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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abbilden eines Objekts
auf einem Bildsensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs
1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Lichtquelle zum
Beleuchten eines Objekts mit ultrakurzen Pulsen aus nicht kohärentem Licht
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 7.
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STAND DER TECHNIK
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Um
ultrakurze Belichtungszeiten bei der Abbildung eines Objekts auf
einen Bildsensor zu realisieren, ist es notwendig, das Objekt mit
Licht aus ultrakurzen Pulsen zu beleuchten. Eine Verschlusszeit in
der Größenordnung
von 10 Nanosekunden kann nicht durch Ansteuerung des Bildsensors
oder eines diesem vorgeschalteten, separaten Verschluss realisiert
werden. Ultrakurze Verschlusszeiten sind aber zur zeitlichen Auflösung von
sehr schnellen Vorgängen
erforderlich. Grundsätzlich
ausreichend kurze Pulse aus Licht können durch einen gepulsten
Laser bereitgestellt werden. Hier besteht jedoch das Problem, dass
ein Laser kohärentes
Licht abstrahlt, das, wenn es zur Beleuchtung eines Objekts verwendet wird,
Interferenzeffekte in Form so genannter Speckle-Muster zeigt. Hierdurch
werden Strukturen des beleuchteten Objektes vorgetäuscht, die
tatsächlich nicht
vorhanden sind, oder tatsächlich
vorhandene Strukturen werden durch die überlagerten Speckle-Muster
unkenntlich. Um diese Nachteile von kohärentem Licht eines gepulsten
Lasers bei der Hintergrundbeleuchtung zur Abbildung eines Phasenobjekts
auf einen Bildsensor zu vermeiden, sind aus B. Stasicki et al.: "Visualization of
laser-induced liquid micro-jet disintegration by means of high-speed
video stroboscopy",
Proc. of SPIE Vol. 5580, Paper No. 72, 2005, S. 335–346, ISSN
0277-786 X ein Verfahren zum Abbilden eines Objekts auf einem Bildsensor mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und eine Lichtquelle zum
Beleuchten eines Objekts mit ultrakurzen Pulsen aus nicht kohärentem Licht
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 7 bekannt.
Ein gepulster Nd:YAG-Laser wird verwendet, um eine Farblösung aus
Rhodamin 6G in Methanol, die in einer Quarzküvette angeordnet ist, zu Fluoreszenz
anzuregen. Die Quarzküvette ist
hinter dem Phasenobjekt angeordnet, so dass das von dem Rhodamin
in der Quarzküvette
abgestrahlte Fluoreszenzlicht, das nicht kohärent und nicht gerichtet ist,
durch das Phasenobjekt hindurch auf den Bildsensor fällt. Die
Pulsdauer des Fluoreszenzlichts liegt dabei mit etwa 10 Nanosekunden
in derselben Großenordnung
wie die Pulsdauer des anregenden Laserlichts und weist die gewünschte kleine
Größenordnung
für die
Beleuchtung des Phasenobjekts auf. Die Größe von derart im Durchlichtverfahren
beobachtbaren Phasenobjekten ist jedoch durch die Größe der den
leuchtenden Hintergrund bildenden Quarzküvette beschränkt. Konkret
müssen
beobachtbare Phasenobjekte sogar kleiner als die leuchtende Fläche der
Quarzküvette
sein, damit sie zwischen dem leuchtenden Hintergrund und dem Bildsensor
liegen.
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Zudem
besteht nicht nur ein Bedürfnis,
Phasenobjekte mit ultrakurzen Pulsen aus nicht kohärentem Licht
zu beleuchten, sondern auch auch ein Bedürfnis, nicht durchscheinende
Objekte, wie beispielsweise Blattspitzen an schnelldrehenden Propellern
und Turbinen, um deren Deformation unter Last zu untersuchen.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit dem Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und eine Lichtquelle mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 7 aufzuzeigen,
die zur Beleuchtung eines nicht durchscheinenden Objekts mit ultrakurzen
Pulsen aus nicht kohärenten
Licht geeignet sind.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des unabhängigen
Patentanspruchs 1 und durch eine Lichtquelle mit den Merkmalen des
unabhängigen
Patentanspruchs 7 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsform
des neuen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis
6 definiert, während
eine bevorzugte Ausführungsform
der neuen Lichtquelle in dem abhängigen Patentanspruch
8 definiert ist.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Verfahren wird der fluoreszierende Farbstoff, der mit
dem gepulsten Laserlicht beleuchtet wird und der Pulse aus nicht
kohärentem Licht
emittiert, außerhalb
eines Bereichs angeordnet, der dem Bildsensor über das Objekt hinweg gegenüber liegt.
Die von dem Farbstoff gebildete Lichtquelle liegt damit in Bezug
auf den Bildsensor nicht hinter dem beleuchteten Objekt sondern
davor oder daneben, so dass der Bildsensor kein von dem Objekt transmittiertes
Licht, sondern durch das Objekt reflektiertes Licht von der Lichtquelle
registriert. Überraschenderweise
sind die für
einen solchen Vorgang nötigen
Lichtintensitäten,
selbst dann wenn ein größeres Objekt
zu beleuchten ist, mit prinzipiell denselben Mitteln bereitstellbar,
wie sie aus dem Stand der Technik B. Stasicki et al. (s. oben) grundsätzlich bekannt
sind, obwohl das von dem fluoreszierenden Farbstoff abgestrahlte
nicht kohärente
Licht ungerichtet ist.
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Die
sich von dem Stand der Technik unterscheidende Lage der Lichtquelle
mit dem fluoreszierenden Farbstoff zu dem zu beleuchtenden Objekt und
dem Bildsensor lässt
sich auch so beschreiben, dass der Farbstoff seitlich versetzt zu
einer Richtung von dem Bildsensor zu dem Objekt, neben dem Objekt
angeordnet ist. Dabei kann der Farbstoff auch etwas vor oder hinter
dem Objekt liegen.
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Um
das von dem Farbstoff abgestrahlte nicht kohärente Licht möglichst
vollständig
auszunutzen, kann der Farbstoff in dem Brennpunkt eines Lichtreflektors
angeordnet werden, der auf das zu beleuchtende Objekt ausgerichtet
ist. Die Anregung des fluoreszierenden Farbstoffs in dem Lichtreflektor
kann durch die Reflektorhauptöffnung,
aus der das von dem Lichtreflektor reflektierte Licht austritt,
aber auch durch eine Durchbrechung des Lichtreflektors aus einer
zu der Reflektorhauptöffnung
seitlichen oder rückwärtigen Richtung
erfolgen.
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Eine
solche Durchbrechung in dem Reflektor kann beispielsweise bei einer
bevorzugten Ausführungsform
des neuen Verfahrens sinnvoll sein, bei der der Farbstoff mit dem
Puls aus kohärentem
Licht in einer Richtung parallel zu der Richtung von dem Bildsensor
zu dem Objekt beleuchtet wird. Ein solches Vorgehen, bei dem es
auf eine exakte Parallelität
nicht ankommt, ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn sich das
Objekt in einem abgeschirmten Messraum, wie beispielsweise einem
Windkanal befindet. Dann ist nur der Farbstoff neben dem Objekt in
dem Windkanal anzuordnen, während
der Laser zum Anregen des Farbstoffs und der Bildsensor hinter einem
Fenster zu dem Windkanal angeordnet sein können. Konkret kann es sich
hierbei um dasselbe Fenster handeln.
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Der
Farbstoff kann für
das neue Verfahren als Lösung
in einer Küvette
angeordnet werden, wie dies auch bei dem Stand der Technik B. Stasicki
et al. (s. o.) der Fall ist. Die mit einer Lösung des Farbstoffs erreichbare
homogene Verteilung des Farbstoffs und damit homogene Intensitätsverteilung
des von dem Farbstoff abgestrahlten Lichts über seine Oberfläche wird
jedoch für
das neue Verfahren nicht grundsätzlich
benötigt,
insbesondere wenn der Farbstoff in einem Lichtreflektor angeordnet
wird.
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Als
Farbstoff wird bei dem neuen Verfahren insbesondere ein in einem
Farbstofflaser einsetzbarer Farbstoff ausgewählt, weil dieser mit hoher
Effektivität
durch entsprechendes Laserlicht zur Fluoreszenz anregbar ist. Je
nach dem zur Verfügung
stehenden gepulsten Laser kommen unterschiedliche Farbstoffe in
Frage, die typischerweise unterschiedliche Wirkungsgrade in Bezug
auf die Intensität
des von dem Farbstoff abgestrahlten Fluoreszenzlichts aufweisen.
Eine Übersicht über derartige
Farbstoffe ist unter www.radiantdyes.com zu finden.
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Zu
den besonders gut geeigneten Farbstoffen zählt Rhodamin 6G, wenn der Farbstoff
mit kohärentem
Licht aus einem Nd:Yag-Laser angeregt werden soll.
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Bei
der neuen Lichtquelle ist der Farbstoff in dem Brennpunkt eines
Lichtreflektors angeordnet. Dabei weist der Lichtreflektor eine
Durchbrechung in dem Lichtreflektor für den seitlichen Eintritt des
Laserlichts in den Lichtreflektor auf, so dass das Laserlicht direkt
auf den Farbstoff auftrifft.
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Auch
bei der neuen Lichtquelle kann der Farbstoff Rhodamin 6G sein und
in Kombination mit einem Nd:YAG-Laser als Pulslaser verwendet werden.
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Die
neue Lichtquelle hat ebenso wie das neue Verfahren den Vorteil,
dass die Beleuchtung des Objekts mit einer ganz definierten Wellenlänge, nämlich der
Wellenlänge
des Fluoreszenzlichts von dem Farbstoff erfolgt, die sich zudem
typischerweise eindeutig von dem Laserlicht des zum Anregen des Farbstoffs
verwendeten Pulslasers unterscheidet. Dies ermöglicht es, gleichzeitig zu
der Abbildung des Objekts auf dem Bildsensor andere Messungen an dem
Objekt mit Licht anderer Wellenlänge
durchzuführen
und die Anteile des Lichts mit den unterschiedlichen Wellenlängen durch
Farbfilter vollständig
voneinander zu trennen. Konkret kann eine solche weitere Messung
an dem Objekt beispielsweise mit dem direkt von dem Pulslaser abgestrahlten
Laserlicht durchgeführt
werden, dass – wie
gesagt – bereits
eine andere Wellenlänge
als das von ihm angeregte Fluoreszenzlicht des Farbstoffs aufweist.
Es ist aber auch möglich,
mit dem Laserlicht des Pulslasers auch noch einen anderen Farbstoff
einer weiteren Lichtquelle anzuregen, der Fluoreszenzlicht mit einer dritten
unterscheidbaren Wellenlänge
auf das Objekt hin abstrahlt.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
eine Skizze zur Durchführung des
neuen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform; und
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2 zeigt
eine Skizze zur Durchführung des
neuen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform unter Verwendung
der neuen Lichtquelle.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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In 1 ist
gezeigt, wie ein Objekt 1 mit ultrakurzen Pulsen aus nicht
kohärentem
Licht 2 beleuchtet wird, um das Objekt 1 auf den
Bildsensor 3 einer Kamera 4 mit einer sehr kurzen
effektiven Verschlusszeit in der Größenordnung von 10 ns abzubilden.
Das nicht kohärente
Licht 2 wird als Fluoreszenzlicht von einem Farbstoff 5 emittiert,
der als Lösung
in einer Küvette 6 angeordnet
ist und mit Pulsen aus Laserlicht 7 von einem Pulslaser 8 beleuchtet wird.
Das Laserlicht 7 ist monochromatisch und kohärent. Wenn
mit ihm das Objekt 1 direkt beleuchtet würde, würde es zu
Interferenzeffekten, so genannten Speckle-Mustern, bei der Abbildung
des Objekts 1 auf den Bildsensor 3 kommen. Der
mit dem Laserlicht 7 beleuchtete und von diesem angeregte
Farbstoff 5 emittiert zwar monochromatisches Fluoreszenzlicht,
doch ist das auf das Objekt 1 fallende Licht 2 nicht
kohärent,
so dass keine Interferenzeffekte bei der Abbildung des Objekts 1 auf
den Bildsensor 3 auftreten. In Bezug auf eine Richtung 9 von
dem Bildsensor 3 zu dem Objekt 1 liegt der Farbstoff 5 seitlich
versetzt etwas vor dem Objekt 1. Das Licht 2 wird
von dem Farbstoff 5 im Wesentlichen in einer Ebene abgestrahlt,
die der Grenzschicht der Lösung in
der Küvette 6 entspricht,
die dem Pulslaser 8 zugewandt ist und auf die das Laserlicht 7 auftrifft.
Dies bedeutet, dass nur ein vergleichsweise geringer Teil des Fluoreszenzlichts,
das von dem Farbstoff 5 abgestrahlt wird, auf das Objekt 1 gelangt
und für
die Abbildung des Objekts 1 auf den Bildsensor 3 genutzt wird.
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Um
diesen Anteil zu erhöhen,
ist gemäß 2 eine
Lichtquelle 10 vorgesehen, die neben dem Laser 8 und
dem Farbstoff 5 gemäß 1 auch einen
Lichtreflektor 11 umfasst, der das von dem Farbstoff 5 abgestrahlte
Licht insgesamt auf das Messobjekt 1 richtet. Der Lichtreflektor 11 mit
dem Farbstoff 5 ist auch hier in Bezug auf die Richtung 9 von
der Kamera 4 mit dem Bildsensor 3 zu dem Objekt 1 seitlich
versetzt vor dem Objekt 1 angeordnet. Der Lichtreflektor 11 mit
dem Farbstoff 5 könnte
auch in Bezug auf die Richtung 9 direkt seitlich neben
dem Objekt 1 oder leicht hinter dem Objekt 1 vorgesehen werden,
nicht jedoch auf der Richtung 9 hinter dem Objekt 1,
weil zur Abbildung des Objekts 1 auf den Bildsensor 3 von
dem Objekt 1 reflektierte Anteile des nicht kohärenten Lichts 2 auf
den Bildsensor 3 gelangen müssen. Das Objekt 1 ist
nicht durchscheinend.
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In 2 ist
weiterhin angedeutet, dass das Messobjekt 1 und der Lichtreflektor 11,
der eine im Vergleich zu den anderen gezeigten Elementen deutlich
geringere wahre Größe haben
kann, als dies aus 2 hervorgeht, zusammen mit dem
Messobjekt 1 in einer Messumgebung 12 angeordnet
ist, während sich
sowohl die Kamera 4 mit dem Bildsensor 3 als auch
der Laser 8 außerhalb
der Messumgebung 12 hinter einem Fenster 13 befinden.
Die Abbildung des Messobjekts 1 in der Messumgebung wird
daher durch den Lichtreflektor 11 mit dem Farbstoff 5 nur minimal
in Bezug auf die Eigenschaften der Messumgebung 12 gestört, nicht
jedoch durch den Laser 8 und die Kamera 4 mit
dem Bildsensor 3. Insbesondere dann, wenn wie in 2 angedeutet
ist, der Abstand zwischen dem Bildsensor 3 sowie dem Pulslaser 8 einerseits
und dem Objekt 1 sowie dem Lichtreflektor 11 andererseits
relativ groß ist,
kann die Richtung des Laserlichts 7 wie gezeigt parallel
zu der Richtung 9 von dem Bildsensor 3 zu dem
Objekt 1 verlaufen. Dabei kommt es jedoch nicht darauf
an, dass eine exakte Parallelität
gegeben ist; vielmehr soll damit nur eine Anordnung charakterisiert
werden, bei der der Pulslaser 8 und die Kamera 4 einerseits
und der Lichtreflektor 11 und das Objekt 1 andererseits
jeweils in einem etwa gleichen Abstand nebeneinander angeordnet
sind, während
zwischen diesen beiden Anordnungen ein viel größerer Abstand vorliegt. Je
nach Anordnung des Lichtreflektors 11 zu dem Pulslaser 8 und
dem Objekt 1 kann der Lichtreflektor 11, wie hier
dargestellt ist, für
den Eintritt des Laserlichts 7 eine Durchbrechung 14 aufweisen,
oder das Laserlicht 7 tritt durch die Hauptaustrittsöffnung 15 des
Lichtreflektors 11 für
das Licht 2 in den Lichtreflektor 11 ein.
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- 1
- Objekt
- 2
- Licht
- 3
- Bildsensor
- 4
- Kamera
- 5
- Farbstoff
- 6
- Küvette
- 7
- Laserlicht
- 8
- Pulslaser
- 9
- Richtung
- 10
- Lichtquelle
- 11
- Lichtreflektor
- 12
- Messumgebung
- 13
- Fenster
- 14
- Durchbrechung
- 15
- Hauptaustrittsöffnung