Illumination par laser

Illumination par laser

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 plupart des caméras haute vitesse sont équipées d'un obturateur électronique global offrant des durées d'exposition de quelques microsecondes. Cependant, lorsqu'un sujet donné se déplace à des vitesses extrêmes par rapport au champ de vision, le flou de mouvement devient un problème plus important. Un laser pulsé à taux de répétition élevé peut fournir des durées d'obturation efficaces de l'ordre de 30 à 250 ns à des fréquences allant jusqu'à environ 50 kHz sans nécessiter d'intensificateur d'image (vous devrez adapter la fréquence du laser à celle de la fréquence d'images de votre caméra). Les applications typiques nécessitant ce niveau d'obturation peuvent être la balistique, où des vitesses supérieures à 700 m/s sont courantes, ou le travail à fort grossissement où l'effet de tout mouvement est amplifié.

Considérations supplémentaires

Les sujets photographiés à l'aide de caméras à haute vitesse nécessitent de grandes quantités de lumière pour les éclairer, et avec la lumière vient la chaleur. Il est important de déterminer si votre sujet d'essai doit être exposé à ces niveaux de lumière élevés pendant des périodes prolongées, car le sujet se réchauffera et ses propriétés changeront. Par exemple, si vous faites des images de la production de fibres, il est probable que la chaleur des lumières fera fondre les fibres au moment où elles sont produites. Si l'on teste l'impact d'une pièce en plastique, la lumière chauffera cette pièce et la rendra plus élastique, remettant ainsi en question la validité du test. Pour éviter cela, un laser pulsé pourrait être utilisé comme source de lumière, de sorte qu'une quantité équivalente de lumière puisse être condensée en une période très courte, réduisant ainsi la quantité de chaleur. Il est important de noter que pour les petits domaines d'intérêt, il existe maintenant des sources de lumière LED pulsée disponibles dans le commerce qui peuvent également convenir. Elles sont moins coûteuses qu'un laser et peuvent être utilisées en toute sécurité dans n'importe quel environnement.

Des événements tels que la soudure, la combustion ou les explosions vont naturellement saturer ou "blanchir" l'image d'une caméra. Afin de capturer correctement ces sujets, vous devez supprimer la totalité ou la majeure partie de cette lumière indésirable. Il existe deux façons différentes d'y parvenir et, en fonction de la luminosité du sujet, vous devrez peut-être utiliser une combinaison des deux. La façon la plus simple de comprendre les principes impliqués est d'envisager le scénario suivant : vous étudiez un processus de combustion rapide tel qu'un feu d'artifice domestique. Si la lumière vive ne posait pas de problème, vous pourriez utiliser un éclairage conventionnel. Cependant, comme le sujet émet cette lumière vive, des composants supplémentaires sont nécessaires.

Filtrage spectral -La lumière émise par un processus de combustion couvre un large spectre de lumière. En plaçant des filtres sur l'appareil photo pour bloquer la plupart de la lumière à des longueurs d'onde particulières comme vers les UV et les IR, l'intensité sera réduite. Cependant, cela peut également réduire l'intensité de la source lumineuse que vous utilisez pour l'éclairage, ce qui nécessite une source plus puissante. La solution à ce problème consiste à utiliser un laser pour éclairer le sujet et à placer un filtre sur votre appareil photo qui ne laissera passer qu'une bande très étroite de longueurs d'onde (généralement +/-5nm) autour de la seule longueur d'onde du laser. Bien sûr, il peut y avoir une petite quantité de lumière émise par le sujet qui tombe dans la bande passante du filtre, mais le laser devrait dominer cette bande.

Filtrage temporel -Chaque image prise par un appareil photo a une durée d'exposition donnée. Une longue exposition donne une image plus lumineuse. En réduisant la durée de l'exposition, vous pouvez réduire la luminosité de l'image. Il se peut que, même avec le filtrage spectral, une longue exposition laisse passer suffisamment de lumière à travers le filtre pour saturer l'image. Si c'est le cas, réduire l'exposition en utilisant l'obturateur global électronique réduira le niveau de lumière. Si la largeur d'impulsion du laser d'illumination n'est que de 1µs, réduire le temps d'exposition à 2µs réduira de manière significative l'intensité de la lumière mais n'aura aucun effet sur la luminosité du laser. Dans les cas extrêmes où le temps d'obturation de la caméra est encore trop long, un intensificateur d'image peut être monté sur la caméra pour permettre de réduire le temps d'exposition à une fraction seulement de la durée de l'impulsion laser. Les intensificateurs d'image sont des articles coûteux qui nécessitent une utilisation très prudente et ne sont donc utilisés que dans quelques cas.

 Seuls les lasers ont la capacité d'être focalisés en une fine "feuille" de lumière qui peut être projetée sur une distance utile. Pourquoi utiliser une feuille de lumière ? Les feuilles de lumière vous permettent de visualiser une section transversale d'un écoulement ou d'un spray. Les particules entraînées dans l'écoulement diffusent la lumière du laser, ce qui permet à la caméra de les photographier. Si les particules ne se déplacent que sur une courte distance avant la prise de l'image suivante, vous pouvez visualiser le mouvement de cet écoulement. Des vitesses d'écoulement plus élevées nécessiteront des fréquences d'images plus élevées pour maintenir un faible déplacement des particules. Plus la vitesse d'écoulement est élevée, plus la fréquence d'images doit être élevée pour maintenir un petit déplacement des particules - généralement pas plus de 50 pixels - et plus elle est élevée, moins la vision du mouvement est fluide. En disposant d'une fine "feuille" de lumière laser, vous pouvez définir précisément le plan à l'intérieur de l'écoulement dont vous faites l'image.

Vous pouvez vous appuyer sur cette technique pour cartographier la vitesse instantanée de l'ensemble du champ d'écoulement imagé en utilisant une technique connue sous le nom de PIV (Particle Image Velocimetry). Un logiciel est utilisé pour calculer la distance parcourue par les particules et en incluant une calibration linéaire telle que mm/pixel et l'intervalle de temps entre les images, vous pouvez obtenir la vitesse en m/s. Certains flux, tels que les pulvérisations, sont "auto-ensemencés", c'est-à-dire qu'ils contiennent déjà des particules qui peuvent être imagées. D'autres flux, tels que les flux d'air ou d'eau, peuvent nécessiter l'introduction de particules "d'ensemencement" ou "traceurs". Ces particules sont soigneusement sélectionnées en fonction de leur taille physique, de leur masse et de leurs propriétés de diffusion de la lumière, afin qu'elles n'aient pas d'influence négative sur l'écoulement qu'elles tracent, tout en fournissant un reflet brillant que la caméra peut imager.