DE102006013452B3

DE102006013452B3 - Vorrichtung zur dreidimensionalen berührungslosen Erfassung einer örtlichen Verteilung der Lichtbrechung, Lichtpolarisation oder Lichtabsorption

Info

Publication number: DE102006013452B3
Application number: DE200610013452
Authority: DE
Inventors: Leonid Dr. Ing. Goubergrits; Ulrich Dr. Ing. Kertzscher; Christian Oliver Prof. Dr. Ing. Paschereit
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2026-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung einer örtlich unterschiedlichen optischen Eigenschaft wie der Lichtbrechung, Lichtpolarisation, Lichtadsorption oder einer anderen Eigenschaft in einem Raum, der ein transparentes ruhendes oder strömendes Medium enthält. Dies wird erreicht durch eine parallel verschiebbare Lichtquelle, die eine das Medium durchdringende Lichtschnittebene erzeugt, welche die im Medium enthaltenen Partikel aufleuchten bzw. reflektieren lässt, so dass diese Partikel in der Lichtebene als Lichtquellen wirken, welche gleichzeitig von zwei entgegengesetzten Seiten abgebildet werden und für jede Lichtebene ein Bildpaar erzeugt. Durch die Analyse von mehreren Bildpaaren von mehreren parallelen Lichtschnittebenen, die den gesamten Untersuchungsbereich abdecken, bekommt man die örtliche Verteilung der gesuchten optischen Eigenschaft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen berührungslosen Erfassung einer örtlichen Verteilung der Lichtbrechung, Lichtpolarisation oder Lichtabsorption
Vorrichtungen zur Erfassung einer örtlich unterschiedlichen optischen Eigenschaft in einem Raum werden benötigt, um Parameter wie Lichtbrechung, Lichtpolarisation, Lichtabsorption in örtlicher Auflösung zu erfassen. Die Kenntnis einer solchen Verteilung im Raum ist erforderlich zur Erfassung von verschiedenen physikalischen Parametern wie Dichte, Temperatur, Konzentration, Schubspannung und anderen. Aus der Literatur ist bekannt, dass die Dichte- oder Temperaturunterschied und Dichte- oder Temperaturgradienten in Medien zur Ablenkung oder Phasenverschiebung des Lichtstrahls führen.
Bekannt geworden sind Vorrichtungen, mit denen durch verschiedene Methoden, wie z.B. Shadowgraph, Schlieren und Interferometrie die örtlichen Unterschiede in der Dichte oder Temperatur sichtbar gemacht werden können. Dies geschieht dadurch, dass eine Verbindung zwischen der Dichte oder der Temperatur und Brechungsindex vorhanden ist. Nachteilig ist bei diesen Verfahren, dass das gesamte Untersuchungsvolumen durchleuchtet wird und aus diesem Grund keine Auswertung des Brechungsindexfeldes nach Größe im dreidimensionalen Raum erfolgt. Die meisten dieser Verfahren sind nur qualitative Methoden der Sichtbarmachung.
Bekannt geworden sind Vorrichtungen, die als spannungsoptische Apparatur bezeichnet werden und die die Schubspannungen in einem doppelbrechenden Fluid sichtbar machen. Nachteilig ist bei diesen Verfahren, dass das gesamte Untersuchungsvolumen durchleuchtet wird und aus diesem Grund keine Auswertung der Schubspannungen nach Größe im dreidimensionalen Raum erfolgt.

Bekannt geworden ist ein Verfahren, das als Hintergrund-Schlierenmessverfahren bezeichnet wird und das das Problem der quantitativen Erfassung der Lichtbrechung löst (Patentschrift DE 199 42 856 A1 ). Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass es das dreidimensionale Brechungsindexfeld nach dem tomographischen Prinzip berechnet, was einen optischen Zugang zum Untersuchungsvolumen von allen Richtungen (360°) benötigt und was bei axialsymmetrischen Fällen nicht funktioniert.

Bekannt geworden sind Vorrichtungen, bei denen die Temperatur oder Konzentration in einer Lichtschnittebene durch eine laserinduzierte Fluoreszenz erfasst wird. Nachteilig ist bei diesen Verfahren, dass er nur bei einigen Molekülen funktioniert, spezifische Laser benötigt und sehr aufwendige Kalibrierung benötigt.

Mit den bekannten Vorrichtungen können also nur bestimmte Parameter – Temperatur und Konzentration – und nur in bestimmten Fällen dreidimensional erfasst werden. Mit anderen Vorrichtungen weiterhin können optische Eigenschaften wie Lichtbrechung quantitativ erfasst werden, allerdings nur, wenn das sehr aufwändige tomographische Prinzip angewendet wird, bei dem einen optischen Zugang zum Untersuchungsvolumen von allen Richtungen (360°) benötigt wird.

Es fehlt eine Vorrichtung, mit der die dreidimensionale berührungslose Erfassung einer örtlich unterschiedlichen optischen Eigenschaft wie der Lichtbrechung, Lichtpolarisation, Lichtabsorption oder einer anderen Eigenschaft in einem Raum gelingt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile der bisherigen Lösungen zu vermeiden und die Aufgabe auf technisch bessere und sichere Weise zu lösen.

Mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung werden die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermieden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass nunmehr eine einfache beliebige Lichtquelle zur Erzeugung einer Lichtschnittebene und einfache reflektierende Partikeln ohne spezifische Anforderungen benötigt werden. Weitere Vorteile bestehen darin, dass der optischen Zugang nur von drei Richtungen – zwei für zwei gegenüber stehende Kameras und eine für die Lichtquelle – benötigt wird und, dass man die Kameras nicht zu bewegen braucht.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

1 zeigt einen Schnitt längs der optischen Achse durch das Untersuchungsvolumen (1) mit dem Medium, das einen variablen Brechungsindex besitzt. Das zwischen Lichtschnittebene (2) mit der Z-Koordinate z2 und mit dem leuchtenden oder reflektierenden Partikel (3) und abbildenden System bzw. Kamera (4) befindliche Teil des Untersuchungsvolumens (1) mit den Z-Koordinaten z1 < z < z2 verlegt den Bildort des Bildpartikels (13) an einen anderen Ort (15) der Bild- bzw. Aufnahmeebene (6), was durch eine Ablenkung des Strahls (17) erfolgt. Der Abstand (9) der Kamera (4) zur Lichtschnittebene (2) ist dabei bekannt. Wird diese Verschiebung (11) gemessen, so erhält man ein Maß für die Ablenkung des Lichtstrahls auf dem Weg zwischen Lichtschnittebene (2) und der Kamera (4), die eine Funktion von Brechungsindizien und deren Gradienten ist. Zu bemerken ist, dass der ursprüngliche Bildort (13) des Partikels (3) in der Bildebene (6) unbekannt ist. Entsprechende Überlegungen gelten für die Kamera (5) und die Aufnahme (7), die die Ablenkung des Strahls (18) aufzeichnet. Das zwischen Lichtschnittebene (2) mit der Z-Koordinate z2 und mit dem leuchtenden oder reflektierenden Partikel (3) und abbildenden System bzw. Kamera (5) befindliche Teil des Untersuchungsvolumens (1) mit den Z-Koordinaten z2 < z < z3 verlegt den Bildort des Bildpartikels (14) an einen anderen Ort (16) der Bild- bzw. Aufnahmeebene (7). Der Abstand (10) der Kamera (5) zur Lichtschnittebene (2) ist dabei auch bekannt. Wird die Verschiebung (12) gemessen, so erhält man ein Maß für die Ablenkung des Lichtstrahls auf dem Weg zwischen Lichtschnittebene (2) und der Kamera (5), die eine Funktion der Brechungsindizes und deren Gradienten ist. Zu bemerken ist, dass der ursprüngliche Bildort (14) des Partikels (3) in der Bildebene (7) gleich dem Bildort (13) des Partikels (3) in der Bildebene (6) ist und unbekannt ist. Deshalb bekommt man aus der Analyse von zwei Abbildungen (6) und (7) einen Verschiebungsvektor (20) als Differenz der Verschiebungsvektoren (12) und (11). Durch ein schrittweises Verschieben der Lichtebene (2) wird so der gesamte Raum (1) durchfahren und es wird für jede Position in Z ein Verschiebungsvektorfeld gewonnen. Durch einen Vergleich des Verschiebungsvektorfeldes kann der Strahlengang im ganzen Raum bestimmt und damit die Lichtbrechung im ganzen Raum bestimmt werden.

Claims

Vorrichtung zur dreidimensionalen berührungslosen Erfassung einer örtlichen Verteilung der Lichtbrechung, Lichtpolarisation oder Lichtabsorption in einem Raum mit einem transparenten ruhenden oder strömenden Medium, dadurch gekennzeichnet, dass eine entlang des gesamten Raumes parallel verschiebbare Lichtquelle eine das Medium durchdringende Lichtebene erzeugt, welche im Medium enthaltene Partikel aufleuchten oder reflektieren lässt, so dass diese Partikel in der Lichtebene als Lichtquellen wirken, welche gleichzeitig von zwei entgegengesetzten Seiten mittels zweier Kameras abgebildet werden, wobei jeweils der gesamte Untersuchungsbereich von den Abbildungsstrahlen durchstrahlt wird, dass das bei jeder Position der Lichtebene entstehende Abbildungspaar analysiert wird um die jeweiligen optischen Veränderungen relativ zu einander zu bestimmen, und dass aus den bei allen Positionen der Lichtebene bestimmten Veränderungen die örtliche Verteilung der Lichtbrechung, Lichtpolarisation oder Lichtabsorption ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtebene in diskreten Schritten unter Messung der Schrittweite durch den gesamten Untersuchungsbereich parallel verschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer sich zeitlich veränderlichen Verteilung, wie es bei instationären Strömungsvorgängen der Fall ist, die Lichtebene durch entsprechende optische Vorrichtungen wie einem Polygonspiegel im Verhältnis zur Strömung so schnell durch den gesamten Untersuchungsbereich verschoben wird, dass die Strömung stationär erscheint.