ParticleTensorAI® – TSTOF und Lichtstreusignale

ParticleTensorAI® basiert auf der Physik der zeitabhängigen Lichtstreuung. Ein bewegter Tropfen oder ein bewegtes Partikel wechselwirkt mit einem geformten Lichtstrahl und erzeugt ein Streulichtsignal, das sich zeitlich verändert. Das Time-Shift-Time-of-Flight-Verfahren (TSTOF) nutzt den zeitlichen Verlauf solcher Signale, um einzelne Partikel zu charakterisieren. ParticleTensorAI® verwendet dieselbe Art optischer Information als Grundlage für eine KI-basierte Analyse von Signalsequenzen.

Wenn Licht mit einem Partikel wechselwirkt, wird ein Teil des Lichts gestreut. Das aufgezeichnete Signal hängt vom Partikel und von der optischen Messanordnung ab, einschließlich der Form des Lichtfelds und der Position des Detektors.

Bewegt sich das Partikel durch den beleuchteten Bereich, durchläuft es verschiedene Bereiche des Lichtfelds. Der Detektor zeichnet daher eine sich zeitlich ändernde Intensität auf. Auf diese Weise wird die räumliche Wechselwirkung zwischen Partikel und Licht in ein zeitabhängiges Signal umgewandelt.

Die gemessene Signalform wird durch die Bewegung des Partikels durch das Lichtfeld beeinflusst. Ihre zeitliche Struktur kann Änderungen der Signalintensität und des Zeitverhaltens umfassen. Die genaue Signalform hängt zudem von den optischen Eigenschaften des Partikels und von der Position ab, an der das Streulicht detektiert wird.

Ein Lichtstreusignal ist also nicht einfach ein Maß für Helligkeit. Seine zeitliche Struktur enthält Informationen darüber, wie das Partikel bei seiner Bewegung durch den Messbereich mit dem geformten Strahl wechselwirkt.

TSTOF kombiniert Time-Shift- und Time-of-Flight-Messungen. In einer typischen Anordnung durchquert ein Partikel zwei räumlich getrennte Lichtstrahlen. Detektoren zeichnen die resultierenden zeitabhängigen Streulichtsignale auf.

• Die Flugzeit (Time of Flight) ergibt sich aus der Verzögerung zwischen den Signalen, die den beiden getrennten Lichtstrahlen zugeordnet sind. Bei bekanntem Strahlabstand liefert diese Verzögerung Informationen über die Partikelgeschwindigkeit.
• Die Zeitverschiebung (Time Shift) zwischen den an verschiedenen Detektorpositionen aufgezeichneten Signalen hängt von der Wechselwirkung zwischen Partikel und Lichtfeld ab. Diese Zeitinformation kann zusammen mit der Flugzeitmessung genutzt werden, um Partikeleigenschaften zu bestimmen.

In einer gängigen TSTOF-Konfiguration zeichnen mehrere Detektoren Signale aus unterschiedlichen Streurichtungen auf. Die gemessenen zeitlichen Beziehungen lassen sich auswerten, um Partikelgröße und -geschwindigkeit zu bestimmen. Bei transparenten oder semitransparenten Materialien kann das Verfahren je nach Messkonfiguration zudem Informationen zum Brechungsindex oder zum Feststoffanteil liefern.

TSTOF ist ein zählendes Verfahren: Die klassische Auswertung identifiziert Signale, die einzelnen Partikeln zugeordnet sind, und berechnet aus ihrem Zeitverhalten die Partikeleigenschaften. ParticleTensorAI® verfolgt eine andere Analysestrategie. Es kann einen Abschnitt eines oder mehrerer Detektorsignalströme vorhalten und die Daten als Particle Tensor für die KI-Auswertung anordnen.

Dieser Unterschied betrifft die Art der Verarbeitung der aufgezeichneten Signale. Beide Ansätze beruhen auf optischen Lichtstreuinformationen, während ParticleTensorAI® sich auf die Auswertung von Mustern in gepufferten Signalsequenzen konzentriert, ohne dass jede Partikelwechselwirkung zuvor als Einzelereignis separiert werden muss.

Welche Informationen sich gewinnen lassen, hängt vom optischen Aufbau, den Detektorpositionen, der Partikelströmung, dem Material und der Auswertemethode ab. Zeitverhalten und Form des Signals können zur Untersuchung von Partikelgröße und -geschwindigkeit herangezogen werden. Mit geeigneten Daten und einem validierten KI-Modell kann ParticleTensorAI® zudem Klassifizierungen oder materialbezogene Eigenschaften untersuchen.

Diese Ergebnisse müssen für die jeweiligen Messbedingungen validiert werden. Ein Signalmuster allein garantiert kein bestimmtes Ergebnis; seine Interpretation hängt von der physikalischen Messung und der zur Analyse verwendeten Methode ab.

Eine ausführliche Beschreibung des TSTOF-Messprinzips, seiner technischen Grundlagen und seines Vergleichs mit anderen laserbasierten Verfahren finden Sie im folgenden Open-Access-Artikel:

Walter Schaefer, Lingxi Li, Patrick Stegmann und Masaru Terada, „Technical Report on the TSTOF Measurement Method: Technical Basics, Historical Development, and Comparison with Other Laser-Based Measurement Methods“, Photonics, 13(1), 56, 2026. Zum Artikel.