DE102018217530A1

DE102018217530A1 - Einrichtung zur Ermittlung von Positionen oder Trajektorien eines oder mehrerer Partikel

Info

Publication number: DE102018217530A1
Application number: DE102018217530.6A
Authority: DE
Inventors: Joachim Janes; Christoph Huth
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-04-16
Anticipated expiration: 2038-10-13
Also published as: DE102018217530B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ermittlung von Positionen eines oder mehrerer Partikel, insbesondere zur Verfolgung eines oder mehrerer Partikel (17) auf Trajektorien, mit einem ersten 2D-Laserscanner (1, 3, 4), der dazu eingerichtet ist, mit einem ersten Laserstrahl (6) durch Auslenken eines ersten Ablenkspiegels (4) mit steuerbaren Auslenkwinkeln ein erstes Volumen zu überstreichen, und mit einem zweiten 2D-Laserscanner (10, 12, 13), der dazu eingerichtet ist, mit einem zweiten Laserstrahl (15) ein zweites Volumen durch Auslenken eines zweiten Ablenkspiegels (13) mit steuerbaren Auslenkwinkeln zu überstreichen, wobei das erste und das zweite Volumen sich in einem Messvolumen (25) überschneiden, wobei der erste und der zweite Laserscanner vom Messvolumen aus betrachtet in verschiedenen Richtungen angeordnet sind, wobei wenigstens eine Erfassungsvorrichtung (19, 20, 21, 22, 23, 24) zur Erfassung des innerhalb des Messvolumens durch Partikel (17) reflektierten oder gestreuten Lichts des ersten und zweiten Laserscanners vorgesehen ist, wobei das reflektierte oder gestreute Licht des ersten und des zweiten Laserscanners von der wenigstens einen Erfassungsvorrichtung unterscheidbar ist und wobei mit der/den Erfassungseinrichtung(en) eine Verarbeitungseinrichtung (26) verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, durch Erfassen von innerhalb eines festgelegten Positionier-Zeitfensters durch ein Partikel (17) reflektiertem Licht aus beiden Laserscannern jedem Partikel (17) räumliche Koordinaten zuzuordnen. Mit der Einrichtung können für Partikel im Messvolumen räumliche Koordinaten bestimmt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Mikrosystemtechnik, der Elektrotechnik und der Datenverarbeitung und ist mit besonderem Vorteil beim Vermessen von strömenden Gasen und Flüssigkeiten einsetzbar.
Zur berührungslosen Untersuchung von Strömungsvorgängen in Gasen oder in Flüssigkeiten, beispielsweise in Pumpen oder in Verbrennungsmotoren, werden oft den Fluiden sogenannte Tracer in Form von fein verteilten Partikeln beigefügt, die es erlauben, den Verlauf von Strömungen optisch zu verfolgen. Bei turbulenten Strömungen besteht ein Interesse daran, den Turbulenzgrad, die Größe von Wirbelballen oder beispielsweise Ablösungsvorgänge von Strömungswirbeln zu vermessen. Es hat sich erwiesen, dass kleine, der Strömung hinzugefügte Partikel der Strömung hinreichend gut und mit geringer Zeitverzögerung folgen können. Damit lassen sich die Geschwindigkeit und die Geschwindigkeitsverteilung der mit der Strömung bewegten Partikel als Abbild der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids vermessen.
Beispielsweise werden den Strömungen sphärische Streupartikel mit Durchmessern in der Größenordnung von 1 um beigemischt, die beispielsweise aus Metalloxiden bestehen, z. B. ZrO oder MgO. Derartige Partikel können auch in schwierigen Umgebungen eingesetzt werden, wie beispielsweise in Verbrennungsmotoren.
Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Ermittlung von Positionen eines oder mehrerer Partikel zu schaffen, die in möglichst einfacher Weise die Positionsbestimmung von Partikeln mit möglichst hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit erlaubt.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung durch eine Einrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 7 stellen Ausgestaltungen einer Einrichtung zur Ermittlung von Positionen von Partikeln dar. Zudem wird die Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Die Patentansprüche 9 und 10 stellen Ausgestaltungen des Verfahrens dar.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Ermittlung von Positionen eines oder mehrerer Partikel, insbesondere zur Verfolgung eines oder mehrerer Partikel auf Trajektorien, mit einem ersten 2D-Laserscanner, der dazu eingerichtet ist, mit einem ersten Laserstrahl durch Auslenken eines ersten Ablenkspiegels mit steuerbaren Auslenkwinkeln ein erstes Volumen zu überstreichen, und mit einem zweiten 2D-Laserscanner, der dazu eingerichtet ist, mit einem zweiten Laserstrahl ein zweites Volumen durch Auslenken eines zweiten Ablenkspiegels mit steuerbaren Auslenkwinkeln zu überstreichen, wobei das erste und das zweite Volumen sich in einem Messvolumen überschneiden, wobei der erste und der zweite Laserscanner vom Messvolumen aus betrachtet in verschiedenen Richtungen angeordnet sind, wobei wenigstens eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung des innerhalb des Messvolumens durch Partikel reflektierten oder gestreuten Lichts des ersten und zweiten Laserscanners vorgesehen ist, wobei das reflektierte oder gestreute Licht des ersten und des zweiten Laserscanners von der wenigstens einen Erfassungsvorrichtung unterscheidbar ist und wobei mit der/den Erfassungseinrichtung(en) eine Verarbeitungseinrichtung verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, durch Erfassen von innerhalb eines festgelegten Positionier-Zeitfensters durch ein Partikel reflektiertem Licht aus beiden Laserscannern jedem Partikel räumliche Koordinaten zuzuordnen.
Diejenigen Partikel, die sich im Messvolumen befinden, d. h. sowohl in dem ersten Volumen, das vom ersten Laserscanner überstrichen wird, als auch in dem zweiten Volumen, das vom zweiten Laserscanner überstrichen wird, können durch Wahl des geeigneten Ablenkwinkels des jeweiligen Scanners mittels eines Laserstrahls beleuchtet werden. Da jeder der Laserscanner laufend das von ihm überstrichene Volumen abscannt, wird im Rahmen eines solchen Scanvorgangs ein Partikel im Messvolumen von Zeit zu Zeit sowohl von dem ersten Laserscanner als auch von dem zweiten Laserscanner jeweils kurzzeitig beleuchtet. Die wenigstens eine Erfassungsvorrichtung kann das von dem Partikel jeweils im Augenblick der Beleuchtung reflektierte oder zurückgestreute Licht detektieren und zunächst aufgrund der Unterscheidbarkeit des Lichts vom ersten und zweiten Laserscanner entscheiden, durch welchen der Laserscanner das Partikel beleuchtet wurde. Da die Ablenkwinkel der beiden Laserscanner zeitabhängig gesteuert sind, kann zu jedem Zeitpunkt, also auch zu dem Zeitpunkt, zu dem das betreffende Partikel beleuchtet wurde, der Winkel, in dem der Laserstrahl aus dem Scanner ausgetreten ist, eindeutig bestimmt werden. Damit lässt sich festlegen, dass das Partikel, dessen Streulicht erfasst wurde, zum Zeitpunkt der Beleuchtung von dem Scanner aus gesehen in einem bestimmten Raumwinkelsegment angeordnet war.
Um die räumlichen Koordinaten des Partikels vollständig festlegen zu können, wird weiter von dem Partikel reflektiertes oder rückgestreutes Licht erfasst, und wenn die Erfassungseinrichtung innerhalb eines akzeptablen Zeitfensters, das beispielsweise im Vorhinein festgelegt werden kann, reflektiertes oder rückgestreutes Licht von dem Partikel erfasst, das vom zweiten Laserscanner stammt, so kann ermittelt werden, dass das Partikel zu dem Zeitpunkt der Erfassung des Streulichts auf einem Laserstrahl des zweiten Laserscanners lag, der zu der gegebenen Zeit durch den bekannten Ablenkwinkel des zweiten Laserscanners genau bestimmt werden kann. Damit kann bestimmt werden, dass das Partikel innerhalb eines kurzen Zeitraums im Kreuzungsbereich der bezüglich ihrer Strahlrichtungen bestimmbaren beiden Laserstrahlen von beiden Laserscannern lag, wodurch die räumlichen Koordinaten des Partikels zu der gegebenen Zeit bestimmbar sind.
Wird das Messvolumen laufend vermessen, so sind die räumlichen Positionen mehrerer Partikel zu unterschiedlichen Zeiten bestimmbar, so dass auch die Fortbewegung von Partikeln aufgrund von erkennbaren Trajektorien identifiziert werden kann. Damit können auch Fortbewegungsgeschwindigkeiten der Partikel ermittelt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin liegen, dass das Licht des ersten und des zweiten Laserscanners von der oder den Erfassungseinrichtungen durch unterschiedliche Wellenlängen und/oder unterschiedliche Modulation und/oder unterschiedliche Polarisation unterscheidbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann darin liegen, dass die beiden Laserscanner von dem Messvolumen aus betrachtet unter einer Winkeldifferenz von wenigstens 10 Grad, insbesondere 90 Grad, angeordnet sind. Um die Bestimmung der räumlichen Position von Partikeln zu erlauben, müssen die Laserscanner vom Messvolumen aus betrachtet unter einer Winkeldifferenz erscheinen, oder zumindest müssen die von den Laserscannern ausgesandten Laserstrahlen beim Messvolumen unter verschiedenen Winkeln eintreffen, die sich um mehr als 0° voneinander unterscheiden müssen. Werden beispielsweise die von den Laserscannern ausgesandten Strahlen noch gebeugt oder reflektiert, so ist maßgeblich, unter welchem Winkel die Laserstrahlen beim Messvolumen eintreffen.
Besonders einfach und zuverlässig kann die Einrichtung dadurch gestaltet werden, dass die Laserscanner jeweils als 2D-MEMS-Scanner ausgebildet sind. Unter einem 2D-MEMS-Scanner wird üblicherweise ein Scanner verstanden, bei dem ein Strahl an einem Spiegel reflektiert wird, der in MEMS-Technik (MEMS = microelectromechanical system), d. h. üblicherweise aus einem geätzten Wafermaterial, aufgebaut ist. Ein solcher MEMS-Spiegel ist üblicherweise so aufgehängt, dass er um zwei Achsen schwenkbar ist, wobei optimalerweise die beiden Achsen sich in einem Punkt schneiden. Damit kann der Laserstrahl näherungsweise als von diesem Punkt aus abgestrahlt betrachtet werden. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Parabolspiegeln wichtig, wie weiter unten noch erläutert wird.
Die Antriebe solcher Ablenkspiegel können so gestaltet sein, dass die Spiegel entweder als freie Schwinger betrieben werden oder einer erzwungenen Schwingung folgen. Es sind grundsätzlich alle Arten von Antrieben denkbar, darunter elektrostatische, magnetische, piezoelektrische oder mechanische. Es ist für die vorliegende Erfindung wichtig, dass zu jedem gegebenen Zeitpunkt die Winkelstellung des Spiegels jedes der Laserscanner um beide Schwenkachsen bekannt ist, so dass der Raumwinkel, in den der gescannte Laserstrahl gerichtet ist, zu diesem Zeitpunkt ermittelbar ist. Hierzu kann entweder die Steuerung der Spiegel geeignet aufgebaut sein, beispielsweise auch mit einem Regelkreis, oder es können geeignete Sensoren zur zeitabhängigen Ermittlung der Auslenkwinkel der Spiegel und somit der Ablenkwinkel der Laserstrahlen vorgesehen sein.
In einem weiteren vorteilhaften Aufbau kann vorgesehen sein, dass jeweils zwischen einem oder jedem der Laserscanner und dem Messvolumen ein Parabolspiegel angeordnet ist, an dem der jeweilige Laserstrahl reflektiert wird.
Dabei erweist es sich weiter als vorteilhaft, wenn die beiden Schwenkachsen des Ablenkspiegels eines oder beider Laserscanner sich schneiden und wenn der/die Schnittpunkte der Schwenkachsen des/jedes Ablenkspiegels jeweils in einem Fokuspunkt eines der Parabolspiegel angeordnet sind.
Dadurch, dass die Schnittpunkte der Schwenkachsen der Ablenkspiegel jeweils im Fokuspunkt eines der Parabolspiegel angeordnet sind, fallen die abgelenkten Laserstrahlen jeweils vom Fokuspunkt des Parabolspiegels auf diesen und werden damit unabhängig vom Ablenkwinkel des jeweiligen Ablenkspiegels parallel zueinander und parallel zur Symmetrieachse des Parabolspiegels aus dem Parabolspiegel heraus reflektiert. Mit einer Änderung des Ablenkwinkels ergibt sich somit, dass die an dem jeweiligen Parabolspiegel reflektierten Laserstrahlen parallel zueinander versetzt werden und somit das Messvolumen durch Parallelverschiebung überstreichen. Damit ergeben sich zeitabhängige Gitternetze beider Laserscanner, wobei die beiden Gitternetze einander im Messvolumen schneiden. Die Berechnung von räumlichen Positionen der Partikel durch gleichzeitige oder zumindest zeitnahe Positionierung im Gitternetz des ersten und zweiten Laserscanners und Verknüpfung der Messwerte, sofern ein Partikel Licht von beiden Laserscannern innerhalb eines definierten Zeitfensters reflektiert, wird somit besonders einfach und übersichtlich. Das Zeitfenster kann dabei beispielsweise auf 1 bis 10 µs festgelegt werden.
Um zu verhindern, dass Partikel jeweils nur von einem Laserscanner oder nur von beiden Laserscannern gleichzeitig erfasst werden, ist es sinnvoll und vorteilhaft, wenn die beiden Ablenkspiegel der Laserscanner derart eingerichtet sind, dass sie oszillatorisch mit verschiedenen Schwingfrequenzen betrieben werden. Damit ergibt sich, dass ein Partikel jedenfalls nicht mehrmals hintereinander gleichzeitig von beiden Laserscannern erfasst wird.
Die Erfindung bezieht sich außer auf eine Einrichtung der oben beschriebenen und erläuterten Art auch auf ein Verfahren zur Ermittlung von Positionen eines oder mehrerer Partikel, insbesondere zur Verfolgung eines oder mehrerer Partikel auf Trajektorien in einem Messvolumen, wobei mit einem ersten Laserstrahl durch Reflexion an einem ersten auslenkbaren Ablenkspiegel eines ersten 2D-Laserscanners mit steuerbaren Auslenkwinkeln ein erstes Volumen überstrichen wird und mit einem zweiten Laserstrahl ein zweites Volumen durch Reflexion an einem zweiten auslenkbaren Ablenkspiegel eines zweiten 2D-Laserscanners mit steuerbaren Auslenkwinkeln überstrichen wird,
wobei das erste und das zweite Volumen sich in einem Messvolumen überschneiden, wobei der erste und der zweite Laserscanner vom Messvolumen aus betrachtet in verschiedenen Richtungen angeordnet sind, wobei wenigstens eine Erfassungsvorrichtung das innerhalb des Messvolumens durch Partikel reflektierte Licht des ersten und zweiten Laserscanners erfasst und voneinander separiert und wobei durch Erfassen von innerhalb eines festgelegten Positionier-Zeitfensters durch ein Partikel reflektiertem Licht aus beiden Laserscannern jedem Partikel Richtungskoordinaten vom ersten Laserscanner aus gesehen sowie Richtungskoordinaten vom zweiten Laserscanner aus gesehen sowie durch Verknüpfung der Richtungskoordinaten miteinander dem jeweiligen Partikel räumliche Koordinaten zugeordnet werden.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass jeweils innerhalb eines festgelegten ersten Zeitfensters ermittelte und voneinander beabstandete räumlich Positionen von Partikeln als Positionen verschiedener Partikel abgespeichert werden und dass mehrere räumliche Positionen aus dem ersten Zeitfenster mit räumlichen Positionen aus einem zweiten Zeitfenster, welches dem ersten Zeitfenster mit zeitlichem Abstand folgt, miteinander verglichen werden und dass räumliche Positionen aus dem ersten Zeitfenster mit räumlichen Positionen aus dem zweiten Zeitfenster durch gerade Linien verbunden werden und dass eine Auswahl der Linien, bei der die meisten Linien annähernd parallel zueinander verlaufen, als Trajektorien abgespeichert und auf einer Anzeigeeinheit angezeigt werden.
Innerhalb eines engen Zeitfensters können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die räumlichen Positionen mehrerer Partikel identifiziert werden. Werden innerhalb eines weiteren Zeitfensters, das mit einem gewissen Mindestabstand auf das erste Zeitfenster folgt, ein weiteres Mal Positionen von Partikeln bestimmt, so kann versuchsweise ein Feld von Trajektorien festgelegt werden. Da grundsätzlich zunächst nicht bekannt ist, welche der im zweiten Zeitfenster bestimmten Partikelpositionen solchen Partikeln entsprechen, deren Position im ersten Zeitfenster bereits bestimmt wurde, können über die möglichen Trajektorien nur Hypothesen aufgestellt werden. Dazu können die im ersten Zeitfenster ermittelten Positionen versuchsweise mit Positionen verbunden werden, die im zweiten Zeitfenster festgestellt worden sind. Dabei ist es bei jedem Versuch sinnvoll, eine Position aus dem ersten Zeitfenster nur jeweils mit einer einzigen Position aus dem zweiten Zeitfenster zu verbinden. Damit können verschiedene Kombinationen von Verbindungslinien ermittelt werden. Die wahrscheinlichste Konstellation von Verbindungslinien, die mögliche Trajektorien von Partikeln darstellen, ist diejenige, bei der die Verbindungslinien als Strömungsfeld erkennbar sind, d. h. möglichst parallel zueinander verlaufen. Diese Konstellation kann durch Vergleich der Versuche und Bewertung ermittelt und abgespeichert werden. Sie stellt für nachfolgende Positionsbestimmungen die Grundlage einer weiteren Ermittlung der Trajektorien dar. Sind die Trajektorien einmal grundsätzlich ermittelt, so können auch die Geschwindigkeiten von Partikeln auf diesen Trajektorien durch zeitlich aufeinanderfolgende Positionsbestimmungen ermittelt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt

1 die räumliche Konstellation eines 2D-MEMS-Laserscanners mit einem Parabolspiegel,
2 die parallel zueinander verlaufenden Laserstrahlen, die durch verschiedene Ablenkwinkel des 2D-MEMS-Laserscanners und Reflexion im Parabolspiegel entstehen,
3 in einer Seitenansicht den Strahlverlauf eines Laserstrahls unter verschiedenen Scanwinkeln und die Detektion des an einem Partikel reflektierten Streulichts,
4 eine Anordnung mit zwei 2D-MEMS-Scannern und jeweiligen Parabolspiegeln, bei dem die gescannten Laserstrukturen ein Maßvolumen überstreichen, das von einer Erfassungseinrichtung detektiert wird, sowie
5 eine perspektivische Darstellung von zwei Laserscannern mit Parabolspiegeln, die gemeinsam ein Messvolumen überstreichen.

In 1 ist der Grundaufbau eines Teils der Einrichtung gezeigt. Ein Laser 1 emittiert einen Strahl 2, der mit einer geeigneten Optik 3 hinsichtlich seines Taillendurchmessers, der Lage der Taille und seines geometrischen Querschnitts geformt wird. Ziel dieser gebräuchlichen Optik 3 ist es, einen Laserstrahl mit einem möglichst kreisförmigen Strahlquerschnitt und einem möglichst kleinen Radius des Strahlquerschnitts zu erzeugen. Zusätzlich ist es bei vielen Anwendungen notwendig, einen großen Abstand zwischen Optik 3 und der Taille zu haben.
Der Laserstrahl 2 trifft auf den Spiegel 4 des 2D-MEMS-Scanners. Der Spiegel 4 des 2D-MEMS-Scanners oszilliert um zwei Achsen mit Ablenkwinkeln θ(t), ϕ(t). Diese zwei Achsen kreuzen sich in einem Pivotpunkt, der auf der Spiegeloberfläche des 2D-MEMS-Scanners liegt. Der von dem Spiegel 4 des 2D-MEMS-Scanners reflektierte Laserstrahl 2 wird entsprechend der Winkelstellung des Spiegels 4 des 2D-MEMS-Scanners in einen entsprechenden Raumwinkel abgelenkt. Diese Ablenkung soll im Zuge des Scanvorgangs periodisch erfolgen.
Unter dem 2D-MEMS-Scanner kann in dem hier geschilderten Zusammenhang jeweils die Anordnung mit einem Laser 1, einer Optik 3, einem schwenkbaren Spiegel 4 und gegebenenfalls auch mit einem Parabolspiegel der weiter unten erläuterten Art verstanden werden, jedoch kann der Parabolspiegel dabei auch weggelassen werden.
Der Spiegel 4 des 2D-MEMS-Scanners liegt exakt im Fokuspunkt eines Parabolspiegels 5. Dies hat zur Folge, dass der vom 2D-MEMS-Scanner abgelenkte Laserstrahl 2 nach der Reflexion an der Oberfläche des Parabolspiegels parallel zur Symmetrieachse 7 des Parabolspiegels verläuft, unabhängig vom Ort der Reflexion.
In 2 ist dargestellt, dass beim Scannen durch den MEMS-Spiegel 4 um die beiden Achsen mit den Auslenkwinkeln θ und ϕ ein Bündel von Strahlen 6 vom Parabolspiegel 5 nacheinander reflektiert wird. Jeder einzelne Teilstrahl hat die Eigenschaft, dass seine Strahlrichtung parallel zur Symmetrieachse 7 des Parabolspiegels verläuft. Auf diese Weise wird ein Volumen durchleuchtet/überstrichen, dessen Kanten durch die Winkelamplituden des Spiegels 4 des 2D-MEMS-Scanners definiert sind. Jedem einzelnen Teilstrahl 6 kann auf diese Weise auch eindeutig eine Kombination der beiden Auslenkwinkel θ und ϕ zugeordnet werden, und diese wiederum lassen sich in einen Raumwinkel umrechnen.
In 3 ist eine Schnittzeichnung der Einrichtung zur Erläuterung der Funktionsweise dargestellt, ergänzt durch eine übliche, elektronische Steuer- oder Regeleinheit 8. Voraussetzung für eine Regelung zur Aufrechterhaltung der Spiegelschwingung ist die Erfassung der Winkelstellungen des Spiegels zu jeder Zeit. Für 2D-MEMS-Scanner, bei denen die Winkelstellung nicht durch eine erzwungene Schwingung durch den Antrieb gegeben ist, sind mehrere Messmethoden üblich. Darunter findet man z. B. kapazitive Messmethoden mit Kämmen oder Platten, optische Methoden, die die Ablenkung eines Lichtstrahls detektieren, die Verwendung von Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrische Auswertungen.
Ein Partikel, im Folgenden auch Streupartikel (Seedpartikel) 17 genannt, das sich innerhalb des Strahlenbündels befindet, wird von dem gescannten Laserstrahl 6 getroffen. Das dadurch entstehende Streulicht 18 wird von einer Kollektoroptik 19 gesammelt und mithilfe des Detektors 20 in einer Erfassungseinrichtung nachgewiesen. Der zugrunde liegende physikalische Streuprozess an den Partikeln einer bestimmten Größe wird als Mie-Streuung bezeichnet. Aus dem Zeitpunkt des Nachweises des Streulichts 18 können die Winkelkoordinaten θ und ϕ des 2D-MEMS-Scanners 4 ermittelt werden. Diese Winkelkoordinaten werden mit den bekannten Geometriedaten des Parabolspiegels 5 in kartesische Koordinaten x und y umgerechnet (siehe dazu 2).
Mit dem Ziel, auch die dritte Koordinate definieren zu können, werden zwei dieser optischen Scansysteme derart zueinander installiert, dass die Laserstrahlbündel sich in einem Messvolumen 25 kreuzen. Diese Situation ist in 4 dargestellt. In 4 ist der Kreuzungswinkel der beiden Strahlenbündel aus zeichnerischen Gründen zu 90° gewählt worden. Grundsätzlich ist aber jeder Kreuzungswinkel, der geometrisch oder aufbautechnisch sinnvoll ist, möglich.
Gemäß 4 besteht das Scansystem aus den Elementen, die mit den Bezugszeichen 1 bis 8 gekennzeichnet sind. Das zweite Scansystem ist mit den Bezugszeichen 10 bis 16 gekennzeichnet. Dabei bezeichnet 10 den zweiten Laser, 11 den Laserstrahl, 12 eine Strahlformungsoptik, 13 den Ablenkspiegel, 14 den zweiten Parabolspiegel, 15 den reflektierten Teilstrahl und 16 eine zweite Steuer- und Regeleinheit. Ein wesentlicher Punkt des Aufbaus liegt darin, dass die Wellenlänge des Lasers 1 sich von der Wellenlänge des Lasers 10 unterscheidet. Dies bedeutet, dass z. B. ein Kantenfilter oder ein Interferenzfilter oder ein Etalon oder ein dichroitischer Spiegel oder andere optische Mittel, die beide Wellenlängen unterscheiden oder trennen können.
Ein Streupartikel 17, das sich innerhalb des Messvolumens 25 (siehe 5) der beiden Scaneinrichtungen befindet, reflektiert Streulicht von den Teilstrahlen 6 und Streulicht von den Teilstrahlen 15. Wenn dieses Streulicht gleichzeitig oder mit einem sehr kurzen Zeitabstand in den Detektoren 20 und 24 nachgewiesen wird, dann sind die Strahlwinkel θ₁ und ϕ₁ des einen 2D-MEMS-Scanners bekannt, und gleichzeitig die Strahlwinkel θ₂ und ϕ₂ des zweiten 2D-MEMS-Scanners. Voraussetzung hierfür ist, dass das Streulicht 18, das von dem Streupartikel 17 ausgeht, beispielsweise bezüglich seiner Wellenlänge separierbar ist. (Das Streupartikel 17 wird von den unterschiedlichen Wellenlängen des Lasers 1 und des Lasers 10 beleuchtet.) Dies wird z. B. dadurch erreicht, dass das Streulicht 18, das mit einer Linse 19 fokussiert wird, mit einem Strahlteiler 21 in zwei Teilstrahlen gespaltet wird. Nach dieser Aufspaltung durchläuft der eine Teil des Streulichts z. B. ein Interferenzfilter 22, das nur Licht der Wellenlänge des einen Lasers durchlässt, das im Detektor 20 nachgewiesen wird. Der andere Teil durchläuft z. B. ein anderes Interferenzfilter 23, das nur Licht der Wellenlänge des zweiten Lasers durchlässt, das im Detektor 24 nachgewiesen wird. Da die Teilstrahlen 6 und 15 innerhalb des gleichen Volumens liegen und gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig nachgewiesen werden, ist somit der Ort des Streupartikels bekannt. (Die Winkelstellungen der Spiegel lassen sich wie oben beschrieben in Strahlwinkel der Scanner und weiter in Ortskoordinaten umrechnen.)
Die Separierbarkeit des Streulichts kann auch durch verschiedene Intensitätsmodulation oder Polarisation der Laserstrahlen 6, 15 gegeben sein.
Die Erzeugung eines Raumgitters mit bekannten Ortskoordinaten jedes dreidimensionalen Pixels lässt sich auch anders beschreiben. Ein Teilstrahl 6 ist in seiner räumlichen Position definiert durch die Winkelstellungen θ₁ und ϕ₁ des Spiegels eines 2D-MEMS-Scanners. Seine Richtung ist definiert durch die Symmetrieachse des Parabolspiegels. Der gescannte Teilstrahl 15 der zweiten Scannereinheit kreuzt den Teilstrahl 6 innerhalb des Messvolumens 25 beispielsweise bei einer definierten Winkelstellung θ₂, wohingegen die Winkelstellung ϕ₂ während des Scans in ϕ-Richtung den Teilstrahl 6 bei ϕ = ϕ₂ ^1,..., ⁿ kreuzt (unterteilt). Diese Situation ist in 5 dargestellt, wobei der gescannte Strahl mit ϕ = ϕ₂ ^1,..., ⁿ mit 26 gekennzeichnet ist. Auf diese Weise existieren auf dem Teilstrahl 6 n Punkte, die eindeutig durch die Winkelkoordinaten (θ₁, ϕ₁, ϕ₂ ^m; m = 1, ..., n) bei konstantem θ₂ definiert sind. Wendet man diese Prozedur für jeden Teilstrahl 6 innerhalb des Messvolumens 25 an, dann ist jeder Kreuzungspunkt der gescannten Teilstrahlen aus den beiden Lasern mit einem Tripel von Koordinaten eindeutig gekennzeichnet. Daher ist der Ort eines Streuteilchens durch die oben beschriebene Vorgehensweise eindeutig bestimmt.
Das Messvolumen 25, und damit verbunden die Pixeldichte, ist eine Funktion des Kreuzungswinkels der Mittelstrahlen der beiden Laserscanner. In 5 ist ein beliebiger Kreuzungswinkel dargestellt. Das geringste Kreuzungsvolumen und damit die größte Ortsauflösung werden mit einem Aufbau erreicht, bei dem die beiden gescannten Strahlenbündel senkrecht aufeinander stehen. Mit zwei senkrecht aufeinander stehenden Strahlenbündeln wird beispielsweise ein Messvolumen 25 von 1 cm³ erzeugt. Für Anwendungen wie z. B. scannende Laserprojektion werden Auflösungen/Pixelzahlen von mehr als 1000 × 1000, insbesondere sogar von mehr als 2000 × 2000, ganz insbesondere mehr als 2000 × 4000 erreicht. Übertragen auf einen dreidimensionalen Fall wie in 5 bedeutet das eine auflösbare Pixelanzahl von 10⁹. Unter der Voraussetzung geeigneter Strahlformung durch die Optik 3 bzw. 12 in Verbindung mit dem Parabolspiegel 5 bzw. 14 hat man so eine Pixeldichte von 10⁹/cm³ bei Strahldurchmessern von 10 µm.
Es sollte vermieden werden, dass die beiden Scanner synchron zueinander laufen und bezüglich der Spiegelauslenkung eine feste Phasenbeziehung zueinander aufweisen. Für den Fall, dass beide Scanner synchron mit einer festen Phasenbeziehung zueinander betrieben werden, kann die Situation auftreten, dass die beiden gescannten Strahlen systematisch und wiederholt keinen Kreuzungspunkt besitzen, also nicht zum gleichen Zeitpunkt bzw. innerhalb einer kleinen Zeitspanne das gleiche Pixel und damit gegebenenfalls ein an dem Pixel befindliches Partikel beleuchten. Werden die beiden Scanner der beiden Scannereinheiten mit unterschiedlichen Frequenzen bzw. Frequenzverhältnissen betrieben, dann wird das Streupartikel 17 innerhalb einer Zeitspanne, die von den jeweiligen Framerates der Scanner abhängt, von beiden gescannten Strahlen beleuchtet. Damit ist sichergestellt, dass ein Streupartikel detektiert wird.
Um mit der Vorrichtung die Geschwindigkeit eines Streupartikels 17 zu bestimmen, ist es ebenfalls notwendig, dass die beiden Scannereinheiten mit unterschiedlichen Scanfrequenzen betrieben werden. Die Framerates der Scannereinheiten bestimmen die Zeitauflösung der Vorrichtung, mit der für verschiedene Zeitpunkte der Ort eines Teilchens bestimmt werden kann. Die Abfolge von Messungen der Aufenthaltsorte eines Streupartikels 17 mit den dazugehörigen Zeitspannen zwischen den Messungen ergibt den Wert und die Richtung des Geschwindigkeitsvektors des Streupartikels.
Die Detektion mehrerer Streupartikel 17 innerhalb des Messvolumens 25 ist grundsätzlich möglich. Wenn man beispielsweise zwei einzelne Streupartikel innerhalb des Messvolumens betrachtet, dann werden diese beim Scanvorgang der beiden 2D-MEMS-Scanner 4 und 13 zu unterschiedlichen Zeitpunkten beleuchtet. Wenn die Zeitauflösung der beiden Detektoren 20 und 24 ausreichend ist, lassen sich die Nachweissignale der beiden Streupartikel immer zeitlich trennen. Damit ist eine eindeutige Zuordnung der Koordinaten zu jeweils einem Streupartikel bei einem eindeutigen Zeitpunkt bzw. innerhalb einer eindeutigen Zeitspanne sichergestellt.
Die Bestimmung der Geschwindigkeiten mehrere Streupartikel innerhalb des Messvolumens 25 ist hingegen nicht eindeutig und daher nicht ohne weiteres sinnvoll. Dies wird wieder deutlich, indem man zwei einzelne Streupartikel 17 innerhalb des Messvolumens 25 betrachtet. So wie oben beschrieben ist es mit einer gewissen Zeitauflösung möglich, die jeweiligen Orte der beiden Streuteilchen zu bestimmen. Es ist auch möglich, diese Messung in einem gewissen Zeitabstand zu wiederholen. Die Messung ergibt dann jeweils andere Orte der Streuteilchen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Jedoch ergibt die Anwendung der Messvorrichtung keine eindeutige Identifizierung der Streuteilchen. Dies bedeutet, dass es kein Messergebnis darüber gibt, welches der beiden Streuteilchen sich an welchen neuen Ort bewegt hat. Dies muss durch Vergleich von nacheinander durchgeführten Positionsbestimmungen ermittelt werden. Hierzu können hypothetische Trajektorien der Partikel anhand von versuchsweisen Verbindungen zwischen nacheinander ermittelten Positionen eingezeichnet und verglichen werden. Können mehrere Trajektorien eingezeichnet werden, die ein erkennbares Strömungsfeld bilden, so können die Hypothesen bestätigt werden. Dann können auch Geschwindigkeiten der Partikel ermittelt werden.

Claims

Einrichtung zur Ermittlung von Positionen eines oder mehrerer Partikel, insbesondere zur Verfolgung eines oder mehrerer Partikel (17) auf Trajektorien, mit einem ersten 2D-Laserscanner (1, 3, 4), der dazu eingerichtet ist, mit einem ersten Laserstrahl (6) durch Auslenken eines ersten Ablenkspiegels (4) mit steuerbaren Auslenkwinkeln ein erstes Volumen zu überstreichen, und mit einem zweiten 2D-Laserscanner (10, 12, 13), der dazu eingerichtet ist, mit einem zweiten Laserstrahl (15) ein zweites Volumen durch Auslenken eines zweiten Ablenkspiegels (13) mit steuerbaren Auslenkwinkeln zu überstreichen, wobei das erste und das zweite Volumen sich in einem Messvolumen (25) überschneiden, wobei der erste und der zweite Laserscanner vom Messvolumen aus betrachtet in verschiedenen Richtungen angeordnet sind, wobei wenigstens eine Erfassungsvorrichtung (19, 20, 21, 22, 23, 24) zur Erfassung des innerhalb des Messvolumens durch Partikel (17) reflektierten oder gestreuten Lichts des ersten und zweiten Laserscanners vorgesehen ist, wobei das reflektierte oder gestreute Licht des ersten und des zweiten Laserscanners von der wenigstens einen Erfassungsvorrichtung unterscheidbar ist und wobei mit der/den Erfassungseinrichtung(en) eine Verarbeitungseinrichtung (26) verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, durch Erfassen von innerhalb eines festgelegten Positionier-Zeitfensters durch ein Partikel (17) reflektiertem Licht aus beiden Laserscannern jedem Partikel (17) räumliche Koordinaten zuzuordnen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht des ersten und des zweiten Laserscanners (1, 3, 4, 10, 12, 13) von der oder den Erfassungseinrichtungen (19, 20, 21, 22, 23, 24) durch unterschiedliche Wellenlängen und/oder unterschiedliche Modulation und/oder unterschiedliche Polarisation unterscheidbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laserscanner (1, 3, 4, 10, 12, 13) von dem Messvolumen (25) aus betrachtet unter einer Winkeldifferenz von 90 Grad angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserscanner (1, 3, 4, 10, 12, 13) jeweils als 2D-MEMS-Scanner ausgebildet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen einem oder jedem der Laserscanner (1, 3, 4, 10, 12, 13) und dem Messvolumen (25) ein Parabolspiegel (5, 14) angeordnet ist, an dem der jeweilige Laserstrahl (2, 11) reflektiert wird.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schwenkachsen des Ablenkspiegels (4, 13) eines oder beider Laserscanner (1, 3, 4, 10, 12, 13) sich schneiden und dass der/die Schnittpunkte der Schwenkachsen des/jedes Ablenkspiegels jeweils in einem Fokuspunkt eines der Parabolspiegel (5, 14) angeordnet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ablenkspiegel (4, 13) der Laserscanner (1, 3, 4, 10, 12, 13) derart eingerichtet sind, dass sie oszillatorisch mit verschiedenen Schwingfrequenzen betrieben werden.
Verfahren zur Ermittlung von Positionen eines oder mehrerer Partikel (17), insbesondere zur Verfolgung eines oder mehrerer Partikel auf Trajektorien in einem Messvolumen (25), dadurch gekennzeichnet, dass mit einem ersten Laserstrahl durch Reflexion an einem ersten auslenkbaren Ablenkspiegel (14) eines ersten 2D-Laserscanners(1, 3, 4) mit steuerbaren Auslenkwinkeln ein erstes Volumen überstrichen wird, und dass mit einem zweiten Laserstrahl ein zweites Volumen durch Reflexion an einem zweiten auslenkbaren Ablenkspiegel (13) eines zweiten 2D-Laserscanners (10, 12, 13) mit steuerbaren Auslenkwinkeln überstrichen wird, wobei das erste und das zweite Volumen sich in einem Messvolumen (25) überschneiden, wobei der erste und der zweite Laserscanner (1, 3, 4, 10, 12, 13) vom Messvolumen (25) aus betrachtet in verschiedenen Richtungen angeordnet sind, wobei wenigstens eine Erfassungsvorrichtung (19, 20, 21, 22, 23, 24) das innerhalb des Messvolumens (25) durch Partikel (17) reflektierte Licht des ersten und zweiten Laserscanners erfasst und voneinander separiert und wobei durch Erfassen von innerhalb eines festgelegten Positionier-Zeitfensters durch ein Partikel reflektiertem Licht aus beiden Laserscannern jedem Partikel Richtungskoordinaten vom ersten Laserscanner aus gesehen sowie Richtungskoordinaten vom zweiten Laserscanner aus gesehen sowie durch Verknüpfung der Richtungskoordinaten miteinander dem jeweiligen Partikel räumliche Koordinaten zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils innerhalb eines festgelegten ersten Zeitfensters ermittelte und voneinander beabstandete räumlich Positionen von Partikeln (17) als Positionen verschiedener Partikel abgespeichert werden und dass mehrere räumliche Positionen aus dem ersten Zeitfenster mit räumlichen Positionen aus einem zweiten Zeitfenster, welches dem ersten Zeitfenster mit zeitlichem Abstand folgt, miteinander verglichen werden und dass räumliche Positionen aus dem ersten Zeitfenster mit räumlichen Positionen aus dem zweiten Zeitfenster durch gerade Linien verbunden werden und dass eine Auswahl der Linien, bei der die meisten Linien annähernd parallel zueinander verlaufen, als Trajektorien abgespeichert und auf einer Anzeigeeinheit angezeigt werden.