors red, green and blue of an RGB image.
  • the respective colors are then reconstructed in the evaluation unit 29 by superimposing the partial images of the sensors 16 from the ratio of the intensities of the gray value partial images of the individual sensors, and are displayed in false colors.
  • LLT3 camera of this type color coding of the finally obtained images of the detection space 25 is therefore possible via the sensitivity or the exposure times 16 attributable to the individual sensors.
  • the dimension of the detection space 25 has dimensions of 10 cm x 10 cm x 10 cm in the illustrated example.
  • the number of light levels 17, 18 arranged one behind the other 19, 20, 21 is at least 3, but as a rule a large number of, for example, 100 to 200 light levels are provided.
  • the polygon scanner 15 in the lighting device 12 instead of the polygon scanner 15 in the lighting device 12, the use of one or more known cylindrical lenses is also possible.
  • the polygon scanner 15 preferably rotates at 20,000 to 60,000 rpm, in particular 40,000 revolutions per minute. In principle, however, the scanning speed can be increased up to the MHz range, if necessary using additional optical components.
  • the size of the particles contained in the detection space is typically in the size range from 1 ⁇ m to 60 ⁇ m.

Landscapes

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Abstract

Disclosed is a method for the analysis and quantification of flows, especially for three-dimensional determination of flow velocity components or for the visualisation of flows in liquids or gases. Also disclosed is a suitable device therefor. Electromagnetic radiation is produced, more particularly according to a given colour by means of an illuminating device, whereby a detection area (25) is scanned in the form of light planes (19,18, 17, 20, 21,22) which are arranged in an at least approximately parallel and spatially consecutive manner. The electromagnetic radiation is directed to the detection area (25), whereby electromagnetic waves which are scattered or which emanate from particles characterising the flow are produced and are detected with the aid of at least one image detector (16) in the form of two dimensional, especially coloured images. Upon said detection, the frequency spectrum detected by at least one of the image detectors (16) and/or the frequency detected thereby and/or intensity detected thereby is modified as a function of time with the aid of a suitable means (28,27).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von StrömungenFlow analysis method and apparatus
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse und Quantifizierung von Strömungen, insbesondere zur dreidimensionalen Bestimmung von Stromungsgeschwindig- keitskomponenten oder der dreidimensionalen Sichtbarmachung von Strömungen in Flüssigkeiten oder Gasen, nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a method and a device for the analysis and quantification of flows, in particular for the three-dimensional determination of flow velocity components or the three-dimensional visualization of flows in liquids or gases, according to the preamble of the independent claims.
Stand der TechnikState of the art
In der unveröffentlichten Anmeldung DE 199 63 393.2 wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten oder Gasen vorgeschlagen, wobei elektromagnetische Wellen, die zumindest teilweise von in einem Detektionsraum enthaltenen, die Strömung charakterisierenden Teilchen ausgehen oder gestreut werden, detektiert werden. Dazu werden dort zeitlich nacheinander mindestens zwei zumindest naherungsweise parallele, raumlich hintereinander angeordnete Lichtebenen mit elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Frequenz 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.In the unpublished application DE 199 63 393.2, a method and a device for the three-dimensional determination of flow velocities in liquids or gases were proposed, wherein electromagnetic waves, which at least partially emanate from particles characterizing the flow or contained in a detection space, are detected. For this purpose, at least two, at least approximately parallel, light planes with electromagnetic waves of different frequency or different frequency spectrum, with which the detection space is scanned, are generated one after the other in time. Furthermore, it has already been proposed there to use a detection device to select two-dimensional, in particular colored, images of the scanned area of the area in a frequency-selective or frequency-band-selective manner Record detection room. The detection device there is, for example, a CCD color camera.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war, ausgehend von der Anmeldung DE 199 63 393.2, ein dazu alternatives Verfahren und eine zur Durchfuhrung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zu entwickeln.The object of the present invention was, based on the application DE 199 63 393.2, to develop an alternative method and a device suitable for carrying out this method.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemaße Verfahren und die erfindungsgemaße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil eines verringerten und weniger störanfälligen apparativen Aufwandes im Bereich der Beleuchtungseinrichtung, wobei gleichzeitig die Vorteile des aus der Anmeldung DE 199 63 393.2 bekannten Verfahrens gewahrt bleiben. Insbesondere sind die anfallenden Datenmengen bei dem erfindungsgemaßen Verfahren relativ gering und damit leicht und übersichtlich bearbeitbar und auswertbar. Weiter kann nunmehr vorteilhaft auch auf eine Farbmodulation des einfallenden Lichtstrahles bzw. Laserstrahles beispielsweise mit Hilfe eines akusto- optischen Modulators, verzichtet werden, indem die Farbkodierung der aufgenommenen zweidimensionalen Bilder nun emp- fangsseitig, d. h. im Bereich des Bilddetektors, vorgenommen wird.The method according to the invention and the device according to the invention with the characterizing features of the independent claims has the advantage over the prior art of a reduced and less trouble-prone apparatus in the area of the lighting device, while at the same time the advantages of the method known from the application DE 199 63 393.2 are preserved , In particular, the amounts of data obtained in the method according to the invention are relatively small and are therefore easy and clear to process and evaluate. Furthermore, color modulation of the incident light beam or laser beam, for example with the aid of an acousto-optical modulator, can now advantageously be dispensed with, in that the color coding of the recorded two-dimensional images is now received, ie. H. in the area of the image detector.
Schließlich hat das erfindungsgemaße Verfahren den Vorteil, dass beispielsweise im Vergleich zu Verfahren, die Hochge- schwindigkeitskamerasysteme einsetzen, deutlich geringere Streulichtintensitaten ausreichend sind.Finally, the method according to the invention has the advantage that, for example, in comparison to methods that use high-speed camera systems, significantly lower scattered light intensities are sufficient.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteranspruchen genannten Maßnahmen. So bestehen vorteilhaft eine Vielzahl von Möglichkeiten, das beim Abtasten des Detektionsraumes von dem oder den Bilddetektoren detektierte Frequenzspektrum oder die von dem oder den Bilddetektoren detektierte Frequenz bzw. die von diesen detektierte Intensität als Funktion der Zeit zu verandern. 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 detektierte Bild kann durch Veränderung der auf die einzelnen Sensoren in der CCD-Kamera entfallenden Belichtungszeiten und/oder eine Veränderung der Empfindlichkeit dieser einzelnen Sensoren besonders einfach als Funktion der Zeit verändert werden, wobei diese Veränderungen in einfacher Weise mit dem Abtasten des Detektionsraumes durch die zeitlich nacheinander erzeugten, hintereinander angeordneten Lichtebenen synchronisierbar sind. Ebenso ist es damit vorteilhaft möglich, beispielsweise vor jedem dieser in der CCD- Kamera befindlichen Chips einen rotierenden Filter anzubringen, um auf diese Weise die von diesen Chips detektierte Intensität als Funktion der Zeit definiert und periodisch zu verandern.Advantageous developments of the invention result from the measures mentioned in the subclaims. There are advantageously a multitude of possibilities for changing the frequency spectrum detected by the image detector (s) when scanning the detection space or the frequency detected by the image detector (s) or the intensity detected by them as a function of time. It is particularly advantageous if a CCD camera is used as the image detector, which has, for example, three sensors (chips) for three different colors, for example red, green and blue. The image detected by this CCD camera can be changed particularly simply as a function of time by changing the exposure times attributable to the individual sensors in the CCD camera and / or changing the sensitivity of these individual sensors, these changes being carried out in a simple manner with the Scanning of the detection space can be synchronized by the successively arranged light planes arranged one behind the other. It is also advantageously possible, for example, to install a rotating filter in front of each of these chips in the CCD camera, in order to define and periodically change the intensity detected by these chips as a function of time.
Weiterhin kann vorteilhaft auch eine schwarz/weiß-Kamera an Stelle einer CCD-Farbkamera eingesetzt werden, die in ihrem Inneren beispielsweise drei Sensoren aufweist, deren Empfindlichkeit für die Intensität der einfallenden elektromagnetischen 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 aufgezeichneten Bildern als Funktion der Zeit durch Überlagerung, beispielsweise in einem Computer, ein farbiges Bild des Detektionsraumes erhaltlich 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 emittierenden Teilchens eindeutig korreliert ist.Furthermore, a black and white camera can advantageously also be used instead of a CCD color camera, which has, for example, three sensors in its interior, the sensitivity of which to the intensity of the incident electromagnetic radiation can be changed separately as a function of time, so that these sensors In each case a false color, for example red, green and blue, can be assigned, and a colored image of the detection space can be obtained from the images recorded by the individual sensors as a function of time by superimposition, for example in a computer. In any case, it is advantageously achieved that the two-dimensional image of the detection space that is finally registered by the image detector is provided with color information that relates to the location and time of the generation of a light plane in the detection space and thus the y-coordinate of the location Light scattering or emitting particle is clearly correlated.
Darüber hinaus ist vorteilhaft, wenn der oder die Bilddetektoren wahrend der Abtastung des Detektionsraumes in ihrer Tiefenscharfe kontinuierlich oder schrittweise nachgeregelt werden, so dass die einzelnen Lichtebenen am Ort des Bilddetektors jeweils zumindest annähernd scharf abgebildet werden.In addition, it is advantageous if the depth of focus of the image detector (s) is continuously or step-wise adjusted during the scanning of the detection space, so that the individual light planes are at least approximately sharply imaged at the location of the image detector.
Zeichnungendrawings
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert. Es zeigt Figur 1 eine Stromungsanalysevorrichtung, Figur 2 einen Sensor mit vorgeschaltetem rotierenden Filter in Seitenansicht, Figur 3 den Sensor mit vorgeschaltetem Filter gemäß Figur 2 in Draufsicht, Figur 4 eine zeitabhängige Variation der spektralen Empfindlichkeit von drei Sensoren in einer CCD-Kamera für die Farben rot, grün und blau und Figur 5 eine Darstellung einer Farbmusterfolge durch unterschiedliche Belichtungszeiten dreier Sensoren in einer CCD-Kamera für die Farben rot, grün und blau.The invention is explained in more detail with reference to the drawings and in the description below. FIG. 1 shows a flow analysis device, FIG. 2 shows a sensor with an upstream rotating filter in a side view, FIG. 3 shows the sensor with an upstream filter according to FIG. 2 in a top view, FIG. 4 shows a time-dependent variation of the spectral sensitivity of three sensors in a CCD camera for the colors red, green and blue and FIG. 5 shows a color pattern sequence through different exposure times of three sensors in a CCD camera for the colors red, green and blue.
AusfuhrungsbeispieleExemplary embodiments
Kern des erfindungsgemaßen Verfahrens ist, dass zunächst mittels einer Beleuchtungseinrichtung elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, mit der ein Detektionsraum zumindest bereichsweise abgetastet wird, wobei elektromagnetische Wel- len, die zumindest teilweise von in dem Detektionsraum enthaltenen, die zu analysierende Strömung charakterisierenden Teilchen ausgehen oder gesteuert werden, mit mindestens einem Bilddetektor detektiert werden.The essence of the method according to the invention is that electromagnetic radiation is initially generated by means of an illumination device, with which a detection space is scanned at least in some areas, with electromagnetic waves being len, which at least partially emanate from or are controlled by particles contained in the detection space that characterize the flow to be analyzed, are detected with at least one image detector.
Eine geeignete elektromagnetische Strahlung ist dabei beispielsweise eine monochromatische elektromagnetische Strahlung oder eine elektromagnetische Strahlung mit einer Mehrzahl von Frequenzen bzw. einem vorgegebenen Frequenzspektrum, insbesondere einer vorgegebenen Farbe. Bevorzugt liegt die eingesetzte elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Frequenzbereich, das erläuterte Ausfuhrungsbeispiel ist jedoch nicht darauf beschrankt, da prinzipiell eine weitgehend beliebige elektromagnetische Strahlung eingesetzt werden kann, sofern dafür geeignete Bilddetektoren verfugbar sind. Insbesondere kommt für das erfindungsgemaße Verfahren auch IR-Strahlung oder UV-Strahlung in Frage.A suitable electromagnetic radiation is, for example, monochromatic electromagnetic radiation or electromagnetic radiation with a plurality of frequencies or a predetermined frequency spectrum, in particular a predetermined color. The electromagnetic radiation used is preferably in the visible frequency range, but the exemplary embodiment explained is not restricted to this, since in principle a largely arbitrary electromagnetic radiation can be used if suitable image detectors are available for this. In particular, IR radiation or UV radiation is also suitable for the method according to the invention.
Die Beleuchtungseinrichtung erzeugt somit zunächst zumindest naherungsweise parallele Lichtebenen, die raumlich und zeitlich hintereinander angeordnet den Detektionsraum oder einen Bereich des Detektionsraumes abtasten bzw. abrastern. Im Unterschied zu der Lehre von der Anmeldung DE 199 63 393.2, von der das erläuterte Ausfuhrungsbeispiel ausgeht, wird dabei jedoch auf eine Farbmodulation des von der Beleuchtungseinrichtung bereitgestellten Lichtstrahles bzw. Laserstrahles verzichtet, und eine Farbkodierung der von dem Bilddetektor aufgenommenen zweidimensionalen Bilder empfangsseitig vorgenommen.The lighting device thus initially generates at least approximately parallel light planes, which, arranged spatially and temporally one behind the other, scan or scan the detection space or a region of the detection space. In contrast to the teaching of application DE 199 63 393.2, from which the exemplary embodiment explained is based, color modulation of the light beam or laser beam provided by the lighting device is dispensed with, and color coding of the two-dimensional images recorded by the image detector is carried out on the receiving side.
Es werden somit zunächst einfarbige oder monochromatische, zumindest naherungsweise parallele Lichtebenen erzeugt, die raumlich und zeitlich hintereinander angeordnet einen Detektionsraum abtasten bzw. abrastern. Wahrend dieses Abtastvor- gangs wird dann von einem oder mehreren Bilddetektoren, bei- spielsweise einer an der Stirnseite des Detektionsraumes angeordnete 3-Chip-CCD-Farbkamera, ein Abbild des Detektionsraumes aufgezeichnet. Um dabei die Positionen und somit die Geschwindigkeiten der die zu untersuchende Strömung charakterisierenden Teilchen in Normalenrichtung, d. h. in y- Richtung, bestimmen zu können, werden gleichzeitig mit dem Abtasten in Abhängigkeit von der sich zeitlich und raumlich verändernden Position der Lichtebenen bei der Bilddetektion Farbkodierungen vorgenommen.First of all, single-color or monochromatic, at least approximately parallel light planes are generated, which, in terms of space and time, arranged one behind the other, scan or scan a detection space. During this scanning process, one or more image detectors, for example, a 3-chip CCD color camera arranged on the front side of the detection space, an image of the detection space is recorded. In order to be able to determine the positions and thus the speeds of the particles characterizing the flow to be examined in the normal direction, ie in the y direction, color coding is carried out simultaneously with the scanning in dependence on the position of the light planes which changes in time and space during image detection ,
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 hervorrufendes 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 frequenzbandselektiver Filter angeordnet ist. Alternativ kann jedoch ebenso eine 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 beispielsweise den Farben eines RGB-Monitors (rot/grun/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.Specifically, this can be done, for example, by recording the detection volume to be examined with a 3-chip CCD color camera, in which each particle producing a scattered light signal is imaged on each of the three sensors or chips of this camera, the primary colors being red, represent green and blue. In conventional 3-chip CCD color cameras, this is done, for example, by arranging a frequency- or frequency band-selective filter in front of each chip. Alternatively, however, a CCD camera can also be provided with, for example, three black / white chips (b / w sensor), which each record only the intensities incident on them as a function of time, and from whose images a colored image is subsequently generated by assigning the gray value signals of the individual sensors to the colors of an RGB monitor (red / green / blue), for example. In this respect, each of these b / w sensors represents a defined color of an RGB image, which is then created in false colors, for example in a computer.
Wird nun in Abhängigkeit von der Position der Lichtebene die Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren bzw. Chips in der Kamera 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 eindeutiger Weise mit einer konkreten Lichtebene, d.h. einer definierten y-Koordinate des Ortes des Teilchens, verknüpft ist .If the sensitivity of the individual sensors or chips in the camera is varied depending on the position of the light plane, the particles characterizing the flow become red, green and blue in the sum of the three images depending on the proportions of the intensities of the colors Individual sensors shown in a mixed color, which is uniquely linked to a specific light plane, ie a defined y-coordinate of the location of the particle.
Unter der zu variierenden Empfindlichkeit kann dabei einerseits 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 einfallenden elektromagnetischen Strahlung, verstanden werden, oder andererseits die spektrale Empfindlichkeit eines Sensors für eine definierte Frequenz oder ein definiertes Frequenzspektrum der auf den Sensor auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, das heißt dessen Signal als Funktion der Frequenz .The sensitivity to be varied can be understood on the one hand to mean the integral sensitivity of a sensor, i.e. its signal as a function of the intensity of the light incident on the sensor or the electromagnetic radiation incident on the sensor, or on the other hand the spectral sensitivity of a sensor for a defined frequency or a defined frequency spectrum of the electromagnetic radiation impinging on the sensor, that is to say its signal as a function of the frequency.
Die erläuterte Intensitatsanderung der auf die einzelnen Sensoren auftreffenden Intensität wird weiter im erläuterten Beispiel über mindestens einen rotierenden Graufilter realisiert, der bzw. die vor mindestens einem der einzelnen Sensoren bzw. Chips in der CCD-Kamera positioniert werden. Alternativ zu rotierenden Graufiltern sind auch rotierende Farbfilter oder rotierende Polarisationsfilter mit vorgeschaltetem 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 Verfugung, 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.The explained change in intensity of the intensity impinging on the individual sensors is further realized in the illustrated example via at least one rotating gray filter which is positioned in front of at least one of the individual sensors or chips in the CCD camera. As an alternative to rotating gray filters, rotating color filters or rotating polarization filters with an upstream polarizer can also be used. Furthermore, there is also the possibility of an electronic change of the intensities or frequency spectra or frequencies detected by the individual sensors or chips of the CCD camera, so that in this way color coding is carried out in a two-dimensional, in particular colored, image recorded by the CCD camera of the individual scattered light signals arise which are clearly assigned to a specific light level.
Schließlich können auch drei unterschiedliche CCD-Kameras eingesetzt werden, die jeweils mit einer geeigneten Einrichtung zur zeitabhängigen Modulation der detektierten Intensi- taten bzw. des detektierten Frequenzspektrums oder der detektierten Frequenz versehen sind. In diesem Fall ist es erforderlich, das jede der drei Kameras den selben Bildausschnitt detektiert, d. h. den selben Bereich des Detektionsraumes erfasst, was beispielsweise über einen an sich bekannten Strahlteiler zur Aufteilung der einfallenden Intensität 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 Grundfarben rot, grün und blau empfindlich sind oder diese repräsentieren, ist dann, wie vorstehend bereits erläutert, beispielsweise vorgesehen, dass zumindest vor einigen der Sensoren der CCD-Kameras beispielsweise rotierende Graufilter installiert sind.Finally, three different CCD cameras can also be used, each with a suitable device for time-dependent modulation of the detected intensities. deed or the detected frequency spectrum or the detected frequency are provided. In this case, it is necessary for each of the three cameras to detect the same image section, that is to say to capture the same area of the detection space, which can be implemented, for example, via a beam splitter known per se for distributing the incident intensity to the cameras used. In the case of using three CCD cameras, each of which has three sensors (chips) inside, which are sensitive to or represent the basic colors red, green and blue, then, as already explained above, it is provided, for example, that at least Rotating gray filters, for example, are installed in front of some of the sensors of the CCD cameras.
Im Übrigen ist den nachfolgend weiter erläuterten Ausfuhrungsbeispielen bevorzugt vorgesehen, dass beim Abrastern des Detektionsraums durch die parallelen Lichtebenen am Ort der Bilddetektoren bzw. des Bilddetektors stets eine zumindest weitgehend gleichbleibend gute Tiefenscharfe gewahrleistet ist. Dazu ist der Bilddetektor bevorzugt jeweils mit einer zusatzlichen Einrichtung zur kontinuierlichen oder schrittweisen Einstellung der Tiefenscharfe in Abhängigkeit vom Ort der gerade den Detektionsraum abtastenden Lichtebene versehen.For the rest, the exemplary embodiments explained further below preferably provide that when scanning the detection space through the parallel light planes at the location of the image detectors or the image detector, an at least largely constant depth of field is always ensured. For this purpose, the image detector is preferably each provided with an additional device for the continuous or step-wise adjustment of the depth of field depending on the location of the light plane that is currently scanning the detection space.
Insgesamt kommen somit zur Realisierung eines schnellen Farbwechsels bzw. einer schnellen Farbkodierung der von dem Bilddetektor aufgenommenen zweidimensionalen Bilder einerseits rotierende Färb- oder Graufilter oder allgemeiner Filter, die zeitabhängig ihre Transmission andern, und die dem oder den Bilddetektoren vorangestellt sind, in Frage. Andererseits kann bei handelsüblichen CCD-Kameras mit beispielsweise drei Sensoren (Chips) auch eine hochfrequente Mehrfachbelichtung dieser einzelnen Sensoren vorgenommen werden, wobei sich unterschiedliche Intensitäten auf den einzelnen Sensoren dann durch unterschiedlich lange Belichtungszeiten bzw. unterschiedlich lange Belichtungspausen einstellen.All in all, rotating color filters or gray filters or general filters which change their transmission depending on time and which precede the image detector (s) are thus possible for realizing a quick color change or a quick color coding of the two-dimensional images recorded by the image detector. On the other hand, high-frequency multiple exposure of these individual sensors can also be carried out with commercially available CCD cameras with, for example, three sensors (chips), where different intensities on the individual sensors are then set by exposure times of different lengths or exposure pauses of different lengths.
So fuhren längere Belichtungszeiten auf einem dieser Sensoren zu einer höheren Bildintensitat des Einzelbildes dieses Sensors, was schließlich über die unterschiedlichen Intensi- tatsbeitrage der Einzelbilder und/oder der jeweils einem Sensor zugeordneten Einzelfarben, beispielsweise rot, grün und blau, zu einer definierten Farbkodierung des Summenbildes der drei Sensoren in der CCD-Kamera, d. h. der Überlagerung bzw. Addition der Bilder der Einzelsensoren, fuhrt. Die hochfrequente Mehrfachbelichtung kann dabei bis in den MHz- Bereich hinein reichen.Longer exposure times on one of these sensors lead to a higher image intensity of the individual image of this sensor, which ultimately leads to a defined color coding of the total image via the different intensity contributions of the individual images and / or the individual colors assigned to a sensor, for example red, green and blue of the three sensors in the CCD camera, d. H. the superimposition or addition of the images of the individual sensors. The high-frequency multiple exposure can extend into the MHz range.
Neben der erläuterten hochfrequenten Mehrfachbelichtung eines oder mehrerer Sensoren kommt weiter für die einzelnen Sensoren zusatzlich oder alternativ auch eine zeitabhängige, insbesondere elektronische Modulation der spektralen Empfindlichkeit oder auch der integralen Empfindlichkeit über das gesamte detektierte Frequenzspektrum hinaus in Frage.In addition to the explained high-frequency multiple exposure of one or more sensors, a time-dependent, in particular electronic modulation of the spectral sensitivity or also of the integral sensitivity over the entire detected frequency spectrum can also be used additionally or alternatively for the individual sensors.
Auf diese Weise kann ein einzelner Sensor in der CCD-Kamera, insbesondere innerhalb einer Aufnahme eines zweidimensionalen Bildes, seine spektrale oder integrale Empfindlichkeit derart verandern, dass unterschiedliche Intensitatsbeitrage der einzelnen Sensoren in der CCD-Kamera in Abhängigkeit von der Zeit und somit der Position der Lichtebenen in Normalenrichtung innerhalb einer Aufnahme realisierbar sind. Dies fuhrt 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 Verfahren zur Farbkodierung auch in Kombination eingesetzt werden können.In this way, an individual sensor in the CCD camera, in particular within a recording of a two-dimensional image, can change its spectral or integral sensitivity in such a way that different intensity contributions of the individual sensors in the CCD camera are dependent on the time and thus the position of the Light levels in the normal direction can be realized within a picture. This leads to a color coding of the normal direction, ie the y-coordinate, of the particles characterizing the flow as a function of the time or the location of the light plane generated in the detection space at that time in the sum image of the images of the individual sensors stored by the CCD camera , Incidentally, it should be mentioned that the above-described methods for color coding can also be used in combination.
Die Figur 1 zeigt eine in ahnlicher Form aus der Anmeldung DE 199 63 393.2 bereits bekannte Stromungsanalysevorrichtung 5 mit einer Beleuchtungseinrichtung 12, die von einer Lichtquelle 10, insbesondere einem monochromatischen, weißen oder farbigen Laserstrahl, einem nachgeschalteten Kollimator 13, einem Polygon-Scanner 15 und einem Galvanometer-Scanner 14 gebildet wird. Mit dieser Beleuchtungseinrichtung 12 wird somit zunächst ein Lichtstrahl 11 erzeugt, der einen Detektionsraum 25 in Form zeitlich nacheinander erzeugten, raumlich hintereinander angeordneten, zumindest naherungsweise 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 Sensoren 16 Λ aufweist. Diese Sensoren 16 λ sind in dem Bilddetektor 16 beispielsweise in Form von an sich bekannten Chips repräsentiert, die für die Farben rot, grün und blau empfindlich sind. Das von dem Bilddetektor 16 abgegebene bzw. zwischengespeicherte zweidimensionale Bild ist somit eine Summe der Bilder der Sensoren 16 λ und damit insbesondere farbig. Alternativ können die drei Sensoren 16 Λ 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 Zuordnung dieser drei s/w- Sensoren zu den R-, G- und B-Anschlussen eines RGB- Farbmonitors (rot/grun/blau) , ein zweidimensionales farbiges Bild entsteht.FIG. 1 shows a current analysis device 5 already known in a similar form from the application DE 199 63 393.2 with an illumination device 12 which is emitted by a light source 10, in particular a monochromatic, white or colored laser beam, a downstream collimator 13, a polygon scanner 15 and a galvanometer scanner 14 is formed. With this illuminating device 12, a light beam 11 is thus initially generated, which scans a detection space 25 in the form of light planes 17, 18, 19, 20, 21, 22 of the same color, which are produced one after the other in time, spatially arranged one behind the other, at least approximately parallel. On an end face 26 of the detection space 25, an image detector is further arranged in the form of a CCD camera 16 having Λ 16 in its interior three sensors. These sensors 16 λ are represented in the image detector 16, for example in the form of chips known per se, which are sensitive to the colors red, green and blue. The two-dimensional image output or temporarily stored by the image detector 16 is thus a sum of the images of the sensors 16λ and thus in particular colored. Alternatively, the three sensors 16 Λ in the CCD camera can also be b / w sensors (black / white), the gray value signals of which are then each assigned to a color, so that in this way, too, for example by assigning these three b / w - Sensors for the R, G and B connections of an RGB color monitor (red / green / blue), a two-dimensional color image is created.
In dem Bilddetektor 16 ist weiter eine elektronische Steuereinheit 27 integriert, mit deren Hilfe die auf die einzelnen Sensoren 16 λ entfallenden Belichtungszeiten und/oder die auf die einzelnen Sensoren 16 entfallenden Empfindlichkeiten für die jeweiligen Frequenzbereiche dieser Sensoren 16 Λ veränderbar sind. Weiter ist vorgesehen, dass der Bilddetektor 16 mit einer Auswerteeinheit 29, beispielsweise einem Computer, in Verbindung steht, der die von dem Bilddetektor 16 aufgenommenen zweidimensionalen farbigen Bilder speichert. Die Auswerteeinheit 29 ist weiter zur Auswertung der aufgenommenen zweidimensionalen Bilder des Detektionsraumes 25 mit Hilfe von „Particle-Tracking"-Algorithmen oder Korrelationsverfahren vorgesehen, wobei diese Auswertung unter Einbeziehung der spektralen Zusammensetzung der aufgenommenen Bilder erfolgt. Auf diese Weise wird mit Hilfe der Auswerteeinheit 29 aus dem oder den aufgenommenen zweidimensionalen Bildern der Ort der Teilchen in dem abgetasteten Bereich des dreidimensionalen Detektionsraumes 25 sowie auch deren raumliche Verschiebung als Funktion der Zeit bestimmt. Unter Berücksichtigung der Zeitdauer zwischen den einzelnen Ab- tastvorgangen des Detektionsraumes 25, wobei unter einem Abtastvorgang ein einmaliges, vollständiges Abrastern des Detektionsraumes 25 mit Hilfe der Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21 und 22 zu verstehen ist, können somit nunmehr auch die lokalen Stromungsgeschwindigkeiten der einzelnen, die Strömung charakterisierenden Teilchen bestimmt werden. Die x- bzw. z-Komponente der lokalen Stromungsgeschwindigkeiten ergibt sich dabei unmittelbar aus der ortlichen Verschiebung dieses Teilchens in der xz-Ebene, wahrend die y-Komponente der lokalen Stromungsgeschwindigkeit dieses Teilchens aus der in der erläuterten Weise erzeugten Farbinformation bzw. der vorgenommenen Farbkodierung des oder der aufgenommenen Bilder bestimmbar ist.In the image detector 16, an electronic control unit 27 is also integrated, with the aid of which the individual Exposure times of sensors 16 λ and / or the sensitivities of individual sensors 16 for the respective frequency ranges of these sensors 16 Λ can be changed. It is further provided that the image detector 16 is connected to an evaluation unit 29, for example a computer, which stores the two-dimensional color images recorded by the image detector 16. The evaluation unit 29 is further provided for evaluating the recorded two-dimensional images of the detection space 25 with the aid of “particle tracking” algorithms or correlation methods, this evaluation taking into account the spectral composition of the recorded images. In this way, with the aid of the evaluation unit 29 the location of the particles in the scanned area of the three-dimensional detection space 25 and also their spatial displacement as a function of time are determined from the recorded two-dimensional images, taking into account the length of time between the individual scanning processes of the detection space 25, with one scanning process taking place once , complete scanning of the detection space 25 with the aid of the light planes 17, 18, 19, 20, 21 and 22 can be understood, the local flow velocities of the individual particles characterizing the flow can now also be determined The x or z component of the local flow rate results directly from the local displacement of this particle in the xz plane, while the y component of the local flow rate of this particle results from the color information generated in the manner explained or the color coding of the or the captured images can be determined.
In Figur 1 ist weiter vorgesehen, dass der Bilddetektor 16 mit der Beleuchtungseinrichtung 12, insbesondere der Lichtquelle 10, über eine Korrelationseinheit 30 in Verbindung steht. Diese Korrelationseinheit 30 gewahrleistet einerseits, dass die zeitliche Veränderung des detektierten Frequenzspektrums bzw. der detektierten Frequenz und/oder der detektierten Intensität in dem Detektor 16 periodisch erfolgt, und dass gleichzeitig diese periodische Veränderung mit dem periodischen Abtasten des Detektionsraumes 25 durch die Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21, 22 korreliert oder synchronisiert wird. Dabei ist die Abtastperiode des Detektionsraumes 25 durch die Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21, 22 bevorzugt gleich der Periode der zeitlichen Veränderung des detektierten Frequenzspektrums bzw. der detektierten Frequenz und/oder der detektierten Intensität des Bilddetektors 16. Darüber hinaus kann die Abtastperiode aber auch ein ganzzahliges Vielfaches dieser Periode sein.In FIG. 1 it is further provided that the image detector 16 is connected to the illumination device 12, in particular the light source 10, via a correlation unit 30 stands. On the one hand, this correlation unit 30 ensures that the temporal change in the detected frequency spectrum or the detected frequency and / or the detected intensity takes place periodically in the detector 16, and that at the same time this periodic change with the periodic scanning of the detection space 25 by the light planes 17, 18 , 19, 20, 21, 22 is correlated or synchronized. The scanning period of the detection space 25 through the light planes 17, 18, 19, 20, 21, 22 is preferably equal to the period of the temporal change in the detected frequency spectrum or the detected frequency and / or the detected intensity of the image detector 16. In addition, the Sampling period can also be an integer multiple of this period.
Die Figur 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 Korrelationseinheit 30 mit dem Abtasten des Detektionsraumes 25 derart korreliert, dass die auf den Sensor 16 Λ als Funktion der Zeit entfallende Intensität der von den in dem Detektionsraum 25 enthaltenen, die Strömung charakterisierenden Teilchen ausgehenden oder gestreuten elektromagnetischen Wellen eindeutig einer definierten Lichtebene 17, 18, 19, 20, 21 oder 22 zugeordnet werden kann. Insgesamt wird durch den rotierenden Graufilter 28 erreicht, dass das von dem Bilddetektor 16 aufgenommene zweidimensionale Bild wahrend des Ab- rasterns des Detektionsraumes 25 in seiner spektralen Zusammensetzung und damit seiner Farbe verändert wird, indem der Beitrag eines der Sensoren 16 Λ zu dem aufgenommenen Bild durch die von diesem registrierte Intensitatsanderung auf Grund des rotierenden Graufilters 28 moduliert wird. Das aufgenommene zweidimensionale Bild ist dabei die Summe der Einzelbilder der in dem Bilddetektor 16 integrierten Senso- ren 16Λ. Zur Realisierung der Intensitatsanderung im Sensor 16 Λ durch den rotierenden Graufilter 28 ist dieser weiter derart ausgebildet, dass die von dem Sensor 16 λ detektierte Intensität bei konstanter Intensität der auf den rotierenden Graufilter 28 einfallenden elektromagnetischen Wellen eine der Rotation des Graufilters 28 entsprechende periodische Modulation erfahrt. Dabei entspricht die Periode der Inten- sitatsmodulation im Sensor 16 λ bevorzugt einer ganzen Umdrehung des Graufilters 28.FIG. 2 exemplarily explains how at least one of three sensors 16, which are integrated in the image detector 16, is provided with a rotating gray filter 28. The rotation of this gray filter 28 is correlated over the correlation unit 30 with the scanning of the detection space 25 such that the sensor 16 Λ as a function of time attributable intensity of the outgoing or scattered from those contained in the detection chamber 25, the flow characterizing particles electromagnetic Waves can be clearly assigned to a defined light level 17, 18, 19, 20, 21 or 22. Overall, is achieved by the rotating density filter 28 such that the image taken by the image detector 16, two-dimensional image raster scanning during the exhaust of the detection space 25 in its spectral composition and thus its color is changed by the contribution of one of the sensors 16 Λ to the captured image by the change in intensity registered by this is modulated due to the rotating gray filter 28. The recorded two-dimensional image is the sum of the individual images of the sensor integrated in the image detector 16. ren 16 Λ . In order to implement the change in intensity in the sensor 16 Λ by means of the rotating gray filter 28, the latter is further configured such that the intensity detected by the sensor 16 λ experiences a periodic modulation corresponding to the rotation of the gray filter 28, with a constant intensity of the electromagnetic waves incident on the rotating gray filter 28 , The period of the intensity modulation in the sensor 16 λ preferably corresponds to an entire revolution of the gray filter 28.
Konkret betragt die Rotationsfrequenz des Graufilters 28 gemäß Figur 2 beispielsweise bis zu 20 kHz und ist weiter insbesondere 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 naturlich an die zu messenden Stromungsgeschwindigkeiten angepasst sein muss. Die Figur 3 zeigt die Figur 2 in Draufsicht.Specifically, the rotation frequency of the gray filter 28 according to FIG. 2 is, for example, up to 20 kHz and is furthermore in particular the same as the sampling frequency of the detection space 25 due to the light planes 17, 18, 19, 20, 21, 22 generated in the manner explained note that the sampling frequency used must of course be adapted to the flow velocities to be measured. FIG. 3 shows FIG. 2 in a top view.
Die Figur 4 erläutert ein zu den Figuren 2 und 3 ein alternatives Verfahren zur zeitlichen Veränderung des von dem Bilddetektor 16 detektierten Frequenzspektrums bzw. der von diesem detektierten Intensität. Gemäß Figur 4 ist dabei zunächst erneut vorgesehen, dass der Bilddetektor 16 in Form einer CCD-Kamera ausgeführt ist, in deren Inneren sich drei Sensoren 16 befinden, die für die Farben rot, grün und blau sensitiv sind oder als s/w-Sensoren diese repräsentieren. Weiter ist vorgesehen, dass der Bilddetektor 16 eine elektronische Steuereinheit 27 aufweist, mit der separat für jeden Sensor 16 λ eine zeitabhängige Variation der Intensi- tatsempfindlichkeit dieses Sensors 16 x vorgenommen wird. Diese zeitabhängige Variation der Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren 16 Λ ist in Figur 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 Bilddetektor 16 in Form eines zweidimensionalen farbigen Bildes registriert wird, eine definierte Farbkodierung der in dem Detektionsraum 25 enthaltenen, die Strömung charakterisierenden Teilchen. Die Farbkodierung enthalt dabei die Information 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.FIG. 4 explains an alternative method to FIGS. 2 and 3 for changing the frequency spectrum detected by the image detector 16 or the intensity detected by the latter. According to FIG. 4, it is initially provided again that the image detector 16 is designed in the form of a CCD camera, in the interior of which there are three sensors 16 which are sensitive to the colors red, green and blue or as b / w sensors represent. It is further provided that the image detector 16 comprises an electronic control unit 27, with the separately for each sensor 16 λ a time-dependent variation of the intensities tatsempfindlichkeit this sensor is made x 16th This time-dependent variation of the sensitivity of the individual sensors 16 Λ is shown in Figure 4 for the colors red, green and blue. On the basis of this variation, a defined color coding of the particles characterizing the flow contained in the detection space 25 results in the total image of the individual images of the individual sensors 16 which is registered by the image detector 16 in the form of a two-dimensional color image. The color coding contains the information about the location of these particles in the y direction. In this way, the movement of a particle can be determined both in the xz plane and in the y direction perpendicular to it, in particular also within a recording, ie by recording a single two-dimensional colored image of the examined area of the detection space 25.
Die Figur 5 erläutert ein zu Figur 4 alternatives Verfahren zur Farbkodierung, wobei dort im Gegensatz zu Figur 4 nicht eine Modulation der Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren 16 Λ vorgenommen wird, sondern eine Veränderung der auf die einzelnen Sensoren 16 Λ bzw. Chips entfallenden Belichtungszeiten. Die Belichtungszeiten können dabei in an sich bekannter Weise durch eine Phasenmodulation und/oder eine Pulsbreitenmodulation der Ansteuerung der einzelnen Sensoren 16 λ mit Hilfe der elektronischen Steuereinheit 27 erfolgen. Diese Phasen- bzw. Pulsbreitenmodulation ist gleichzeitig mit den Abtasten des Detektionsraumes 25 durch die Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21, 22 über die Korrelationseinheit 30 synchronisiert .FIG. 5 explains a method for color coding that is alternative to FIG. 4, whereby, in contrast to FIG. 4, it is not a modulation of the sensitivity of the individual sensors 16 sondern , but a change in the exposure times attributable to the individual sensors 16 Λ or chips. The exposure times can take place in a manner known per se by a phase modulation and / or a pulse width modulation of the control of the individual sensors 16λ using the electronic control unit 27. This phase or pulse width modulation is synchronized with the scanning of the detection space 25 by the light planes 17, 18, 19, 20, 21, 22 via the correlation unit 30.
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 Ausfuhrungsbeispiele eingesetzt werden. Weiter erfolgt auch die Bestimmung der Stromungsgeschwindigkeit der Teilchen in dem Detektionsraum 25 mit Hilfe der dort ausfuhrlich beschriebenen Verfahren.With regard to further details on the evaluation of the two-dimensional colored images of the detection space 25 recorded by the image detector 16, reference is made to the application DE 199 63 393.2. The evaluation methods explained there can also be used in the case of the exemplary embodiments explained above. The flow rate of the particles in the detection space 25 is also determined using the methods described in detail there.
In diesem Zusammenhang sei weiter betont, dass von dem Bilddetektor 16 entweder für jeden Abtastvorgang des Detektionsraumes 25 ein zweidimensionales farbiges Bild aufgenommen wird, das dann mit einem insbesondere kurzzeitig danach aufgenommenen zweidimensionalen Bild des Detektionsraumes 25 korreliert wird, oder dass alternativ in einem zweidimensionalen farbigen Bild des Detektionsraumes 25 mehrere Tastvorgange erfasst werden, so dass sich die Bewegung eines Teilchens in dem Detektionsraum 25 unmittelbar als punktformige Spur gegebenenfalls unterschiedlich gefärbter Streulichtpunkte in diesem zweidimensionalen farbigen Bild ergibt.In this context, it should be further emphasized that the image detector 16 either captures a two-dimensional color image for each scanning operation of the detection space 25, which is then correlated with a two-dimensional image of the detection space 25 that was recorded shortly thereafter, or alternatively in a two-dimensional color image of the detection space 25, several scanning processes are detected, so that the movement of a particle in the detection space 25 results directly as a point-like trace of differently colored scattered light points in this two-dimensional colored image.
Weiter sei erneut darauf hingewiesen, dass die Abbildung des Stromungsraumes 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 λ 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 Einzelsensoren 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.It should also be pointed out again that, as an alternative to a CCD camera, the flow space or the detection space 25 can also be imaged by means of a 3-chip special camera, for example a so-called LLT3 camera. In this case, three sensors 16λ in the form of black / white sensors are used within this camera, which represent the colors red, green and blue of an RGB image. The respective colors are then reconstructed in the evaluation unit 29 by superimposing the partial images of the sensors 16 from the ratio of the intensities of the gray value partial images of the individual sensors, and are displayed in false colors. With the LLT3 camera of this type, color coding of the finally obtained images of the detection space 25 is therefore possible via the sensitivity or the exposure times 16 attributable to the individual sensors.
Die Dimension des Detektionsraumes 25 weist in dem erläuterten Beispiel Dimensionen von 10 cm x 10 cm x 10 cm auf. Die Anzahl der hintereinander angeordneten Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21 betragt 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, gegebenenfalls unter Einsatz weiterer optischer Komponenten, auch bis in den MHz-Bereich gesteigert werden. Die Große der in dem Detektionsraum enthaltenen Teilchen liegt typischerweise in der Großenverordnung von 1 μm bis 60 um. The dimension of the detection space 25 has dimensions of 10 cm x 10 cm x 10 cm in the illustrated example. The number of light levels 17, 18 arranged one behind the other 19, 20, 21 is at least 3, but as a rule a large number of, for example, 100 to 200 light levels are provided. Furthermore, instead of the polygon scanner 15 in the lighting device 12, the use of one or more known cylindrical lenses is also possible. Depending on the measurement task, the polygon scanner 15 preferably rotates at 20,000 to 60,000 rpm, in particular 40,000 revolutions per minute. In principle, however, the scanning speed can be increased up to the MHz range, if necessary using additional optical components. The size of the particles contained in the detection space is typically in the size range from 1 μm to 60 μm.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Analyse von Strömungen, insbesondere zur dreidimensionalen Bestimmung von Stromungsgeschwindigkeits- komponenten oder der dreidimensionalen Sichtbarmachung von Strömungen in Flüssigkeiten oder Gasen, in einem Detektionsraum (25) , wobei zeitlich nacheinander mindestens zwei zumindest naherungsweise parallele, raumlich hintereinander angeordnete Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere einer vorgegebenen Farbe, erzeugt werden, mit denen der Detektionsraum (25) zumindest bereichsweise abgetastet wird, und wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abtasten des Detektionsraumes (25) eine von mindestens einem der Bilddetektoren (16) detektierte Frequenz oder ein von mindestens einem der Bilddetektoren (16) detek- tiertes 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.1. A method for analyzing flows, in particular for the three-dimensional determination of flow velocity components or the three-dimensional visualization of flows in liquids or gases, in a detection space (25), with at least two at least approximately parallel light planes (19, 18, 17, 20, 21, 22) with electromagnetic radiation, in particular a predetermined color, with which the detection space (25) is scanned at least in regions, and wherein electromagnetic waves which are at least partially contained in the detection space (25) , the flow-characterizing particles run out or are scattered, are detected with at least one image detector (16), characterized in that when the detection space (25) is scanned, a frequency detected by at least one of the image detectors (16) or one by at least one of the image detectors ( 16) detected frequency spectrum and / or an intensity of the electromagnetic waves emanating or scattered by the particles detected by at least one of the image detectors (16) is changed as a function of time.
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.2. The method according to claim 1, characterized in that the spectral composition in succession of at least one of the image detectors (16) and / or the spectral composition within an image of at least one of the image detectors (16) recorded at least a region of the detection space (25) is changed as a function of time.
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.3. The method according to claim 1, characterized in that the spectral sensitivity of at least one image detector (16), the intensity incident on at least one of the image detectors (16) and / or the duration of the incidence of the electromagnetic waves on at least one of the image detectors (16) is changed as a function of time when scanning the detection space (25) between the images taken one after the other and / or within an image.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtasten des Detektionsraumes (25) mit mindestens einer CCD-Kamera als Bilddetektor (16) aufgezeichnet wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the scanning of the detection space (25) is recorded with at least one CCD camera as an image detector (16).
5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtstrahl (11) , insbesondere ein farbiger oder monochromatischer Laserstrahl, zur Erzeugung der zumindest naherungsweise parallelen, raumlich hintereinander angeordneten Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) eingesetzt wird.5. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a light beam (11), in particular a colored or monochromatic laser beam, for generating the at least approximately parallel, spatially arranged light planes (19, 18, 17, 20, 21, 22 ) is used.
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.6. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the electromagnetic radiation used to generate the light planes (19, 18, 17, 20, 21, 22) is generated in pulse or continuous wave mode.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlich nacheinander erzeugten und raumlich hintereinander angeordneten parallelen Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) den Detektionsraum (25) derart abtasten, dass der Bilddetektor (16) eine zeitlich zumindest naherungsweise kontinuierliche Ausleuchtung des Detektionsraumes (25) wahrnimmt.7. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the successively in time generated parallel and spatially arranged parallel light planes (19, 18, 17, 20, 21, 22) scan the detection space (25) such that the image detector (16) perceives at least approximately continuous illumination of the detection space (25) over time.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Bilddetektoren (16) wahrend der Abtastung des Detektionsraumes (25) in ihrer Tiefenscharfe kontinuierlich oder schrittweise derart nachgeregelt werden, so dass die zeitlich nacheinander erzeugten und raumlich hintereinander angeordneten Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) am Ort des Bilddetektors (16) jeweils zumindest annähernd scharf abgebildet werden.8. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the or the image detectors (16) during the scanning of the detection space (25) in their depth of field are continuously or step-wise adjusted so that the temporally successively generated and spatially arranged light planes (19, 18, 17, 20, 21, 22) are at least approximately sharply imaged at the location of the image detector (16).
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 zweidimensio- nales 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.9. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least two scans of the detection space (25) are carried out in a short time interval, in particular a plurality of periodic scans, with a two-dimensional image of the detection space (16) by means of the image detector (16). 25) is recorded, with which the light emanating or scattered from the particles is detected by at least two, in particular immediately consecutive, scans of the detection space (25).
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. 10. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that two-dimensional images of the detection space (25) are recorded by means of the image detector (16), the light emanating or scattered from the particles of in each case being recorded in at least two images, in particular one taken briefly in succession at least one scan of the detection space (25) is detected.
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 raumliche Verschiebung als Funktion der Zeit bestimmt wird.11. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the evaluation of the recorded images of the detection space (25) with the aid of "particle tracking" algorithms or correlation methods, taking into account the spectral composition of the recorded images, with or the recorded two-dimensional images determine the location of the particles in the scanned area of the three-dimensional detection space (25) and / or their spatial displacement as a function of time.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung der Zeitdauer zwischen den Abtastvor- gangen die lokalen Stromungsgeschwindigkeiten der einzelnen Teilchen bestimmt werden.12. The method according to claim 11, characterized in that the local flow velocities of the individual particles are determined taking into account the time period between the scanning processes.
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.13. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the temporal change of the detected frequency or the detected frequency spectrum and / or the detected intensity takes place periodically.
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.14. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the temporal change in the detected frequency or the detected frequency spectrum and / or the detected intensity in successive images of at least one of the image detectors (16) and / or from within one of at least one of the image detectors (10) recorded image is correlated or synchronized with the periodic scanning of the detection space (25), the scanning period being in particular the same or an integral multiple of the period of the change in time of the detected frequency or detected frequency spectrum and / or the detected intensity.
15. Vorrichtung zur Analyse von Strömungen, insbesondere zur dreidimensionalen Bestimmung von Stromungsgeschwindigkeits- komponenten oder der dreidimensionalen Sichtbarmachung von Strömungen in Flüssigkeiten oder Gasen, in einem Detektionsraum (25) , wobei mit mindestens einer Beleuchtungseinrichtung (12) zeitlich nacheinander mindestens zwei zumindest naherungsweise parallele, raumlich hintereinander angeordnete Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) mit elektromagnetischer Strahlung mit vorgegebener Frequenz oder vorgegebenem Frequenzspektrum, insbesondere vorgegebener Farbe, erzeugbar sind, mit denen der Detektionsraum (25) zumindest bereichsweise abtastbar ist, und wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass 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 Bilddetektor15. Device for analyzing flows, in particular for the three-dimensional determination of flow velocity components or the three-dimensional visualization of flows in liquids or gases, in a detection space (25), with at least one lighting device (12) successively at least two at least approximately parallel, light planes (19, 18, 17, 20, 21, 22) arranged spatially one behind the other can be generated with electromagnetic radiation with a predetermined frequency or frequency spectrum, in particular predetermined color, with which the detection space (25) can be scanned at least in some areas, and wherein electromagnetic waves which are at least partially emanating from the particles characterizing the flow or scattered in the detection space (25), can be detected with at least one image detector (16), characterized in that at least one means (27, 28) is provided with which the Scanning the detection space (25) the frequency detected by the image detector (16) or the frequency spectrum detected by the image detector (16) and / or that by the image detector
(16) detektierte Intensität der von den Teilchen ausgehenden oder gestreuten elektromagnetischen Wellen als Funktion der Zeit veränderbar ist.(16) detected intensity of the electromagnetic waves emanating or scattered from the particles can be changed as a function of time.
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. 16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the lighting device (12) has at least one light source (10), in particular a laser, a collimator (13), a polygon scanner (15) and a galvanometer scanner (14).
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilddetektor (16) an mindestens einer Seitenflache des Detektionsraumes (25) , insbesondere an einer zu den erzeugten Lichtebenen (17, 18, 19, 20, 21, 22) parallelen Stirnseite (26) des Detektionsraumes (25), angeordnet ist.17. The apparatus according to claim 15, characterized in that the image detector (16) on at least one side surface of the detection space (25), in particular on an end face (26, 19, 20, 21, 22) parallel to the light planes generated ) of the detection space (25).
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.18. The apparatus according to claim 15, characterized in that the image detector (16) is a black and white camera or a color camera, in particular a CCD camera or a 3-chip camera, with which two-dimensional color images of at least one area of the Detection room (25) can be recorded or displayed in false colors.
19. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera oder der Bilddetektor (16) mit einer Einrichtung zur Einstellung der Tiefenscharfe versehen ist.19. The apparatus of claim 15 or 18, characterized in that the camera or the image detector (16) is provided with a device for adjusting the depth of field.
20. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis20. The device according to at least one of claims 15 to
19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (29) , insbesondere ein Computer, zur Auswertung und/oder Speicherung der aufgenommenen zweidimensionalen Bilder vorgesehen ist .19, characterized in that an evaluation unit (29), in particular a computer, is provided for evaluating and / or storing the recorded two-dimensional images.
21. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis21. The device according to at least one of claims 15 to
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. 20, characterized in that a correlation unit (30) for correlation, in particular synchronization, of the temporal change in the detected frequency spectrum or the detected frequency caused by the means and / or the temporal change in the detected intensity with the scanning performed by the lighting device (12) of the detection space (25) is provided.
22. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis22. The device according to at least one of claims 15 to
21, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilddetektor (16) eine CCD-Kamera mit drei Sensoren (16λ), 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.21, characterized in that the image detector (16) an integrated CCD camera with three sensors (16 λ), in particular three chips for the detection of three different colors or frequency ranges, and that means (27, 28) in particular in the CCD camera is an electronic control unit (27) with which the spectral or integral sensitivity of at least one sensor (16) in the camera and / or the intensity incident on at least one sensor (16) in the camera can be changed as a function of time.
23. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis23. The device according to at least one of claims 15 to
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.22, characterized in that at least three CCD cameras are provided as image detectors (16), each of which captures the same area of the detection space (25) and their detected frequency or frequency spectrum and / or their detected intensity by means of an electronic control unit (27) can be changed as a function of time.
24. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis24. The device according to at least one of claims 15 to
23, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (27, 28) ein mindestens vor einem Bilddetektor (16) oder mindestens vor einem Sensor (16Λ), insbesondere Chip, der CCD-Kamera angebrachter Filter, insbesondere ein rotierender Graufilter23, characterized in that the means (27, 28) has a filter, in particular a rotating gray filter, attached to the CCD camera, at least in front of an image detector (16) or at least in front of a sensor (16 Λ ), in particular a chip
(28) , ein rotierender Farbfilter oder ein rotierender Polarisationsfilter mit vorgeschaltetem Polarisator, ist. (28), a rotating color filter or a rotating polarizing filter with an upstream polarizer.
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