DE10018305A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von Strömungen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von StrömungenInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Analyse und Quantifizierung von Strömungen, insbesondere zur dreidimensionalen Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeitskomponenten oder der Sichtbarmachung von Strömungen in Flüssigkeiten oder Gasen, und dazu geeignete Vorrichtung vorgeschlagen. Dabei wird über eine Beleuchtungseinrichtung (12) elektromagnetische Strahlung insbesondere einer vorgegebenen Farbe erzeugt, mit der dann in Form von zeitlich nacheinander erzeugten, zumindest näherungsweise parallelen, räumlich hintereinander angeordneten Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) ein Detektionsraum (25) abgetastet wird. Die elektromagnetische Strahlung führt in dem Detektionsraum (25) dazu, dass dort von die Strömung charakterisierenden Teilchen ausgehende oder gestreute elektromagnetische Wellen erzeugt werden, die im Weiteren mit mindestens einem Bilddetektor (16) in Form von zweidimensionalen, insbesondere farbigen Bildern detektiert werden. Bei dieser Detektion wird schließlich das von mindestens einem der Bilddetektoren (16) detektierte Frequenzspektrum bzw. die von diesen detektierte Frequenz und/oder die von diesen detektierte Intensität als Funktion der Zeit über ein geeignetes Mittel (28, 27) verändert.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Analyse und Quantifizierung von Strömungen, insbesondere
zur dreidimensionalen Bestimmung von Strömungsgeschwindig
keitskomponenten oder der dreidimensionalen Sichtbarmachung
von Strömungen in Flüssigkeiten oder Gasen, nach der Gattung
der unabhängigen Ansprüche.
In der unveröffentlichten Anmeldung DE 199 63 393.2 wurde
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Be
stimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten
oder Gasen vorgeschlagen, wobei elektromagnetische Wellen,
die zumindest teilweise von in einem Detektionsraum enthal
tenen, die Strömung charakterisierenden Teilchen ausgehen
oder gestreut werden, detektiert werden. Dazu werden dort
zeitlich nacheinander mindestens zwei zumindest näherungs
weise parallele, räumlich hintereinander angeordnete Licht
ebenen mit elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Fre
quenz oder unterschiedlichem Frequenzspektrum erzeugt, mit
denen der Detektionsraum abgetastet wird. Weiter wurde dort
bereits vorgeschlagen, mit Hilfe einer Detektionseinrichtung
frequenzselektiv oder frequenzbandselektiv zweidimensionale,
insbesondere farbige Bilder des abgetasteten Bereiches des
Detektionsraumes aufzunehmen. Die Detektionseinrichtung ist
dort beispielsweise eine CCD-Farbkamera.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war, ausgehend von der
Anmeldung DE 199 63 393.2, ein dazu alternatives Verfahren
und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vor
richtung zu entwickeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor
richtung 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 erfindungsgemäßen
Verfahren relativ gering und damit leicht und übersichtlich
bearbeitbar und auswertbar. Weiter kann nunmehr vorteilhaft
auch auf eine Farbmodulation des einfallenden Lichtstrahles
bzw. Laserstrahles beispielsweise mit Hilfe eines akusto
optischen Modulators, verzichtet werden, indem die Farbko
dierung der aufgenommenen zweidimensionalen Bilder nun emp
fangsseitig, d. h. im Bereich des Bilddetektors, vorgenommen
wird.
Schließlich hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil,
dass beispielsweise im Vergleich zu Verfahren, die Hochge
schwindigkeitskamerasysteme einsetzen, deutlich geringere
Streulichtintensitäten ausreichend sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So bestehen vorteilhaft eine Vielzahl von Möglichkeiten, das
beim Abtasten des Detektionsraumes von dem oder den Bildde
tektoren detektierte Frequenzspektrum oder die von dem oder
den Bilddetektoren detektierte Frequenz bzw. die von diesen
detektierte Intensität als Funktion der Zeit zu verändern.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn als Bilddetektor eine
CCD-Kamera eingesetzt wird, die beispielsweise drei Sensoren
(Chips) für drei unterschiedliche Farben, beispielsweise
rot, grün und blau, aufweist. Das von dieser CCD-Kamera de
tektierte Bild kann durch Veränderung der auf die einzelnen
Sensoren in der CCD-Kamera entfallenden Belichtungszeiten
und/oder eine Veränderung der Empfindlichkeit dieser einzel
nen Sensoren besonders einfach als Funktion der Zeit verän
dert werden, wobei diese Veränderungen in einfacher Weise
mit dem Abtasten des Detektionsraumes durch die zeitlich
nacheinander erzeugten, hintereinander angeordneten Lich
tebenen synchronisierbar sind. Ebenso ist es damit vorteil
haft möglich, beispielsweise vor jedem dieser in der CCD-
Kamera befindlichen Chips einen rotierenden Filter anzubrin
gen, um auf diese Weise die von diesen Chips detektierte In
tensität als Funktion der Zeit definiert und periodisch zu
verändern.
Weiterhin kann vorteilhaft auch eine schwarzweiß-Kamera an
Stelle einer CCD-Farbkamera eingesetzt werden, die in ihrem
Inneren beispielsweise drei Sensoren aufweist, deren Emp
findlichkeit für die Intensität der einfallenden elektroma
gnetischen Strahlung jeweils separat als Funktion der Zeit
veränderbar ist, so dass diesen Sensoren jeweils eine
Falschfarbe, beispielsweise rot, grün und blau, zugeordnet
werden kann, und aus den von den einzelnen Sensoren aufge
zeichneten Bildern als Funktion der Zeit durch Überlagerung,
beispielsweise in einem Computer, ein farbiges Bild des De
tektionsraumes erhältlich ist.
In jedem Fall wird dadurch vorteilhaft erreicht, dass das
von dem Bilddetektor schließlich registrierte zweidimensio
nale Bild des Detektionsraumes mit einer Farbinformation
versehen wird, die mit dem Ort und der Zeit der Erzeugung
einer Lichtebene in dem Detektionsraum und damit der y-
Koordinate des Ortes eines Licht streuenden oder emittieren
den Teilchens eindeutig korreliert ist.
Darüber hinaus ist vorteilhaft, wenn der oder die Bilddetek
toren während der Abtastung des Detektionsraumes in ihrer
Tiefenschärfe kontinuierlich oder schrittweise nachgeregelt
werden, so dass die einzelnen Lichtebenen am Ort des Bildde
tektors jeweils zumindest annähernd scharf abgebildet wer
den.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach
folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ei
ne Strömungsanalysevorrichtung, Fig. 2 einen Sensor mit
vorgeschaltetem rotierenden Filter in Seitenansicht, Fig. 3
den Sensor mit vorgeschaltetem Filter gemäß Fig. 2 in
Draufsicht, Fig. 4 eine zeitabhängige Variation der spek
tralen Empfindlichkeit von drei Sensoren in einer CCD-Kamera
für die Farben rot, grün und blau und Fig. 5 eine Darstel
lung einer Farbmusterfolge durch unterschiedliche Belich
tungszeiten dreier Sensoren in einer CCD-Kamera für die Far
ben rot, grün und blau.
Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass zunächst
mittels einer Beleuchtungseinrichtung elektromagnetische
Strahlung erzeugt wird, mit der ein Detektionsraum zumindest
bereichsweise abgetastet wird, wobei elektromagnetische Wellen,
die zumindest teilweise von in dem Detektionsraum ent
haltenen, die zu analysierende Strömung charakterisierenden
Teilchen ausgehen oder gesteuert werden, mit mindestens ei
nem Bilddetektor detektiert werden.
Eine geeignete elektromagnetische Strahlung ist dabei bei
spielsweise eine monochromatische elektromagnetische Strah
lung oder eine elektromagnetische Strahlung mit einer Mehr
zahl von Frequenzen bzw. einem vorgegebenen Frequenzspek
trum, insbesondere einer vorgegebenen Farbe. Bevorzugt liegt
die eingesetzte elektromagnetische Strahlung im sichtbaren
Frequenzbereich, das erläuterte Ausführungsbeispiel ist je
doch nicht darauf beschränkt, da prinzipiell eine weitgehend
beliebige elektromagnetische Strahlung eingesetzt werden
kann, sofern dafür geeignete Bilddetektoren verfügbar sind.
Insbesondere kommt für das erfindungsgemäße Verfahren auch
IR-Strahlung oder UV-Strahlung in Frage.
Die Beleuchtungseinrichtung erzeugt somit zunächst zumindest
näherungsweise parallele Lichtebenen, die räumlich und zeit
lich hintereinander angeordnet den Detektionsraum oder einen
Bereich des Detektionsraumes abtasten bzw. abrastern. Im Un
terschied zu der Lehre von der Anmeldung DE 199 63 393.2,
von der das erläuterte Ausführungsbeispiel ausgeht, wird da
bei jedoch auf eine Farbmodulation des von der Beleuchtungs
einrichtung bereitgestellten Lichtstrahles bzw. Laserstrah
les verzichtet, und eine Farbkodierung der von dem Bildde
tektor aufgenommenen zweidimensionalen Bilder empfangsseitig
vorgenommen.
Es werden somit zunächst einfarbige oder monochromatische,
zumindest näherungsweise parallele Lichtebenen erzeugt, die
räumlich und zeitlich hintereinander angeordnet einen Detek
tionsraum abtasten bzw. abrastern. Während dieses Abtastvor
gangs wird dann von einem oder mehreren Bilddetektoren, beispielsweise
einer an der Stirnseite des Detektionsraumes an
geordnete 3-Chip-CCD-Farbkamera, ein Abbild des Detektions
raumes aufgezeichnet. Um dabei die Positionen und somit die
Geschwindigkeiten der die zu untersuchende Strömung charak
terisierenden Teilchen in Normalenrichtung, d. h. in y-
Richtung, bestimmen zu können, werden gleichzeitig mit dem
Abtasten in Abhängigkeit von der sich zeitlich und räumlich
verändernden Position der Lichtebenen bei der Bilddetektion
Farbkodierungen vorgenommen.
Im Einzelnen kann dies beispielsweise dadurch geschehen,
dass das zu untersuchende Detektionsvolumen mit einer 3-
Chip-CCD-Farbkamera aufgezeichnet wird, bei der jedes ein
Streulichtsignal 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 frequenzbandselekti
ver Filter angeordnet ist. Alternativ kann jedoch ebenso ei
ne CCD-Kamera mit beispielsweise drei schwarz/weiß-Chips
(s/w-Sensor) vorgesehen sein, die jeweils nur die auf sie
einfallenden Intensitäten als Funktion der Zeit aufzeichnen,
und aus deren Bildern anschließend ein farbiges Bild erzeugt
wird, indem die Grauwertsignale der einzelnen Sensoren bei
spielsweise den Farben eines RGB-Monitors (rot/grün/blau)
zugeordnet werden. Insofern repräsentiert jeder dieser s/w-
Sensoren eine definierte Farbe eines RGB-Bildes, das danach
beispielsweise in einem Computer in Falschfarben erstellt
wird.
Wird nun in Abhängigkeit von der Position der Lichtebene die
Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren bzw. Chips in der Ka
mera variiert, werden die die Strömung charakterisierenden
Teilchen in Abhängigkeit der Anteile der Intensitäten der
Farben rot, grün und blau im Summenbild der drei Bilder der
Einzelsensoren in einer Mischfarbe dargestellt, die in ein
deutiger Weise mit einer konkreten Lichtebene, d. h. einer
definierten y-Koordinate des Ortes des Teilchens, verknüpft
ist.
Unter der zu variierenden Empfindlichkeit kann dabei einer
seits die integrale Empfindlichkeit eines Sensors, das heißt
dessen Signal in Abhängigkeit von der Intensität des auf den
Sensor einfallenden Lichtes bzw. der auf den Sensor einfal
lenden elektromagnetischen Strahlung, verstanden werden,
oder andererseits die spektrale Empfindlichkeit eines Sen
sors für eine definierte Frequenz oder ein definiertes Fre
quenzspektrum der auf den Sensor auftreffenden elektromagne
tischen Strahlung, das heißt dessen Signal als Funktion der
Frequenz.
Die erläuterte Intensitätsänderung der auf die einzelnen
Sensoren auftreffenden Intensität wird weiter im erläuterten
Beispiel über mindestens einen rotierenden Graufilter reali
siert, der bzw. die vor mindestens einem der einzelnen Sen
soren bzw. Chips in der CCD-Kamera positioniert werden. Al
ternativ zu rotierenden Graufiltern sind auch rotierende
Farbfilter oder rotierende Polarisationsfilter mit vorge
schaltetem Polarisator einsetzbar. Weiter steht auch die
Möglichkeit einer elektronischen Veränderung der von den
einzelnen Sensoren bzw. Chips der CCD-Kamera detektierten
Intensitäten bzw. Frequenzspektren oder Frequenzen zur Ver
fügung, so dass auf diese Weise in einem von der CCD-Kamera
aufgenommenen, zweidimensionalen, insbesondere farbigen Bild
Farbkodierungen der einzelnen Streulichtsignale entstehen,
die eindeutig einer bestimmten Lichtebene zugeordnet sind.
Schließlich können auch drei unterschiedliche CCD-Kameras
eingesetzt werden, die jeweils mit einer geeigneten Einrich
tung zur zeitabhängigen Modulation der detektierten Intensitäten
bzw. des detektierten Frequenzspektrums oder der de
tektierten Frequenz versehen sind. In diesem Fall ist es er
forderlich, das jede der drei Kameras den selben Bildaus
schnitt detektiert, d. h. den selben Bereich des Detektions
raumes erfasst, was beispielsweise über einen an sich be
kannten Strahlteiler zur Aufteilung der einfallenden Inten
sität auf die eingesetzten Kameras realisierbar ist. Im Fall
der Verwendung von drei CCD-Kameras, die in ihrem Inneren
jeweils drei Sensoren (Chips) aufweisen, die für die Grund
farben rot, grün und blau empfindlich sind oder diese reprä
sentieren, ist dann, wie vorstehend bereits erläutert, bei
spielsweise vorgesehen, dass zumindest vor einigen der Sen
soren der CCD-Kameras beispielsweise rotierende Graufilter
installiert sind.
Im Übrigen ist den nachfolgend weiter erläuterten Ausfüh
rungsbeispielen bevorzugt vorgesehen, dass beim Abrastern
des Detektionsraums durch die parallelen Lichtebenen am Ort
der Bilddetektoren bzw. des Bilddetektors stets eine zumin
dest weitgehend gleichbleibend gute Tiefenschärfe gewährlei
stet ist. Dazu ist der Bilddetektor bevorzugt jeweils mit
einer zusätzlichen Einrichtung zur kontinuierlichen oder
schrittweisen Einstellung der Tiefenschärfe in Abhängigkeit
vom Ort der gerade den Detektionsraum abtastenden Lichtebene
versehen.
Insgesamt kommen somit zur Realisierung eines schnellen
Farbwechsels bzw. einer schnellen Farbkodierung der von dem
Bilddetektor aufgenommenen zweidimensionalen Bilder einer
seits rotierende Farb- oder Graufilter oder allgemeiner Fil
ter, die zeitabhängig ihre Transmission ändern, und die dem
oder den Bilddetektoren vorangestellt sind, in Frage. Ande
rerseits kann bei handelsüblichen CCD-Kameras mit beispiels
weise drei Sensoren (Chips) auch eine hochfrequente Mehr
fachbelichtung dieser einzelnen Sensoren vorgenommen werden,
wobei sich unterschiedliche Intensitäten auf den einzelnen
Sensoren dann durch unterschiedlich lange Belichtungszeiten
bzw. unterschiedlich lange Belichtungspausen einstellen.
So führen längere Belichtungszeiten auf einem dieser Senso
ren zu einer höheren Bildintensität des Einzelbildes dieses
Sensors, was schließlich über die unterschiedlichen Intensi
tätsbeiträge der Einzelbilder und/oder der jeweils einem
Sensor zugeordneten Einzelfarben, beispielsweise rot, grün
und blau, zu einer definierten Farbkodierung des Summenbil
des der drei Sensoren in der CCD-Kamera, d. h. der Überlage
rung bzw. Addition der Bilder der Einzelsensoren, führt. Die
hochfrequente Mehrfachbelichtung kann dabei bis in den MHz-
Bereich hinein reichen.
Neben der erläuterten hochfrequenten Mehrfachbelichtung ei
nes oder mehrerer Sensoren kommt weiter für die einzelnen
Sensoren zusätzlich oder alternativ auch eine zeitabhängige,
insbesondere elektronische Modulation der spektralen Emp
findlichkeit oder auch der integralen Empfindlichkeit über
das gesamte detektierte Frequenzspektrum hinaus in Frage.
Auf diese Weise kann ein einzelner Sensor in der CCD-Kamera,
insbesondere innerhalb einer Aufnahme eines zweidimensiona
len Bildes, seine spektrale oder integrale Empfindlichkeit
derart verändern, dass unterschiedliche Intensitätsbeiträge
der einzelnen Sensoren in der CCD-Kamera in Abhängigkeit von
der Zeit und somit der Position der Lichtebenen in Normalen
richtung innerhalb einer Aufnahme realisierbar sind. Dies
führt in dem von der CCD-Kamera gespeicherten Summenbild der
Bilder der einzelnen Sensoren zu einer Farbkodierung der
Normalenrichtung, d. h. der y-Koordinate, der die Strömung
charakterisierenden Teilchen als Funktion der Zeit bzw. des
Ortes der zu dieser Zeit in dem Detektionsraum erzeugten
Lichtebene.
Im Übrigen sei erwähnt, dass die vorstehend erläuterten Ver
fahren zur Farbkodierung auch in Kombination eingesetzt wer
den können.
Die Fig. 1 zeigt eine in ähnlicher Form aus der Anmeldung
DE 199 63 393.2 bereits bekannte Strömungsanalysevorrichtung
5 mit einer Beleuchtungseinrichtung 12, die von einer Licht
quelle 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 Detek
tionsraum 25 in Form zeitlich nacheinander erzeugten, räum
lich hintereinander angeordneten, zumindest näherungsweise
parallelen gleichfarbigen Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21, 22
abrastert. An einer Stirnseite 26 des Detektionsraumes 25
ist weiter ein Bilddetektor 16 in Form einer CCD-Kamera an
geordnet, die in ihrem Inneren drei Sensoren 16' aufweist.
Diese Sensoren 16' sind in dem Bilddetektor 16 beispielswei
se 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' und damit insbesondere farbig. Alternativ kön
nen die drei Sensoren 16' in der CCD-Kamera jeweils auch
s/w-Sensoren (schwarz/weiß) sein, deren Grauwertsignale dann
jeweils einer Farbe zugeordnet sind, so dass auf diese Weise
ebenfalls, beispielsweise durch Zuordnung dieser drei s/w-
Sensoren zu den R-, G- und B-Anschlüssen eines RGB-
Farbmonitors (rot/grün/blau), ein zweidimensionales farbiges
Bild entsteht.
In dem Bilddetektor 16 ist weiter eine elektronische Steuer
einheit 27 integriert, mit deren Hilfe die auf die einzelnen
Sensoren 16' entfallenden Belichtungszeiten und/oder die auf
die einzelnen Sensoren 16' entfallenden Empfindlichkeiten
für die jeweiligen Frequenzbereiche dieser Sensoren 16' ver
änderbar sind. Weiter ist vorgesehen, dass der Bilddetektor
16 mit einer Auswerteeinheit 29, beispielsweise einem Compu
ter, in Verbindung steht, der die von dem Bilddetektor 16
aufgenommenen zweidimensionalen farbigen Bilder speichert.
Die Auswerteeinheit 29 ist weiter zur Auswertung der aufge
nommenen zweidimensionalen Bilder des Detektionsraumes 25
mit Hilfe von "Particle-Tracking"-Algorithmen oder Korrela
tionsverfahren vorgesehen, wobei diese Auswertung unter Ein
beziehung der spektralen Zusammensetzung der aufgenommenen
Bilder erfolgt. Auf diese Weise wird mit Hilfe der Auswerte
einheit 29 aus dem oder den aufgenommenen zweidimensionalen
Bildern der Ort der Teilchen in dem abgetasteten Bereich des
dreidimensionalen Detektionsraumes 25 sowie auch deren räum
liche Verschiebung als Funktion der Zeit bestimmt. Unter Be
rücksichtigung der Zeitdauer zwischen den einzelnen Ab
tastvorgängen des Detektionsraumes 25, wobei unter einem Ab
tastvorgang ein einmaliges, vollständiges Abrastern des De
tektionsraumes 25 mit Hilfe der Lichtebenen 17, 18, 19, 20,
21 und 22 zu verstehen ist, können somit nunmehr auch die
lokalen Strömungsgeschwindigkeiten der einzelnen, die Strö
mung charakterisierenden Teilchen bestimmt werden. Die x-
bzw. z-Komponente der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten er
gibt sich dabei unmittelbar aus der örtlichen Verschiebung
dieses Teilchens in der xz-Ebene, während die y-Komponente
der lokalen Strömungsgeschwindigkeit dieses Teilchens aus
der in der erläuterten Weise erzeugten Farbinformation bzw.
der vorgenommenen Farbkodierung des oder der aufgenommenen
Bilder bestimmbar ist.
In Fig. 1 ist weiter vorgesehen, dass der Bilddetektor 16
mit der Beleuchtungseinrichtung 12, insbesondere der Licht
quelle 10, über eine Korrelationseinheit 30 in Verbindung
steht. Diese Korrelationseinheit 30 gewährleistet einer
seits, dass die zeitliche Veränderung des detektierten Fre
quenzspektrums bzw. der detektierten Frequenz und/oder der
detektierten Intensität in dem Detektor 16 periodisch er
folgt, und dass gleichzeitig diese periodische Veränderung
mit dem periodischen Abtasten des Detektionsraumes 25 durch
die Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21, 22 korreliert oder syn
chronisiert wird. Dabei ist die Abtastperiode des Detekti
onsraumes 25 durch die Lichtebenen 17, 18, 19, 20, 21, 22
bevorzugt gleich der Periode der zeitlichen Veränderung des
detektierten Frequenzspektrums bzw. der detektierten Fre
quenz und/oder der detektierten Intensität des Bilddetektors
16. Darüber hinaus kann die Abtastperiode aber auch ein
ganzzahliges Vielfaches dieser Periode sein.
Die Fig. 2 erläutert exemplarisch wie mindestens einer von
drei Sensoren 16', die in dem Bilddetektor 16 integriert
sind, mit einem rotierenden Graufilter 28 versehen ist. Die
Rotation dieses Graufilters 28 ist dabei über die Korrelati
onseinheit 30 mit dem Abtasten des Detektionsraumes 25 der
art korreliert, dass die auf den Sensor 16' als Funktion der
Zeit entfallende Intensität der von den in dem Detektions
raum 25 enthaltenen, die Strömung charakterisierenden Teil
chen ausgehenden oder gestreuten elektromagnetischen Wellen
eindeutig einer definierten Lichtebene 17, 18, 19, 20, 21
oder 22 zugeordnet werden kann. Insgesamt wird durch den ro
tierenden Graufilter 28 erreicht, dass das von dem Bildde
tektor 16 aufgenommene zweidimensionale Bild während des Ab
rasterns des Detektionsraumes 25 in seiner spektralen Zusam
mensetzung und damit seiner Farbe verändert wird, indem der
Beitrag eines der Sensoren 16' zu dem aufgenommenen Bild
durch die von diesem registrierte Intensitätsänderung auf
Grund des rotierenden Graufilters 28 moduliert wird. Das
aufgenommene zweidimensionale Bild ist dabei die Summe der
Einzelbilder der in dem Bilddetektor 16 integrierten Sensoren
16'. Zur Realisierung der Intensitätsänderung im Sensor
16' durch den rotierenden Graufilter 28 ist dieser weiter
derart ausgebildet, dass die von dem Sensor 16' detektierte
Intensität bei konstanter Intensität der auf den rotierenden
Graufilter 28 einfallenden elektromagnetischen Wellen eine
der Rotation des Graufilters 28 entsprechende periodische
Modulation erfährt. Dabei entspricht die Periode der Inten
sitätsmodulation im Sensor 16' bevorzugt einer ganzen Umdre
hung des Graufilters 28.
Konkret beträgt die Rotationsfrequenz des Graufilters 28 ge
mäß Fig. 2 beispielsweise bis zu 20 kHz und ist weiter ins
besondere gleich der Abtastfrequenz des Detektionsraumes 25
durch die in der erläuterten Weise erzeugten Lichtebenen 17,
18, 19, 20, 21, 22. Dabei ist weiter auch zu beachten, dass
die eingesetzte Abtastfrequenz natürlich an die zu messenden
Strömungsgeschwindigkeiten angepasst sein muss. Die Fig. 3
zeigt die Fig. 2 in Draufsicht.
Die Fig. 4 erläutert ein zu den Fig. 2 und 3 ein alter
natives Verfahren zur zeitlichen Veränderung des von dem
Bilddetektor 16 detektierten Frequenzspektrums bzw. der von
diesem detektierten Intensität. Gemäß Fig. 4 ist dabei zu
nächst 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 elek
tronische Steuereinheit 27 aufweist, mit der separat für je
den Sensor 16' eine zeitabhängige Variation der Intensi
tätsempfindlichkeit dieses Sensors 16' vorgenommen wird.
Diese zeitabhängige Variation der Empfindlichkeit der ein
zelnen Sensoren 16' ist in Fig. 4 für die Farben rot, grün
und blau dargestellt.
Auf Grund dieser Variation ergibt sich in dem Summenbild der
Einzelbilder der einzelnen Sensoren 16', das von dem Bildde
tektor 16 in Form eines zweidimensionalen farbigen Bildes
registriert wird, eine definierte Farbkodierung der in dem
Detektionsraum 25 enthaltenen, die Strömung charakterisie
renden Teilchen. Die Farbkodierung enthält dabei die Infor
mation über den Ort dieser Teilchen in y-Richtung. Auf diese
Weise kann insbesondere auch innerhalb einer Aufnahme, d. h.
durch Aufnahme eines einzigen zweidimensionalen farbigen
Bildes des untersuchten Bereiches des Detektionsraumes 25
die Bewegung eines Teilchens sowohl in der xz-Ebene als auch
in der dazu senkrechten y-Richtung ermittelt werden.
Die Fig. 5 erläutert ein zu Fig. 4 alternatives Verfahren
zur Farbkodierung, wobei dort im Gegensatz zu Fig. 4 nicht
eine Modulation der Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren
16' vorgenommen wird, sondern eine Veränderung der auf die
einzelnen Sensoren 16' bzw. Chips entfallenden Belichtungs
zeiten. Die Belichtungszeiten können dabei in an sich be
kannter Weise durch eine Phasenmodulation und/oder eine
Pulsbreitenmodulation der Ansteuerung der einzelnen Sensoren
16' mit Hilfe der elektronischen Steuereinheit 27 erfolgen.
Diese Phasen- bzw. Pulsbreitenmodulation ist gleichzeitig
mit den Abtasten des Detektionsraumes 25 durch die Lichtebe
nen 17, 18, 19, 20, 21, 22 über die Korrelationseinheit 30
synchronisiert.
Hinsichtlich weiterer Details zur Auswertung der von dem
Bilddetektor 16 aufgenommenen zweidimensionalen farbigen
Bilder des Detektionsraumes 25 sei auf die Anmeldung DE 199 63 393.2
verwiesen. Die dort erläuterten Auswerteverfahren
können auch für den Fall der vorstehend erläuterten Ausfüh
rungsbeispiele eingesetzt werden.
Weiter erfolgt auch die Bestimmung der Strömungsgeschwindig
keit der Teilchen in dem Detektionsraum 25 mit Hilfe der
dort ausführlich beschriebenen Verfahren.
In diesem Zusammenhang sei weiter betont, dass von dem Bild
detektor 16 entweder für jeden Abtastvorgang des Detektions
raumes 25 ein zweidimensionales farbiges Bild aufgenommen
wird, das dann mit einem insbesondere kurzzeitig danach auf
genommenen zweidimensionalen Bild des Detektionsraumes 25
korreliert wird, oder dass alternativ in einem zweidimensio
nalen farbigen Bild des Detektionsraumes 25 mehrere Tastvor
gänge erfasst werden, so dass sich die Bewegung eines Teil
chens in dem Detektionsraum 25 unmittelbar als punktförmige
Spur gegebenenfalls unterschiedlich gefärbter Streulicht
punkte in diesem zweidimensionalen farbigen Bild ergibt.
Weiter sei erneut darauf hingewiesen, dass die Abbildung des
Strömungsraumes bzw. des Detektionsraumes 25 alternativ zu
einer CCD-Kamera auch mittels einer 3-Chip-Spezialkamera,
beispielsweise einer sogenannten LLT3-Kamera, erfolgen kann.
In diesem Fall werden innerhalb dieser Kamera drei Sensoren
16' in Form von schwarz/weiß-Sensoren eingesetzt, die die
Farben rot, grün und blau eines RGB-Bildes repräsentieren.
Die jeweiligen Farben werden dann in der Auswerteeinheit 29
durch Überlagerung der Teilbilder der Sensoren 16' aus dem
Verhältnis der Intensitäten der Grauwertteilbilder der Ein
zelsensoren rekonstruiert, und in Falschfarben dargestellt.
Über die Empfindlichkeit bzw. die auf die einzelnen Sensoren
entfallenden Belichtungszeiten 15' ist daher auch mit einer
derartigen LLT3-Kamera eine Farbkodierung der schließlich
erhaltenen Bilder des Detektionsraumes 25 möglich.
Die Dimension des Detektionsraumes 25 weist in dem erläuter
ten Beispiel Dimensionen von 10 cm × 10 cm × 10 cm auf. Die
Anzahl der hintereinander angeordneten Lichtebenen 17, 18,
19, 20, 21 beträgt mindestens 3, in der Regel sind jedoch
eine Vielzahl von beispielsweise 100 bis 200 Lichtebenen
vorgesehen. Weiter ist an Stelle des Polygon-Scanners 15 in
der Beleuchtungseinrichtung 12 auch der Einsatz einer oder
mehrerer bekannter Zylinderlinsen möglich. Bevorzugt rotiert
der Polygon-Scanner 15 je nach Messaufgabe mit 20.000 bis
60.000 U/min. insbesondere 40.000 Umdrehungen pro Minute.
Die Scangeschwindigkeit kann jedoch prinzipiell, gegebenen
falls unter Einsatz weiterer optischer Komponenten, auch bis
in den MHz-Bereich gesteigert werden. Die Größe der in dem
Detektionsraum enthaltenen Teilchen liegt typischerweise in
der Größenverordnung von 1 µm bis 60 µm.
Claims (24)
1. Verfahren zur Analyse von Strömungen, insbesondere zur
dreidimensionalen Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeits
komponenten oder der dreidimensionalen Sichtbarmachung von
Strömungen in Flüssigkeiten oder Gasen, in einem Detektions
raum (25), wobei zeitlich nacheinander mindestens zwei zu
mindest näherungsweise parallele, räumlich hintereinander
angeordnete Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) mit elek
tromagnetischer Strahlung, insbesondere einer vorgegebenen
Farbe, erzeugt werden, mit denen der Detektionsraum (25) zu
mindest bereichsweise abgetastet wird, und wobei elektroma
gnetische Wellen, die zumindest teilweise von in dem Detek
tionsraum (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 minde
stens 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.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die spektrale Zusammensetzung in nacheinander von mindestens
einem der Bilddetektoren (16) aufgenommenen Bildern und/oder
die spektrale Zusammensetzung innerhalb eines von mindestens
einem der Bilddetektoren (16) aufgenommenen Bildes zumindest
eines Bereiches des Detektionsraumes (25) als Funktion der
Zeit verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die spektrale Empfindlichkeit mindestens eines Bilddetektors
(16), die auf mindestens einen der Bilddetektoren (16) ein
fallende Intensität und/oder die Dauer des Einfalls der
elektromagnetischen Wellen auf mindestens einen der Bildde
tektoren (16) beim Abtasten des Detektionsraumes (25) zwi
schen den nacheinander aufgenommenen Bildern und/oder inner
halb eines Bildes als Funktion der Zeit verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Abtasten des Detektionsraumes (25) mit mindestens einer
CCD-Kamera als Bilddetektor (16) aufgezeichnet wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtstrahl (11), ins
besondere ein farbiger oder monochromatischer Laserstrahl,
zur Erzeugung der zumindest näherungsweise parallelen, räum
lich hintereinander angeordneten Lichtebenen (19, 18, 17,
20, 21, 22) eingesetzt wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung der
Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) eingesetzte elektroma
gnetische Strahlung im Puls- oder Dauerstrichbetrieb erzeugt
wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlich nacheinander
erzeugten und räumlich hintereinander angeordneten paralle
len Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) den Detektionsraum
(25) derart abtasten, dass der Bilddetektor (16) eine zeit
lich zumindest näherungsweise kontinuierliche Ausleuchtung
des Detektionsraumes (25) wahrnimmt.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Bilddetekto
ren (16) während der Abtastung des Detektionsraumes (25) in
ihrer Tiefenschärfe kontinuierlich oder schrittweise derart
nachgeregelt werden, so dass die zeitlich nacheinander er
zeugten und räumlich hintereinander angeordneten Lichtebenen
(19, 18, 17, 20, 21, 22) am Ort des Bilddetektors (16) je
weils zumindest annähernd scharf abgebildet werden.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Abtastun
gen des Detektionsraumes (25) in kurzem Zeitabstand, insbe
sondere eine Vielzahl von periodischen Abtastungen, erfol
gen, 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 fol
genden Abtastungen des Detektionsraumes (25) erfasst wird.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Bilddetek
tors (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 minde
stens einer Abtastung des Detektionsraumes (25) erfasst
wird.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An
sprüche, 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 aufge
nommenen Bilder erfolgt, wobei aus dem oder den aufgenomme
nen zweidimensionalen Bildern der Ort der Teilchen in dem
abgetasteten Bereich des dreidimensionalen Detektionsraumes
(25) und/oder deren räumliche Verschiebung als Funktion der
Zeit bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
unter Berücksichtigung der Zeitdauer zwischen den Abtastvor
gängen die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten der einzelnen
Teilchen bestimmt werden.
13. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Verände
rung der detektierten Frequenz oder des detektierten Fre
quenzspektrums und/oder der detektierten Intensität peri
odisch erfolgt.
14. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Verände
rung der detektierten Frequenz oder des detektierten Fre
quenzspektrums und/oder der detektierten Intensität in nach
einander von mindestens einem der Bilddetektoren (16) aufge
nommenen 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 insbeson
dere gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der
zeitlichen Veränderung der detektierten Frequenz oder des
detektierten Frequenzspektrums und/oder der detektierten In
tensität ist.
15. Vorrichtung zur Analyse von Strömungen, insbesondere zur
dreidimensionalen Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeits
komponenten oder der dreidimensionalen Sichtbarmachung von
Strömungen in Flüssigkeiten oder Gasen, in einem Detektions
raum (25), wobei mit mindestens einer Beleuchtungseinrich
tung (12) zeitlich nacheinander mindestens zwei zumindest
näherungsweise parallele, räumlich hintereinander angeordne
te Lichtebenen (19, 18, 17, 20, 21, 22) mit elektromagneti
scher Strahlung mit vorgegebener Frequenz oder vorgegebenem
Frequenzspektrum, insbesondere vorgegebener Farbe, erzeugbar
sind, mit denen der Detektionsraum (25) zumindest bereichs
weise abtastbar ist, und wobei elektromagnetische Wellen,
die zumindest teilweise von in dem Detektionsraum (25) ent
haltenen, 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) de
tektierte Frequenz oder das von dem Bilddetektor (16) detek
tierte Frequenzspektrum und/oder die von dem Bilddetektor
(16) detektierte Intensität der von den Teilchen ausgehenden
oder gestreuten elektromagnetischen Wellen als Funktion der
Zeit veränderbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
dass die Beleuchtungseinrichtung (12) mindestens eine Licht
quelle (10), insbesondere einen Laser, einen Kollimator
(13), einen Polygon-Scanner (15) und einen Galvanometer-
Scanner (14) aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
dass der Bilddetektor (16) an mindestens einer Seitenfläche
des Detektionsraumes (25), insbesondere an einer zu den er
zeugten Lichtebenen (17, 18, 19, 20, 21, 22) parallelen
Stirnseite (26) des Detektionsraumes (25), angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
dass der Bilddetektor (16) eine schwarzweiß-Kamera oder ei
ne Farbkamera, insbesondere eine CCD-Kamera oder eine 3-
Chip-Kamera, ist, mit der zweidimensionale farbige Bilder
zumindest eines Bereiches des Detektionsraumes (25) aufnehm
bar oder in Falschfarben darstellbar sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 18, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Kamera oder der Bilddetektor (16) mit ei
ner Einrichtung zur Einstellung der Tiefenschärfe versehen
ist.
20. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis
19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (29),
insbesondere ein Computer, zur Auswertung und/oder Speiche
rung der aufgenommenen zweidimensionalen Bilder vorgesehen
ist.
21. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis
20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrelationseinheit
(30) zur Korrelation, insbesondere Synchronisation, der
durch das Mittel hervorgerufenen zeitlichen Veränderung des
detektierten Frequenzspektrums oder der detektierten Fre
quenz und/oder der zeitlichen Veränderung der detektierten
Intensität mit der durch die Beleuchtungseinrichtung (12)
vorgenommenen Abtastung des Detektionsraumes (25) vorgesehen
ist.
22. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis
21, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilddetektor (16) eine
CCD-Kamera mit drei Sensoren (16'), insbesondere drei Chips
zur Detektion dreier unterschiedlicher Farben oder Frequenz
bereiche, und das Mittel (27, 28) eine insbesondere in die
CCD-Kamera integrierte elektronische Steuereinheit (27) ist,
mit der selektiv die spektrale oder integrale Empfindlich
keit mindestens eines Sensors (16') in der Kamera und/oder
die auf mindestens einen Sensor (16') einfallende Intensität
in der Kamera als Funktion der Zeit veränderbar ist.
23. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis
22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei CCD-Kameras
als Bilddetektoren (16) vorgesehen sind, die jeweils einen
gleichen Bereich des Detektionsraumes (25) erfassen und de
ren detektierte Frequenz oder detektiertes Frequenzspektrum
und/oder deren detektierte Intensität mittels einer elektro
nischen Steuereinheit (27) jeweils als Funktion der Zeit
veränderbar ist.
24. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis
23, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (27, 28) ein
mindestens vor einem Bilddetektor (16) oder mindestens vor
einem Sensor (16'), insbesondere Chip, der CCD-Kamera ange
brachter Filter, insbesondere ein rotierender Graufilter
(28), ein rotierender Farbfilter oder ein rotierender Pola
risationsfilter mit vorgeschaltetem Polarisator, ist.
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