Forscher des Leibniz-Instituts für Plasmaforschung und Technologie (INP) nutzen ein synchrones Fünf-Kamera-Setup mit IDS-Industriekameras, um hochdynamische Plasma-Jets erstmals dreidimensional zu rekonstruieren. Die entwickelte Bildverarbeitung eröffnet neue Möglichkeiten für Plasmaforschung und medizinische Anwendungen.
Plasma-Jets, bei denen ionisiertes Gas als gebündelte, hochdynamische, lichtemittierende Struktur gezielt aus einer Quelle austritt, spielen eine zentrale Rolle in zahlreichen technologischen und medizinischen Anwendungen – von der Materialbearbeitung bis hin zur Plasmamedizin. Gleichzeitig gehören Plasmaentladungen zu den am schwierigsten experimentell zu untersuchenden Phänomenen: Sie sind kleinskalig, hochdynamisch, erratisch und verändern sich innerhalb weniger Mikrosekunden. Genau hier setzt eine neue Bildverarbeitung an, die am Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e. V. (INP) in Greifswald entwickelt wurde.
Am INP widmet sich die Forschungsgruppe „Medical Plasma Source Systems“ (MPS) dieser Herausforderung. Unter Leitung von Dr. Torsten Gerling untersucht das Team die grundlegenden Eigenschaften medizinisch genutzter Plasmaquellen, unter anderem mithilfe bildverarbeitungsbasierter Messmethoden. Ein aktueller Forschungsschwerpunkt ist die experimentelle Untersuchung der Plasmaentladung des sogenannten kINPen-Plasmajets, einer am INP entwickelten Atmosphärendruck-Kaltplasmaquelle, die ein hochdynamisches, selbstleuchtendes Plasmafilament erzeugt. Um die hochdynamische Entladungsstruktur räumlich zu erfassen, setzen die Forschenden von Beginn an auf ein synchrones Multikamera-Setup mit Industriekameras von IDS.
Die dreidimensionale Struktur im Fokus
Genau diese räumliche Dimension steht im Fokus der aktuellen Arbeiten: „Im Mittelpunkt steht für uns die dreidimensionale Struktur der Plasmaentladung“, erklärt Artur Wittig, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am INP. „Die experimentelle Erfassung dieser Struktur ist ein wichtiger Schritt, um Plasma-Jets und ihre Wirkmechanismen besser zu verstehen und zu kontrollieren.“
Bildverarbeitung an physikalischen Grenzen
Die Anforderungen an die Bildverarbeitung sind außergewöhnlich. Die Plasmaentladung ist ein hochdynamisches Objekt, das sich auf Zeitskalen von wenigen Mikrosekunden verändert und räumlich nur etwa zehn Millimeter ausdehnt. Um einzelne Entladungskanäle sichtbar zu machen, sind extrem kurze Belichtungszeiten erforderlich. In der vorliegenden Anwendung werden Belichtungszeiten zwischen 9,35 und 30,03 Mikrosekunden eingesetzt. Die Aufnahmen erfolgen monochrom in 8-Bit-Einzelbildern. „Entscheidend ist dabei, dass alle Kameras exakt synchron arbeiten, da nur so dieselben Merkmale auf sehr kurzer zeitlicher Skala abgebildet werden können“, betont Artur Wittig.
Zweidimensionale Einzelaufnahmen liefern zwar hochaufgelöste Bilder der Entladung, lassen aber nur begrenzte Rückschlüsse auf deren räumliche Struktur zu. Insbesondere bei selbstleuchtenden, hochdynamischen Objekten wie dem Plasmafilament bleibt die tatsächliche dreidimensionale Ausbreitung ohne Mehransichten spekulativ. Erst durch die gleichzeitige Aufnahme aus mehreren Blickrichtungen wird es möglich, räumliche Merkmale wie Krümmung, Wicklung oder laterale Auslenkung der Entladung zuverlässig zu rekonstruieren.
„Wir müssen sicherstellen, dass bei jeder Aufnahme tatsächlich dieselben Plasmafilamente erfasst werden“, erläutert Dr. Torsten Gerling, Leiter der Forschungsgruppe. „Das erfordert eine sehr präzise zeitliche Abstimmung und eine hohe Wiederholgenauigkeit im Phasenbezug zur Plasmaquelle.“
Stabile Bildgebung trotz hochdynamischer Entladung
Obwohl bei einer einzelnen Aufnahme ohne Oberfläche mehrere Filamente entstehen können – sogenannte guided Streamer, also kurzlebige, fadenförmige Entladungskanäle im Plasma –, zeigen Aufnahmen mit Oberfläche meist einen klar dominanten Entladungspfad.
Insbesondere bei der hochfrequenten Anregung des kINPen führt dieser Effekt dazu, dass sich die sichtbare Plasmastruktur über mehrere Entladungen hinweg räumlich reproduzierbar ausbildet. Dadurch lässt sie sich zuverlässig bildgebend erfassen. Diese physikalische Eigenschaft bildet eine wesentliche Grundlage dafür, dass sich die hochdynamische Plasmaentladung mit bildverarbeitungsbasierten Messverfahren systematisch untersuchen lässt.
Multi-View-Stereo für die 3D-Rekonstruktion
Um die räumliche Struktur der Plasmaentladung experimentell zu erfassen, setzt das INP auf einen Multi-View-Stereo-Ansatz mit fünf synchron betriebenen IDS-Kameras. Die Plasmaentladung wird dabei gleichzeitig aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen. Voraussetzung für eine belastbare räumliche Rekonstruktion ist neben der präzisen Kalibrierung des Kamerasystems auch eine möglichst verzerrungsarme Abbildung der feinen Entladungsstrukturen.
Zum Einsatz kommen lichtstarke 75-mm-Objektive von IDS mit großem 1,2″-Bildkreis und einer Blende von 2,8. Diese optische Leistung ist erforderlich, da die Entladung eine axiale Länge von weniger als 10 mm und eine Breite von unter 1 mm aufweist.
„Bei einem Beobachtungsabstand von etwa 500 mm ist das Plasmafilament kaum selbstleuchtend, seine Helligkeit entspricht nahezu der eines Glühwürmchens“, erklärt Dr.-Ing. Philipp Mattern, Betreuer und Gutachter der am INP durchgeführten Masterarbeit. „Erst die Kombination aus Sensor und Optik ermöglicht trotz Mikrosekunden-Belichtungszeiten qualitativ hochwertige Aufnahmen.“
In der Bildauswertung werden markante Strukturen der Plasmaentladung identifiziert und als bildübergreifende Punktkorrespondenzen genutzt, aus denen die dreidimensionale Struktur der Entladung als Punktwolke rekonstruiert wird.
„Die so gewonnenen Punktwolken bilden erstmals eine belastbare Grundlage für die Untersuchung der Entladungswege“, beschreibt Artur Wittig. „Damit können wir die Plasmastruktur nicht nur visualisieren, sondern systematisch analysieren.“
Kameraauswahl mit Fokus auf Triggerung und Synchronität
Die Bildverarbeitungsaufgabe übernehmen fünf Industriekameras vom Typ uEye CP U3-31J0CP Rev. 2.2 von IDS, die sich aufgrund ihrer Trigger- und Synchronisationseigenschaften gut für den parallelen Betrieb in Multikamera-Setups eignen.
Der konzeptionelle Grundstein für dieses Setup sowie die Entscheidung für die IDS-Hardware stammen von Dr.-Ing. Philipp Mattern. Teile der wissenschaftlich-technischen Begleitung erfolgten dabei über sein Ingenieurbüro M.E.S.S. (Mattern Engineering & Software Solutions).
„Aufgrund meiner Erfahrung mit vergleichbaren Anwendungen war absehbar, dass sich die hohen optischen und zeitlichen Anforderungen mit diesem Kamerasystem umsetzen lassen“, erklärt Mattern.
Ausschlaggebend für die Auswahl waren vor allem die Möglichkeiten zur präzisen Hardware-Triggerung, zur exakten Synchronisation sowie zur reproduzierbaren Steuerung sehr kurzer Belichtungszeiten. Aufgrund der hohen Dynamik der Plasmaentladung sind präzise Triggerung, exakte Synchronisation und reproduzierbare Belichtungszeiten im Mikrosekundenbereich entscheidend, um bei jeder Aufnahme dieselben Merkmale erfassen zu können. Der eingesetzte Global-Shutter-Sensor erlaubt dabei die verzerrungsfreie Abbildung der kurzlebigen Plasmastruktur und gewährleistet auch bei Belichtungszeiten im Mikrosekundenbereich eine stabile Bildqualität.
„Hilfreich war zudem die umfangreiche Dokumentation von IDS sowie die fachliche Unterstützung bei der Konzeption und Validierung der Verschaltung mehrerer Kameras für die gleichzeitige Bildaufnahme und den stabilen Aufbau des Multikamera-Systems“, sagt Artur Wittig.
Mehr als Visualisierung: ein experimenteller Machbarkeitsnachweis
Die entwickelte Multikamera-Methodik dient nicht nur der anschaulichen Darstellung. Sie stellt vielmehr einen experimentellen Machbarkeitsnachweis dar: Erstmals konnte gezeigt werden, dass sich die hochdynamische Plasmaentladung eines kINPen-Jets als dreidimensionale Punktwolke rekonstruieren und anschließend strukturell auswerten lässt. Damit steht eine praxistaugliche Grundlage für weiterführende Untersuchungen zur räumlichen Ausbreitung von Plasma-Jet-Entladungen zur Verfügung.
Die Methode ist zudem nicht auf den kINPen beschränkt, sondern lässt sich mit vergleichsweise geringem Aufwand auch auf andere kleine Entladungsstrukturen übertragen.
Ausblick
Im Fokus der aktuellen Arbeiten steht weiterhin die Analyse der Plasma-Jet-Entladungen, auch unter veränderten Betriebsparametern wie Gasfluss oder Entladungsmodus. Darüber hinaus sind weitere Anwendungen denkbar, insbesondere überall dort, wo dynamische Strukturen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung untersucht werden sollen. Auch bildgebende Verfahren wie Schlieren- oder BOS-(Background Oriented Schlieren-)Methoden sind Gegenstand laufender Untersuchungen. Dabei handelt es sich um optische Bildgebungsverfahren, die keine Objekte selbst, sondern Veränderungen des Fluids, wie der Luft oder des Arbeitsgases erfassen. Sie eröffnen künftig zusätzliche Möglichkeiten, um unsichtbare Strömungen und Dichteunterschiede im Umfeld der Plasmaentladung sichtbar zu machen, und ergänzen so die experimentelle Analyse.
Autor: Silke von Gemmingen, Communication Specialist – Corporate & Product, IDS Imaging Development Systems GmbH
Kontakt: IDS Imaging Development Systems GmbH, Dimbacher Str. 10, 74182 Obersulm, s.gemmingen@ids-imaging.com, www.ids-imaging.de
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