Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischenPatents im Europäischen Patentblatt kann jedermann nach Maßgabe der Ausführungsordnung beim EuropäischenPatentamt gegen dieses Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebührentrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen).

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(12) EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT

(45) Veröffentlichungstag und Bekanntmachung des Hinweises auf die Patenterteilung: 15.07.2015 Patentblatt 2015/29

(21) Anmeldenummer: 10760637.8

(22) Anmeldetag: 13.09.2010

(51) Int Cl.:G01N 21/47 (2006.01) G01N 21/72 (2006.01)

G01N 21/76 (2006.01)

(86) Internationale Anmeldenummer: PCT/EP2010/063390

(87) Internationale Veröffentlichungsnummer: WO 2011/067003 (09.06.2011 Gazette 2011/23)

(54) SCHNELLE OPTISCHE TOMOGRAPHIE

FAST OPTICAL TOMOGRAPHY

TOMOGRAPHIE OPTIQUE RAPIDE

(84) Benannte Vertragsstaaten: AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK SM TR

(30) Priorität: 21.10.2009 DE 102009044303

(43) Veröffentlichungstag der Anmeldung: 29.08.2012 Patentblatt 2012/35

(73) Patentinhaber: Karlsruher Institut für Technologie76131 Karlsruhe (DE)

(72) Erfinder: • SUNTZ, Rainer

76327 Pfinztal (DE)• ANIKIN, Nikolay

456771 Snezhinsk (RU)• BOCKHORN, Henning

76327 Pfinztal (DE)

(74) Vertreter: Fitzner, UweDres. Fitzner Patent- und Rechtsanwälte Hauser Ring 1040878 Ratingen (DE)

(56) Entgegenhaltungen: WO-A1-99/20997 DE-A1- 19 821 956US-A1- 2004 015 062 US-A1- 2006 072 109US-H- H1 925

• FUMITERU AKAMATSU ET AL: "The development of a light-collecting probe with high spatial resolution applicable to randomly fluctuating combustion fields" MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, IOP, BRISTOL, GB, Bd. 10, Nr. 12, 1. Dezember 1999 (1999-12-01), Seiten 1240-1246, XP020064880 ISSN: 0957-0233 DOI: DOI:10.1088/0957-0233/10/12/316

• BENNETT K E ET AL: "EXPERIMENTAL OPTICAL FAN BEAM TOMOGRAPHY" APPLIED OPTICS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, US, Bd. 23, Nr. 16, 15. August 1984 (1984-08-15), Seiten 2678-2685, XP002051190 ISSN: 0003-6935 DOI: DOI:10.1364/AO.23.002678

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Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tomo-graphievorrichtung/-Vorrichtung, ein schnelles optischesTomographieverfahren und Verwendung der Vorrich-tung und des Verfahrens.

Stand der Technik:

[0002] In modernen verbrennungstechnischen Anla-gen, wie z.B. Gasturbinenbrennkammern, treten insbe-sondere unter mageren Bedingungen instabile Betriebs-zustände auf. Diese sind durch zeitlich periodische Fluk-tuationen der gesamten volumetrischen Wärmefreiset-zungsrate gekennzeichnet und bewirken erheblicheDruckschwankungen in der Brennkammer. Letztere füh-ren zu einer inakzeptablen Lärmbelästigung im örtlichenUmfeld der Anlage sowie zu mechanischen Belastungender einzelnen Bauelemente. Die Vermeidung instabilerBetriebsbedingungen, die durch die thermische Leistungund die Luftzahl eindeutig und reproduzierbar festgelegtsind, ist hinsichtlich der Lärm- und NOx-Emissionen ausGasturbinenbrennkammern ein wichtiges technologi-sches Ziel.[0003] Viele Ansätze zur Vorhersage von instabilenBetriebspunkten verwenden die Wärmefreisetzungsra-te, so dass der Kenntnis der Wärmefreisetzungsrate zen-trale Bedeutung zukommt. Die Wärmefreisetzungsrateist nicht ohne weiteres experimentell zugänglich. DasFlammeneigenleuchten hingegen ist messtechnisch ver-gleichsweise einfach zugänglich. Es wird von Molekülenverursacht, die sich fernab des thermodynamischenGleichgewichtes in einem elektronisch angeregten Zu-stand befinden. Innerhalb der Lebensdauer des ange-regten Zustandes gehen diese Moleküle durch Photo-nenemission in den elektronischen Grundzustand über.Das Flammeneigenleuchten entsteht daher zwangsläu-fig nur in unmittelbarer Umgebung der Reaktionszoneder Flamme und ist aufgrund dessen zumindest qualitativmit der Wärmefreisetzungsrate der Flamme verbunden.Das tomographisch aufgelöste Flammeneigenleuchteneiner einzelnen Spezies wie bspw. OH* kann somit dazuverwendet werden, online Informationen über die Wär-mefreisetzung zu erhalten und damit instabile Betriebs-weise durch Regelungseingriffe bei der Brennstoffzufuhrzu vermeiden.[0004] Im bisherigen Stand der Technik werden ver-schiedene Systeme zur tomographischen Entfaltung vonFlammen eingesetzt. Zur Untersuchung laminarer, sta-tionärer Flammen kommt dabei das klassische Ver-fahren zum Einsatz, bei dem eine einzelne Kamera umdas zu untersuchende Objekt rotiert und bei einer Viel-zahl von Winkeln einzelne, zeitlich nacheinander er-fasste Aufnahmen zur tomographischen Rekonstruktionnutzt, wie z.B. in H. M. Hertz, Opt. Commun. 54, 131(1985), G. W. Faris and R. L. Byer, Opt. Lett. 12, 155(1987), P. J. Emmerman, R. Goulard, R. J. Santoro, andH. G. Semerjian, J. Energy 4, 70 (1980), H. Uchiyama,

M. Nakajima, and S. Yuta, Appl. Opt. 24, 4111 (1985).Diese "klassischen" Tomographie-Verfahren sind jedochfür die Untersuchung turbulenter Flammen bedingt durchdie dort auftretenden schnellen räumlichen Fluktuatio-nen völlig ungeeignet, da ein einzelner Detektor auchnicht annähernd mit adäquater Geschwindigkeit um daszu untersuchende Objekt rotiert werden kann. Die einzigdenkbare Alternative zur Detektion in solchen Systemenbesteht demzufolge darin, sich im Vorfeld der eigentli-chen Messung auf eine - entsprechend dem gewün-schten räumlichen Auflösungsvermögen - gewisse An-zahl von Detektionswinkeln und gegebenenfalls Anzahlvon Teilstrahlen/Detektionswinkel festzulegen. I. Ihrkeund M. Magnor, Eurographics/ACM SIGGRAPH Sympo-sium on Computer Animation, Edts. R. Boulic, D.K. Pai(2004) zeichneten hierzu eine Multi Video Sequenz mit8 Kameras mit 640 x 480 Pixeln und 15 Bilder proSekunde auf. Die Kameras wurden dabei kreisförmig umdas Untersuchungsobjekt gestellt. Obwohl der appara-tive Aufwand durch die Verwendung von 8 nichtintensivi-erten Kameras vergleichsweise hoch ist, wird aufgrundder mangelnden Empfindlichkeit der Kameras das gesa-mte - nicht speziesselektive und damit im Hinblick aufdie Untersuchung der Wärmefreisetzung wenig relevan-te - Flammeneigenleuchten detektiert. H. M. Hertz andG. W. Faris: "Emission tomography of flame radicals",Optic Letters, 13, 5, 351 (1988) führten u.a. Untersuc-hungen in einer Propan-Luft Bunsenbrennerflamme du-rch. Durch Verwendung zweier Spiegel, die um dieFlamme unter verschiedenen Winkeln aufgestellt wur-den, konnte neben der direkten (ohne Spiegel) Projektionsimultan zwei weitere durch Reflektion der CH-Chemilu-mineszenz bei einer Belichtungszeit von 16 Mil-lisekunden mittels eines intensivierten Dioden-Arrays er-mittelt werden. Der Aufbau könnte laut Aussage der Au-toren auf sechs Projektionen erweitert werden, indemzwei weitere Spiegel und ein weiteres Dioden-Array zumEinsatz kommen würde. Neben der starken Limitierungauf lediglich 6 maximal mögliche Projektionen und derdamit verbundenen deutlich schlechteren räumlichenAuflösung erfordert die Methode zwei Detektoren.Darüber hinaus ist sie durch die Verwendung vonSpiegeln für die Signalerfassung der verschiedenen Pro-jektionen sehr unflexibel im Hinblick auf die Adaption derMesstechnik auf unterschiedliche Untersuchungsob-jekte. Y. Ishino and N. Ohiwa: "Three-Dimensional Com-puterized Tomographic Reconstruction of InstantaneousDistribution of Chemiluminescence of a TurbulentPremixed Flame", JSME, Series B, 48, 1, 34 (2005) de-tektieren breitbandig die Chemilumineszenz-Signale(400 - 600 nm), die aus einer fetten, turbulenten Propan-Luft-Vormischflamme emittiert werden. Dabei ver-wenden sie eine speziell angefertigte Multi-Linsen-Kam-era in Verbindung mit High-Speed Schwarz-Weiß-Film.In Ihrer 40-Nachweiswinkel-Anordnung erzielen sie zwareine gute räumliche Auflösung (0,12 mm), aber auf Ko-sten der Empfindlichkeit und einer - aufgrund der äußerstzeitraubenden Auswertung durch Verwendung des pho-

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tographischen Films - geringen Wiederholrate. Sie erzie-len dabei eine Belichtungszeit von mäßigen 1,2 Mil-lisekunden lediglich dadurch, dass sie neben der im Ver-gleich zu OH* wesentlich intensiveren C2- Chemilu-mineszenz auch Rußleuchten detektieren. GenanntesSignal ist aber im Hinblick auf die Untersuchung desOrtes, an dem die Wärmefreisetzung der Flamme statt-findet, wenig aussagekräftig.[0005] Stand der Technik sind auch verschiedene wei-tere Geräte. Eines davon ist das High Speed PMT-UV-CAM von der Firma Smetec. Bei diesem Gerät werdeneine Vielzahl von Photomultipliern mit entsprechendenHV-Spannungsversorgungen zur Signaldetektion, d.h.zur messtechnischen Erfassung der Radon-Transfor-mierten anstelle einer einzelnen intensivierten CCD-Ka-mera verwendet. Dieses Gerät ist speziell für innermo-torische Anwendungen designt. Ein weiteres Gerät desStandes der Technik ist das AVL Visio Tomo von derFirma AVL. Bei dem Gerät von AVL werden lediglich 160optische Kanäle zur tomographischen Rekonstruktionverwendet. Die eigentliche Signaldetektion erfolgt mitPhotodioden. Auch dieses Gerät ist speziell für innermo-torische Anwendungen vorgesehen und in seiner Emp-findlichkeit begrenzt.

Aufgabe:

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieSysteme und Verfahren des Standes der Technik zu ver-bessern und deren Nachteile zu vermeiden.Es sollten im Rahmen der vorliegende Erfindung dem-gemäß eine Vorrichtung/ Vorrichtung sowie ein Verfah-ren gefunden werden, die im Hinblick auf den Stand derTechnik eine erhöhte Empfindlichkeit des Detektorsys-tems aufweisen, sehr geringe apparative Kosten verur-sachen und den Nachweis sehr geringer Spezieskon-zentrationen, insbesondere im ppb-Bereich bei lumines-zierenden Spezies, sehr kurze Belichtungszeiten undschnelle Bildfolgen und damit Online-Messungen ermög-lichen.[0007] Ferner sollten Verwendungsmöglichkeiten fürdie Aufgabe lösenden Vorrichtungen und Verfahren ge-funden werden.[0008] Weitere Aufgaben ergeben sich aus der Be-schreibung und den exemplarischen Ausgestaltungensowie den Figuren.

Lösung:

[0009] Diese Aufgabe wird durch die weiter unten be-schriebene Vorrichtung, die ebenfalls weiter unten be-schriebenen Verfahren und die unten beschriebenenVerwendungen, sowie die in den Ansprüchen dargestell-ten Gegenstände gelöst.

Begriffsdefinitionen:

[0010] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeu-

tet der Begriff "Raumtemperatur" eine Temperatur von20°C. Temperaturangaben sind, soweit nicht anders an-gegeben, in Grad Celsius (°C).[0011] Der Term "ppb" bedeutet "parts per billion", alsoTeile pro Milliarde.[0012] In der Beschreibung und in den Zeichnungender vorliegenden Erfindung sind gleiche Teile bezie-hungsweise Merkmale in Beschreibung, Ansprüchenund den Zeichnungen durch gleiche Ziffern bezeichnet.[0013] Der Begriff "i-Kamera" oder "intensivierte Ka-mera" bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindungeine Kamera, die einen vorgeschalteten Bildverstärkerumfasst.[0014] Im Rahmen der vorliegende Erfindung werdendie Begriffe "Objekt", "Spezies" und "Probe" synonym fürdie zu untersuchende Spezies oder Proben, die zumin-dest eine optisch erfassbare Eigenschaft aufweisen ver-wendet.[0015] Im Rahmen der vorliegende Erfindung bedeutetdie Notation mit einem Stern neben einer Spezies, wiez.B. "CH** oder "OH*" einen elektronisch angeregtenZustand der Spezies.

Detaillierte Beschreibung:

[0016] Erster Gegenstand der vorliegende Erfindungist eine Vorrichtung zur Erfassung und Verarbeitung deroptisch erfassbaren Eigenschaften, mit einer kreisförmi-gen Konstruktion umfassend, eine einzige optische zwei-dimensionale Detektoreinheit in Form einer Kamera,mindestens drei um den Mittelpunkt der Vorrichtung an-geordnete optische Erfassungseinheiten, die von einemzu untersuchenden Objekt ausgehendes Licht erfassen,wobeidie von den Erfassungseinheiten erfassten Lichtsignaleauf die einzige optische zweidimensionale Detektorein-heit geführt werden, und wobei im Mittelpunkt der Vor-richtung das zu untersuchende Licht-emittierende Objektangeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf ei-nem ersten Halbkreis

- eine Mehrzahl halbkreisförmig um den Kreismittel-punkt angeordnete Spiegel, odereine Mehrzahl halbkreisförmig um den Kreismittel-punkt angeordnete optische Filter- und/oder Linsen-Konstruktionen,und optional auf dem zweiten Halbkreis

- eine Mehrzahl weitere halbkreisförmig um den Kreis-mittelpunktangeordnete Spiegel, odereine Mehrzahl weitere halbkreisförmig um den Kreis-mittelpunkt angeordnete optische Filter- und/oderLinsen-Konstruktionen,wobei als Erfassungseinheiten jeweils Kepler-Tele-skope an die Spiegel oder an die optischen Filter-und/oder Linsen-Konstruktionen angeschlossensind, und an die Teleskope optische Faserbündelangeschlossen sind, die zu der einzigen optischen

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zweidimensionalen Detektoreinheit führen, und wo-beiim Kreismittelpunkt das zu untersuchende Objektangeordnet wird.

[0017] Das emittierte und erfasste Licht kann dabei In-frarotlicht, sichtbares Licht, UV-Licht oder eine Kombi-nation davon sein.[0018] Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, die Vor-richtung so zu gestalten, dass das ganze emittierte Lichteines Objektes erfasst wird, oder dass nur ein Teil desemittierten Lichts erfasst und verarbeitet wird, so dassbestimmte Eigenschaften gezielt beobachtet, geprüft,überwacht und verarbeitet werden können.[0019] In der Mitte der Vorrichtung wird das Objekt plat-ziert; das Objekt muss dabei in irgendeiner Form Lichtemittieren, dies kann durch Chemilumineszenz, Biolumi-neszenz oder durch gezielte Anregung von außen alsFluoreszenz bzw. Phosphoreszenz geschehen.[0020] Auch möglich ist es, das Objekt anzustrahlenund das Durchlicht zu detektieren, welches - z.B. durchBlasen - auch gestreut sein kann. Solcherart "durch-leuchtete" Objekte werden im Rahmen der vorliegendenErfindung zu den Licht emittierenden Objekten gezählt,da sie aus dem Blickwinkel des Detektors leuchten.[0021] Um das Objekt herum, d.h. um den Mittelpunktder Vorrichtung, sind verschiedene Detektoreneinheitenangeordnet.[0022] Die Erfassungseinheiten können dabei alle inder gleichen Entfernung zum Objekt stehen, oder in ver-schiedenen Entfernungen; bevorzugt ist es, wenn die Er-fassungseinheiten alle in der gleichen Entfernung zumObjekt stehen.[0023] In einer Variante der vorliegenden Erfindungsind die verschiedenen Erfassungseinheiten gleichmä-ßig um das Objekt herum angeordnet, das heißt dass sievom Objekt ausgesehen jeweils den gleichen Winkelab-stand haben. In einer Variante der vorliegenden Erfin-dung sind die verschiedenen Erfassungseinheiten nichtgleichmäßig um das Objekt herum angeordnet.[0024] Die Anzahl der Erfassungseinheiten richtet sichdabei nach der zu erzielenden beziehungsweise ge-wünschten Auflösung; je mehr Erfassungseinheiten,desto höher die Auflösung.[0025] In der Regel wird ein Kompromiss zwischenAuflösung und apparativen Aufwand beziehungsweisemonetären Aufwand eingegangen werden.[0026] Minimal werden drei, bevorzugt mindestensfünf, besonders bevorzugt mindesten 7 und insbesonde-re bevorzugt mindestens 9 Erfassungseinheiten ange-ordnet.[0027] Es ist z.B. möglich, Spiegel in einem Winkel von45° anzuordnen, so dass die Erfassungseinheiten im 90°Winkel zur eigentlichen Detektionsebene angeordnetsind - auf diese Art und Weise wird die Vorrichtung zwaretwas höher, dafür aber auch weniger breit[0028] Es ist aber genauso möglich, die Spiegel in be-liebigen anderen Winkeln anzuordnen; die Anordnung

der Spiegel hat keinen Einfluss auf die Detektionsergeb-nisse, sofern die Teleskope in der Neigung an die Winkelder Spiegel angepasst sind.[0029] Es ist möglich, anstelle von rein reflektierendenSpiegeln solche einzusetzen, die bestimmte optischeWellenlängen herausfiltern, dies kann z.B. durch Ver-wendung spezieller Gläser beziehungsweise durch Be-schichtungen erreicht werden.[0030] In einer Variante ist es auch möglich,(teil-)durchlässige Spiegel zu verwenden, wodurch eineAufspaltung des Signals erreicht werden kann.[0031] Den Erfassungseinheiten können optische Fil-ter und/oder Linsen vorgeschaltet sein, wodurch bei-spielsweise unerwünschte Wellenlängen oder Polarisa-tionsebenen herausgefiltert werden können.[0032] Die von den Erfassungseinheiten erfassten Si-gnale werden im Rahmen der vorliegenden Erfindungauf eine einzige optische zweidimensionale Detektorein-heit geführt.[0033] Dabei erfolgt die Übertragung von den Erfas-sungseinheiten auf die Kamera durch zwischengeschal-tete optische Glasfaserbündel.[0034] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung könnenGlasfasern gebündelt werden zu Glasfaserbündeln unddiese wiederum zu Glasfaserkabeln zusammengefasstwerden.[0035] Zwischen die Erfassungseinheiten und die Ka-mera können in einer Variante der vorliegenden Erfin-dung optische Filter oder Linsen angeordnet werden, wo-durch beispielsweise unerwünschte Wellenlängen oderPolarisationsebenen herausgefiltert werden können.[0036] Die in der vorliegenden Erfindung einsetzbareKamera ist eine Digitalkamera, dabei kann der Sensorder Kamera bevorzugt auf CCD- oder auf CMOS-Tech-nologie beruhen.[0037] Falls eine höhere Empfindlichkeit verlangt ist,als die Kamera an sich gestattet, kann zur Verstärkungzwischen die von den Erfassungseinheiten kommendenSignale und die Kamera eine Verstärkereinheit geschal-tet werden; Verstärkereinheit und Kamera werden zu-sammenfassend auch als intensivierte Kamera oderauch i-Kamera bezeichnet.[0038] Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindungmöglich, anstelle einer Kamera lediglich einen CCD bzw.CMOS-Sensor als Detektor einzusetzen (dies kann eineKamera sein, bei der die Optik entfernt wurde, bzw. eineSLR-Kamera ohne angesetzte Optik).[0039] Das der Kamera aufgezeichnete Signal kannentweder direkt als Bilddatei ausgegeben werden, oderdie aufgezeichneten Daten können als originäre Datenverwendet werden, die durch weitere Algorithmen auf-gearbeitet werden.[0040] Es ist möglich, im Rahmen der vorliegenden Er-findung handelsübliche, preiswerte digitale Kameras zuverwenden. In einer Variante können allerdings auch be-liebige andere Kameras, inklusive Spezialkameras, ver-wendet werden; diese können z.B. direkt für IR- oder UV-Lichtempfang, im Hinblick auf deren Verstärkung, die

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Bildfolgerate und/oder die Belichtungszeiten optimiertsein.[0041] In einer Variante der vorliegenden Erfindungwerden die Spiegel oder optischen Filter- und/oder Lin-sen-Konstruktionen derart ausgewählt, dass sie für diejeweils zu untersuchende Spezies in ihren Reflektions-oder Transmissionseigenschaften angepasst sind, ins-besondere durch Anpassung an die von der Speziesbzw. Probe ausgehenden Lichtwellenlängen.[0042] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist fer-ner ein schnelles optisches Tomographieverfahren, beidem eine Spezies bzw. Probe optisch untersucht wird,die detektierten Signale in elektronische Daten umge-setzt werden, die ermittelten elektronischen Daten durcheinen mathematischen Algorithmus verarbeitet und dieverarbeiteten Daten ausgegeben werden, wobei eineVorrichtung wie eben weiter oben beschrieben einge-setzt wird.[0043] Dabei werden die verarbeiteten Daten in einerVariante als mindestens eine Bilddatei ausgegeben.[0044] In einer anderen Variante werden die Daten alsRohdaten ausgegeben, ohne zwischengeschaltete algo-rithmische Aufarbeitung.[0045] In einer weiteren Variante werden die verarbei-teten Daten an eine Steuerungseinheit ausgegeben, wo-durch es möglich wird, Prozesse direkt anhand der de-tektierten Daten zu steuern.[0046] Die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindungist damit nicht ausschließlich auf ein bildgebendes Ver-fahren beschränkt, sondern kann hervorragend auch zurÜberwachung und Regelung von Prozessen eingesetztwerden, bei denen optisch erfassbare Vorgänge von derProzessführung abhängig sind. Zum Beispiel könnenVerbrennungsanlagen gesteuert werden, indem eineoder mehrere Spezies in der Flamme überwacht werden;ist die Konzentration der Spezies zu hoch oder zu niedrig,ist dies Hinweis auf eine nicht ideale Verbrennung undentsprechend der erfassten Daten wird die Verbrennungnachgeregelt, z.B. durch Variation der Brennstoffmenge.[0047] Dieses Prinzip lässt sich auch zur Steuerungvon fluidischen Prozessen anwenden, sofern eine odermehrere Licht emittierende Spezies (z.B. per Fluores-zenz) zugegen sind; gleiches gilt für Spezies die durch-leuchtet werden, wobei eine Lichtstreuung gegeben seinkann, z.B. durch Blasenbildung.[0048] In einer Variante der vorliegenden Erfindungwird aus den verarbeiteten Daten ein zweidimensiona-les, tomographisches Abbild der zu untersuchendenSpezies bzw. Probe erstellt.[0049] Weiterhin Gegenstand der vorliegenden Erfin-dung ist ein Verfahren zur optischen Bestimmung vonlumineszierenden Spezies, bei dem mit einer Vorrich-tung wie eben weiter oben beschrieben eine lumineszie-rende Spezies bzw. Probe optisch untersucht und dasErgebnis in Form von maschinenlesbaren Daten, bevor-zugt als mindestens eine Bilddatei, ausgegeben wird.[0050] Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in ei-ner bevorzugten Variante als Tomograph für die Unter-

suchung und Verarbeitung von optisch erfassbaren Ei-genschaften einer Spezies bzw. Probe verwendet.[0051] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung könnenalle Spezies bzw. Proben untersucht werden, die optischerfassbare Eigenschaften aufweisen.[0052] In einer Variante der vorliegenden Erfindungsind die optisch erfassbaren Eigenschaften Bio- oderChemilumineszenz, bevorzugt Chemilumineszenz.[0053] Die Lumineszenz kann dabei von selbst auftre-ten, bei Flammen durch deren chemische Reaktionenbzw. Temperatur ist dies beispielsweise der Fall, oder inder erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden,z.B. durch zusätzliche Anregung mittels weiterem Ener-gieeintrag, wie Laserstrahlen oder lampen.[0054] In letzterem Fall kann die erfindungsgemäßeVorrichtung um eine Vorrichtung zum Energieeintrag,bevorzugt einen Laser, erweitert werden.[0055] Das grundlegende Funktionsprinzip der vorlie-genden Erfindung beruht auf einer limitierten Anzahl apriori festgelegter Detektionswinkel und der Wahl vonErfassungseinheiten, und zusätzlichen Lichtleitern, zurSignalübermittlung auf eine Kamera.[0056] Dieses unterscheidet sich signifikant von denaus dem Stand der Technik bekannten Ansätzen durchden Einsatz von lichtdurchlässigen Erfassungseinheiten,und zusätzlichen Lichtleitern, die mit einem Detektor, ins-besondere einer intensivierten CCD-Kamera, verbundensind.[0057] Im Stand der Technik hingegen werden entwe-der "klassische Tomographieanordnungen" verwendet,bei denen ein Kamerasystem um das zu untersuchendeObjekt rotiert, bei denen bedingt durch geringe realisier-bare Umlaufgeschwindigkeiten allenfalls sehr langsamefluktuierende Untersuchungsobjekte untersucht werdenkönnen, oder Linsensysteme in Verbindung mit einemphotographischen Film, was, neben dem Umstand, dassnach der Messung eines einzelnen Events der photogra-phische Film mühsam und zeitraubend entwickelt wer-den muss, zu Lasten der Empfindlichkeit und damit derBelichtungszeit geht.[0058] Erst durch den erfindungsgemäßen Einsatz vonErfassungseinheiten und zusätzlichen Lichtleitern in Ver-bindung mit einer Kamera, insbesondere einer intensi-vierten CCD-Kamera, als Detektor eröffnet sich im Rah-men der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit, dassman gleichzeitig die folgenden vorteilhaften Eigenschaf-ten miteinander verbindet:

(1) hohe Empfindlichkeit des Detektorsystems,(2) bedingt durch die hohe Empfindlichkeit ist derNachweis sehr geringer Spezieskonzentrationenmöglich, insbesondere auch im ppb-Bereich bei flu-oreszierenden Spezies in der Gasphase, selbst beiTemperaturen >2000°C,(3) die hohe Empfindlichkeit ermöglicht die Realisie-rung sehr kurzer Belichtungszeiten, insbesonderevon <25 Mikrosekunden bei Konzentrationen der zuuntersuchenden Spezies im ppb-Bereich in der Gas-

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phase auch bei Raumtemperatur; bei höherer Kon-zentration oder bei höherem Druck bzw. in Flüssig-keiten sind entsprechend noch kürzere Belichtungs-zeiten erreichbar,(4) schnelle Bildfolge und damit Online-Messungensind möglich, insbesondere können Wiederholratenvon einigen kHz erreicht werden,(5) im Vergleich mit den anderen Ansätzen entste-hen sehr geringe apparative Kosten.

[0059] Die gleichzeitige Erfüllung der Eigenschaften(1) bis (5) ist mit anderen optischen tomographischenVerfahren des Standes der Technik nicht möglich.[0060] Im Stand der Technik sind Lösungsansätze zufinden, die sich aber im Hinblick auf Nachweisempfind-lichkeit, Signalintegrationszeit, Wiederholrate, räumli-cher Auflösung zumindest in einem der genannten Punk-te signifikant unterscheiden. Erst durch die erfindungs-gemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Ver-fahren konnten Möglichkeiten gefunden werden, die diefünf genannten Eigenschaften gleichzeitig erfüllen.[0061] Da die Konzentration von z.B. OH* mit der Wär-mefreisetzung von Flammen in Zusammenhang steht,können mittels der vorliegenden Erfindung in einer in-dustriellen Feuerungsanlage Verbrennungsinstabilitä-ten, die zu Brennkammerschwingungen führen und eingroßes Problem darstellen, online messtechnisch erfasstund darüber hinaus zur Prozessüberwachung bzw. Pro-zesssteuerung genutzt werden.[0062] Die vorliegende Erfindung kann in den unter-schiedlichsten technischen Bereichen eingesetzt wer-den, bei denen innerhalb einer Schnittebene die räumli-che Verteilung einer Substanz oder gegebenenfalls andessen Stelle ein geeigneter Tracer in einem optischtransparenten Medium ermittelt werden soll. Neben deroptischen Transparenz des Mediums ist die einzige wei-tere Voraussetzung, dass die zu untersuchende Sub-stanz entweder:

(a) selbst Licht (auch IR- und/oder UV-Licht) emit-tiert, bevorzugt durch chemische Reaktion,(b) durch Ein- oder Durchstrahlung von Licht (oderEnergie) zum Leuchten gebracht werden kann, be-vorzugt durch Fluoreszenz oder Phosphoreszenz,(c) ein- bzw. durchgestrahltes Licht an manchenStellen des zu untersuchenden Mediums nicht zumLeuchten gebracht werden kann in einem ansonstenfluoreszierenden Fluid, wie dies auch durch Blasen,bevorzugt Luft- oder Dampf-Blasen geschehenkann.

[0063] Durch die Verwendung von Teleskopen in Ver-bindung mit der Kopplung auf einen einzelnen Detektorin Form einer Kamera, wurde die erfindungsgemäße Vor-richtung und das erfindungsgemäße Verfahren ermög-licht, welches die in den Punkten (1) bis (5) geschildertenVorteile, welche die aus dem Stand der Technik bekann-ten Verfahren nicht oder nur teilweise aufweisen, auf-

weist.[0064] Bedingt durch die hohe Anzahl an Kanälenkonnte im Rahmen der vorliegenden Erfindung die räum-liche Auflösung deutlich erhöht werden.[0065] In einer Variante der vorliegenden Erfindungkonnte durch die Einkopplung der Lichtsignale in opti-sche Fasern mittels Teleskopen, sowie den Einsatz eineri-CCD-Kamera eine um Größenordnungen höhere Emp-findlichkeit im Vergleich zu den Systemen des Standesder Technik erreicht werden.[0066] Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindungim Vergleich zu Geräten des Standes der Technik ist,dass die apparativen Kosten um ein Vielfaches niedrigersind, bei einer gleichzeitig erheblich höheren räumlichenAuflösung.[0067] Mit der vorliegenden Erfindung sind insbeson-dere auch Online-Messungen hoch instationärer Prozes-se zur Untersuchung von Objekten, die Überwachungvon Prozessen oder die Steuerung von Prozessen mög-lich.[0068] Die ermittelten Daten werden im Rahmen dervorliegenden Erfindung durch einen mathematische Al-gorithmus verarbeitet.[0069] In einer Variante der vorliegenden Erfindungkann für den tomographischen Rekonstruktionsalgorith-mus ein iteratives Rekonstruktionsverfahren verwendetwerden.[0070] Die erfindungsgemäße Vorrichtung/Vorrich-tung ist bevorzugt ein optischer Tomograph.[0071] Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevor-zugt ein schnelles optisches Tomographieverfahren.[0072] Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das er-findungsgemäße Verfahren ermöglichen die Anwen-dung der Technik in den unterschiedlichsten Branchenund Bereichen, insbesondere zur Ermittlung der räumli-chen Verteilung chemilumineszierender Spezies in tur-bulenten Flammen.[0073] Mit der vorliegenden Erfindung wird eine aus-reichende räumliche Auflösung, bei einer typischen Ab-messung von industriellen Flammen von ca. 5 - 10 cm,erreicht, um die gefalteten Flammenfronten innerhalb derFlamme adäquat zu unterscheiden. Im Rahmen der vor-liegenden Erfindung konnten Auflösungswerte von klei-ner oder gleich 1 - 2 mm in der apparativen Umsetzungdes Messverfahrens realisiert werden.[0074] Mit der vorliegenden Erfindung wird es weiter-hin ermöglicht, die Verteilung einer chemilumineszieren-den Spezies (z.B. OH*), die in einer Flamme lediglich inder Reaktionszone und dort nur mit äußerst niedrigerKonzentration, insbesondere im ppb-Bereich, vorhan-den ist, noch dazu mit hoher zeitlicher Auflösung, insbe-sondere von <200 Mikrosekunden, zu ermitteln.[0075] Die räumliche Faltung der Reaktionszonen ei-ner turbulenten Flamme kann mit der vorliegenden Er-findung lokalisiert werden, ohne dass es innerhalb derBelichtungszeit zu räumlichen Auswaschungen bei derRekonstruktion durch die schnelle Ausbreitung der Flam-menfronten führen würde. Zudem konnte sichergestellt

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werden, dass das bei kürzer werdender Belichtungszeitzunehmende Signalrauschen die tomographische Re-konstruktion nicht verhindert.[0076] Das erfindungsgemäße tomographische Ver-fahren lässt sich in solchen Bereichen anwenden, beidenen in einem optisch transparenten Fluid eine selbst-leuchtende oder zum Leuchten gebrachte Substanz imHinblick auf deren räumliche Konzentrationsverteilunghin untersucht werden soll. In technischen Verbren-nungseinrichtungen lassen sich damit ganz gezielt che-milumineszierende Spezies, wie beispielsweise CH*,OH*, C2*, HCO*, CO* und CO2* etc., bevorzugt ausge-wählt aus der Gruppe bestehend aus CH*, OH*, C2*,HCO*, CO* und CO2*, detektieren, um damit Informati-onen mit hoher zeitlicher Auflösung (<200 Mikrosekun-den) über die Wärmefreisetzung räumlich aufgelöst zuerhalten.[0077] Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das er-findungsgemäße Verfahren können in Kraftwerken Ver-wendung finden.[0078] Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das er-findungsgemäße Verfahren können weiterhin Verwen-dung finden:

- bei Herstellern von Messgeräten, deren Produktezur Untersuchung von Vorgängen in Verbrennungs-einrichtungen bzw. Verbrennungsmotoren einge-setzt werden,

- in verbrennungsrelevanten Anwendungen, Fluidme-chanik und Materialforschung, (inner-) motorischenEinsatzbereichen,

- Medizintechnik- bei der Online-Untersuchung von Konzentrations-

verteilungen in Strömungen.- im Chemieingenieurwesen und in der Verfahrens-

technik.

[0079] Ein weiteres Anwendungsfeld der vorliegendenErfindung sind weiterhin online Prozesskontrollen, beidenen z. B. innerhalb eines Rohres oder ähnlichem derräumliche Reaktionsfortschritt oder die Vermischungkontrolliert werden sollen.[0080] Aufgrund der der vorliegenden Erfindung zu-grunde liegenden Funktionsweise sind mögliche Anwen-dungen sehr vielfältig. Daher kann diese Auflistung nichtden Anspruch der Vollständigkeit im Hinblick auf mögli-che Anwendungen erheben.[0081] Im folgenden wird die vorliegende Erfindung un-ter Zuhilfenahme von drei exemplarischen Ausgestaltun-gen der vorliegenden Erfindung näher erläutert.[0082] Eine erste exemplarische Ausgestaltung dervorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung mit einerkreisförmigen Konstruktion umfassend auf einem erstenHalbkreis

- zehn, halbkreisförmig um den Kreismittelpunkt an-geordnete Spiegel,oder

zehn, halbkreisförmig um den Kreismittelpunkt an-geordnete optische Filter- und/oder Linsen-Kon-struktionen,

und optional auf dem zweiten Halbkreis

- neun, weitere halbkreisförmig um den Kreismittel-punkt angeordnete Spiegel, oderneun, weitere halbkreisförmig um den Kreismittel-punkt angeordnete optische Filter- und/oder Linsen-Konstruktionen, wobei

jeweils Kepler-Teleskope an die Spiegel oder an die op-tischen Filter- und/oder Linsen-Konstruktionen ange-schlossen sind, und an die Teleskope optische Faser-bündel angeschlossen sind, die zu einem Kabel zusam-mengefasst werden und die zu einem einzelnen Detektorin Form einer Kamera oder einem CCD- bzw. CMOS-Sensor, insbesondere einer intensivierten CCD-Kamera,führen, und wobeiim Kreismittelpunkt die zu untersuchende Spezies bzw.Probe angeordnet wird.[0083] In einer Variante der ersten exemplarischenAusgestaltung besteht jedes optische Faserbündel ausmehreren optischen Fasern, insbesondere aus 90 opti-schen Fasern.[0084] In einer Variante der ersten exemplarischenAusgestaltung sind die Spiegel oder optischen Filter-und/oder Linsen-Konstruktionen jeweils zueinander in ei-nem Winkelabstand von 18°, gesehen vom Kreismittel-punkt aus, angeordnet, wobei zwischen den jeweils äu-ßersten Spiegeln oder optischen Filter- und/oder Linsen-Konstruktionen der Halbkreise ein Winkelabstand von27° besteht.[0085] In einer Variante der ersten exemplarischenAusgestaltung, in der keine Spiegel verwendet werden,detektieren die Teleskope das Signal dann direkt in derDetektionsebene ohne Umlenkung.[0086] Anstelle der Spiegel können in dieser Varianteoptische Filter- und/oder Linsen-Konstruktionen einge-setzt werden.[0087] In einer bevorzugten Variante der ersten exem-plarischen Ausgestaltung werden Spiegel und keine op-tischen Filter- und/oder Linsen-Konstruktionen verwen-det, und die Spiegel sind Aluminiumspiegel, insbeson-dere dielektrische Spiegel oder UV-verbesserte Alumi-niumspiegel, d.h. Aluminiumspiegel, die durch fachbe-kannte Oberflächenbehandlung ein optimiertes Reflekti-onsverhalten für UV-Licht aufweisen.[0088] In einer Variante der ersten exemplarischenAusgestaltung wird die zu untersuchende Spezies aus-gewählt aus der Gruppe bestehend aus CH*, OH*, C2*,HCO*, CO*, CO2* und Mischungen davon.[0089] Es ist demgemäß in einer Variante des erstenexemplarischen Gegenstands möglich, verschiedeneSpezies nebeneinander zu bestimmen.[0090] Kepler-Teleskope haben eine Objektivlinse, ei-ne Okularlinse und eine dazwischenliegende Iris-Blende.

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[0091] Die Kepler-Teleskope erfüllen bei der vorlie-genden Erfindung die folgenden Aufgaben:

(1) Die Größe des abgebildeten Objekts wird auf dieDimension des Sensors/der Photokathode des Bild-verstärkers der (intensivierten) CCD-Kamera ver-kleinert.(2) Das Kepler-Teleskop gewährleistet, dass kom-planare und parallele Strahlen, die durch z.B. OH*in der Detektionsebene emittiert werden, durch dasganze Detektionssystem geleitet werden, was für eintomographische Rekonstruktionsverfahren wichtigist.

[0092] Eine bevorzugte Variante der ersten exempla-rischen Ausgestaltung ist es, in einer Ebene in turbulen-ten Flammen die Chemilumineszenz von OH* räumlichaufgelöst zu ermitteln. Aufgrund der bei Raumtemperaturim Vergleich zu Verbrennungstemperatur geringerenDichte erhöht sich in Flammen die Belichtungszeit ge-genüber dem oben angegebenen Wert (<25 ms) auf etwa200 Mikrosekunden.[0093] Im Rahmen der ersten exemplarischen Ausge-staltung werden zur tomographischen Rekonstruktion ineiner bevorzugten Variante 900 optische Kanäle verwen-det, wobei die Anzahl der optischen Kanäle in einer Va-riante der vorliegenden Erfindung ohne nennenswerteapparative Veränderungen vornehmen zu müssen auf1710 erweitert werden kann.[0094] Die Anzahl der optische Kanäle ergibt sich da-bei aus der Anzahl der optischen Fasern.[0095] Eine zweite exemplarische Ausgestaltung dervorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung mit einerkreisförmigen Konstruktion umfassendauf einem ersten Halbkreis

- zehn halbkreisförmig um den Kreismittelpunkt, je-weils zueinander in einem Winkelabstand von 18°,gesehen vom Kreismittelpunkt aus, angeordnete ineinem Winkel von 45° zur Detektionsebene gedrehteUV-verbesserte Aluminiumspiegel,

und optional auf dem zweiten Halbkreis

- neun, weitere halbkreisförmig um den Kreismittel-punkt, jeweils zueinander in einem Winkelabstandvon 18°, gesehen vom Kreismittelpunkt aus, ange-ordnete in einem Winkel von 45° zur Detektionsebe-ne gedrehte UV-verbesserte Aluminiumspiegel, wo-bei

zwischen den jeweils äußersten Spiegeln der Halbkreiseein Winkelabstand von 27° besteht, und wobei jeweilsrechtwinklig zur Detektionsebene angeordnete Kepler-Teleskope mit einer Objektivlinse, einer Okularlinse undeiner dazwischenliegenden Iris-Blende an die Alumini-umspiegel angeschlossen sind, und an die Teleskopewiederum optische Faserbündel, bestehend jeweils aus

90 optischen Fasern, angeschlossen sind, die zu einemKabel zusammengefasst werden und dann zu einem ein-zelnen Detektor in Form einer intensivierten CCD-Kame-ra führen, und wobei im Kreismittelpunkt die zu untersu-chende chemilumineszierende Spezies bzw. Probe an-geordnet wird.[0096] Eine dritte exemplarische Ausgestaltung dervorliegenden Erfindung ist ferner ein schnelles optischesTomographieverfahren, bei dem eine chemilumineszie-rende Spezies bzw. Probe optisch untersucht wird, diedetektierten Signale in elektronische Daten umgesetztwerden, die ermittelten elektronischen Daten durch ei-nen mathematischen Algorithmus verarbeitet und dieverarbeiteten Daten als zweidimensionales, tomographi-sches Abbild der zu untersuchenden Spezies bzw. Probeausgegeben werden, wobei eine Vorrichtung wie ebenweiter oben beschrieben eingesetzt wird.[0097] In einer Variante der vorliegende Erfindung sinddie drei genannten exemplarischen Ausgestaltungen dervorliegenden Erfindung, bevorzugte Gegenstände dervorliegenden Erfindung.[0098] Im folgenden wird die vorliegende Erfindung un-ter Zuhilfenahme der Figuren 1 bis 7 näher erläutert.[0099] Die Figuren 1 bis 7 illustrieren dabei eine be-sonders vorteilhafte Ausgestaltung, zur Untersuchungvon OH* die belegt, dass mit der vorliegenden Erfindungextrem gute Ergebnisse erzielt werden, nämlich Detek-tion von sich schnell verändernden Spezies/Proben(-verteilung) in Milliardstel-Konzentrations-Bereichen(ppb).[0100] Beschreibung der Figuren:

Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsge-treu. Aus Gründen der Klarheit und zur einfacherenDarstellung können einige Merkmale der Erfindungübertrieben groß oder in schematischer Form dar-gestellt sein,ebenso können demgemäß einige Details von kon-ventionellen bzw. bekannten Elementen nicht dar-gestellt sein.

[0101] Bei mehreren gleichen Bauteilen/Bestandteilenin einer Zeichnung wurden aus Gründen der Übersicht-lichkeit nicht alle markiert, sondern jeweils maximal drei.

Bezugszeichenliste:

[0102]

1 Objekt, bzw. Flamme2 Erfassungseinheit bzw. Teleskop2a optionales Teleskop3 45° Aluminiumspiegel3a optionaler 45° Aluminiumspiegel4 optische Faserbündel5 Zwinge6 optische zweidimensionale Detektoreinheit7 einstellbare Kabelbefestigung

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8 Objektivlinse9 Okularlinse10 Iris-Blende11 Durchmesser-Ebene12 segmentierter Aluminiumring

Figur 1:

[0103] In Figur 1 ist eine schematische Darstellung destomographischen Rekonstruktionsaufbaus mit einemSatz von zehn Teleskopen 2 in einer Aufsicht (linker Teilder Figur) und einer seitlichen Ansicht (rechter Teil derFigur) dargestellt. Die OH*-Chemilumineszenz Signale,die sich in der Horizontalebene ausbreiten werden durchUV-verbesserte 45° Aluminiumspiegel 3, (73 mm breit,22 mm hoch) in die vertikale Richtung reflektiert, um denAufbau so kompakt wie möglich und die UV-optischenKabel 4 so kurz wie möglich zu halten. Die zehn Teles-kope 2 sind in einem Halbkreis um die im Mittelpunkt desKreises befindliche Flamme 1 angeordnet. Die Telesko-pe 2 sind jeweils durch einen Winkel von 18° voneinandergetrennt angeordnet, wobei das erste und das letzte Te-leskop 2 in einem Winkel von 9° zu der Durchmesser-Ebene 11, die in Figur 1 eingezeichnet ist, angeordnetsind. Die Vorrichtung kann in einer Variante durch neunweitere Teleskope 2a erweitert werden, insbesondere fürden Fall, dass sich herausstellt, dass zehn Teleskope 2für eine adäquate tomographische Rekonstruktion vonhochturbulenten Flammen nicht ausreichend sind, oderaus anderen Gründen eine höhere Datenmenge ge-wünscht ist. Dabei können die neun weiteren Teleskope2a auf dem anderen Halbkreis der Vorrichtung angeord-net werden und im Vergleich zu dem ersten Teleskop-Satz um 9° versetzt angeordnet werden. Der Blickwinkeljedes Teleskops 2a des zweiten Satzes ist dabei jeweilsauf das Zentrum einer Lücke zwischen zwei Teleskopen2 des ersten Satzes gerichtet. Diese zusätzlichen, opti-onalen Teleskope 2a des zweiten Satzes sind in Figur 1mit gestrichelten Linien dargestellt.[0104] Die Teleskope 2 und gegebenenfalls 2a werdenin Position gehalten durch zwei segmentierte Aluminium-ringe 12 (äußerer Durchmesser 92 cm, innerer Durch-messer 63 cm), die durch Aluminiumröhren auf 32 cmAbstand gehalten werden. Wie aus der Seitenansicht inFigur 1 hervorgeht, sind die oberen Enden der Teleskope2 und gegebenenfalls 2a mit dem ersten Ring 12 etwasunterhalb von den Aluminiumspiegeln fixiert. Der zweiteRing 12 befindet sich am unteren Ende der Teleskope 2und gegebenenfalls 2a, etwas oberhalb der Position, ander der Durchmesser der Teleskope 2 und gegebenen-falls 2a von 80 mm auf 40 mm reduziert wird.[0105] Jedes optische Faserbündel 4 besteht aus 90optischen Fasern, hergestellt von Ceram Optec (OptranUV). Die Fasern sind nebeneinander entlang einer ge-raden Linie angeordnet. Der Gesamtdurchmesser derFasern beträgt 125 mm inklusive Mantel und Polyamid-Schutzummantelung.[0106] Wie aus dem rechten Teil von Figur 1 ersicht-

lich, werden die zehn einzelnen Faserbündel 4 in einerMetallhülse 5 (Breite 22 mm, Höhe 11 mm) zu einemeinzigen Kabelstrang vereinigt, in dem die Fasern derTeleskope in zehn Reihen angeordnet sind.[0107] Zwischen der Hülse 5 und dem Eintrittsfensterdes Bildverstärkers ist aufgrund der relativ großen nu-merischen Apertur NA = n * sin Tmax = 0.22 (für denRefraktionsindex von Luft n = 1) der Fasern und der nichtzu vernachlässigenden Distanz zwischen dem Eintritts-fenster und der Photokathode der intensivierten CCD-Kamera 6 ein Kondensor angeordnet.[0108] Die Divergenz des aus den Fasern kommendenLichts ist 2 * Tmax = 25°, was zu Überlagerungen zwi-schen den Signalen aus den einzelnen angrenzendenFasern führen könnte. Der Kondensor besteht aus zweiidentischen, mit Antireflektionsbeschichtungen versehe-nen Quarzlinsen von 25 mm Durchmesser und einerBrennweite von 30 mm. Aufgrund der hohen Blendenzahlf# werden asphärische Linsen verwendet, um die sphä-rische Abberation zu minimieren. Zusätzlich ist zwischenden Linsen und dem iCCD-Eintrittsfenster ein SchottGlasfilter UG11 (Dicke 2 mm), das im Bereich von 250nm - 395 nm UV-durchlässig ist, eingesetzt. Dieses Filtergarantiert auf der einen Seite eine im Vergleich zu z.B.Interferenzfiltern höhere Transmission (>80%) für dieOH*-Chemilumineszenz-Signale und unterbindet auf deranderen Seite Chemilumineszenz-Anteile von anderenSpezies.

Figur 2:

[0109] In Figur 2 ist eine schematische Illustrationender Teleskope 2, 2a wiedergegeben.[0110] Die Teleskope 2, 2a weisen zwei Quarzlinsen,die mit Antireflektionsschichten versehen sind, die Ob-jektivlinse (Brennweite F1 = 474 +/- 2.3 mm (bei 310 nm);Durchmesser D1 = 75 mm) und die Okularlinse (Brenn-weite F2 = 71 +/- 0.5 mm (bei 310 nm); Durchmesser D2= 30 mm), auf.[0111] Die Iris-Blende 10 ist in der Fokalebene beiderTeleskoplinsen 8, 9 positioniert. Der Iris-Durchmesserwurde dabei zu Dp = 15 mm gewählt. Dieser Wert stellteinen Kompromiss zwischen optischer Auflösung desSystems und dem Auftreten von Vignettierungen auf dereinen Seite und der Signalstärke auf der anderen Seitedar.[0112] Am unteren Ende jedes Teleskops 2 und gege-benenfalls 2a befindet sich eine einstellbare Kabelbefes-tigung 7 zur optischen Ausrichtung, woran die optischenFaserbündel 4 befestigt sind.

Figur 3:

[0113] In den abgebildeten Messergebnissen wurdevon links nach rechts die Belichtungszeiten des opti-schen Tomographen sukzessive von 5 Millisekundenüber 1 Millisekunde bis herunter zu 200 Mikrosekundenreduziert. Letztgenannte Belichtungszeit ist ausreichend

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kurz, um das Verfahren bei der vorgegebenen räumli-chen Auflösung von 1 - 2 mm auch auf turbulente Flam-men übertragen zu können. Die räumliche Faltung derReaktionszonen einer turbulenten Flamme kann damitlokalisiert werden, ohne dass es innerhalb der Belich-tungszeit zu räumlichen Auswaschungen bei der Rekon-struktion durch die schnelle Ausbreitung der Flammen-fronten führen würde. Zudem konnte mit dieser Strategiesichergestellt werden, dass das bei kürzer werdenderBelichtungszeit zunehmende Signalrauschen die tomo-graphische Rekonstruktion nicht verhindert.

Figur 4:

[0114] In Figur 3 ist die aus den gemessenen Signalentomographisch rekonstruierte OH-Chemilumineszenzder Vormischflamme, die einen Durchmesser von 38 mmaufweist, bei unterschiedlichen Belichtungszeiten abge-bildet. Figur 4 zeigt dagegen die gleiche Flamme, bei derallerdings ein Sektor der Brennermatrix, aus dem dasvorgemischte Brennergas austritt, verdeckt wurde.

Figur 5:

[0115] In Figur 5 hingegen wird lediglich ein rechteck-förmiger Teil der runden Brennermatrix für das Brenngasfreigegeben.

Figur 6:

[0116] Bei der Figur 6 versperren auf der Winkelhal-bierenden der Quadranten 1 und 3 eine kreisförmige Ab-deckung mit jeweils 15 mm Durchmesser und bei denQuadranten 2 und 4 eine solche mit 6 mm Durchmesserden Gasaustritt aus der Brennermatrix an diesen Stellen.

Figur 7:

[0117] Schließlich ist in Figur 7 die torusförmige OH*-Chemilumineszenz einer Diffusionsflamme zu erkennen.[0118] In den Figuren 3 bis 7 sind einige Anwendungs-beispiele zur Detektion der Chemilumineszenz von OH-Radikalen für eine stöchiometrische, laminare, flacheMethan-Vormischflamme (Figur 3 - 6) bzw. Methan-Dif-fusionsflamme (Figur 7) wiedergegeben. Hierbei wurdenganz gezielt laminare, stationäre Flammen mit bekannterGeometrie als Untersuchungsobjekt herangezogen, umdie Qualität der tomographischen Rekonstruktion imRahmen der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren.[0119] Alle Abbildungen bestätigen, dass die korrekteräumliche Verteilung mit der Vorrichtung und dem ver-wendeten Algorithmus bei den verschiedenen Belich-tungszeiten erhalten werden.

Patentansprüche

1. Vorrichtung mit einer kreisförmigen Konstruktion

umfassend,eine einzige optische zweidimensionale Detektor-einheit in Form einer Kamera (6), mindestens dreium den Mittelpunkt der Vorrichtung angeordnete op-tische Erfassungseinheiten (2), die von einem zu un-tersuchenden Objekt (1) ausgehendes Licht erfas-sen, wobeidie von den Erfassungseinheiten (2) erfassten Licht-signale auf die einzige optische zweidimensionaleDetektoreinheit geführt werden, und wobei im Mit-telpunkt der Vorrichtung das zu untersuchendeLicht-emittierende Objekt angeordnet wird, dadurchgekennzeichnet, dassauf einem ersten Halbkreis

- eine Mehrzahl halbkreisförmig um den Kreis-mittelpunkt angeordnete Spiegel (3), odereine Mehrzahl halbkreisförmig um den Kreismit-telpunkt angeordnete optische Filter- und/oderLinsen-Konstruktionen angeordnet sind,

und optional auf dem zweiten Halbkreis

- eine Mehrzahl weitere halbkreisförmig um denKreismittelpunkt angeordnete Spiegel (3a),odereine Mehrzahl weitere halbkreisförmig um denKreismittelpunkt angeordnete optische Filter-und/oder Linsen-Konstruktionen angeordnetsind, wobei

als Erfassungseinheiten jeweils Kepler-Teleskope(2), (2a) an die Spiegel (3), (3a) oder an die optischenFilter- und/oder Linsen-Konstruktionen angeschlos-sen sind, und an die Teleskope (2), (2a) optischeFaserbündel (4) angeschlossen sind, die zu der ein-zigen optischen zweidimensionalen Detektoreinheitführen, und wobeiim Kreismittelpunkt das zu untersuchende Objekt (1)angeordnet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-zeichnet, dass das von dem Objekt (1) ausgehendeLicht Infrarotlicht, sichtbares Licht und/oder UV-Lichtist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-zeichnet, dass das zu untersuchende Licht-emittie-rende Objekt (1) chemiluminesziert oder biolumines-ziert, durch Einstrahlung angeregt Licht emittiertoder mittels Durchlicht Licht emittiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-zeichnet, dassauf dem ersten Halbkreis

- zehn, halbkreisförmig um den Kreismittelpunktangeordnete Spiegel (3),

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oderzehn, halbkreisförmig um den Kreismittelpunktangeordnete optische Filter- und/oder Linsen-Konstruktionen,

und optional auf dem zweiten Halbkreis

- neun, weitere halbkreisförmig um den Kreis-mittelpunkt angeordnete Spiegel (3a), oder

neun, weitere halbkreisförmig um den Kreismittel-punkt angeordnete optische Filter- und/oder Linsen-Konstruktionenangeordnet sind.

5. Schnelles optisches Tomographieverfahren, beidemals Objekt (1) eine Spezies bzw. Probe optisch un-tersucht wird,die detektierten Signale in elektronische Daten um-gesetzt werden,die ermittelten elektronischen Daten durch einenmathematischen Algorithmus verarbeitet unddie verarbeiteten Daten ausgegeben werden, bevor-zugt als Rohdaten, mindestensals eine Bilddatei oder als mindestens eine Steuer-datei, besonders bevorzugt als mindestens eineBilddatei,dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtunggemäß Anspruch 1 eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn-zeichnet, dass aus den verarbeiteten Daten eindreidimensionales, tomographisches Abbild der zuuntersuchenden Spezies bzw. Probe erstellt wird.

7. Verfahren zur optischen Bestimmung von Licht emit-tierenden Spezies, dadurch gekennzeichnet,dass diese mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch1 optisch untersucht und das Ergebnis als maschi-nenlesbare Daten, bevorzugt als mindestens einBilddatei, ausgegeben werden.

8. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 alsTomograph für die Untersuchung und Verarbeitungvon optisch erfassbaren Eigenschaften einer Spezi-es bzw. Probe.

Claims

1. Apparatus having a circular construction, comprisinga single optical two-dimensional detector unit in theform of a camera (6),at least three optical capturing units (2) arrangedabout the centre of the apparatus, which optical cap-turing units capture light emitted by an object (1) tobe examined, wherein

the light signals captured by the capturing units (2)are guided to the single optical two-dimensional de-tector unit, and whereinthe light-emitting object to be examined is arrangedin the centre of the apparatus, characterized in thatarranged on a first semicircle are

- a multiplicity of mirrors (3) arranged in theshape of a semicircle about the centre of thecircle, ora multiplicity of optical filter and/or lens construc-tions arranged in the shape of a semicircle aboutthe centre of the circle,

and optionally arranged on the second semicircle are

- a multiplicity of further mirrors (3a) arranged inthe shape of a semicircle about the centre of thecircle, ora multiplicity of further optical filter and/or lensconstructions arranged in the shape of a semi-circle about the centre of the circle, wherein

in each case Keplerian telescopes (2), (2a) are con-nected as capturing units to the mirrors (3), (3a) orto the optical filter and/or a lens constructions, andoptical fibre bundles (4), which lead to the single op-tical two-dimensional detector unit, are connected tothe telescopes (2), (2a), and whereinthe object (1) to be examined is arranged in the cen-tre of the circle.

2. Apparatus according to Claim 1, characterized inthat the light emitted by the object (1) is infrared light,visible light and/or UV light.

3. Apparatus according to Claim 1, characterized inthat the light-emitting object (1) to be examined ischemiluminescent or bioluminescent, emits lightthrough excitation by irradiation or emits light by wayof transmitted light.

4. Apparatus according to Claim 1, characterized inthatarranged on the first semicircle are

- ten mirrors (3) arranged in the shape of a sem-icircle about the centre of the circle, or ten opticalfilter and/or lens constructions arranged in theshape of a semicircle about the centre of thecircle,

and optionally arranged on the second semicircle are

- nine further mirrors (3a) arranged in the shapeof a semicircle about the centre of the circle, ornine further optical filter and/or lens construc-tions arranged in the shape of a semicircle about

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the centre of the circle.

5. Fast optical tomography method, in whicha species or sample is optically examined as an ob-ject (1),the detected signals are converted to electronic data,the ascertained electronic data is processed usinga mathematical algorithm, andthe processed data is output, preferably as raw data,at least as an image file or as at least a control file,particularly preferably as at least an image file,characterized in that an apparatus according toClaim 1 is used.

6. Method according to Claim 5, characterized in thata three-dimensional tomography image of the spe-cies or sample to be examined is produced from theprocessed data.

7. Method for optically determining light-emitting spe-cies, characterized in that said light-emitting spe-cies are optically examined with an apparatus ac-cording to Claim 1, and the result is output as ma-chine-readable data, preferably as at least an imagefile.

8. Use of an apparatus according to Claim 1 as a tom-ograph for examining and processing optically cap-turable properties of a species or a sample.

Revendications

1. Dispositif avec une construction circulaire compre-nant une unique unité de détection optique en deuxdimensions sous la forme d’une caméra (6), aumoins trois unités d’acquisition optique (2) dispo-sées autour du centre du dispositif, lesquelles fontl’acquisition de la lumière provenant d’un objet (1) àanalyser, dans lequelles signaux lumineux acquis par les unités d’acqui-sition (2) sont guidés vers l’unique unité de détectionoptique en deux dimensions, et dans lequell’objet émettant de la lumière à analyser est disposéau centre du dispositif, caractérisé en ce que,sur un premier demi-cercle,

- une pluralité de miroirs (3) disposés en formede demi-cercle autour du centre du cercle, ouune pluralité de constructions optiques de typefiltres et/ou lentilles disposées en forme de de-mi-cercle autour du centre du cercle, sont misen place

et en ce que, de manière optionnelle, sur le deuxiè-me demi-cercle,

- une pluralité d’autres miroirs (3a) disposés en

forme de demi-cercle autour du centre du cercle,ouune pluralité d’autres constructions optiques detype filtres et/ou lentilles disposées en forme dedemi-cercle autour du centre du cercle, sont misen place, dans lequel,

en guise d’unités d’acquisition, des télescopes Ke-pler (2), (2a) sont respectivement raccordés aux mi-roirs (3), (3a) ou aux constructions optiques de typefiltres et/ou lentilles, et des faisceaux de fibres opti-ques (4) sont raccordés aux télescopes (2), (2a), les-quels mènent vers l’unique unité de détection opti-que en deux dimensions, et dans lequell’objet (1) à analyser est disposé au centre du cercle.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé ence que la lumière provenant de l’objet (1) est de lalumière infrarouge, de la lumière visible et/ou de lalumière UV.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé ence que l’objet émettant de la lumière (1) à analyserest chimiluminescent ou bioluminescent, émet de lalumière en étant excité par irradiation ou émet de lalumière au moyen d’une lumière transmise.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé ence que, sur le premier demi-cercle,

- dix miroirs (3) disposés en forme de demi-cer-cle autour du centre du cercle, oudix constructions optiques de type filtres et/oulentilles disposées en forme de demi-cercleautour du centre du cercle,

et, de manière optionnelle, sur le deuxième demi-cercle

- neuf autres miroirs (3a) disposés en forme dedemi-cercle autour du centre du cercle, ouneuf autres constructions optiques de type filtreset/ou lentilles disposées en forme de demi-cer-cle autour du centre du cercle, sont mis en place.

5. Procédé de tomographie optique rapide, dans lequelon analyse optiquement, en guise d’objet (1), uneespèce ou un échantillon,les signaux détectés sont transformés en donnéesélectroniques,les données électroniques déterminées sont traitéespar un algorithme mathématique, etles données traitées sont sorties, de préférence entant que données brutes, au moins en tant qu’unfichier d’image ou au moins en tant qu’un fichier decommande, de manière particulièrement préféréeau moins en tant qu’un fichier d’image,caractérisé en ce que l’on utilise un dispositif selon

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la revendication 1.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ceque l’on produit, à partir des données traitées, unereprésentation homographique tridimensionnelle del’espèce ou de l’échantillon à analyser.

7. Procédé pour la détermination optique d’espècesémettant de la lumière, caractérisé en ce que cel-les-ci sont analysées optiquement avec un dispositifselon la revendication 1 et en ce que le résultat estsorti en tant que données lisibles par machine, depréférence au moins en tant qu’un fichier d’image.

8. Utilisation d’un dispositif selon la revendication 1 entant que tomographe pour l’analyse et le traitementde propriétés, pouvant être acquises optiquement,d’une espèce ou d’un échantillon.

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IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommenund ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; dasEPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

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