Zur Bestimmung von dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektoren wird bei Lasermessverfahren üblicherweise eine Anordnung gewählt, bei der zweidimensionale Systeme dasselbe Messvolumen aus verschiedenen Richtungen beobachten. Der gesuchte Geschwindigkeitsvektor wird aus einer geometrischen Transformation der beiden Messergebnisse gewonnen. Um eine ausreichende Messgenauigkeit für alle Komponenten der Geschwindigkeit zu erreichen, muss die Winkeldifferenz der beiden Systeme mindestens 30° betragen. Diese Anordnung erfordert relativ große Messfenster.
Bei vielen Anwendungen ist die Zugangsmöglichkeit zum Messort jedoch behindert, z.B. in Turbomaschinen, bei denen der Messort normalerweise nur durch relativ kleine Fenster im Gehäuse der Maschine erreicht werden kann. Dort können nur solche Laservelocimeter zur 3D Geschwindigkeitsmessung zur Anwendung kommen, die mit dem durch die Messfenstergröße bestimmten sehr kleinen Raumwinkel auskommen.
Zur Erreichung dieses Ziels sind zwei verschiedene Ansätze auf Basis des L2F-Prinzips vorgeschlagen worden. Beim ersten Verfahren werden zwei L2F-Systeme in einem gemeinsamen Gehäuse eingesetzt. Wie die Prinzipskizze zeigt, sind die beiden Systeme jeweils um ca. 6° gegenüber der optischen Achse des Empfangsteils geneigt. Beide L2F-Velocimeter arbeiten bei verschiedenen Wellenlängen, um das aus dem Messvolumen empfangene Signal dem entsprechenden Gerät zuordnen zu können. 1g steht für den grünen Startstrahl und 2g für den grünen Stoppstrahl. Entsprechende Bezeichnungen gelten für das System mit der blauen Wellenlänge. Im Punkt A schneiden sich die Strahlen 1g und 1b, im Punkt B die Strahlen 2g und 2b. Durch die zwei Systeme werden somit schräg zueinander im Raum stehende Messebenen aufgespannt. Für Strömungsvektoren senkrecht zur optischen Achse verhalten sich beide Systeme jeweils wie eine normales L2F-Gerät. Wenn der Geschwindigkeitsvektor jedoch auch eine Komponente in Richtung der optischen Achse hat, messen beide Systeme zwar immer noch den gleichen Betrag der Geschwindigkeit, aber unterschiedliche Winkel. Mit Hilfe der gemessenen Winkeldifferenz und der Neigung der Strahlachse zur optischen Achse kann dann der tatsächliche 2D-Strömungswinkel sowie der Winkel des Strömungsvektors zur optischen Achse ermittelt werden, wodurch der Geschwindigkeitsvektor vollständig bestimmt ist.
Die praktische Verwirklichung dieses Konzeptes, welches schon Anfang der 80er Jahre gefunden wurde, scheiterte zunächst an erheblichen Lichtstreuungen im Bilddrehprisma, so dass die Anwendung des Gerätes in Turbomaschinen nahezu unmöglich wurde. Durch den Einsatz von Glasfasern war es nun aber möglich, ein verbessertes Gerät zu entwerfen. Der störende Einfluss des Bilddrehprismas konnte durch ein als Ganzes rotierbaren optischen Kopf elimiert werden.
Wenn der Zugang zum Messort noch stärker behindert ist, kann ein weiteres 3D-L2F Verfahren eingesetzt werden. Das Bild zeigt einen schematischen Längsschnitt durch die Messvolumen von zwei L2F Systemen, die sich allerdings durch einen Axialversatz zwischen Start- und Stoppfokus von einem normalen Messvolumen unterscheiden. Die für Messungen nutzbaren Fokusgebiete, die sich durch die Intensitätsverteilung und durch Blenden im Empfangsstrahlengang ergibt, sind im Bild schraffiert dargestellt. Für einen gedachten Strömungsvektor sind die sich daraus ergebenden effektiv nutzbaren Längen der Messvolumen LA, LB durch gestrichelte Linien angedeutet. In dem hier gezeigten Fall würde im System A eine wesentliche höhere Rate von erfolgreichen Start-Stopp Ereignissen festgestellt als im System B. Die normierte Differenz der beiden festgestellten Datenraten steht für nicht zu große Strömungswinkeln ( |b| < gA,B) in etwa linearem Zusammenhang zum Strömungswinkel b. Die Steilheit der sich ergebenden Eichgeraden muss wegen der unbekannten absoluten Länge der Fokusgebiete und der nicht a priori bekannten Partikelgrößenverteilung bei diesem Verfahren durch eine Kalibrierung festgestellt werden. Zur Erzeugung der Messvolumen mit Axialversatz wird ein ähnlicher Versuchsaufbau verwendet wie beim L2F Verfahren mit variablem Abstand. Durch Austausch der Frontlinse gegen eine nicht für die Wellenlängen des Laserlichts korrigierte Linse werden die einzelnen Farbstrahlen an unterschiedlichen Entfernungen fokussiert und es entsteht eine Anordnung wie sie beispielsweise System A entspricht. Durch Verdrehen des optischen Kopfes um 180° und Vertauschen von Start- und Stoppstrahl entsteht automatisch das System B. Durch zwei aufeinanderfolgende Messungen mit beiden Anordnungen kann die benötigte Differenz der Datenraten bestimmt und damit aus der vorher durchgeführten Eichung der Strömungswinkel bezüglich der Strahlachse errechnet werden. In beiden Anordnungen wird der gleiche Strömungswinkel quer zur Strahlachse, der gleiche Betrag der Geschwindigkeit sowie die gleichen Schwankungsgrößen gemessen.