Laser-Beleuchtung

Laser-Beleuchtung

The short pulse widths, narrow spectral range and high light intensity offered by laser light sources provides the opportunity for unique imaging techniques when combined with high-speed cameras. To achieve good quality images equal consideration should be given to the illumination source as to the camera resolution and sensitivity. If you have an incorrectly lit subject the resulting image will always be poor. There are a wide range of light sources suitable for most high-speed imaging applications; however, some applications may require something utilizing a laser. For example, laser illumination would help eliminate excessive motion blur.

Die meisten Hochgeschwindigkeitskameras verfügen über einen elektronischen Global Shutter, der Belichtungszeiten bis hinunter zu einigen Mikrosekunden bietet. Wenn sich ein bestimmtes Motiv jedoch mit extremen Geschwindigkeiten relativ zum Sichtfeld bewegt, wird Bewegungsunschärfe zu einem größeren Problem. Ein gepulster Laser mit hoher Wiederholrate kann effektive Verschlusszeiten im Bereich von 30 ns bis 250 ns bei Frequenzen bis zu etwa 50 kHz bieten, ohne dass ein Bildverstärker erforderlich ist (Sie müssen die Laserfrequenz an die Bildfrequenz Ihrer Kamera anpassen). Typische Anwendungen, die eine solche Verschlusszeit erfordern, sind z. B. die Ballistik, wo Geschwindigkeiten von mehr als 700 m/s üblich sind, oder Arbeiten mit hoher Vergrößerung, bei denen der Effekt jeder Bewegung verstärkt wird.

Zusätzliche Überlegungen

Motive, die mit Hochgeschwindigkeitskameras aufgenommen werden, benötigen große Mengen an Licht, um sie zu beleuchten, und mit dem Licht kommt die Wärme. Es ist wichtig zu bedenken, ob Ihr Testobjekt über einen längeren Zeitraum diesen hohen Lichtmengen ausgesetzt werden soll, da das Objekt heiß wird und sich seine Eigenschaften verändern. Wenn Sie zum Beispiel die Produktion von Fasern abbilden, ist es wahrscheinlich, dass die Hitze des Lichts die Fasern schmelzen wird, während sie produziert werden. Bei der Schlagprüfung eines Kunststoffteils erwärmt das Licht dieses Teil und macht es elastischer, wodurch die Gültigkeit der Prüfung in Frage gestellt wird. Um dies zu vermeiden, könnte ein gepulster Laser als Lichtquelle verwendet werden, so dass eine entsprechende Lichtmenge in einem sehr kurzen Zeitraum verdichtet werden kann, was die Wärmemenge reduziert. Es sei darauf hingewiesen, dass es für kleine Bereiche, die von Interesse sind, inzwischen kommerziell erhältliche gepulste LED-Lichtquellen gibt, die ebenfalls geeignet sein können. Diese sind preiswerter als ein Laser und können in jeder Umgebung sicher eingesetzt werden.

Bei Ereignissen wie Schweißen, Verbrennungen oder Explosionen wird ein Kamerabild natürlich gesättigt oder "weiß". Um diese Motive richtig aufnehmen zu können, müssen Sie dieses unerwünschte Licht ganz oder größtenteils entfernen. Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten, dies zu erreichen, und je nach Helligkeit des Motivs müssen Sie möglicherweise eine Kombination aus beiden anwenden. Am einfachsten lässt sich das Prinzip verstehen, wenn man sich folgendes Szenario vor Augen führt: Sie untersuchen einen schnell abbrennenden Prozess, wie z. B. ein Hausfeuerwerk. Wenn es kein Problem mit dem hellen Licht gäbe, könnten Sie eine konventionelle Beleuchtung verwenden. Da das Objekt jedoch dieses helle Licht ausstrahlt, sind zusätzliche Komponenten erforderlich.

Spektrale Filterung -Das von einem Verbrennungsprozess emittierte Licht deckt ein breites Lichtspektrum ab. Durch das Anbringen von Filtern an der Kamera, die den größten Teil des Lichts in bestimmten Wellenlängenbereichen, z. B. im UV- und IR-Bereich, blockieren, wird die Intensität verringert. Dies kann jedoch auch die Intensität der Lichtquelle, die Sie zur Beleuchtung verwenden, verringern, so dass eine stärkere Lichtquelle erforderlich ist. Die Lösung für dieses Problem besteht darin, das Motiv mit einem Laser zu beleuchten und einen Filter an der Kamera anzubringen, der nur ein sehr schmales Band von Wellenlängen (in der Regel +/-5 nm) um die einzelne Wellenlänge des Lasers durchlässt. Natürlich kann es sein, dass ein kleiner Teil des vom Objekt emittierten Lichts in den Bandpass des Filters fällt, aber der Laser sollte diesen Bereich dominieren.

Zeitliche Filterung -Jedes von einer Kamera aufgenommene Bild hat eine bestimmte Belichtungszeit. Eine lange Belichtung führt zu einem helleren Bild. Wenn Sie die Belichtungszeit verkürzen, können Sie die Helligkeit des Bildes verringern. Es kann sein, dass selbst bei einer langen Belichtungszeit noch genügend Licht durch den Filter fällt, um das Bild zu sättigen. Ist dies der Fall, können Sie die Belichtungszeit mit Hilfe des elektronischen Global Shutters verkürzen, um die Lichtmenge zu reduzieren. Wenn die Pulsbreite des Beleuchtungslasers nur 1µs beträgt, verringert eine Verkürzung der Belichtungszeit auf 2µs die Lichtintensität erheblich, hat aber keinen Einfluss auf die Helligkeit des Lasers. In extremen Fällen, in denen die Verschlusszeit der Kamera immer noch zu lang ist, kann ein Bildverstärker an der Kamera angebracht werden, um die Belichtungszeit auf einen Bruchteil der Dauer des Laserpulses zu verkürzen. Bildverstärker sind sehr teuer und erfordern eine sehr sorgfältige Bedienung, weshalb sie nur in wenigen Fällen eingesetzt werden.

 Nur Laser können zu einem dünnen "Lichtbogen" fokussiert werden, der über eine nützliche Entfernung projiziert werden kann. Warum eine Lichtplatte? Mit Lichtplatten können Sie einen Querschnitt einer Strömung oder eines Sprays sichtbar machen. Die in der Strömung mitgerissenen Partikel streuen das Licht des Lasers, wodurch sie von der Kamera abgebildet werden können. Wenn sich die Partikel nur eine kurze Strecke bewegen, bevor das nächste Bild aufgenommen wird, können Sie die Bewegung dieser Strömung sichtbar machen. Höhere Strömungsgeschwindigkeiten erfordern höhere Bildraten Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten sind höhere Bildfrequenzen erforderlich, um eine geringe Partikelverschiebung aufrechtzuerhalten - in der Regel nicht mehr als 50 Pixel -, bei höheren Bildfrequenzen wird die Bewegung weniger flüssig dargestellt. Mit einem dünnen "Blatt" aus Laserlicht können Sie die Ebene innerhalb der Strömung, die Sie abbilden, genau definieren.

Darauf aufbauend können Sie die momentane Geschwindigkeit des gesamten Strömungsfeldes, das abgebildet wird, mit einer Technik abbilden, die als PIV oder Particle Image Velocimetry bekannt ist. Mit Hilfe einer Software wird die Strecke berechnet, die die Partikel zurücklegen, und durch Einbeziehung einer linearen Kalibrierung wie mm/Pixel und des Zeitintervalls zwischen den Bildern kann die Geschwindigkeit in m/s ermittelt werden. Einige Strömungen, wie z. B. Sprays, sind "selbstbefruchtend", d. h. es sind bereits Partikel vorhanden, die abgebildet werden können; bei anderen Strömungen, wie z. B. Luft- oder Wasserströmungen, müssen möglicherweise "Befruchtungs-" oder "Tracer"-Partikel eingeführt werden. Diese Partikel werden sorgfältig nach ihrer physikalischen Größe, Masse und ihren Lichtstreueigenschaften ausgewählt, so dass sie keinen negativen Einfluss auf die Strömung haben, die sie verfolgen, und gleichzeitig eine helle Reflexion erzeugen, die die Kamera abbilden kann.