Derartige Verfahren der optischen dreidimensionalen Geschwindigkeitsmessung von Tröpfchen sind bisher mit verschiedenen Ansätzen vorgeschlagen worden, wobei es insbesondere darum ging, die dritte Geschwindigkeitskomponente in Beobachtungsrichtung, d. h. senkrecht zu einer sogenannten Lichtschicht zu er- fassen. Der häufigste Ansatz beruht dabei auf der Stereoskopie, wie er beispiels- weise in M. P. Arroyo, C. A. Greated,"Stereoscopic particie velocimetry", Meas. Sci. Technol., 2, 1181-1186, 1991 beschrieben ist. Durch eine Betrach-

tung der ausieuchtenden Lichtschicht aus zwei Richtungen erhält man die Tie- feninformation.

Ein in F. Dinkelacker, M. Schäfer, W. Ketterle, J. Wolfrum,"Determination of the third velocity component with PTA using an intensity graded lightsheet", Exp. Fluids, 13, 357-359, 1992 beschriebener anderer Ansatz benutzt eine in- tensitätskodierte Lichtschicht, um aus der Heftigkeit des abgebildeten Streukör- pers auf dessen Position innerhalb der Lichtschicht zu schließen.

Eine in Ch. Brücker,"3-D PIV by spatial correlation in a colour-coded light- sheed", Exp. Fluids, 21, 312-314, 1996 untersuchte weitere Möglichl<eit be- nutzt mehrere verschiedenfarbige, leicht gegeneinanderversetzte Lichtschichten, um die dritte Ortslcomponente aus der spektralen Zusammensetzung des Streu- lichts zu bestimmen.

Mit allen Verfahren wurden gewisse Erfolge erzielt, die erreichte Meßgenauigiceit für die dritte Geschwinidigkeitskomponente war aber stets deutlich schlechter als für die in der Ebene der Lichtschicht liegenden Komponenten. In den rneisten Anwendungsfällen ist die Absoiutgeschwindigkeit senkrecht zur Lichtschicht am kleinsten, so dass eine bessere Genauigkeit in dieser Richtung zu fordern ist.

Gleiche Genauigkeiten bei der Geschwindigkeitsbestimmung entlang aller drei Dimensionen bzw. Raumachsen lassen sich bisher nur durch Beobachtung aus zwei senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen realisieren, womit aber ein re- lativ hoher Aufwand verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem es gelingt, bei nur einer Beobachtungsrichtung alle Geschwindigkeitskomponenten mit im wesentlichen derselben Genauigkeit zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass zum Messen einer entlang der Beobachtungsrichtung verlau- fenden dritten Dimension die Phaseninformation des gestreuten Lichtes aus- gewertet wird. Die Auswertung erfolgt mit einer Referenzwelle. Mit diesen Maßnahmen wird die Geschwindigkeitskomponente in der senlcrecht zur Licht- schicht verlaufenden dritten Dimension mit interferometrischer Genauigkeit erfaßbar.

Eine vorteilhafte Maßnahme besteht darin, dass das Streulicht holographisch aufgezeichnet wird, um es bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Beobach- tung zugänglich zu machen. Bei der Auswertung des gestreuten Lichts oder des hohigraphisch rekonstruierten gestreuten Lichts mit Laserlicht nur einer Wel- lenlänge wird eine eindeutige Messung dann erhalten, wenn vorgesehen ist, dass der Abstand der Belichtungszeitpunkte oder bei kontinuierlicher Belichtung die Zeitdauer kürzer gewählt wird als die Zeitdauer, in der der zu erwartende von den Streupartikel in der dritten Dimension zurückgelegte maximale Weg kleiner als die Welienlänge des Laserlichts ist.

Ein im Hinblick auf die zu erfassenden Geschwindigkeiten in der dritten Di- mension praktisch beliebig großen Eindeutigkeitsbereich kann dadurch erzeugt werden, dass zwei Messungen mit Laserlicht zweier oder mehr verschiedener disl<reter Wellenlängen durchgeführt werden und dass die Bestimmung der Ge-

schwindigkeit in der dritten Dimension auf der Grundiage einer aus den beiden Wellenlängen gebildeten synthetischen Wellenlänge nach dem Prinzip der Mehr- wellenlängeninterferometrie erfolgt. Alternativ kann die Rekonstruktionswellen- länge kontinuierlich verändert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug- nahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Meßanordnung zur Auswer- tung eines Hoiogramms zum Erfassen einer Geschwindigkeitskom- ponente eines Tröpfchens in einer senkrecht zu einer Lichtschicht verlaufenden dritten Dimension, Fig. 2 und 3 Helligkeiten zweier zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommener Tropfenbilder als Funktion der Phase einer Referenzwelle für zwei unterschiedliche Wetieniängen.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Meßanordnung zur Erfassung einer senkrecht zu einer sogenannten Lichtschicht, d. h. in Beobachtungsrichtung verlaufenden dritten Dimension einer Tröpfchengeschwindigkeit. Hierzu ist das in an sich be- kannter Weise (vgl. z. B. die eingangs erwähnten Literaturstellen) aufgenom- mene Hologramm 1 zur Ausleuchtung und Auswertung in den Strahlengang einer Rekonstruktionswelle 2 gebracht. Im weiteren Verlauf der Relconstruktions- welle 2 ist ein Strahlteiler 4 angeordnet, mit dem der rekonstruierten Bildwelle

eine Referenzwelle 3 überlagert wird, um ein Interferenzmuster zu erzeugen, das mittels eines Bildaufnehmers 5 oder einer Mattscheibe sichtbar gemacht wird.

Das hier vorgestellte Prinzip der dreidimensionalen Geschwindigkeitsmessung von Streupartikeln, wie z. B. Tröpfchen, Btasen oder Rußpartikeln, beruht zunächst auf der holographischen Aufzeichnung sogenannter PIV (Particle Image Velocimetry)-Daten, wie sie von verschiedenen Autoren demonstriert worden ist (siehe J. K. Schaller, C. G. Stojanoff,"Holographic investigations of a Diesel jet injected into a high-presure test chamber", Part. & Part. Syst. Charal<terization, Vol. 13, pp. 196-204, 1996).

Das Neuartige an dem vorliegenden Verfahren ist die Überlagerung der relcon- struierten Bildwelle mit der zusätzlichen kohärenten Referenzwelle 3. In dem er- haltenen interferenzmuster ist Information über den Abstand der rekonstruierten Bilder von dem Bildaufnehmer 5, wie etwa einer Kamera mit interferometrischer Genauigkeit enthalten.

Das vorliegende Verfahren kann in Analogie zu dem Begriff"Holographie" (ganz Schreiben) als"Hololexie" (ganz Lesen) bezeichnet werden. Bei der gewöhn- lichen Holographie wird die Phaseninformation durch Überlagerung mit einer kohärenten Referenzwelle aufgezeichnet. Bei dem vorliegenden HIPIV (Holo- graphic Interferometric Particle Image Velocimetry)-Verfahren wird die Phasen- information, die die gesuchte Entfernungsinformation enthält, durch Überla- gerung mit der kohärenten Referenzwelle 3 ausgelesen.

Der bis hierhin dargestellte Ansatz wird nur dann eindeutige Ergebnisse liefern, wenn eine Verschiebung der beiden Bilder eines Streulcörpers zwischen zwei

Belichtungen Icleiner ist als die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts. All- gemein I<ann für einen Abstand z eines Bildes von einer CCD-Kamera geschrie- ben werden : z = A1 (ni + #i/2#) = #1 . #1 (1() mit einer Interferenzordnung ni, einer Phase j und einer Restphase #1 bei einer Wellenlänge #1.

Der Icleine Eindeutigkeitsbereich kann im Rahmen der voricommenden Geschwin- digkeitskomponenten und praktisch realisierbaren Pulsabstände der Tröpfchen mit Hilfe der Mehrwelienlängeninterferometrie praktiscjh beliebig vergrößert werden.

Wenn ein Abstand z bei den Wellenlängen #1,2 die beiden Phasenterme #1,2. auf- weist, so erhält man ein eindeutiges Meßergebnis durch I<ombination der beiden Ergebnisse : z = (#1 - #2) # = ## . #.µ/2 (2) worin A als synthetische Wellenlänge bezeichnet wird : (#1 . #2)/(#1 - #2) (3).

Der Faktor 1/2 berüclcsichtigt die Streckung/Stauchung des rekonstruierten Bildes bei unterschiedlichen Wellenlängen. Der Faktor µ berücksichtigt das Verhältnis von Relconstrulctionswellenlänge zu Aufnahmewellenlänge.

Zurn Testen des Verfahrens ist zunächst von einem aus einem rekonstruierten Hologramm mit PIV-Daten gewonnenen Teilbild ausgegangen worden. Zwei helle Punkte zeigen darin die beiden zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gewonne- nen Biider eines Tropfens, die bei der Belichtung eines Tropfenfeldes entstanden sind. Aus der Verschiebung der Tropfenbilder in der Bildebene zueinander kann mit dem Zeitabstand zwischen den Belichtungen zunächst auf die Geschwindig- Iceitskomponenten parallel zur ausleuchtenden Lichtschicht geschlossen werden.

Zwei weitere Teilbilder wurden aus dem Hologramm der PfV-Daten abgeleitet, indem das zunächst rel<onstruierte Teilbild gemäß Fig. 1 mit der zusätzlichen Re- ferenzwelle 3 überlagert wurde. In dem ersten durch Überlagerung mit der Refe- renzwelle 3 erhaltenen Teilbild war beispielsweise konstrulctive Interferenz für beide Tropfenbilder zu erkennen, wodurch die Tropfenbilder deutlich heller wa- ren als in dem vor der Überlagerung vorhandenen Teilbild. Durch Variation der Phase der Referenzwelle 3 ist bei einem weiteren Teilbild destruktive Interferenz erzwungen worden, in dem die beiden Tropfenbilder nun als dunicle Fleclcen zu erkennen w-aren.

Zur Verifikation des Verfahrens wurde dasselbe Tropfenpaar in dem rekonstru- ierten Hologramm der PIV-Daten bei unterschiedlichen Wellenlängen analysiert.

Bei jeder Wellenlänge wurde die Phase der Referenzwelle 3 monoton variiert, . und es wurden ca. 20 Interferenzbilder aufgezeichnet. Es wurde deutlich der mehrfache Wechsel von konstruktiver und destruktiver Interferenz anhand der oszillierenden Helligkeiten der Tropfenbilder ersichtlich.

Derartige Bildserien wurden für verschiedene Wellenlängen aufgezeichnet und mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitung weiter bearbeitet. Dazu wurden die ein-

zelnen Tropfenpositionen lokalisiert und die Helligkeiten der Tropfenbilder durch Aufsummieren ihrer Grauwerte bestimmt. In den Fig. 2 und 3 sind die Heftigkei- ten der beiden Biider eines Tropfens für zwei verschiedene Wellenlängen #1 = 739, 3 nm und A2 = 751, 5 nm a, ls Funktion der Phase ¢ der Referenzwelle 3 dargestellt.

Die einzelnen Meßwerte wurden durch eine Funktion der Form Heiligkeit = P,. sin (P2. ; b + P3) + P4 (4) angepaßt. Die Differenz der Phasenterme P3 der beiden Tropfenbilder wird als Phasendifferenz A (siehe Gi. 2) bezeichnet und ist in den Fig. 2 und 3 für die beiden Wellenlängen angegeben.

In den Fig. 2 und 3 ist die oszillierende Hetiigkeit der Tropfenbilder klar zu ericennen. In Fig. 2 oszillieren die beiden Tropfenbilder nahezu in Phase (##1 - 0, 27). Bei der veränderten Wellenlänge gemäß Fig. 3 ist ein Phasenunterschied ##2 = 2, 18 zu beobachten.

Die beiden in den Fig. 2 und 3 angegebenen Wellenlängen entsprechen einer synthetischen Welienlänge nach GI. 3 von A = 45, 54 µm, Die Differenz der Phasentherme A = = 1, 91 führt nach Normalisierung mit 2/7 unter Verwendung von Gi. 3 zu einer Verschiebung des Tropfens um Az = 7 µm ent- lang der Beobachtungsrichtung. Die Verschiebungen in den beiden anderen Dimensionen x und y werden aus einem einzelnen Videobild z. B. ohne Über- lagerung mit der Referenzwelle 3 bestimmt und betrugen in dem angegebenen Beispiel Ax = 37, um und Ay = 36, um mit einem Fehler von etwa 10 %. Die

dreidimensionale Tropfengeschwindiglceit kann aus diesen Daten mit dem Puls- abstand zwischen den beiden Belichtungen von 10µs bestimmt werden.

Die experimentellen Untersuchungen haben die Durchführbarkeit des Meßprin- zips gezeigt, und durch eine entsprechende Automatisierung können die schon guten Meßergebnisse noch drastisch verbessert werden. Der experimentelle Feh- ler für eine probtemangepaßte Wahl der Konstruktionswellenlängen (A 37, um) be- trägt ca. 1 bis 2, um.