JP2003531382A - 流れの解析方法および装置 - Google Patents

流れの解析方法および装置

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JP2003531382A JP2001576475A JP2001576475A JP2003531382A JP 2003531382 A JP2003531382 A JP 2003531382A JP 2001576475 A JP2001576475 A JP 2001576475A JP 2001576475 A JP2001576475 A JP 2001576475A JP 2003531382 A JP2003531382 A JP 2003531382A
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Abstract

(57)【要約】 流れの解析および数量化、例えば液体またはガスの流速成分の３次元的に突き止めるまたは流れを３次元の観測できるようにするための方法およびそれに適している装置が提案される。その際照明装置（１２）を介して、殊に前以て決められているカラーの電磁ビームが発生され、これによって、時間的に相次いで発生され、少なくとも近似的に平行な、空間的に縦に並んで配置される光面（１９，１８，１７，２０，２１，２２）の形で検出空間（２５）が走査される。電磁ビームはこの検出空間（２５）において、そこで流れを特徴付けている粒子から出るまたは粒子によって散乱される電磁波が発生されるということになる。この電磁波は引き続いて、少なくとも１つのイメージ検出器（１６）によって２次元の、殊にカラーの胃めーの形において検出される。この検出の際に最終的に、イメージ検出器（１６）の少なくとも１つによって検出された周波数スペクトルないしこれによって検出された周波数および／またはこれによって検出された強度が時間の関数として変化される。

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記載の、流れの解析および数量化、例えば
液体またはガスにおける流れの速度成分を３次元的にまたは流れを３次元的に観
測するための方法および装置に関する。
【０００２】 従来の技術 未公開の特許出願明細書ＤＥ１９９６３３９３．２号には、液体またはガスに
おける流速を３次元的に突き止める方法および装置が提案されている。ここでは
、少なくとも部分的に、検出空間に含まれている、流れを特徴付けている粒子か
ら出てくるまたは散乱される電磁波が検出される。このためにそこでは、時間的
に相次いで少なくとも２つの少なくとも近似的に平行な、空間的に縦に並んで配
置されている光面が生成される。これら光面は異なった周波数または異なった周
波数スペクトルの電磁波によって生成される。その際これら電磁波によって検出
空間が走査されるのである。更にそこでは、検出装置を用いて周波数選択的また
は周波数バンド選択的に検出空間の走査された領域の２次元の、殊にカラーのイ
メージないし画像を検出もしくは記録することが提案されている。そこでは検出
装置は例えばＣＣＤカラーカメラである。
【０００３】 本発明の課題は、特許出願ＤＥ１９９６３３９３．２号から出発して、これに
対して択一的である方法およびこの方法を実施するために適している装置を提供
することである。
【０００４】 発明の利点 独立請求項に記載の特徴を有する本発明の方法および本発明の装置は従来技術
に対して照明装置の領域における装置コストが低減されかつ障害の影響を一層受
けにくいという利点を有して降り、その際同時に、特許出願ＤＥ１９９６３３９
３．２号から公知の方法の利点は維持される。殊に、本発明の方法において生じ
るデータ量は比較的僅かであり、従って容易にかつ見通しよく処理かつ評価可能
である。更に、本発明では有利にも、入射する光ビームないしレーザビームの、
例えば音響光学的変調器を用いたカラー変調も次のようにして省略することがで
きる。つまりこの場合には、検出された２次元のイメージのカラーコーディング
は受信側で、すなわちイメージ検出器の領域において行えばよい。
【０００５】 更に、本発明の方法は、例えば高速カメラシステムを使用する方法に比べて著
しく僅かな散乱光強度で十分であるという利点を有している。
【０００６】 本発明の有利な形態は従属請求項に記載されている構成から明らかである。
【０００７】 すなわち有利には、単数または複数のイメージ検出器によって検出された周波
数スペクトルまたは単数または複数のイメージ検出器によって検出された周波数
ないしこれらによって検出された強度を時間の関数として変化させるための可能
性は多数ある。その際、イメージ検出器として、３つの異なったカラー、例えば
赤、緑および青に対する例えば３つのセンサ（チップ）を有しているＣＣＤカメ
ラを使用すれば特別有利である。このＣＣＤカメラによって検出されるイメージ
はＣＣＤカメラにおける個々のセンサに当てはまる露光時間の変化によっておよ
び／またはこれら個々のセンサの感度の変化によって特別簡単に時間の関数とし
て変化させることができ、その際この種の変化は簡単な手法で、時間的に相次い
で発生され、縦に並んで配置されている光面による検出空間の走査と同期可能で
ある。従って、例えばＣＣＤカメラ内に存在するそれぞれのチップの前に回転す
るフィルタを取り付けて、このようにしてこれらチップによって検出される強度
を時間の関数として定義しかつ周期的に変えてやることができることも有利であ
る。
【０００８】 更に、有利にも、ＣＣＤカメラに代わって白黒カメラを使用することもでき、
その場合白黒カメラは内部に例えば３つのセンサを有しており、これらセンサの
、入射する電磁ビームの強度に対する感度はそれぞれ別個に時間の関数として変
化可能であるので、これらセンサにはそれぞれ、擬似カラー、例えば赤、緑およ
び青を割り当てることができ、かつ個々のセンサによって記録されたイメージか
ら時間の関数として例えばコンピュータにおいて重ね合わせるなどして、検出空
間のカラーイメージを得ることができる。
【０００９】 これによりいずれの場合においても有利にも、イメージ検出器によって最終的
に記録された、検出空間の２次元のイメージがカラー情報を持つようにすること
ができ、このようなカラー情報が検出空間における光面の発生の場所および時間
、ひいては光を散乱するまたは放出する粒子の場所のｙ座標と一義的に相関され
るのである。
【００１０】 更に、検出空間の走査の期間に単数または複数のイメージ検出器の被写界深度
を連続的にまたはステップ毎に追従制御するようにすれば有利であり、そうすれ
ば個々の光面はイメージ検出器のある場所でそれぞれ少なくとも近似的にシャー
プに結像される。
【００１１】 図面 次に本発明を図面を用いて図示の実施例につき詳細に説明する。その際： 図１は流れ解析装置を示し、 図２は回転するフィルタが前置接続されているセンサを側面図にて示し、 図３は図２の前置接続されているフィルタを備えたセンサを平面図にて示し、 図４はカラー赤、緑および青に対するＣＣＤカメラにおける３つのセンサのスペ
クトル感度の時間に依存している変化を示し、 図５はカラー赤、緑および青に対するＣＣＤカメラにおける３つのセンサの種々
異なった露光時間によるカラーパターン列を示している。
【００１２】 実施例 本発明の方法の要部は、まず照明装置を用いて電磁波を発生し、電磁波によっ
て検出空間を少なくとも領域毎に走査することであり、その際少なくとも部分的
に、検出空間に含まれていて、解析すべき流れを特徴付けている粒子から出るか
または粒子によって散乱される電磁波が少なくとも１つのイメージ検出器によっ
て検出される。
【００１３】 その際適当な電磁ビームは例えば単色の電磁ビームまたは多数の周波数ないし
前以て決められている周波数スペクトル、殊に前以て決められているカラーを有
する電磁ビームである。有利には、使用される電磁ビームは可視の周波数領域に
あるが、説明する実施例はそれに制限されていない。というのは基本的には、そ
のために適したイメージ検出器を使用することができれば、殆ど任意の電磁ビー
ムを使用することができるからである。殊に、本発明の方法に対して、赤外線ま
たは紫外線も使用可能である。
【００１４】 従って照明装置はまず少なくとも近似的に平行な光面を発生する、これらは空
間的および時間的に縦に並んで配置されて検出空間または検出空間の領域を走査
ないし掃引する。しかしその場合、説明する実施例が出発点としているところの
特許出願ＤＥ１９９６３３９３．２号の思想とは異なって、照明装置によって用
意される光ビームないしレーザビームのカラー変調を行わないですみ、イメージ
検出器によって検出される２次元のイメージのカラーコード化は受信側で行われ
る。
【００１５】 従ってまず、一色または単色の、少なくとも近似的に平行な光面が発生され、
これらの面が空間的および時間的に相次いで配置されて検出空間を走査ないし掃
引する。それからこの走査過程の間、１つまたは複数のイメージ検出器、例えば
検出空間の端面に配置されている３チップ形ＣＣＤカメラによって、検出空間の
イメージが記録される。その際検査すべき流れを特徴付けている粒子の、法線方
向、すなわちｙ方向におけるポジション、ひいては速度を突き止めることができ
るようにするために、イメージ検出の際に、時間的および空間的に変化する光面
のポジションに依存した走査と同時に、カラーコード化が行われる。
【００１６】 詳細には、このことは例えば次のようにして行うことができる：検査すべきデ
テクションボリュームないし検出体積を、３チップ形ＣＣＤカラーカメラで記録
し、ここで散乱光信号を引き起こすそれぞれの粒子が、原色赤、緑および青を表
している、このカメラの３つのセンサないしチップのそれぞれに結像される。こ
のことは通例の３チップ形ＣＣＤカラーカメラにおいて例えば、それぞれのチッ
プの前に周波数または周波数バンド選択的なフィルタが設けられていることによ
って行われる。しかし択一的に、例えば３つの白黒チップ（ｓ／ｗセンサ）を有
しているＣＣＤカメラであってよく、これらチップはそれぞれ、これらに入射す
る強度だけを時間の関数として記録し、かつそのイメージから引き続いて、個々
のセンサのカラーイメージを次のようにして生成するのである。すなわち、個々
のセンサのグレー値信号を例えばＲＧＢモニタのカラー（赤／緑／青）に対応付
けるのである。これらｓ／ｗセンサのそれぞれがＲＧＢイメージの規定のカラー
を表していれば、それは後で例えばコンピュータにおいて擬似カラーで作成され
る。
【００１７】 それから光面のポジションに依存して、カメラにおける個々のセンサないしチ
ップの感度が変化されると、流れを特徴付ける粒子は、個別センサの３つのイメ
ージの合計イメージ（いわゆる加算画像）におけるカラー赤、緑および青の強度
の成分に依存して混合色で表示され、それは一義的な方法で具体的な光面、すな
わち粒子の場所の規定のｙ座標に結び付けられているものである。
【００１８】 その際変化させるべき感度とは、一方において、センサの積分感度、すなわち
センサに入射する光ないしセンサに入射する電磁ビームの強度に依存しているセ
ンサ信号、あるいは他方においてセンサに衝突する電磁ビームの規定の周波数ま
たは規定の周波数スペクトルに対するセンサのスペクトル感度、すなわち周波数
の関数としてのセンサ信号のことと考えてよい。
【００１９】 個々のセンサに衝突する強度の説明した強度変化は更に、説明する例において
少なくとも１つの回転するグレーフィルタを介して実現される。単数ないし複数
のグレーフィルタはＣＣＤカメラの個々のセンサないしチップの少なくとも１つ
の前に位置決めされる。回転するグレーフィルタに対して択一的に、回転するカ
ラーフィルタまたは偏光子が前置接続されている回転する偏光フィルタを使用可
能である。更に、ＣＣＤカメラの個々のセンサないしチップによって検出される
強度ないし周波数スペクトルまたは周波数を電子的に偏光する可能性もあり、そ
の場合にはこのようにして、ＣＣＤカメラによって検出された２次元の、殊にカ
ラーイメージにおいて個々の散乱光信号のカラーコーディングが生じ、これらは
一義的に所定の光面に対応付けられている。
【００２０】 更に、３つの種々異なったＣＣＤカメラを使用することもできる。これらは検
出された強度ないし検出された周波数スペクトルまたは検出された周波数を時間
に依存して変調するための適当な装置をそれぞれ備えている。この場合、３つの
カメラのそれぞれが同じイメージ部分を検出すること、すなわち検出空間の同じ
領域を捕捉することことが必要である。このことは例えば、入射する強度を使用
のカメラに分割するためのそれ自体公知のビームスプリッタを介して実現するこ
とができる。内部において原色赤、緑および青に対して感応するまたはこれらを
表している３つのセンサ（チップ）をそれぞれ有している３つのＣＣＤカメラを
使用する場合には、既に説明したように、例えば、少なくともＣＣＤカメラのセ
ンサのいくつかの前に例えば回転するグレーフィルタが取り付けられているよう
になっている。
【００２１】 更に、これから説明する実施例では有利にも、複数ないし単数のイメージ検出
器の設置場所における平行な光面を通る検出空間の掃引の際に、いつでも少なく
ともほぼ同じにとどまる申し分ない被写界深度が保証されているようになってい
る。このために、イメージ検出器は有利にはそれぞれ、そのとき検出空間を走査
する光面の場所に依存して被写界深度を連続的にまたはステップ毎に調整設定す
るための付加的な装置を備えている。
【００２２】 従って全体として、イメージ検出器によって検出される２次元のイメージの高
速なカラー変化ないし高速なカラーコード化を実現するために一方において回転
するカラーまたはグレーフィルタまたは、時間に依存してその透過度を変化し、
かつ単数または複数のイメージ検出器に前置されている一般的なフィルタを使用
することができる。他方において、例えば３つのセンサ（チップ）を備えた市販
のＣＣＤカメラの場合、これらの個々のセンサの高周波の多重露光を行うように
することもでき、その場合個々のセンサにおける種々異なっている強度は種々異
なっている長さの露光時間ないし種々異なっている長さの露光休止時間によって
調整設定される。
【００２３】 すなわちこれらのセンサの１つにおいて露光時間が比較的長いところのセンサ
の単一画像の画像強度は一層高くなり、このために更に、単一画像および／また
はセンサにそれぞれ属している単一カラー、例えば赤、緑および青の強度の大き
さが種々異なってくるので、ＣＣＤカメラにおける３つのセンサの加算画像の規
定のカラーコード化、すなわち単一センサのイメージの重畳もしくは加算が行わ
れることになる。その際高周波の多重露光はＭＨｚの領域にまでになる可能性が
ある。
【００２４】 １つまたは複数のセンサの説明してきた高周波の多重露光の他に更に、個々の
センサに対して付加的にまたは択一的に、検出された周波数スペクトル全体にわ
たるスペクトル感度または積分感度の時間に依存した、殊に電子的な変調も使用
することができる。
【００２５】 このようにして、ＣＣＤカメラにおける個々のセンサ、殊に２次元のイメージ
の記録最中に、そのスペクトルまたは積分感度を次のように変えることができる
：ＣＣＤカメラにおける個々のセンサに対する強度の割り当てを１回の記録内の
時間、ひいては法線方向における光面のポジションに依存して種々異なって実施
する。これにより、ＣＣＤカメラによって蓄積される、個々のセンサのイメージ
の加算画像において法線方向の、すなわち流れを特徴付けている粒子の、時間も
しくは検出空間においてこの時間に発生された光面の場所の関数としてのｙ座標
のカラーコード化が行われることになる。
【００２６】 更に、ここまで説明してきたカラーコード化の方法を組み合わせとしても使用
することができることを指摘しておく。
【００２７】 図１には、特許出願明細書ＤＥ１９９６３３９３．２号に既に記載の流れ解析
装置５がそこに記載のものと類似した形において示されている。この装置は、照
明装置１２を備えている。これは光源１０、殊に単色、白色または多色のレーザ
ビーム源、後置接続されているコリメータ１３、多角形スキャナー１５および検
流計スキャナー１４とによって形成される。従ってこの照明装置１２によってま
ず光ビーム１１が発生される。光ビームは、検出空間２５を掃引する。検出空間
とは時間的に順次に発生され、空間的に上下もしくは縦方向に配置され、少なく
とも近似的に平行な同色の光面１７，１８，１９，２０，２１，２２の形のもの
である。検出空間２５の端面２６に更に、ＣＣＤカメラの形のイメージ検出器１
６が配置されている。これは内部に３つのセンサ１６′を有している。これらの
センサ１６′はイメージ検出器１６において例えばそれ自体公知のチップの形に
おいて表されている。これらはカラー赤、緑および青に対して感応する。従って
イメージ検出器１６から送出されるないし一時記憶される２次元のイメージは、
センサ１６′のイメージの合計、殊にカラーである。択一的に、ＣＣＤカメラに
おける３つのセンサ１６′はｓ／ｗ（schwarz／weiss＝黒白）センサであってよ
く、その場合グレー値信号はそれぞれカラーに対応付けられているので、結果的
にこのようにして同様に、例えばこれら３つのｓ／ｗセンサをＲＧＢカラーモニ
タのＲ，ＧおよびＢの接続端子に割り当てることによって、２次元のカラーのイ
メージが生じる。
【００２８】 イメージ検出器１６には更に電子的な制御ユニット２７が収容されている。こ
れを用いて、個々のセンサ１６′に該当する露光時間および／または個々のセン
サ１６′に該当する、これらセンサ１６′のそれぞれの周波数領域に対する感度
を変えることができる。更に、イメージ検出器１６は評価ユニット２９、例えば
コンピュータに接続されているようになっている。ここには、イメージ検出器１
６によって検出された２次元のカラーイメージが記憶される。評価ユニット２９
は検出空間２５の検出された２次元のイメージの評価のために「パーチクル・ト
ラッキング（粒子追跡）」アルゴリズムまたは相関法を使用するようにしており
、その際この評価は検出されたイメージのスペクトル組成と関連付けられて行わ
れる。このようにして、評価ユニット２９を用いて、２次元の単数または複数の
検出されたイメージから３次元の検出空間２５の走査された領域における粒子の
場所またはその空間的な移動も時間の関数として突き止められる。これにより今
や、検出空間２５の個々の走査過程間に経過する時間を考慮して、流れを特徴付
ける個々の粒子の局所的な流速を突き止めることができ、ここで走査過程とは、
光面１７，１８，１９，２０，２１および２２を用いた検出空間２５の一回の、
完全な掃引、すなわちラスタ状のスキャンのことをいう。その際局所的な流速の
ｘないしｙ成分は直接、ｘｚ面におけるこの粒子の局所的な移動から得られ、一
方この粒子の局所的な流速のｙ成分は説明してきた方法で発生されたカラー情報
ないし単数または複数の検出されたイメージの行われたカラーコード化から突き
止めることができる。
【００２９】 図１では更に、イメージ検出器１６は照明装置１２、殊に光源１０に、相関ユ
ニット３０を介して接続されているようになっている。この相関ユニット３０に
よって一方において、検出器１６において検出された周波数スペクトルないし検
出された周波数および／または検出された強度の時間的な変化が周期的に行われ
ること、かつ同時に、このような周期的な変化が光面１７，１８，１９，２０，
２１，２２を通る検出空間２５の周期的な走査と相関または同期されることが保
証される。その際光面１７，１８，１９，２０，２１，２２を通る検出空間２５
の走査周期は有利には、イメージ検出器１６の検出された周波数スペクトルない
し検出された周波数および／または検出された強度の時間的な変化の周期に等し
い。しかし更に、走査周期はこれら周期の整数倍であってもよい。
【００３０】 図２には、イメージ検出器１６に収容されている３つのセンサ１６′のうち少
なくとも１つがどのように回転するグレーフィルタ２８を備えているかが例示さ
れている。その際このグレーフィルタ２８の回転は相関ユニット３０を介して検
出空間２５の走査と相関されて、検出空間２５に含まれていて、流れを特徴付け
ている粒子から出るまたは散乱される電磁波の、センサ１６′には時間の関数と
して与えられる強度が規定の光面１７，１８，１９，２０，２１または２２に一
義的に対応付けることができるようにされる。全体として、回転するグレーフィ
ルタ２８によって次のことが実現される：イメージ検出器１６によって検出され
た２次元のイメージが検出空間２５の走査の期間にスペクトル組成、ひいてはそ
のカラーが変えられるのである。このことは次のようにして行われる：センサ１
６′の１つの、検出されるイメージに対する割り当て部分を、回転するグレーフ
ィルタ２８に基づいてこのイメージによって記録される強度変化によって変調す
る。その際検出すなわち記録される２次元のイメージは、イメージ検出器１６に
収容されているセンサ１６′の単一画像の合計である。回転するグレーフィルタ
２８によるセンサ１６′における強度変化を実現するために、グレーフィルタは
更に次のように実現されている：センサ１６′によって検出される強度に対して
、回転するグレーフィルタ２８に入射する電磁波の強度が一定の場合には、グレ
ーフィルタ２８の回転に相応する周期的な変調が行われるようにである。その際
センサ１６′における強度変調の周期は有利には、グレーフィルタ２８の１回転
に相応する。
【００３１】 具体的には、図２に示されているようなグレーフィルタ２８の回転周波数は例
えば２０ｋＨｚまででありかつ更に殊に、説明した方法で発生された光面１７，
１８，１９，２０，２１，２２から成る検出空間２５の走査周波数に等しい。そ
の際更に、使用の走査周波数は勿論、測定すべき流速に整合されていなければな
らないことに注意すべきである。図３は、図２を平面図にて示すものである。
【００３２】 図４には、図２および図３に対して択一的な方法、すなわちイメージ検出器１
６によって検出された周波数スペクトルないしこれによって検出された強度を時
間的に変化させるための方法が示されている。その際図４に示されているように
、まずは最初に、イメージ検出器１６がＣＣＤカメラの形で実現されており、そ
の内部には３つのセンサ１６′があって、これらセンサはカラー赤、緑および青
に対して感応するものであるかまたはｓ／ｗセンサとしてこれらを表すものであ
るようになっている。更に、イメージ検出器１６が電気的な制御ユニット２７を
有していて、これによってそれぞれのセンサ１６′に対して別個にこのセンサ１
６′の強度感度の時間に依存している変更が行われるようになっている。個々の
センサ１６′の感度のこの時間に依存している変更は図４ではカラー赤（Ｒ）、
緑（Ｇ）および青（Ｂ）に対して図示されている。
【００３３】 この変更に基づいて、個々のセンサ１６′の単一イメージの合計イメージにお
いて、検出空間２５に含まれている、流れを特徴付けている粒子の定義されたカ
ラーコーディングが得られる。ここで合計イメージとは２次元のカラーイメージ
の形でイメージ検出器１６によって記録されるものである。その際カラーコーデ
ィングはｙ方向においてこれらの粒子の場所に関する情報を含んでいる。このよ
うにして殊に、記録中でも、すなわち検出空間２５の検査される領域の唯一の２
次元のカラーのイメージの検出によって、ｘｚ面並びにこれに対して垂直である
ｙ方向における粒子の動きを求めることができる。
【００３４】 図５には、図４に対して択一的である、カラーコーディング方法が示されてお
り、その際ここでは、図４とは異なって、個々のセンサ１６′の感度の変調は行
われず、個々のセンサ１６′ないしチップに対して行われる露光時間の変化が行
われる。その際この露光時間はそれ自体公知の方法で、電子的な制御ユニット２
７を用いた位相変調および／または個々のセンサ１６′の制御のパルス幅変調に
よって行うことができる。この位相ないしパルス幅変調は、光面１７，１８，１
９，２０，２１，２２を通る検出空間２５の走査と相関ユニット３０を介して同
期される。
【００３５】 イメージ検出器１６によって検出される、検出空間２５の２次元のカラーのイ
メージを評価するための別の詳細に関しては、特許出願第ＤＥ１９９６３３９３
．２号明細書が参考になる。そこに説明されている評価方法は述べてきた実施例
の例に対しても使用することができる。
【００３６】 更に、検出空間２５の粒子の流速の特定は、そこに詳細に説明されている方法
を用いても行われる。
【００３７】 この関連において更に、イメージ検出器１６によって、検出空間２５のそれぞ
れの走査過程に対して２次元のカラーイメージが検出され、それからそれが検出
空間２５の、特別のその短時間後に検出された２次元のイメージと相関されるか
、またはこれに対して択一的に、検出空間２５の２次元のカラーイメージにおい
て択一的に複数の走査過程が捕捉されて、検出空間２５における粒子の動きが直
接、場合によってはこの２次元のカラーイメージ中に異なって色付けられた散乱
光ドットのドット形状の軌跡としてとして生じることになるかであることを強調
しておきたい。
【００３８】 更に、流れの空間ないし検出空間２５のイメージ形成はＣＣＤカメラではなく
て、３チップ特殊カメラ、例えばいわゆるＬＬＴ３カメラを用いて行うことがで
きることを改めて指摘しておきたい。この場合、このカメラ内に、ＲＧＢイメー
ジのカラー赤、緑および青を表している白黒センサの形の３つのセンサ１６′が
使用される。それからそれぞれのカラーは評価ユニット２９においてセンサ１６
′の粒子の重畳によって個別センサのグレー値イメージの強度の比から再構築さ
れ、かつ擬似カラーにおいて表示される。それ故に感度ないし個々のセンサに該
当する露光時間１６′を介してこの形式のＬＬＴ３カメラによっても検出空間２
５の最終的に得られたイメージのカラーコード化が可能である。
【００３９】 検出空間２５のディメンジョンは説明してきた例において１０ｃｍ×１０ｃｍ
×１０ｃｍのディメンジョンを有している。縦に並んで配置されている光面１７
，１８，１９，２０，２１の数は、少なくとも３であるが、普通は例えば１００
ないし２００という多数の光面が設けられている。更に、照明装置１２における
多角形スキャナー１５に代わって、１つまたは複数の周知の円筒レンズの使用も
可能である。有利には多角形スキャナー１５は測定の課題に応じて２０，０００
ないし６０，０００Ｕ／ｍｉｎ（毎秒当たりの回転数）で回転し、殊には毎秒４
０，０００回転数である。しかしスキャン速度は原理的には、ＭＨｚの領域にま
で高めることができる。検出空間に含まれている粒子の大きさは典型的には、１
μｍないし６０μｍのオーダにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 流れ解析装置全体の概略図である。
【図２】 回転するフィルタが前置接続されているセンサの側面図である。
【図３】 図２の前置接続されているフィルタを備えたセンサの平面図である。
【図４】 カラー赤、緑および青に対するＣＣＤカメラにおける３つのセンサのスペクト
ル感度の時間に依存している変化を示す線図である。
【図５】 カラー赤、緑および青に対するＣＣＤカメラにおける３つのセンサの種々異な
った露光時間によるカラーパターン列を示す線図である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 ゲールリンゲン ロベ ルト−コッホ−シュトラーセ 50 Ｆターム(参考） 5B057 BA02 CA01 CA12 CA16 DB02 DB06 DC25 DC36 5L096 AA02 CA02 FA34 FA64 HA04 JA11

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流れの解析、例えば検出空間（２５）における液体またはガ
    スの流速成分の３次元的に突き止めるまたは流れを３次元的に観測できるように
    するための方法であって、 時間的に相次いで少なくとも２つの少なくとも近似的に平行な、空間的に縦に並
    んで配置される光面（１９，１８，１７，２０，２１，２２）を電磁ビーム、例
    えば前以て決められているカラーで発生し、該電磁ビームによって前記検出空間
    （２５）を少なくとも領域毎に走査し、かつ 少なくとも部分的に、前記検出空間（２５）に含まれている、流れを特徴付けて
    いる粒子から出るまたは粒子によって散乱される電磁波を少なくとも１つのイメ
    ージ検出器（１６）によって検出する という形式の方法において、 前記検出空間（２５）の走査の際、前記イメージ検出器（１６）の少なくとも１
    つによって検出された、粒子から出たまたは粒子によって散乱された電磁波の周
    波数またはイメージ検出器（１６）の少なくとも１つによって検出された、粒子
    から出たまたは粒子によって散乱された電磁波の周波数スペクトルおよび／また
    はイメージ検出器（１６）の少なくとも１つによって検出された、粒子から出た
    または粒子によって散乱された電磁波の強度を時間の関数として変化させる ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記検出空間（２５）の少なくとも１つの領域の、イメージ
    検出器（１６）の少なくとも１つによって相次いで検出されたイメージにおける
    スペクトル組成および／またはイメージ検出器（１６）の少なくとも１つによっ
    て検出されたイメージ内のスペクトル組成を時間の関数として変化させる 請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 少なくとも１つのイメージ検出器（１６）のスペクトル感度
    、イメージ検出器（１６）の少なくとも１つに入射する強度および／または前記
    検出空間（２５）の走査の際のイメージ検出器（１６）の少なくとも１つに対す
    る電磁波の入射の、相次いで検出されるイメージ間および／またはイメージ内の
    持続時間を時間の関数として変化させる 請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記検出空間（２５）の走査をイメージ検出器（１６）とし
    ての少なくとも１つのＣＣＤカメラによって記録する 請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 少なくとも近似的に平行な、空間的に縦に並んで配置される
    光面（１９，１８，１７，２０，２１，２２）を発生するために光ビーム（１１
    ）、例えばカラーまたは単色のレーザビームを使用する 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】 光面（１９，１８，１７，２０，２１，２２）を発生するた
    めに使用される電磁ビームをパルスまたは持続波作動において発生する 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】 時間的に相次いで発生されかつ空間的に縦に並んで配置され
    る光面（１９，１８，１７，２０，２１，２２）は前記検出空間（２５）を、イ
    メージ検出器（１６）が該検出空間（２５）の時間的に少なくとも近似的に連続
    的に照らされている状態を知覚するように走査する 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】 単数または複数のイメージ検出器（１６）を前記検出空間（
    ２５）の走査期間中、被写界深度について連続的にまたはステップ毎に追従制御
    して、時間的に相次いで発生されかつ空間的に縦に並んで配置される光面（１９
    ，１８，１７，２０，２１，２２）がイメージ検出器（１６）の場所でそれぞれ
    少なくとも近似的にシャープに結像されるようにする 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】 前記検出空間（２５）の少なくとも２つの走査を短い時間間
    隔をおいて、例えば多数の周期的な走査において行い、ここでイメージ検出器（
    １６）を用いて、検出空間（２５）の２次元のイメージを検出し、該イメージに
    よって、少なくとも２つの、例えば直接相連続して続く、検出空間（２５）の走
    査で粒子から出たまたは粒子によって散乱された光を捕捉検出する 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】 イメージ検出器（１６）を用いて、検出空間（２５）の２
    次元のイメージを検出し、ここで少なくとも２つの、例えば短時間で相次いで検
    出されたイメージにおいて、粒子から出たまたは粒子によって散乱された光を検
    出空間（２５）のその都度少なくとも一回の走査によって捕捉検出する 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】 検出空間（２５）の検出されたイメージの評価を、「パー
    チクル・トラッキング」アルゴリズムまたは該検出されたイメージのスペクトル
    組成を関連付けた相関法を用いて行い、ここで単数または複数の検出された２次
    元のイメージから、３次元の検出空間（２５）の走査された領域における粒子の
    場所および／または該場所の空間的なずれを時間の関数として突き止める 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】 走査過程の間の持続時間を考慮して、ここの粒子の局所的
    な流速を突き止める 請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 検出された周波数または検出された周波数スペクトルおよ
    び／または検出された強度の時間的な変化を周期的に行う 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】 イメージ検出器（１６）の少なくとも１つによって相次い
    で検出されたイメージおよび／またはイメージ検出器（１０）の少なくとも１つ
    によって検出されたイメージ内で検出された周波数または検出された周波数スペ
    クトルおよび／または検出された強度の時間的な変化を検出空間（２５）の周期
    的な走査と相関または同期し、ここで走査周期は例えば、検出された周波数また
    は検出された周波数スペクトルおよび／または検出された強度の時間的な変化の
    周期に等しいまたはその整数倍である 請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
  15. 【請求項１５】 流れの解析、例えば検出空間（２５）における液体または
    ガスの流速成分を３次元的に突き止めるまたは流れを３次元的に観測できるよう
    にするための装置であって、 少なくとも１つの照明装置（１２）によって、時間的に相次いで少なくとも２つ
    の少なくとも近似的に平行な、空間的に縦に並んで配置される光面（１９，１８
    ，１７，２０，２１，２２）が例えば前以て決められている周波数または前以て
    決められている周波数スペクトル、例えばカラーを有する電磁ビームによって発
    生可能であり、該電磁ビームによって前記検出空間（２５）が少なくとも領域毎
    に走査可能であり、かつ 少なくとも部分的に、前記検出空間（２５）に含まれている、流れを特徴付けて
    いる粒子から出るまたは粒子によって散乱される電磁波が少なくとも１つのイメ
    ージ検出器（１６）によって検出可能である という形式の装置において、 前記検出空間（２５）の走査の際、前記イメージ検出器（１６）によって検出さ
    れた、粒子から出たまたは粒子によって散乱された電磁波の周波数または前記イ
    メージ検出器（１６）によって検出された周波数スペクトルおよび／または前記
    イメージ検出器（１６）によって検出された、粒子から出たまたは粒子によって
    散乱された電磁波の強度を時間の関数として変化させることができる手段（２７
    ，２８）が設けられている ことを特徴とする装置。
  16. 【請求項１６】 前記照明装置（１２）は少なくとも１つの光源（１０）、
    例えばレーザ源、コリメータ（１３）、多角形スキャナー（１５）および検流計
    形スキャナー（１４）を有している 請求項１５記載の装置。
  17. 【請求項１７】 前記イメージ検出器（１６）は、前記検出空間（２５）の
    少なくとも１つの端面、例えば発生された光面（１７，１８，１９，２０，２，
    ２２）に対して平行である、該検出空間（２５）の端面（２６）に配置されてい
    る 請求項１５記載の装置。
  18. 【請求項１８】 前記イメージ検出器（１６）は、白黒カメラまたはカラー
    カメラ、例えばＣＣＤカメラまたは３チップカメラであり、該カメラを用いて、
    前記検出空間（２５）の少なくとも１つの領域の２次元のイメージが検出可能で
    あるまたは擬似カラーにおいて表示可能である 請求項１５記載の装置。
  19. 【請求項１９】 カメラまたはイメージ検出器（１６）は被写界深度を調整
    設定するための装置を備えている 請求項１５または１８記載の装置。
  20. 【請求項２０】 検出された２次元のイメージを評価および／または記憶す
    るための評価ユニット（２９）、例えばコンピュータが設けられている 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】 検出された周波数スペクトルまたは検出された周波数の、
    平均によって生じた時間的な変化および／または検出された強度の時間的な変化
    と、前記照明装置（１２）によって行われた、前記検出空間（２５）の走査とを
    相関、例えば同期するための相関ユニット（３０）が設けられている 請求項１５から２０までのいずれか１項記載の装置。
  22. 【請求項２２】 前記イメージ検出器（１６）は３つのセンサ（１６′）、
    例えば３つの異なったカラーまたは周波数領域を検出するための３つのチップを
    有するＣＣＤカメラであり、かつ 前記変化させる手段（２７，２８）は例えばＣＣＤカメラに集積されている電子
    的な制御ユニット（２７）であり、該制御ユニットによって選択的に、カメラ内
    の少なくとも１つのセンサ（１６′）のスペクトルまたは積分感度および／また
    はカメラ内の、少なくとも１つのセンサ（１６′）に入射する強度を時間の関数
    として変化可能である 請求項１５から２１までのいずれか１項記載の装置。
  23. 【請求項２３】 少なくとも３つのＣＣＤカメラがイメージ検出器（１６）
    として設けられており、該イメージ検出器はそれぞれ検出空間（２５）の同じ領
    域を捕捉検出しかつ該イメージ検出器によって検出された周波数または検出され
    た周波数スペクトルおよび／または強度はでに制御ユニット（２７）を用いてそ
    の都度時間の関数として変化可能である 請求項１５から２２までのいずれか１項記載の装置。
  24. 【請求項２４】 前記変化させる手段（２７，２８）は、少なくともイメー
    ジ検出器（１６）の前または少なくともセンサ（１６′）、例えばＣＣＤカメラ
    のチップの前に取り付けられているフィルタ、例えば回転するグレーフィルタ（
    ２８）、回転するカラーフィルタまたは偏光子が前置接続されている回転する偏
    光フィルタである 請求項１５から２３までのいずれか１項記載の装置。
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