Multikamera‑Bildverarbeitung für neue Einblicke in hochdynamische Plasma‑Jets

Der untersuchte kINPen‑Plasmajet ist eine vollumfänglich am INP entwickelte Atmosphärendruck-Kaltplasmaquelle, deren erzeugtes Plasma als sogenannter Effluent das Gerät verlässt und eine hochdynamische Entladungsstruktur (1 µs Periode) mit sehr geringer räumlicher Ausdehnung (0,1 mm Durchmesser, 10 mm Länge) aufweist. Diese Kombination aus schneller zeitlicher Veränderung und kleiner Skala macht den kINPen zu einem geeigneten Referenzsystem, um die räumliche Struktur und Ausbreitung einzelner Plasma‑Jet‑Entladungen experimentell zu untersuchen.

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 – kurzlebige, fadenförmige Entladungskanäle im Plasma –, zeigen Aufnahmen mit Oberfläche meist einen klar dominanten Entladungspfad. Dieses Verhalten wird dem sogenannten ableitenden Modus zugeschrieben: Ein guided Streamer bildet dabei einen leitfähigen Kanal zur Oberfläche aus. Entlang dieses Kanals zündet anschließend erratisch eine Art transiente Glimmentladung. Durch den Memory‑Effekt begünstigen metastabile Teilchen aus vorangegangenen Entladungen die erneute Zündung weiterer guided Streamer. Diese folgen dabei weitgehend demselben räumlichen Pfad, leicht versetzt durch den Gasfluss.

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.

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.

Die Kamera ist mit einem quadratischen Sony Pregius S CMOS‑Sensor (IMX546) ausgestattet und bietet eine Auflösung von 8,13 Megapixeln. Die Kombination aus Global-Shutter und Backside‑Illumination (BSI) unterstützt kurze Belichtungszeiten auch bei geringer Lichtausbeute – eine wichtige Voraussetzung für die zuverlässige Abbildung selbstleuchtender, kurzlebiger Plasmastrukturen.

„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.

Die Integration erfolgt über das IDS peak SDK, das die Konfiguration und den parallelen Betrieb mehrerer Kameras ermöglicht. Die reproduzierbare Speicherung und Wiederverwendung der Kameraeinstellungen stellt sicher, dass experimentelle Messreihen unter konsistenten Randbedingungen durchgeführt und miteinander verglichen werden können. Die Steuerung und Automatisierung des Multikamera-Setups erfolgt über die IDS peak API für Python, die den parallelen Betrieb, das Triggern und die Bildspeicherung komfortabel ermöglicht.

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.