Iluminación láser

Iluminación láser

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.

La mayoría de las cámaras de alta velocidad tienen un obturador global electrónico que ofrece duraciones de exposición de hasta unos pocos microsegundos; sin embargo, cuando un sujeto determinado se mueve a velocidades extremas en relación con el campo de visión, el desenfoque de movimiento se convierte en un problema mayor. Un láser pulsado de alta velocidad de repetición puede proporcionar duraciones de obturación efectivas que suelen estar entre 30 ns y 250 ns a frecuencias de hasta unos 50 kHz sin necesidad de un intensificador de imagen (tendrá que adaptar la frecuencia del láser a la frecuencia de fotogramas de su cámara). Las aplicaciones típicas que requieren este nivel de obturación podrían ser las de balística, en las que son habituales las velocidades superiores a 700 m/s, o el trabajo con grandes aumentos, en el que el efecto de cualquier movimiento se amplifica.

Consideraciones adicionales

Los sujetos fotografiados con cámaras de alta velocidad requieren grandes cantidades de luz para iluminarlos, y con la luz viene el calor. Es importante tener en cuenta si el sujeto de prueba debe estar expuesto a estos altos niveles de luz durante largos períodos de tiempo, ya que el sujeto se calentará y cambiará sus propiedades. Por ejemplo, si se trata de la producción de fibra, es probable que el calor de las luces derrita las fibras mientras se producen. Si se trata de una prueba de impacto de una pieza de plástico, la luz la calentará y la hará más elástica, poniendo en duda la validez de la prueba. Para evitar esto, se podría utilizar un láser pulsado como fuente de luz, de modo que se pueda condensar una cantidad equivalente de luz en un periodo muy corto, reduciendo la cantidad de calor. Es importante tener en cuenta que en las pequeñas áreas de interés existen ahora fuentes de luz LED pulsada disponibles en el mercado que también pueden ser adecuadas. Éstas serán menos costosas que un láser y seguras de usar en cualquier entorno.

Eventos como la soldadura, la combustión o las explosiones saturarán o "blanquearán" de forma natural la imagen de una cámara. Para capturar adecuadamente estos sujetos, es necesario eliminar toda o la mayor parte de esta luz no deseada. Hay dos maneras diferentes de conseguirlo, y dependiendo de la luminosidad del sujeto, puede ser necesario utilizar una combinación de ambas. La forma más fácil de entender los principios implicados es considerar este escenario: estás estudiando un proceso de combustión rápida como un fuego artificial doméstico. Si no hubiera ningún problema con la luz brillante, podría utilizar la iluminación convencional. Sin embargo, como el objeto emite esta luz brillante, se necesitan componentes adicionales.

Filtro espectral:la luz emitida en un proceso de combustión cubrirá un amplio espectro de luz. Si se colocan filtros en la cámara para bloquear la mayor parte de la luz en determinadas longitudes de onda, como hacia el UV y el IR, se reducirá la intensidad. Sin embargo, también puede reducirse la intensidad de la fuente de luz que se utiliza para la iluminación, por lo que se necesitará una fuente más potente. La solución a este problema es utilizar un láser para iluminar el objeto y colocar un filtro en su cámara que sólo deje pasar una banda muy estrecha de longitudes de onda (normalmente +/-5nm) sobre la única longitud de onda del láser. Por supuesto, puede haber una pequeña cantidad de luz emitida por el sujeto que caiga dentro de la banda de paso del filtro, pero el láser debería dominarla.

Filtro temporal -Cada imagen tomada por una cámara tiene una duración de exposición determinada. Una exposición larga dará como resultado una imagen más brillante. Al reducir la duración de la exposición, se puede reducir el brillo de la imagen. Es posible que, incluso con el filtro espectral, una exposición larga permita que pase suficiente luz a través del filtro para saturar la imagen. Si este es el caso, la reducción de la exposición mediante el uso del obturador global electrónico reducirá el nivel de luz. Si el ancho de pulso del láser de iluminación es de sólo 1µs, reducir el tiempo de exposición a 2µs reducirá significativamente la intensidad de la luz pero tendrá un efecto nulo en el brillo del láser. En casos extremos en los que el tiempo de obturación de la cámara sigue siendo demasiado largo, se puede instalar un intensificador de imagen en la cámara para permitir que la exposición se reduzca a una longitud sólo una fracción más larga que la del pulso del láser. Los intensificadores de imagen son artículos de alto coste y requieren un funcionamiento muy cuidadoso, por lo que sólo se utilizan en unos pocos casos.

 Sólo los láseres tienen la capacidad de concentrarse en una fina "hoja" de luz que puede proyectarse a una distancia útil. ¿Por qué utilizar una hoja de luz? Las láminas de luz permiten visualizar una sección transversal de un flujo o un spray. Las partículas arrastradas por el flujo dispersan la luz del láser, lo que permite que la cámara las visualice. Si las partículas sólo se mueven una corta distancia antes de tomar la siguiente imagen, se puede visualizar el movimiento de este flujo. Las velocidades de flujo más altas requerirán una mayor velocidad de para mantener un pequeño desplazamiento de las partículas -normalmente no más de 50 píxeles-; si es mayor, se obtendrá una visión menos fluida del movimiento. Al tener una "hoja" delgada de luz láser se puede definir con precisión el plano dentro del flujo que se está visualizando.

Esta técnica se puede utilizar para trazar la velocidad instantánea de todo el campo de flujo que se está visualizando mediante una técnica conocida como PIV o Velocimetría de Imágenes de Partículas. Se utiliza un software para calcular la distancia que recorren las partículas e incluyendo una calibración lineal como mm/píxel y el intervalo de tiempo entre imágenes se puede obtener la velocidad en m/s. Algunos flujos, como los aerosoles, son "auto-sembrados", es decir, ya tienen partículas presentes que pueden ser fotografiadas, otros flujos, como los de aire o agua, pueden requerir la introducción de partículas "sembradoras" o "trazadoras". Estas partículas se seleccionan cuidadosamente en función de su tamaño físico, su masa y sus propiedades de dispersión de la luz, de modo que no influyan negativamente en el flujo que están trazando, a la vez que proporcionan un reflejo brillante que la cámara puede captar.