Více kamerové snímání vysoce dynamických plazmových trysekVíce kamerové snímání vysoce dynamických plazmových trysek
5. srpna 2026
Plazmové trysky, v nichž je ionizovaný plyn vyzařován ze zdroje ve formě soustředěné, vysoce dynamické a světlo vyzařující struktury, hrají ústřední roli v celé řadě technologických a lékařských aplikací, od zpracování materiálů až po plazmovou medicínu. Plazmové výboje zároveň patří k jevům, které je nejobtížnější studovat experimentálně: jsou mikroskopické, vysoce dynamické, nepředvídatelné a mění se v řádu několika mikrosekund.
Když se plazma stává viditelnou
V Leibnizově institutu pro plazmovou vědu a technologii (INP) v Greifswaldu (Německo) se výzkumná skupina Medical Plasma Source Systems (MPS) věnuje řešení této výzvy. Pod vedením dr. Torstena Gerlinga tým zkoumá základní vlastnosti plazmových zdrojů používaných v medicíně, a to mimo jiné pomocí měřicích metod založených na zpracování obrazu.
Jedním z aktuálních výzkumných témat je experimentální zkoumání plazmového výboje tzv. plazmového paprsku kINPen, zdroje studeného plazmatu při atmosférickém tlaku vyvinutého v INP, který generuje vysoce dynamické, samosvítící plazmové vlákno. Aby mohli výzkumníci prostorově zachytit tuto vysoce dynamickou strukturu výboje, spoléhají se od samého počátku na synchronní multikamerové uspořádání využívající průmyslové kamery od společnosti IDS.
Zkoumaný plazmový paprsek kINPen je zdroj studeného plazmatu při atmosférickém tlaku, který byl zcela vyvinut v INP. Plazma, kterou generuje, opouští zařízení jako výtrysk a vykazuje vysoce dynamickou strukturu výboje (perioda 1 µs) s velmi malým prostorovým rozsahem (průměr 0,1 mm, délka 10 mm). Díky této kombinaci rychlých časových změn a malého měřítka je kINPen vhodným referenčním systémem pro experimentální zkoumání prostorové struktury a šíření jednotlivých výbojů plazmového paprsku.
Hlava plazmového zdroje kINPen s časově rozlišenou strukturou výboje (doba expozice 16 µs).
Právě tento prostorový rozměr je středobodem současných prací: „Pro nás je klíčová trojrozměrná struktura plazmového výboje,“ vysvětluje Artur Wittig, vědecký pracovník INP. „Experimentální pozorování této struktury představuje důležitý krok k lepšímu porozumění a ovládání plazmových proudů a jejich mechanismů působení.“
Zpracování obrazu na hranici fyzikálních možností
Požadavky kladené na zpracování obrazu jsou mimořádné. Plazmový výboj je vysoce dynamický jev, který se mění v časových škálách pouhých několika mikrosekund a rozprostírá se na vzdálenost pouze asi deseti milimetrů. K zviditelnění jednotlivých výbojových kanálů jsou zapotřebí extrémně krátké expoziční časy. V této aplikaci se používají expoziční časy v rozmezí od 9,35 do 30,03 mikrosekund. Snímky se pořizují černobíle jako 8bitové jednotlivé snímky. „Klíčové je, že všechny kamery musí pracovat v dokonalé synchronizaci, protože jen tak lze zachytit stejné prvky ve velmi krátkém časovém úseku,“ zdůrazňuje Artur Wittig. Ačkoli dvourozměrné snímky poskytují vysoce rozlišené pohledy na výboj, umožňují vyvodit pouze omezené závěry o jeho prostorové struktuře. Zejména u samosvítících, vysoce dynamických objektů, jako jsou plazmová vlákna, zůstává skutečné trojrozměrné rozložení bez dalších pohledů pouze předmětem spekulací. Teprve díky současnému pořizování snímků z více úhlů je možné spolehlivě rekonstruovat prostorové vlastnosti, jako je zakřivení, stočení nebo boční vychýlení výboje.
„Musíme zajistit, aby na každém snímku byla zachycena skutečně stejná plazmová vlákna,“ vysvětluje dr. Torsten Gerling, vedoucí výzkumné skupiny. „To vyžaduje velmi přesné načasování a vysokou míru opakovatelnosti, pokud jde o plazmový zdroj.“
Kalibrace sestavy s více kamerami na zařízení kINPen pomocí referenčního objektu vytištěného na 3D tiskárně.
Stabilní zobrazení i při vysoce dynamickém výboji
Ačkoli při měření bez povrchu může docházet k tvorbě více filamentů tzv. řídících výbojů, což jsou krátkodobé, vláknitě tvarované výbojové kanály v plazmatu, měření s povrchem obvykle ukazují jasně dominantní výbojovou dráhu. Toto chování se připisuje takzvanému derivativnímu režimu: řídící výboj vytváří vodivý kanál k povrchu. Podél tohoto kanálu pak nepravidelně bliká jakýsi přechodný zářivý výboj. Díky paměťovému efektu napomáhají metastabilní částice z předchozích výbojů opětovnému zapálení dalších vedených výbojů. Ty se pohybují převážně po stejné dráze, mírně posunuté prouděním plynu.
Zejména v případě vysokofrekvenčního buzení zařízení kINPen vede tento jev k tomu, že se viditelná struktura plazmatu vytváří prostorově reprodukovatelným způsobem napříč několika výboji. To umožňuje její spolehlivou vizualizaci.
Tato fyzikální vlastnost představuje klíčový základ pro systematické zkoumání vysoce dynamických plazmových výbojů pomocí měřicích technik založených na zpracování obrazu.
Multi-view stereo pro 3D rekonstrukci
Za účelem experimentálního charakterizování prostorové struktury plazmového výboje využívá INP metodu multi-view stereo, při které se synchronizovaně používá pět kamer IDS. Plazmový výboj je tak zaznamenáván současně z různých úhlů. Kromě přesné kalibrace kamerového systému je klíčovým předpokladem pro spolehlivou prostorovou rekonstrukci také zachycení jemných struktur výboje s co nejmenším zkreslením.
Používají se objektivy IDS s ohniskem 75 mm, které se vyznačují velkým obrazovým kruhem o průměru 1,2“ a clonou f/2,8. Takový optický výkon je nezbytný, protože výboj má osovou délku menší než 10 mm a šířku menší než 1 mm.
„Při pozorovací vzdálenosti kolem 500 mm je plazmové vlákno sotva viditelné; jeho jas je téměř srovnatelný s jasem světlušky,“ vysvětluje Dr.-Ing. Philipp Mattern, vedoucí a zkoušející magisterské práce vypracované na INP.
„Pouze správná kombinace snímače a optiky umožňuje pořizovat vysoce kvalitní snímky i při expozičních časech pouhých několika mikrosekund.“
— Dr. Philipp Mattern, Mattern Engineering & Software Solutions —
Při analýze snímků jsou identifikovány charakteristické struktury v plazmovém výboji, které se používají jako korespondence bodů mezi jednotlivými snímky; na jejich základě je trojrozměrná struktura výboje rekonstruována jako mrak bodů.
Struktura samosvítícího vlákna ve vzdálenosti 3 mm (doba expozice: 40,76 µs).
„Takto získané mraky bodů poskytují poprvé spolehlivý základ pro zkoumání drah výboje,“ vysvětluje Artur Wittig. „To nám umožňuje nejen vizualizovat strukturu plazmatu, ale také ji systematicky analyzovat.“
Výběr kamer s důrazem na spouštění a synchronizaci
Zpracování obrazu zajišťuje pět průmyslových kamer typu uEye CP U3‑31J0CP Rev. 2.2 od společnosti IDS, které se díky svým funkcím spouštění a synchronizace dobře hodí pro paralelní provoz v konfiguracích s více kamerami.
Koncepční základ tohoto uspořádání, stejně jako rozhodnutí použít hardware společnosti IDS, vzešel z hlavy dr. Philippa Matterna. Některé aspekty vědecké a technické podpory zajistila jeho inženýrská firma M.E.S.S. (Mattern Engineering & Software Solutions). „Na základě mých zkušeností s podobnými aplikacemi bylo jasné, že tento kamerový systém bude schopen splnit vysoké optické a časové požadavky,“ vysvětluje Mattern.
Vícekamerové uspořádání s pěti průmyslovými kamerami IDS rozmístěnými v úhlech 90° kolem výstupního bodu
Hlavními faktory, které ovlivnily výběr, byly možnosti přesného hardwarového spouštění, přesná synchronizace a schopnost spolehlivě řídit velmi krátké expoziční časy. Vzhledem k vysoce dynamické povaze plazmového výboje jsou přesné spouštění, přesná synchronizace a reprodukovatelné expoziční časy v řádu mikrosekund zásadní pro zachycení stejných detailů na každém snímku. Použitý snímač s globální závěrkou umožňuje snímání krátkodobých plazmových struktur bez zkreslení a zajišťuje stabilní kvalitu obrazu i při expozičních časech v řádu mikrosekund.
Kamera je vybavena čtvercovým snímačem CMOS Sony Pregius S (IMX546) a nabízí rozlišení 8,13Mpx. Kombinace globální závěrky a zadního osvětlení (BSI) umožňuje krátké expoziční časy i za zhoršených světelných podmínek – což je klíčový předpoklad pro spolehlivé snímání samosvítících plazmových struktur s krátkou životností.
„Velmi užitečná byla také komplexní dokumentace poskytnutá společností IDS, stejně jako technická podpora při navrhování a ověřování konfigurace více kamer pro souběžné snímání obrazu a stabilní nastavení systému s více kamerami,“ říká Artur Wittig.
Integrace probíhá prostřednictvím sady IDS Peak SDK, která umožňuje konfiguraci a souběžný provoz více kamer. Možnost spolehlivého ukládání a opětovného použití nastavení kamer zajišťuje, že experimentální měřicí série lze provádět za konzistentních podmínek a vzájemně je porovnávat. Ovládání a automatizace sestavy s více kamerami probíhá prostřednictvím rozhraní IDS Peak API pro jazyk Python, které pohodlně umožňuje souběžný provoz, spouštění a ukládání snímků.
Více než jen vizualizace: experimentální ověření koncepce
Vyvinutá metodika využívající více kamer neslouží pouze k ilustračním účelům. Jedná se spíše o experimentální ověření koncepce: poprvé se podařilo prokázat, že vysoce dynamický plazmový výboj trysky kINPen lze rekonstruovat jako trojrozměrný mrak bodů a následně provést jeho strukturální analýzu. To poskytuje praktický základ pro další výzkum prostorového šíření výbojů plazmového paprsku.
Strukturální analýza plazmového výboje v proudu kINP
Výhled
Současná práce se i nadále zaměřuje na analýzu výbojů v plazmovém paprsku, a to i za změněných provozních parametrů, jako je průtok plynu nebo režim výboje. Dále lze uvažovat o dalších aplikacích, zejména v situacích, kdy je třeba studovat dynamické struktury s vysokým časovým a prostorovým rozlišením. Předmětem probíhajícího výzkumu jsou také zobrazovací techniky, jako jsou metody Schlieren nebo BOS (Background Oriented Schlieren). Jedná se o optické zobrazovací techniky, které nezachycují samotné objekty, ale spíše změny v tekutině, jako je vzduch nebo pracovní plyn. V budoucnu otevřou nové možnosti pro vizualizaci neviditelných proudění a rozdílů v hustotě v okolí plazmového výboje, čímž doplní experimentální analýzu.
Názor společnosti IDS a technické posouzení
Tento projekt působivě dokazuje, jak flexibilní a vysoce výkonná řešení společnosti IDS pro zpracování obrazu otevírají nové možnosti v experimentálním výzkumu – a umožňují nám tak vidět to, co bylo dříve neviditelné. „V aplikacích, kde se pracuje s vysoce dynamickými objekty, jako jsou plazmové výboje, nejsou rozhodující jednotlivé vlastnosti, ale spíše kombinace snímače s globální závěrkou a přesné, reprodukovatelné řízení expozice prostřednictvím hardwarového spouštění, které zajišťuje synchronizaci více kamer,“ vysvětluje Heiko Seitz, manažer produktového marketingu ve společnosti IDS. „Díky těmto funkcím je možné pořizovat konzistentní obrazová data i v konfiguracích s více kamerami, což poskytuje spolehlivý základ pro náročné úkoly v oblasti zpracování obrazu ve výzkumu a vývoji.“
V případě zájmu o více informací nás neváhejte kontaktovat!
Zákazník
Leibniz Institute for Plasma Research and Technology e. V.
Leibnizův institut pro vědu a technologii plazmatu (INP) se již více než 25 let zabývá aplikovaným základním výzkumem a vývojem v oblasti nízkoteplotních plazmat.
Použité zařízení:
Kamera uEye Model: U3-31J0CP Rev.2.2
Objektiv: IDS-20M12-C7528
