JPH1090294A - ３次元流体構造の検出方法及び装置 - Google Patents

３次元流体構造の検出方法及び装置

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JPH1090294A
JPH1090294A JP9239218A JP23921897A JPH1090294A JP H1090294 A JPH1090294 A JP H1090294A JP 9239218 A JP9239218 A JP 9239218A JP 23921897 A JP23921897 A JP 23921897A JP H1090294 A JPH1090294 A JP H1090294A
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アルント シュテファン
Klaus Dr Reymann
ライマン クラウス
Michael Dr Huebel
ヒューベル ミヒャエル
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体領域のシーケンシャルな走査を必要とし
ない、光切断面を用いる３次元流体構造の検出方法及び
装置を提供することである。 【解決手段】 上記課題は、流体測定領域において、異
なる波長乃至は色、光強度及び/又は偏光の多数の光切
断面を形成し、流体によって運動させられる粒子が光切
断面を横切る際に発生する散乱光を、各光切断面に対し
て別個に粒子トレースとして光学的に検出してカラーコ
ード化乃至はポラリゼーションコード化して記録し、光
切断面の検出された粒子トレースを粒子パスに統合し、
この粒子の統合されたパスに基づいて、流体の３つの速
度成分を計算することによって解決される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は３次元流体構造の検
出方法に関する。さらに本発明は、光切断面形成用の光
源を有し、光切断面に割り当てられる散乱光検出用撮影
装置を有し、この散乱光は粒子が光切断面を横切る際に
発生され、さらに評価及び制御装置を有する、３次元流
体構造を検出するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術からは一般に流体アネモメー
タ、例えばレーザドップラーアネモメータが公知であ
る。このレーザドップラーアネモメータは、流体領域の
瞬間的な測定ができる。一瞬の測定のためにこの方法は
非常に時間がかかる。従って、３次元の乱流構造の同時
測定には全領域測定方法が必須である。
【０００３】これに関しては、これまでは実時間ベクト
ル化によるレーザ光切断面法及び粒子画像速度測定法
（particle image velocimetry)(PIV)のような２次元的
な方法しか知られていない。しかし、これらの方法は、
３次元的な構造を、時間的に連続撮影される多数の光切
断面を並べることによって検査しなければならないとい
う意味で、流体領域のシーケンシャルな走査を必要とす
る。
【０００４】これらの方法の不利な点は、次の点にあ
る。すなわち、例えば流体が不安定でかつ光切断面（検
査平面）に対して垂直な速度成分が大きい場合や装置の
構造が不十分な光学的方法のせいで主要な流体の方向に
光切断面を形成できない場合など、多くの技術的に重大
な流体の問題がある場合には、これらの方法は適用でき
ない、という点にある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、流体
領域のシーケンシャルな走査を必要としない、光切断面
を用いる３次元流体構造の検出方法及び装置を提供する
ことである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題の方法は、流体
測定領域において、異なる波長乃至は色、光強度及び/
又は偏光の多数の光切断面を形成し、流体によって運動
させられる粒子が前記光切断面を横切る際に発生する散
乱光を、各前記光切断面に対して別個に前記粒子トレー
スとして光学的に検出してカラーコード化乃至はポラリ
ゼーションコード化して記録し、前記光切断面の検出さ
れた前記粒子トレースを該粒子パスに統合し、該粒子の
統合されたパスに基づいて、前記流体の３つの速度成分
を計算することによって解決される。
【０００７】上記課題の装置は、他の光切断面を形成す
る、異なる波長、光強度及び/又は偏光の少なくとも１
つの他の光源と、前記他の光切断面に割り当てられる撮
影装置とを有することによって解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態】流体測定領域において、異なる波
長乃至は色、光強度及び/又は偏光の多数の光切断面を
形成し、流体によって運動させられる粒子が光切断面を
横切る際に発生する散乱光を、各光切断面に対して別個
に粒子トレースとして光学的に検出してカラーコード化
乃至はポラリゼーションコード化して記録し、光切断面
の検出された粒子トレースを粒子パスに統合し、粒子の
統合されたパスに基づいて、流体の３つの速度成分を計
算することを有する本発明の方法及び他の光切断面を形
成する、異なる波長、光強度及び/又は偏光の少なくと
も１つの他の光源とこの他の光切断面に割り当てられる
撮影装置とを有する本発明の装置は、従来技術に対し
て、これまで解析不可能だった流体領域も３次元で検出
できるという利点を有する。このことは、とりわけ１つ
の光切断面のほかに、異なる波長の他の光切断面を平行
に又は任意に空間的にずらして形成することによって達
成される。光切断面のこの多層配置により、流体領域を
シーケンシャルに走査する必要なしに第３の速度成分を
求めることができる。この光切断面の数は、カラーコー
ド化のほかに各波長の偏光面（垂直方向の偏光及び水平
方向の偏光）を変化させることによって、付加的に増や
すことができる。例えば、３つの波長によって全部で６
つの光切断面を発生させることができる。これら６つの
光切断面は選択的に評価することができる。
【０００９】光切断面を形成するための光が時間に依存
して例えばブラッグセル（Bragg cell）によって強度変
調されると、とりわけ有利であることが示された。この
強度変調は、この流体領域で運動する粒子（トレーサ粒
子）の散乱光にも相応に再現される。このことによっ
て、明確に散乱粒子の初期位置、最終位置及び方向を撮
影によって識別することができる（矢印コード化）。
【００１０】本発明の改良実施形態では光切断面を形成
するためにただ１つの光源が設けられている。この光源
は異なる波長の光を、有利にはレーザを放射する。この
際、カラースプリッタが多色光を個々の波長に分解す
る。異なって偏光された光切断面の場合には、付加的に
偏光子によって分解が行われる。
【００１１】別の実施形態では、１つの光源の代わりに
多数の光源が、有利にはレーザが設けられる。これらの
多数の光源はそれぞれ異なる波長を有し、さらにそれぞ
れ１つの光切断面を形成する。
【００１２】有利には、光切断面に割り当てられる撮影
装置はコスト安なＣＣＤアレイを有する。このＣＣＤア
レイは撮影した画像をコンピュータに後続処理のために
供給する。
【００１３】本発明の改良実施形態では、各撮影装置に
調整装置が配属される。この調整装置は対応する光切断
面への精確な焦点合わせを行うことができる。これによ
って、測定結果の質がさらに向上する。
【００１４】有利には多数のＣＣＤアレイが、光切断面
において発生する散乱光の検出のために使用されるの
で、モノクロメータ乃至は干渉フィルタ及び場合によっ
ては偏光フィルタをＣＣＤアレイのビーム路に前置接続
しなければならない。この結果、対応しない光切断面の
散乱光はフィルタリングされて取り除かれる。
【００１５】さらに撮影装置は唯一のカラービデオカメ
ラ又はカラーフォトカメラに置き換えると有利である。
この唯一のカラービデオカメラ又はカラーフォトカメラ
は散乱光の検出される色に基づいて、各光切断面への割
り当てを実施する。これにより、構造の簡略化ができ
る。
【００１６】他の方法は、（第３の次元において）連続
的に色を変化させることによって幅広い光切断面を形成
し、カラービデオカメラによって散乱光を検出すること
である。適当な対物レンズの選択によって乃至は遮蔽に
よって光切断面全幅のシャープな結像を得ることができ
る。光源としては、後置接続されるスペクトル分解手段
（プリズム、格子）を有する強い白色光源又は白色レー
ザを使用すればよい。
【００１７】本発明の他の利点及び実施形態は他の従属
請求項から得られる。
【００１８】
【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて次に詳しく
説明する。
【００１９】測定装置１はＡｒイオンレーザ３を含み、
このＡｒイオンレーザ３はとりわけ４７６.５nm、４８
８nm及び５１４nmの波長を有する光を発生する。このレ
ーザから発生される光はカラースプリッタ５に供給され
る。このカラースプリッタ５はこの光を個々の色乃至は
波長に分解する。分解された光ビームはついでそれぞれ
光学系７.１、７.２及び７.３に供給される。これら光
学系７.１、７.２及び７.３はいわゆる光切断面９を形
成する。
【００２０】色分解によって３つの光切断面９.１、９.
２、９.３は明確にその波長によって区別される。
【００２１】これら光切断面に配属されているのが対物
レンズ１１であり、この対物レンズ１１は光切断面９か
ら来る光を焦点に集めてビームスプリッタ１３に供給す
る。このビームスプリッタ１３は到来する光を３つの撮
影装置１５に導く任務を有している。個々の撮影装置の
それぞれの切断面への焦点合わせは調整装置１７.１、
１７.２及び１７.３によって行われる。これによって撮
影装置１５を光切断面に１対１対応で割り当てることが
達成される。
【００２２】図示された実施例では、この場合、撮影装
置１５.１は光切断面９.１に、撮影装置１５.２は光切
断面９.２に、撮影装置１５.３は光切断面９.３に割り
当てられている。
【００２３】さらに、各撮影装置１５にはフィルタ乃至
はモノクロメータ１９が前置接続されており、このフィ
ルタ乃至はモノクロメータ１９は望ましくない波長の光
を透過させない。この場合では、望ましくない波長と
は、それぞれ他の撮影装置が受け取る波長である。
【００２４】光切断面からの光ビームの受光は、撮影装
置においてここには図示されていないＣＣＤアレイによ
って行われる。このＣＣＤアレイは、その画像情報を、
ここでは概略的にのみ示されているコンピュータ２１
へ、評価及び後続処理、例えばデジタル化及び記憶のた
めに供給する。
【００２５】装置１の作用を図２〜図４に基づいて説明
する。
【００２６】例えば図３ａに図示されているような、解
析されるべき流体領域には光切断面９が相互に平行に空
間的にずらされて形成される。この場合、光切断面９の
長手軸は主要な流体の方向を示す。
【００２７】この流体領域を測定するために、この流体
によって運動させられる粒子を利用する。この粒子はす
でに自然にその領域に存在するか又はわざとその領域に
投入される。光切断面を横切る際に各粒子に光が反射さ
れ、この反射光は散乱光として対物レンズ１１に到達す
る。このような散乱光は、例えば光切断面９.１に入っ
た時点から光切断面９.３から出るまでに３つの撮影装
置１５によって検出される。よって、撮影装置１５のＣ
ＣＤアレイによって生成される画像は、例えば図２に図
示されているような粒子トレース２３を与える。この場
合、粒子トレース２３.１は光切断面９.１における距離
に対応し、粒子トレース２３.２は光切断面９.２におけ
る距離に対応し、粒子トレース２３.３は光切断面９.３
における距離に対応する。粒子トレース２３.１の図的
に強調された端部及び粒子トレース２３.３の矢印の先
端は、レーザ光の時間的強度変調（矢印コード化）によ
って得られ、これによって検査されるべき粒子が全露光
時間中に光切断面の領域に存在したかどうかを表示す
る。これはつまり、検出される粒子は露光時間の開始時
には粒子トレース２３.１の初期位置に存在し、露光時
間の終了時には粒子トレース２３.３の矢印先端に存在
したことを意味する。
【００２８】これら３つの個々の画像２５.１、２５.２
及び２５.３を評価コンピュータ２１が１つの共通画像
２７に統合する。この時に得られる粒子の全パス２３は
ｘ/ｙ平面におけるこの粒子の運動経過の像を表す。
【００２９】前述した露光時間ｔｂ及び全撮影光学系の
結像尺度ｆａによってｘ方向の速度成分Ｖｘ及びｙ方向
の速度成分Ｖｙが計算される。明確にするために、図３
ａに線図を示した。この線図では粒子パス２３のｘ/ｙ
距離成分Ｓｘ及びＳｙが記されている。これらのパラメ
ータに基づいて次の速度成分が得られる。
【００３０】Ｖｘ＝（Ｓｘ/ｔｂ）ｆａ Ｖｙ＝（Ｓｙ/ｔｂ）ｆａ 第３の速度成分Ｖｚの計算は、間接的に例えば中間の光
切断面９.２における粒子の滞在時間に基づいて求めら
れる。このためには、粒子トレースに付加的な時間構造
を例えばレーザビームの多重露光又は変調によって刻印
する。このことから図３ａの線図に示される時間ｔ
ｂＥ２が得られる。このｔｂＥ２は、光切断面９.２に
おける粒子の滞在時間に相応する。この光切断面におい
てｚ方向に進んだ距離ＳＥ２ｚによってこの第３の速度
成分が計算される。
【００３１】Ｖｚ＝ＳＥ２ｚ/ｔｂＥ２ この滞在時間ｔｂＥ２は、さらに中間の光切断面９.２
の粒子トレース２３.２と粒子パス２３の全距離との比
を形成することによっても計算される。
【００３２】よって、この滞在時間ｔｂＥ２と露光時間
ｔｂとの比は、粒子トレース２３.２の距離と粒子パス
２３の距離の比に相応する。しかし、このための前提条
件は、このパスが３つ全ての光切断面において検出さ
れ、さらに外側にある２つの光切断面において初期位置
と最終位置とを見いだすことができるということであ
る。
【００３３】ｚ成分の測定のための他の方法は、図４に
図示されている。この場合ｚ方向の光切断面は非対称的
に強度変調され、この光強度曲線は図４ｃに図示された
線図に記されている。これは半分のガウス曲線である。
【００３４】撮影装置、この実施例ではビデオカメラ
は、異なる光強度も検出できるように構成されている。
検出される光強度に基づいて、光切断面内部の粒子のｚ
位置が推定される。この結果、ｚ方向に走行した区間距
離Ｓｚｍｎが強度分布に基づいて容易に求められる。こ
れは、粒子パス２３の初期位置及び最終位置の強度値を
使用することによって求められる。この値Ｓｚｍｎによ
って速度成分が次式によって得られる。
【００３５】Ｖｚ＝Ｓｚｍｎ/ｔｂｍｎ 当然、ｚ成分を求めるために、粒子２３の他の強度値を
使用することもできる。例えば、中間の光切断面に入る
時の強度値とこの中間の光切断面から出る時の強度値を
使用することもできる。
【００３６】この実施例で示した３つの撮影装置を含む
撮影光学系の代わりに、ただ１つの撮影装置を有する、
例えば高い位置解像度を有するカメラ乃至は高速度カメ
ラを有する撮影システムを使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置及びこの本発明の装置によって検
出される画像の概略図である。
【図２】速度成分の計算のための本発明の装置の概略図
である。
【図３】速度成分の計算のための本発明の装置の概略図
である。
【図４】本発明の別の実施例の概略図及び測定方法を説
明するための線図である。
【符号の説明】
１ 測定装置 ３ Ａｒイオンレーザ ５ カラースプリッタ ７ 光学系 ９ 光切断面 １１ 対物レンズ １３ ビームスプリッタ １５ 撮影装置 １７ 調整装置 １９ モノクロメータ ２１ コンピュータ ２３ 粒子パス ２５ 画像 ２７ 共通画像
───────────────────────────────────────────────────── 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 ゲルリンゲン ローベ ルト−コッホ−シュトラーセ 50 (72)発明者 ミヒャエル ヒューベル ドイツ連邦共和国 ゲルリンゲン シラー シュトラーセ 58

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ３次元流体構造の検出方法において、 流体測定領域において、異なる波長乃至は色、光強度及
    び/又は偏光の多数の光切断面を形成し、 流体によって運動させられる粒子が前記光切断面を横切
    る際に発生する散乱光を、各前記光切断面に対して別個
    に前記粒子トレースとして光学的に検出してカラーコー
    ド化乃至はポラリゼーションコード化して記録し、 前記光切断面の検出される前記粒子トレースを該粒子パ
    スに統合し、 該粒子の統合されたパスに基づいて、前記流体の３つの
    速度成分を計算することを特徴とする３次元流体構造の
    検出方法。
  2. 【請求項２】 ２つの速度成分を、光学的撮影装置の露
    光時間及び結像尺度に基づいて計算することを特徴とす
    る請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 少なくとも１つの光切断面における粒子
    の滞在時間を検出し、第３の速度成分の算出のために使
    用することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】 光切断面を第３の方向において非対称に
    光強度変調し、検出される散乱光強度に基づいて粒子の
    滞在位置を求め、これにより第３の速度成分を計算する
    ことを特徴とする請求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 算出される速度成分は全流体領域の計算
    及び３次元表示のための基礎データとして使用されるこ
    とを特徴とする請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 多数の光切断面からの画像情報は、３次
    元流体構造の定性表示に使用されることを特徴とする請
    求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 光切断面形成用の光源を有し、 前記光切断面に割り当てられる散乱光検出用撮影装置を
    有し、前記散乱光は粒子が前記光切断面を横切る際に発
    生され、 さらに評価及び制御装置を有する、３次元流体構造を検
    出するための装置において、 他の光切断面を形成する、異なる波長、光強度及び/又
    は偏光の少なくとも１つの他の光源と、 前記他の光切断面に割り当てられる撮影装置とを有する
    ことを特徴とする、３次元流体構造を検出するための装
    置。
  8. 【請求項８】 前記他の光切断面は第１の光切断面に対
    して平行に配置されていることを特徴とする請求項７記
    載の装置。
  9. 【請求項９】 光源はレーザーを有することを特徴とす
    る請求項７記載の装置。
  10. 【請求項１０】 光源は多色レーザーに統合されてお
    り、カラースプリッタ及び/又は偏光装置が設けられて
    おり、該カラースプリッタ及び/又は偏光装置は多数の
    色を分離し、相応する光切断面に供給することを特徴と
    する請求項７記載の装置。
  11. 【請求項１１】 撮影装置はＣＣＤ領域を有することを
    特徴とする請求項７〜１０までのうちの１項記載の装
    置。
  12. 【請求項１２】 撮影装置（１５）には、光切断面
    （９）に焦点合わせするための調整装置（１７）が配属
    されていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
  13. 【請求項１３】 ＣＣＤ領域にはフィルタ又はモノクロ
    メータ（１９）が前置接続されていることを特徴とする
    請求項１１又は１２記載の装置。
  14. 【請求項１４】 撮影装置（１５）にはビームスプリッ
    タ装置（１３）が前置接続されており、 該ビームスプリッタ装置（１３）は光切断面から来る光
    を分離し、個々の撮影装置（１５）に供給することを特
    徴とする請求項７〜１３までのうちの１項記載の装置。
  15. 【請求項１５】 ビームスプリッタ装置（１３）には対
    物レンズ（１１）が前置接続されていることを特徴とす
    る請求項１４記載の装置。
  16. 【請求項１６】 撮影装置（１５）はカラービデオカメ
    ラ又はカラーフォトカメラを含むことを特徴とする請求
    項７〜１０までのうちの１項記載の装置。
  17. 【請求項１７】 光強度曲線は、半分のガウス曲線に相
    応することを特徴とする請求項７記載の装置。
JP9239218A 1996-09-05 1997-09-04 ３次元流体構造の検出方法及び装置 Pending JPH1090294A (ja)

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