LLT   Laser-Lichtschnitt-Tomographie
(ausgearbeitet von B. Ruck)

Die Vorgehensweise bei der Anwendung neuerer tomographischer Ganzfeldmeßverfahren in der Strömungsmechanik erinnert an eine aus der Medizin bekannte Anwendung, die Computertomographie. Tomographie (Schichtaufnahme) ist eine Methode zur 3-dimensionalen Visualisierung von Gegenständen/Strukturen der Realität, welche mittels herkömmlicher, 2-dimensionaler Bildgebungsverfahren abgetastet wurden. Sie hat seit geraumer Zeit in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik Einzug gehalten. Am populärsten ist ihre Anwendung in der Medizin, wo sich die Röntgen- und Kernspintomographie seit längerem in der Diagnostik etabliert haben. Wie die Anwendungen in der Medizin zeigen, ist die Tomographie nicht an eine bestimmte Strahlungsquelle gebunden. Ob nun mit Röntgenstrahlen, Ultraschall oder Licht gearbeitet wird, scheint unerheblich für das Prinzip der Tomographie zu sein. Lediglich in der Verwendung von verschiedenen Verfahren in der Sensorik und der Bildverarbeitung scheinen sich die Systeme zu unterscheiden, wohingegen sich die übrige Verfahrenstechnik als invariant erweist. Abweichungen bei der Topologie der Schnittführung (bis heute kamen parallele, fächer- sowie spiralförmige Schnitte zur Anwendung) sind zwar vorhanden, sie stellen aber im Grunde keinen signifikanten Verfahrensunterschied dar.

Tomographische Ganzfeldmeßverfahren in der Strömungsmeßtechnik erlauben vielfach zuerst nur die qualitative Erfassung eines Strömungsvorgangs. Die Information eines abgetasteten Raumbereiches wird z.B. über ein Videosystem aufgenommen und in einem anschließenden Prozeß mittels digitaler Bildverarbeitung zur Rekonstruktion der räumlichen Strömungsstruktur benutzt. Der wesentliche Unterschied der strömungsmeßtechnischen Tomographie von anderen Anwendungen in Technik und Medizin liegt darin, daß die untersuchten "Objekte" eine starke zeitliche Veränderlichkeit aufweisen. Bei der medizinischen Tomographie spielt die zeitliche Variabilität kaum eine Rolle. So wird der Patient langsam und ruhig liegend durch den Kernspintomographen gefahren. Die Tomographie in der Strömungsmeßtechnik hat diesbezüglich entscheidend höheren Anforderungen zu genügen. Die zu tomographierenden Strömungsvorgänge ändern sich bei technisch relevanten, turbulenten Strömungen äußerst schnell, so daß der gesamte Tomographievorgang in einem Bruchteil einer Sekunde abgeschlossen sein muß.

Die Anwendung neuer, tomographischer Ganzfeldmeßverfahren setzt eine Art 3D-Ausleuchtung des Strömungsraumes voraus. Es werden Lichtschnitte erzeugt, die nicht mehr statisch in den Raum projeziert werden, sondern die den Strömungsraum in sehr kurzen Zeiträumen durchqueren. Verbunden und synchronisiert mit einem geeigneten Bilderfassungssystem wird das Strömungsfeld auf diese Weise in Scheiben, d.h. Ebenen kleiner Dicke, aufgeschnitten und kann später zur Rekonstruktion und Visualisierung im Computer wieder zusammengesetzt werden. Der wesentliche Unterschied zur Hochgeschwindigkeitsphotographie liegt darin, daß man nun den betrachteten Vorgang dreidimensional erfaßt hat, ihn aus allen Richtungen rekonstruieren und beobachten kann, und ihn damit einer unvergleichbar besseren Analyse zugänglich macht.

                               SchemaTomo.jpg (198650 Byte)

Statische-scannende Systeme

Zur Erzeugung einer einen Raum überstreichenden Laserlichtebene kann die Kombination einer Zylinderlinse mit einer scannenden optischen Komponente gewählt werden. Eine Zylinderlinse wird hierzu auf der optischen Achse des Lasers montiert und weitet den Strahl horizontal in der x-y-Ebene auf. Um zeitlich aufgelöste Strömungsstrukturen zu erhalten, muß der so aufge-weitete Laserstrahl den Strömungsraum in einem sehr kurzen Zeitraum durchqueren, was mit Hilfe eines scannenden Systems ( rotierender Spiegel, Polygonscanner, Galvanometer, Piezo-scanner o.ä.) bewerkstelligt wird. Durch Verschiebung der Lichtschnittebene entlang des zu untersuchenden Strömungsraumes kann die räumliche Entwicklung der Strömungsstruktur bestimmt werden. Besonderer Wert muß hierbei auf eine schnelle Abtastung des Raumes gelegt werden, da nur so sichergestellt werden kann, daß die zu analysierende Strömungsstruktur sich nicht zwischen der ersten und letzten Lichtschnittaufnahme verändert hat. Eine weitere Schwierigkeit bei dieser Anordnung wird dadurch ausgelöst, daß alle Lichtschnitte von einem Punkt auf der scannenden Spiegeloberfläche ausgehen, und größere Räume eigentlich nur strahlenförmig mit nicht parallel angeordneten Schnitten abgetastet werden können. Sofern der Abtasthub klein im Verhältnis zum Scanspiegelabstand angesehen werden kann, dürfte diese Verzerrung aber leicht nachträglich korrigierbar sein. So müssen in diesem Fall z.b. bei der anschließenden Rekonstruktion der erfaßten Strömungsstruktur im Computer die Lichtschnittebenen unter den gleichen Winkeln angestellt werden, wie diese bei der Aufnahme vorlagen.

                   Stat-Scan-Anordnung.jpg (124531 Byte)

Scannende-statische Systeme

Scannende-statische Systeme stellen eine zweite große Gruppe der 3D-Verfahren zur Ausleuchtung von Strömungsräumen dar. Die einfachste Version wird mit einer Schwingspiegel-Zylinderlinsenkombination realisiert. Die Winkelstellung des Spiegels wird prozessorgesteuert eingestellt, wobei wiederum eine Sychronisation zwischen definierter Lichtschnittposition und Bildaufnahme erfolgen muß. Durch die Orientierung des Laserlichtschnittes und dessen Verweilzeit an bestimmten Positionen können verschiedene Eindrücke des räumlichen Entwicklungsstadiums der Strömung erzielt werden. Wird der Laserlichtschnitt kontinuierlich schnell durch den Strömungsraum gefahren, entsteht ein volumetrischer Eindruck der Strömungsstruktur. Bei längeren Verweilzeiten an bestimmten Stellen entlang der Strömungsachse ergeben sich auf dem Film überlagerte Schnittbilder, welche die Entwicklung der Strömung.

                            Scan-Stat-Anordnung.jpg (117558 Byte)


Scannende-scannende Systeme

Diese Version wird durch zwei scannende oder schwingende Ablenkungseinheiten charakterisiert, die den einfallenden in zwei meist senkrecht zueinander verlaufenden Ebenen ablenkt. Auf diese Weise wird ein Volumen sukzessive ausgeleuchtet. Die Winkelstellungen beider Scanspiegel werden prozessorgesteuert und mit der Aufnahmekamera synchronisiert. Die Scanfrequenz des ersten Spiegelscanners wird hierbei meist viel größer als die des zweiten Scanners gewählt werden. Nur so kann gewährleistet werden, daß ebene Lichtschnitte erzeugt werden. Trifft dies nicht zu und werden beide Scanner mit Scanfrequenzen in der gleichen Größenordnung betrieben, so ergeben sich gekrümmte Lichtschnittebenen, deren lokale Zuordnung später beträchtliche Schwierigkeiten aufwirft.
        

                       Scan-Scan-Anordnung.jpg (103850 Byte)

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