Am Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e. V. (INP) widmet sich die Forschungsgruppe „Medical Plasma Source Systems“ (MPS) dieser Herausforderung. Unter der Leitung von Dr. Torsten Gerling untersucht das Team die Eigenschaften medizinisch genutzter Plasmaquellen, u.a. mithilfe bildverarbeitungsbasierter Messmethoden. Ein aktueller Forschungsschwerpunkt ist die experimentelle Untersuchung der Plasmaentladung (kINPen-Plasmajets), einer am INP entwickelten Atmosphärendruck-Kaltplasmaquelle, die ein hochdynamisches, selbstleuchtendes Plasmafilament erzeugt. Um die hochdynamische Entladungsstruktur räumlich zu erfassen, setzen die Forschenden auf ein synchrones Multikamera-Setup mit Industriekameras von IDS.
Der untersuchte kINPen-Plasmajet ist eine am INP entwickelte Atmosphärendruck-Kaltplasmaquelle, deren erzeugtes Plasma als sogenannter Effluent das Gerät verlässt und eine hochdynamische Entladungsstruktur (1μs Periode) mit geringer räumlicher Ausdehnung (0,1mm Durchmesser, 10mm 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. „Im Mittelpunkt steht für uns die 3D-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 10mm ausdehnt. Um einzelne Entladungskanäle sichtbar zu machen, sind extrem kurze Belichtungszeiten erforderlich. In der vorliegenden Anwendung werden Belichtungszeiten zwischen 9,35 und 30,03µs 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. 2D-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 3D-Ausbreitung ohne Mehransichten spekulativ. „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 bei hochdynamischer Entladung
Obwohl bei einer einzelnen Aufnahme ohne Oberfläche mehrere Filamente entstehen können (Guided Streamer), zeigen Aufnahmen mit Oberfläche meist einen klar dominanten Entladungspfad. Dieses Verhalten wird dem 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. Diese Eigenschaft bildet die 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 75mm-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 10mm und eine Breite von unter 1mm aufweist. „Bei einem Beobachtungsabstand von etwa 500mm 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 3D-Struktur der Entladung als Punktwolke rekonstruiert wird.
Fokus auf Triggerung & Synchronität
Die Bildverarbeitungsaufgabe übernehmen fünf Industriekameras vom Typ uEye CP U3-31J0CP Rev. 2.2, die sich aufgrund ihrer Trigger- und Synchronisationseigenschaften für den parallelen Betrieb in Multikamera-Setups eignen. Der 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). Ausschlaggebend für die Auswahl waren vor allem die Möglichkeiten zur präzisen Hardware-Triggerung, zur exakten Synchronisation sowie zur reproduzierbaren Steuerung sehr kurzer Belichtungszeiten. Der eingesetzte Global-Shutter-Sensor erlaubt die verzerrungsfreie Abbildung der kurzlebigen Plasmastruktur und gewährleistet auch bei Belichtungszeiten im Mikrosekundenbereich eine stabile Bildqualität. Die Kamera ist mit dem Sony Pregius Sensor IMX546 ausgestattet und bietet eine Auflösung von 8,13MP. Die Kombination aus Global-Shutter und Backside-Illumination (BSI) unterstützt kurze Belichtungszeiten auch bei geringer Lichtausbeute. „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“, so 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 ermöglicht.
