JP2003518630A - 通流の分析方法および分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 とりわけ通流速度成分を３次元検出するため、または液体またはガス中の通流を３次元可視化するため、通流を分析および定量化するための方法およびこの方法を実施するのに適した装置が提案される。このために電磁波、とりわけ光が少なくとも１つの検知装置によって、２次元周波数選択性または周波数バンド選択性に記録された画像（４０，４１，４２，４３）の形態で検知され、そこから通流が検出される。この光は、検知空間（２５）に含まれ、分析すべき通流を特徴付ける粒子（３０，３１，３２，３３，３４，３５）から少なくとも部分的に発するかまたはこれにより散乱される。照明装置がこのために時間的に連続し、少なくとも近似的に平行であり、空間的に連続して配置された少なくとも２つの光面（１９，１８，１７，２０，２１，２２）を、周波数または周波数スペクトルの異なる電磁化により形成し、この光面が検知空間（２５）を少なくとも領域的にサンプリングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は独立請求項の上位概念による、通流の定量化分析方法および分析装置
に関するものであり、とりわけ通流速度成分の３次元検出、または液体またはガ
ス中の通流を３次元で可視化する方法および装置に関する。

【０００２】 従来の技術 通流速度の測定および通流の可視化はとりわけ空気力学および流体力学におい
て種々の通流現象の分析および最適化の際に適用され、また処理技術および製造
技術においてすでに適用されている。ここでは機械的、電気機械的または光学的
通流測定方法が使用される。既存の光学的通流測定方法は、大まかには点測定法
、面測定法、および空間測定法に分けられる。

【０００３】 したがって、不安定な通流過程または空間的乱流構造の面的検出がこれまでい
わゆる全フィールド法を用いて可能である。この方法は流体流またはガス流にお
いて、散乱光中に浮遊する粒子を光セクションないしは光断面で検知する。

【０００４】 とりわけ面測定方法の場合、いわゆる粒子画像速度検出“Particle Image Vel
ocimetyr (PIV)”並びに粒子トラッキング法“Particle Tracking Verfahren”
が普通である。ここでは浮遊する粒子群、または個々の浮遊する粒子が、通流特
性の観点で分析すべき媒体中で移動するのを相関アルゴリズムないしはトラッキ
ングアルゴリズムを使用して検出する。

【０００５】 さらに面測定方法では、色の異なる２つの光セクションが同時に、浮遊する粒
子の垂線速度成分を光断面に対して垂直に検出するために使用される。これにつ
いては例えば、I. Kimura & Y. Kohno, "Measurement of three-dimensional ve
locity vectors in a flow field based on spatio-temporal image correlatio
n", 3. Internationales Symposium FLUCOME, pp,609-615 (1991), C. Bruecker
, "3-D PIV via spatial correlation in a color-coded light-sheet", Experi
ments in Fluids, 21, pp.312-314, Springer-Verlag, 1996, および A. Cenede
se & A. Paglialunga, "A new technique for the determination of the third
velocity component with PIV" Experiments in Fluids, 8, pp.228-230, Spri
nger-Verlag, 1998 を参照されたい。

【０００６】 M. Raffel et al. "Analytical and experimental investigations of dual-p
lane particle image velosimetry", Opt. Eng. 35, 7, pp.2067-2074 (1996)
ではさらに、個々の光セクションをチョッパーディスクによって２つの光セクシ
ョン位置に空間的に分解することが提案されている。

【０００７】 さらに F. Dinkelacker et al. "Determination of the third velocity comp
onent with PTA using an intensity graded light sheet", Experiments in Fl
uids 13, pp.357-359, Springer-Verlag, 1992 からすでに、個々の厚い光セク
ションを光セクション深部に沿ってその強度で変調することが公知である。

【０００８】 前記の面的方法によって全体として、一面内の浮遊粒子の速度成分を検出し、
これにより被検液体ないし被検ガス内の通流を分析することができる。しかしこ
れらは単に３次元の通流を１つの面で分析できるのであり、容積中の通流を分析
できるものではない。

【０００９】 空間的方法とは、容積中の通流の分析を可能にする測定方法であり、立体視的
方法を指すものである。これは例えば R. Racca & J. Dewey, "A method for au
tomatic particle tracking in a three-dimensional flow field", Experiment
s in Fluids 6, pp.25-32, Springer-Verlag, 1988 から公知である。または T.
Chang et al., "Application of image processing to the analysis of three
-dimensional flow fields", Opt. Eng., 23, 3, pp.282-287 (1984) に、立体
視的レンズにより動作する方法が提案されている。この方法では、通流フィール
ドが２から４つのカメラを使用して種々異なる方向から記録される。

【００１０】 前記の空間的方法は全て共通に、分析すべき通流フィールドが連続的に照明さ
れるか、および／または分析すべき容積が複数の画像検知器により異なる方向か
ら記録される。従ってこれらの方法は実際にはセットアップ時間、光学的アクセ
ス可能性、および観察方向の制限が重要な要素であり、制限的にしか使用できな
い。後者はその他にハログラフィックな方法に対しても当てはまる。

【００１１】 C. Bruecker, "Digital-Particle-Image-Velocimetry (DPIV) in a scanning
light sheet: 3-D starting flow around a short cylinder", Experiments in
Fluids 19, pp.255-263, Springer-Verlag (1995) からさらに空間的測定方法が
公知であり、この方法では分析すべき容積が単色レーザビームを備えたドラムス
キャナによって走査される。浮遊する粒子で散乱し、通流を特徴付ける散乱光の
記録は、時間の関数として高速度カメラによって行われる。このために各個々の
光面位置が分析すべき容積内で別個に記録され、通流フィールドの記録が、使用
されるカメラの画像再生周波数に結びつけられる。とりわけ各個々の光面位置を
検知空間において別個に記録することは非常に大きなデータ量となり、相応に大
きなメモリが必要である。

【００１２】 本発明の課題は、検知空間内のガスまたは液体における通流速度の測定および
通流分析が３次元で、簡単かつ迅速に、そして安価に実行できるように構成する
ことである。

【００１３】 発明の利点 独立請求項の構成を有する本発明の方法および本発明の装置は従来技術に対し
て、装置コストがとりわけ検知装置の点で比較的に僅かである。さらに、１つの
観察装置ないしはＣＣＤカラーカメラだけが必要である。

【００１４】 その他に本発明の方法は、発生するデータ量が比較的僅かであり、従ってこれ
を容易に外観的に処理して評価できるという利点がある。

【００１５】 さらに達成可能な解像度ないしは測定精度は本発明の方法においては、例えば
高速カメラの画像再生周波数に制限されることはなく、相互に隣接し、平行であ
り、空間的に連続して配置された２つの光面の間隔および時間差にだけ制限され
る。

【００１６】 本発明の改善形態は従属請求項に記載されている。

【００１７】 多数の光面を色の異なる光、または周波数スペクトルの異なる光により曝すと
有利である。これらの色は可視周波数領域でも近紫外線または遠赤外線でもよい
。この場合、検知空間内を記録するために通流を特徴付ける粒子から発する光、
またはこれにより散乱された光を記録するのに、従来の比較的安価なＣＣＤカラ
ーカメラが適する。

【００１８】 電磁波ないしは光として、一方では多色光ビームが適する。ここで多色とは、
広い周波数スペクトルを可視周波数領域でカバーし、例えば人の目には白または
混合色と映る光ビームであると理解されたい。また他方では場合により次のよう
な複数の光ビームであると理解されたい。すなわち、それぞれ１つまたは複数の
異なる色ないしは基本色を有する光ビームであると理解されたい。

【００１９】 このような光ビームに対する光源は１つまたは複数のレーザ、またはレーザダ
イオード装置とすることができ、このレーザダイオード装置は必要に応じて混合
色または基本色（赤／黄／青）の異なる色を形成することができる。その他に点
状の光面を有する投影ランプも考えられる。

【００２０】 １つまたは複数の多色レーザビームが特に有利である。なぜならこのようにし
て、特に良好な視準化および空間的分解能ないし個々の光面の分離が検知空間で
達成されるからである。

【００２１】 検知空間を平行光面によって画像検知器の個所ないしは検知装置の個所でラス
タ化する際に、少なくとも十分に一定の良好な被写界深度を常に保証するために
、検知装置または使用されるＣＣＤカラーカメラに付加的な装置を設け、これに
より連続的またはステップごとに被写界深度を調整できるようにすると有利であ
る。ここで被写界深度の調整は例えば制御ユニットにより、時間的に順次形成さ
れる光面による検知空間のラスタ化と相関される。

【００２２】 ＣＣＤカラーカメラないし検知装置により記録された検知空間の画像を評価す
るのに、基本的に公知のアルゴリズムおよび“Particle Image Velocimetry”か
らの評価方法が適する。この評価方法は付加的に色情報も考慮する。しかしその
他に、“Particle Tracking Verfahren”を使用することもできる。

【００２３】 全体として当業者に公知の方法では、これを色識別ないしは周波数または周波
数バンド識別の点で、並びに周波数ないしは色情報の評価の点で垂線速度成分を
定量化するために拡張すれば良い。

【００２４】 光源により形成された多色光を簡単かつ高速にフィルタリングすることは、有
利にはそれ自体公知の音響光学的モジュレータを用いて行う。このモジュレータ
により色混合ないしは、ＭＨｚ領域に達するまでの色変化周波数を有する任意の
色を形成することができる。

【００２５】 その他に照明装置では、コリメータおよびポリゴンスキャナに続けて、ガルバ
ノメータスキャナを設けると有利である。このガルバノメータスキャナによって
、検知空間を高い空間分解能でラスタ化することができる。すなわち、個々の隣
接する光面を小さな幅で空間的に明りょうに分離することができる。

【００２６】 図面 本発明を図面に基づいて詳細に説明する。

【００２７】 図１は、本発明の通流分析装置の基本構造を示す平面図である。

【００２８】 図２は、検知空間の一部を３次元表示したものであり、付加的に２つの別個の光
面の２つの部分が２つの異なる時点で示されている。

【００２９】 図３は、検知空間の端面側で記録された２つの順次連続する画像を示し、この画
像は個々の粒子の通流速度成分を計算するためのものである。

【００３０】 図４は、異なる２つの時点で記録された検知空間の個々の画像を示す。

【００３１】 図５は、図４に示された検知空間の別の表示であり、多数の順次連続するサンプ
リング過程が示されている。

【００３２】 実施例 本発明の方法の要点は、照明装置、例えば電磁波を多色光の形態で放射する光
源と、後置接続された光学的素子とを用いて、多色光、またはその周波数または
周波数スペクトルが異なり、少なくとも近似的に平行な光面を形成し、この光面
を空間的かつ時間的に連続して配置し、検知空間２５または検知空間２５の領域
をサンプリングないしラスタ化し、このサンプリング過程の間に１つまたは複数
の画像検知器ないし検知装置、例えば検知空間２５の端面側２６に配置されたＣ
ＣＤカラーカメラ１６が検知空間２５の画像を記録することである。

【００３３】 このために光源１０として実施例では、多色光源、例えば多色レーザビームが
使用される。このレーザビームはパルスモードまたは持続掃引モードで動作する
。

【００３４】 択一的に多色光ビームを、種々異なる色のレーザダイオードまたは周波数の異
なる複数のレーザダイオードにより実現することができる。この場合、光ビーム
は光学的素子によって重畳される。

【００３５】 多色光ビームを形成するための別の手段、とりわけ多色レーザビーム１１を形
成するための手段はファイバレーザの使用である。

【００３６】 平行光面を検知空間２５の領域に空間的および時間的に連続して階段状に配置
するために、光源１０に続いて別の構成部材が設けられている。従って１つの光
面から次の光面への色変化は、例えば音響光学的モジュレータ１２または択一的
に集積光学色混合器によって行われる。

【００３７】 隣接し平行である異なった光面の形成は、音響光学的モジュレータ１２に接続
して設けられたコリメータ１３、これに後置されたガルバノメータスキャナ１４
、およびこれに後置されたポリゴンスキャナ１５によって行われる。これらの素
子はそれ自体公知である。

【００３８】 音響光学的モジュレータ１２に続いて設けられた構成部材は、検知空間２５の
ラスタ化を行う。これは、音響光学的モジュレータ１２を去った単色のレーザビ
ーム１１’により、相互に近似的に平行で、空間的に上下に、そして時間的に連
続して形成された光面１７，１８，１９，２０，２１，２２の形態で行われる。

【００３９】 概念「単色」とはレーザビーム１１’がレーザビーム１１に対して低減された
周波数スペクトルを有しており、とりわけ入射するレーザビーム１１とは別の色
を有していることであると理解されたい。従ってレーザビーム１１は白色とする
ことができるが、レーザビーム１１’は例えば赤、青、または緑である。もちろ
んレーザビーム１１が緑であり、レーザビーム１１’が例えば青または黄であっ
ても良い。

【００４０】 光面１７，１８，１９，２０，２１，２２はそれぞれその色の点で異なる。こ
の色は、音響光学的モジュレータ１２により、これに供給されるたとえは多色ま
たは白色レーザビーム１１が色変化することにより生じる。

【００４１】 有利には検知空間２５のラスタ化は次のように行われる。すなわち、ＣＣＤカ
ラーカメラ１６が少なくとも近似的に連続する、検知空間２５ないし光面１７〜
２２の照明を知覚するように行われる。

【００４２】 通流空間の画像記録は、画像検知器ないしはＣＣＤカラーカメラ１６とは択一
的に、干渉フィルタの設けられた３チップ特殊カメラ、いわゆるＬＬＴ３カメラ
によっても行うことができる。この特殊カメラを使用する場合には、３つの白黒
センサが個別に使用され、これらのセンサがＲＧＢ画像の色、赤、緑、および青
を表す。この場合、それぞれの色はコンピュータで個々の画像の重畳によって再
現され、仮想色で表示される。

【００４３】 この手段は、狭い波長スペクトルしかカバーしない光源を使用する場合に特に
適し、これにより比較的に広い色スペクトルを実現することができる。

【００４４】 検知空間を平行光面１７〜２２によりラスタ化する際に、検知装置、例えばＣ
ＣＤカラーカメラ１６の光面の間隔は常時変化するから、被写界深度が少なくと
も近似的に同じであることを保証するために、本発明の有利な構成では検知装置
に、被写界深度を連続的にまたはステップごとに調整するための装置が配属され
る。この調整は例えばそれ自体公知の制御ユニットを介して、時間的に変化する
光面１７〜２２の位置と検知空間で相関される。

【００４５】 検知装置により周波数選択的または周波数バンド選択的に記録された、検知空
間２５の２次元カラー画像の評価は、２つまたはそれ以上のサンプリング過程が
記録された個々の画像記録に基づいて、または有利には短時間で順次連続して記
録された複数の画像記録に基づいて行われる。この画像記録にはそれぞれ１つま
たは服すのサンプリング過程が記録されている。

【００４６】 検知空間２５ないしそれに含まれる液体、またはそれに含まれるガス中を浮遊
する粒子のシフトを評価し、ひいては速度成分ｖx、ｖy、ｖz（これら速度成分
は検知空間２５で優勢な局所的通流関係の直接的マッピングである）を検出する
ために、この実施例では公知の、色情報の評価だけ拡張された“Particle Image
Velocimetry”法または公知の“Particle Tracking-Verfahren”法が使用され
る。

【００４７】 このようにして浮遊する粒子３０，３１，３２，３３，３２，３５の位置をそ
れぞれの光面１７〜２２内で、従来の光切断法と完全に同じように検出すること
ができる。

【００４８】 この粒子３０〜３５の位置は、光面１７〜２２に対する垂線方向（ｙ方向）で
は一義的に、それぞれの散乱光の色の検出から得られる。なぜなら各色は光を放
射する、または光を散乱する粒子３０〜３５に一義的に、光面１７〜２２および
ひいては相応の位置がｙ方向で配属されているからである。垂線方向の測定精度
はここでまず、それぞれの光面１７〜２２の幅によって決められる。しかし隣接
する２つの光切断面１７，１８，１９，２０，２１，２２の散乱光信号の強度分
布をｙ方向（垂線方向）の関数として光学的に分析することによりさらに精度を
向上させることができる。

【００４９】 本発明の有利な実施例では、比較的に高い時間分解能を達成するために、２つ
の光面が非常に高速に順次配置され、同じ検知空間２５をサンプリングする。こ
の種の手段は例えば次のようにして実現される。すなわち、相応の２つの照明方
向を設けるか、または例えば単色で入社するレーザビーム１１’の他に第２の異
なる色の入射レーザビームを設け、相応の光学的ないしは音響光学的素子に後置
することにより実現される。これにより第２のレーザビームは第１のレーザビー
ム１１’に対して空間的にずれて発生され、２つのレーザビームが空間的および
時間的に光面のずれに作用する。このずれにより、交互に発生される２つの光面
は順次連続して同じ検知空間２５によりサンプリングされる。

【００５０】 前に説明した本発明の実施例はを図１に基づき詳細に説明する。図１は通流分
析装置５を示す。この装置は、多色レーザの形態の光源１０を有し、レーザは多
色レーザビーム１１を発生する。この多色レーザビーム１１は音響光学的モジュ
レータ１２に供給され、このモジュレータはそれ自体公知のように、供給された
多色光から所定の周波数または所定の周波数領域を取り出し、単色れーざびーむ
１１’を放射する。具体的には音響光学的モジュレータ１２はそのために、供給
された光の色混合またはフィルタリングに作用する。従って音響光学的モジュレ
ータ１２から放射された単色レーザビーム１１’は非常に高速なシーケンスでそ
の色を変化する。公知の音響光学的モジュレータにより例えばこの委炉辺かは１
００ｋＨｚから１ＭＨｚの周波数領域で行うことができる。

【００５１】 この種の多色レーザビーム１１は例えばその色が複数の基本色から合成された
レーザビームである。

【００５２】 有利には赤、緑、青の色が使用される。これらの色は例えばアルゴン・クリプ
トン・レーザによって形成され、このレーザは多色レーザビーム１１を放射する
。音響光学的モジュレータ１２は次に、多色レーザビームで供給された個々の色
強度の変調を行う。この変調は、高周波の色変化が発生し、それぞれ単色レーザ
ビーム１１’が放射されるように行う。

【００５３】 続いて音響光学的モジュレータ１２にはコリメータ１３が設けられている。こ
のコリメータは例えばレンズシステムとして構成されており、これを介して個々
の光面１７〜２２の厚さを調整することができる。有利には個々の光面の厚さは
１００μｍから１ｍｍ、とりわけ５０μｍから１ｍｍの領域である。

【００５４】 連続して配置された光面１７〜２２の数は少なくとも３であるが、通常は例え
ば１００〜２００の多数の光面が設けられる。検知空間２５は例えば１０ｃｍ×
１０ｃｍ×１０ｃｍの大きさを有する。

【００５５】 コリメータ１３に接続して設けられたポリゴンスキャナ１５により、個々の光
面１７〜２２が時間的に連続して供給された単色レーザビーム１１’から発生す
ることが保証される。ポリゴンスキャナ１５の代わりに択一的に、それ自体公知
の１つまたは複数の円筒レンズを使用することもできる。ポリゴンスキャナ１５
は有利には２０，０００から６０，０００、とりわけ４０，０００回転／分で回
転する。走査速度は通常有利には測定タスクに適合され、基本的に光学的素子を
使用する場合にはＭＨｚ領域まで上昇させることができる。

【００５６】 従って全体として、単色でその色が高周波で変調されるレーザビーム１１’が
高速に１つの面に供給され、画像検知器として設けられたＣＣＤカラーカメラ１
６が個々の面の連続照明を知覚する。

【００５７】 ポリゴンスキャナに続いてさらに設けられたガルバノメータスキャナ１４は、
平行で色の異なる光面をずらすために用いられる。これにより光面が少なくとも
近似的に平行で空間的に連続して配置され、検知空間２５をサンプリングする。
このとき同時に、この連続して配置された平行な光面１７〜２２の色は異なって
いる。

【００５８】 この間連から、光面１７〜２２のずれが音響光学的モジュレータ１２の色変化
と同期して行われることが重要である。それにより少なくとも近似的に相互に平
行であり、色の異なる光面１７〜２２の容積が発生する。このために図示しない
公知の相応の制御構成部材が設けられる。

【００５９】 検知空間２５のマッピングを記録するために検知空間２５の端面側２６にＣＣ
Ｄカラーカメラが組み込まれている。

【００６０】 図２は、さらに検知空間２５の一部を種々異なる光面によって照明することを
再度説明するためのものである。具体的には図２には４つの隣接する光面１７〜
２０が示されている。この光面は空間的に相互にずらされており、時間的に連続
して異なる色により照明される。さらに例として個別の散乱粒子３０が設けられ
ており、この粒子は２つの時点ｔ１とｔ２との間で光面１８の第１の位置から光
面１７の第２の位置へ移動する。このことは図２に特別に目立つよう示されてい
る。

【００６１】 検知空間２５における散乱粒子３０の位置のｘおよびｚ座標はＣＣＤカラーカ
メラの画像から直接的に得られる。散乱粒子３０の異なる色から（このことは散
乱粒子の位置が光面１８ないし１７において時点ｔ１ないし時点ｔ２で異なるこ
とにより生じる）、まず一方では粒子３０の位置がｙ方向において時点ｔ１とｔ
２で検出され、他方ではｔ２とｔ１との時間差Δｔが既知であるから散乱粒子の
ｘ方向とｚ方向の通流速度の他にｙ方向の通流速度も得られる。

【００６２】 図３はこのことを概略的に、時点ｔ１とｔ２で検知空間２４の端面側２６でＣ
ＣＤカラーカメラ１６により連続して記録された２つの画像の例で示す。検知空
間２５に浮遊する散乱粒子３１，３２，３３は入射される光の散乱を引き起こす
。ここで図３での散乱粒子３１，３２，３３に対する異なるシンボルはこの散乱
粒子３１，３２，３３の色が異なることに対するものである。

【００６３】 詳細には、２つの画像が図３の時点ｔ１とｔ２で検知空間２５の２つの完全な
サンプリング過程のためにある。すなわち全体として平行で色の異なる光面がち
ょうど２回発生され、検知空間２５の画像記録が２回行われる。従って各画像記
録の際に完全なサンプリング過程が記録される。

【００６４】 時間差Δｔ＝ｔ２−ｔ１の知識、並びに散乱粒子３１、３２，３３のｘ方向お
よびｚ方向の位置変化から直ちに、ｘ方向およびｚ方向におけるそれらの速度成
分が得られる。個々の散乱粒子のｙ方向における速度成分ｖy＝Δｙ／Δｔは、
色の評価、ないしは時点ｔ１とｔ２との間の散乱粒子３１，３２，３３の色変化
の評価により得られる。

【００６５】 速度成分ｖyの検出精度はここでは個々の光面の厚さに依存する。

【００６６】 図４は典型的な画像記録を示し、この画像記録では２つの完全なサンプリング
過程がＣＣＤカラーカメラ１６により記録される。この２つの記録は短時間に連
続して時点ｔ１とｔ２で行われる。検知空間２５のサンプリング過程の典型的繰
り返し速度は１００Ｈｚから１ｋＨｚの領域にあり、通常はm/sのオーダーにあ
る、流体中の観察すべき通流速度の相応する。しかしここに説明した方法により
ＭＨｚ領域のサンプリング速度も基本的に可能である。

【００６７】 散乱粒子３０，３１，３２，３３，３４，３５の大きさは典型的には１μｍか
ら２０μｍのオーダーである。

【００６８】 図４にも異なるシンボルが散乱粒子３１，３２，３３に対して、図３と同じよ
うにこれら粒子の異なる色ごとに示されている。同じシンボルはそれぞれの散乱
粒子が時点ｔ１とｔ２で同じ光面に存在することを意味する。

【００６９】 その他、図３から図５は単に例として用いるものであり、簡素化して概略的に
示してあることに注意されたい。

【００７０】 図５は、図４の続きを示す。この画像記録では全体で７つの完全なサンプリン
グ過程が時点ｔ１〜ｔ７で記録される。従って図５では、図示された散乱粒子３
４ないし３５のそれぞれが全部で７つのサンプリング過程により検出される。こ
れにより、各散乱粒子３４，３５に対して連続する一連の画素が得られる。この
一連の画素内でも、粒子の色が検知空間におけるｙ方向の位置を表す。

【００７１】 さらに図３の記録は説明したように変形されたクロス相関法を用いて評価した
ものであることに注意されたい。このクロス相関法は、“Particle Image Veloc
imetry”で使用されたのと同じである。

【００７２】 図４と図５の記録も同様に、変形された相関アルゴリズム、とりわけ自動相関
、ないし“Particle Tracking-Verfahren”によって評価されたものである。

【００７３】 最後に、図５の場合の評価は、評価アルゴリズムなしですでに通流フィールド
の質的空間判定によって行うことのできることを述べておく。これは個々の散乱
粒子の軌跡とこの軌跡に沿った色変化を考慮することにより行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明の通流分析装置の基本構造を示す平面図である。

【図２】 図２は、検知空間の一部を３次元表示したものであり、付加的に２つの別個の
光面の２つの部分が２つの異なる時点で示されている。

【図３】 図３は、検知空間の端面側で記録された２つの順次連続する画像を示し、この
画像は個々の粒子の通流速度成分を計算するためのものである。

【図４】 図４は、異なる２つの時点で記録された検知空間の個々の画像を示す。

【図５】 図５は、図４に示された検知空間の別の表示であり、多数の順次連続するサン
プリング過程が示されている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラウス ライマン ドイツ連邦共和国 ゲアリンゲン ローベ ルト−コッホ−シュトラーセ 50 (72)発明者 ボード ルック ドイツ連邦共和国 カールスルーエ ロー テンビュシュレ 11 Ｆターム(参考） 2F034 AA01 AB01 AC01

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検知空間（２５）において通流速度成分を３次元検出するた
   めの、または液体中またはガス中の通流を３次元可視表示するための通流分析方
   法であって、 検知空間（２５）に含まれ、通流を特徴付ける粒子（３０，３１，３２，３３
   ，３４，３５）から少なくとも部分的に発する、または散乱される電磁波を検出
   する方法において、 時間的に連続して、少なくとも近似的に平行であり、空間的に連続して配置さ
   れた少なくとも２つの光面（１９，１８，１７，２０，２１，２２）を、周波数
   の異なる、または周波数スペクトル鋸となる電磁波により形成し、 当該光面により検知空間（２５）を少なくとも領域的にサンプリングする、 ことを特徴とする分析方法。
2. 【請求項２】 光面（１９，１８，１７，２０，２１，２２）を、光とりわ
   け可視周波数領域に異なる色を有する光の形態の電磁波に曝す、請求項１記載の
   方法。
3. 【請求項３】 検知空間（２５）のサンプリングを、少なくとも１つの画像
   検知器、とりわけ少なくとも１つのＣＣＤカラーカメラ（１６）により記録する
   、請求項１または２記載の方法。
4. 【請求項４】 多色光ビーム（１１）、とりわけ多色レーザビームを使用し
   、 該ビームの光から時間的に連続して、空間的に平行に連続して配置された光面
   （１９，１８，１７，２９，２１，２２）を色の異なる光により形成する、請求
   項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 【請求項５】 少なくとも２つの光源（１０）を使用し、 それらの光から時間的に連続して、空間的に平行に連続して配置された光面（
   １９，１８，１７，２０，２１，２２）を周波数または周波数スペクトルの異な
   る光により形成する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 【請求項６】 多色光ビーム（１１）をパルスモードまたは持続掃引モード
   で使用するか、または 光源（１０）をパルスモードまたは持続掃引モードで駆動する、請求項１から
   ５までのいずれか１項記載の方法。
7. 【請求項７】 時間的に連続して形成され、空間的に連続して配置された平
   行の光面（１９，１８，１７，２０，２１，２２）は検知空間（２５）をサンプ
   リングし、 当該サンプリングは、画像検知器（１６）が時間的に少なくとも近似的に連続
   する、検知空間（２５）の照明を知覚するように行う、請求項１から６までのい
   ずれか１項記載の方法。
8. 【請求項８】 画像検知器（１６）は、検知空間（２５）のサンプリング中
   にその被写界深度を連続的またはステップごとに追従制御され、 時間的に連続して形成され、空間的に連続して配置された光面（１９，１８，
   １７，２０，２１，２２）を、画像検知器（１６）の位置でそれぞれ少なくとも
   近似的にシャープに結像する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 【請求項９】 検知空間（２５）を短い時間間隔で少なくとも２回サンプリ
   ングする、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 【請求項１０】 画像検知器（１６）を使用して、検知空間（２５）の２次
    元色画像（４０，４１，４２，４３）を記録し、 このとき１つの画像（４２，４３）において、粒子（３０，３１，３２，３３
    ，３４，３５）から発する、または粒子により散乱された光を、検知空間（２５
    ）の少なくとも２回の連続するサンプリングにより検出する、請求項１から９ま
    でのいずれか１項記載の方法。
11. 【請求項１１】 画像検知器（１６）を使用して、検知空間（２５）の２次
    元色画像（４０，４１，４２，４３）を記録し、 このとき短時間で連続して記録された少なくとも２つの画像（４０，４１）に
    おいて、粒子（３０，３１，３２，３３，３４，３５）から発する、または粒子
    により散乱された光を、検知空間（２５）の少なくとも２回の連続するサンプリ
    ングにより検出する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 【請求項１２】 検知空間（２５）の記録の評価を、粒子トラッキング（“
    Particle-Tracking”）アルゴリズムまたは相関法を用い、色情報、または周波
    数情報または周波数バンド情報を取り入れて行う、請求項１から１１までのいず
    れか１項記載の方法。
13. 【請求項１３】 検知された光から、検知空間（２５）の記録された２次元
    色画像（４０，４１，４２，４３）の評価を用いて、粒子（３０，３１，３２，
    ３４，３５）の位置および／またはその空間的移動を時間の関数として、３次元
    検知空間（２５）のサンプリングされた領域で検出する、請求項１から１２まで
    のいずれか１項記載の方法。
14. 【請求項１４】 サンプリング過程間の時間を考慮して、個々の粒子（３０
    ，３１，３２，３４，３５）の局所的通流速度を検出する、請求項１３記載の方
    法。
15. 【請求項１５】 検知空間（２５）において通流速度成分を３次元検出する
    ため、または液体またはガス中の通流を３次元可視表示するための通流分析装置
    であって、 検知空間（２５）に含まれ、通流を特徴付ける粒子（３０，３１，３２，３３
    ，３４，３５）から少なくとも部分的に発する、または散乱される電磁波が検出
    される装置において、 少なくとも１つの照明装置が設けられており、 該照明装置により、検知空間を少なくとも領域的に、周波数の異なる、または
    周波数スペクトルの異なる電磁波により照明する光面（１９，１８，１７，２０
    ，２１，２２）を形成し、 該光面（１９，１８，１７，２０，２１，２２）は時間的に連続して少なくと
    も近似的に平行であり、空間的に連続して配置されており、 さらに少なくとも１つの検知装置が設けられており、 該検知装置により、周波数選択的にまたは周波数バンド選択的に、検知空間の
    少なくとも１つの領域の２次元画像を記録する、 ことを特徴とする分析装置。
16. 【請求項１６】 照明装置は少なくとも１つの光源（１０）、とりわけレー
    ザを有し、 該光源またはレーザにより、周波数の異なる、または周波数スペクトルの異な
    る光の形態で電磁波を形成する、請求項１５記載の装置。
17. 【請求項１７】 多色光源、とりわけ多色レーザが設けられており、 該光源の光は周波数感知性の構成部材、とりわけ音響光学的モジュレータ（１
    ２）、グリッドまたはプリズムによって、少なくとも３つの、とりわけ多数の色
    に分解される、請求項１６記載の装置。
18. 【請求項１８】 照明装置は、コリメータ（１３）、ポリゴンスキャナ（１
    ５）およびガルバノメータスキャナ（１４）を有する、請求項１５から１７まで
    のいずれか１項記載の装置。
19. 【請求項１９】 検知装置は、検知空間（２５）の少なくとも１つの端面、
    とりわけ形成された光面（１７，１８，１９，２０，２１，２２）に対して平行
    の、検知空間（２５）の端面側（２６）に配置されている、請求項１５から１８
    までのいずれか１項記載の装置。
20. 【請求項２０】 検知装置は少なくとも１つのカラーカメラ、とりわけＣＣ
    Ｄカラーカメラ（１６）を有し、 該カラーカメラにより検知空間（２５）の２次元色画像が記録される、請求項
    １５から１９までのいずれか１項記載の装置。
21. 【請求項２１】 カラーカメラには被写界深度を調整するための装置が設け
    られている、請求項２０記載の装置。
22. 【請求項２２】 ２次元画像を評価および／または記憶するための評価ユニ
    ットが設けられている、請求項１５から２１までのいずれか１項記載の装置。