DE102009029321A1

DE102009029321A1 - Verfahren und Vorrichtung zur videografischen Aufzeichnung schneller Vorgänge

Info

Publication number: DE102009029321A1
Application number: DE102009029321A
Authority: DE
Inventors: Boleslaw Stasicki; Christian Willert; Jürgen Kompenhans
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: DE102009029321B4

Abstract

Zur videografischen Aufzeichnung schneller Vorgänge (2), wobei der jeweilige Vorgang (2) mit Licht (10 bis 12) unterschiedlicher Farben jeweils kurzzeitig beleuchtet wird und nach Farben getrennte Bilder des Vorgangs (2) aufgezeichnet werden, werden die Bilder getrennt in den verschiedenen Farbkanälen (16 bis 18) einer Farbvideokamera aufgezeichnet.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur videografischen Aufzeichnung schneller Vorgänge mit dem Merkmal des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und auf eine Vorrichtung, die zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignet ist, mit dem Merkmal des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 9.
STAND DER TECHNIK
Bei der foto- und videografischen Aufzeichnung schneller Vorgänge sind einerseits kurze Belichtungszeiten, um Bewegungsunschärfen zu vermeiden, und andererseits hohe Bildfolgefrequenzen, um die Vorgänge zeitlich hoch aufzulösen, von besonderem Interesse.
Zur Realisierung kurzer Belichtungszeiten ist es bekannt, statt die Belichtungszeit über die Öffnungszeit eines Verschlusses einer Kamera zu definieren, den interessierenden Vorgang kurzzeitig zu beleuchten, wobei die Dauer der Beleuchtung die Belichtungszeit definiert. Auf diese Weise ist es bei Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung, die sehr kurze Lichtpulse bereitstellt, möglich, sehr kurze Belichtungszeiten zu realisieren, wie sie zumindest mit einem herkömmlichen Verschluss nicht möglich sind. Dennoch kann ein solcher herkömmlicher Verschluss genutzt werden, um den Zeitraum, während dessen die Kamera lichtempfindlich ist, einzugrenzen, um auf diese Weise eine unerwünschte Belichtung durch das Umgebungslicht zu begrenzen.
Eine elektronische Hochgeschwindigkeitskamera für die Aufzeichnung schneller Vorgänge mit Hilfe mehrerer Halbleiter-Bildsensoren ist aus der DE 42 12 271 C1 bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Spezialkamera, bei der der Strahlengang hinter einem gemeinsamen Objektiv mit einem Strahlteiler in Form einer Spiegelpyramide zu den einzelnen Halbleiter-Bildsensoren verzweigt wird. Jedem der Halbleiter-Bildsensoren ist eine elektronische Verschlusseinrichtung zugeordnet, die asynchron zu einer Bildaufnahmefrequenz der Halbleiter-Bildsensoren triggerbar ist und die mit Blitzlichtquellen in Form in pulsbetriebener Leuchtdioden oder Laserdioden synchronisierbar ist.
Die aus der DE 42 12 271 C1 bekannte elektronische Hochgeschwindigkeitskamera ist als Spezialkamera sehr kostspielig, und bei ihr wird die maximal mögliche Bildfolgefrequenz durch die minimale Verschlusszeit der einzelnen Verschlusseinrichtungen bestimmt, da zur Aufnahme getrennter Bilder immer nur eine der Verschlusseinrichtungen geöffnet sein darf.
Aus dem Bereich der Particle Image Velocimetry (PIV) sind ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 9 bekannt, indem es bekannt ist, einen Lichtschnitt für zwei dicht aufeinanderfolgende trennbare Bilder der in ihm enthaltenen Partikel kurz hintereinander mit Licht zweier unterschiedlicher Farben zu beleuchten. Die beiden Bilder der Partikel werden mit zwei Kameras einer Aufzeichnungseinrichtung aufgezeichnet, denen jeweils ein auf eine der beiden unterschiedlichen Farben abgestimmter Farbfilter vorgeschaltet ist. Hierbei können zwar Standardvideokameras zum Einsatz kommen, der Gesamtaufbau der Aufzeichnungseinrichtung ist durch die beiden Kameras aber komplex, und auch die Beleuchtungseinrichtung ist aufwändig, weil sie in aller Regel zwei Pulslaser unterschiedlicher Farbe umfasst, deren Lichtpulse in bestimmter Abfolge in dieselbe Lichtschnittoptik eingekoppelt werden müssen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur videografischen Aufzeichnung schneller Vorgänge aufzuzeigen, die mit geringem aparativen Aufwand insbesondere in Bezug auf die Aufzeichnungseinrichtung umsetzbar sind.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur videografischen Aufzeichnung schneller Vorgänge mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung zur videografischen Aufzeichnung schneller Vorgänge mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsform des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem neuen Verfahren werden die Bilder des jeweiligen Vorgangs, die aus seiner Beleuchtung mit Licht unterschiedlicher Farben resultieren, in den verschiedenen Farbkanälen einer Farbvideokamera aufgezeichnet. D. h. für die Aufzeichnung von drei nach Farben getrennten Bildern reicht beispielsweise eine herkömmliche RGB-Farbvideokamera aus. Dabei ist es nicht entscheidend, wie die Farbvideokamera im Detail ausgebildet ist, d. h. ob bei der Farbvideokamera für jeden Farbkanal ein eigener Chip vorgesehen ist oder ob die Pixel mit den unterschiedlichen Farbempfindlichkeiten auf einem einzigen Chip zusammengefasst sind. In jedem Fall kann bei geeigneter Auswahl der unterschiedlichen Farben, mit deren Licht der jeweilige Vorgang beleuchtet wird, eine soweit gehende Signaltrennung der Signale in den einzelnen Farbkanälen der Farbvideokamera realisiert werden, dass die durch ihre Farbe codierten Bilder des schnellen Vorgangs ohne Crosstalk zwischen den Farbkanälen aufgezeichnet werden können. Bei Farbvideokameras mit separaten Chips je Farbkanal besteht darüber hinaus die Möglichkeit, zusätzliche Farbfilter in den Strahlengang einzubringen, die die selektive Empfindlichkeit der Farbkanäle der Farbvideokamera für die Farben, mit denen der schnelle Vorgang beleuchtet wird, erhöhen.
Die vorliegende Erfindung kann insbesondere mit herkömmlichen RGB-Farbvideokameras umgesetzt werden, wobei digitale Farbvideokameras wegen der potentiell besseren Trennung der Farbkanäle gegenüber analogen RGB-Farbvideokameras bevorzugt sind. Die vorliegende Erfindung ist aber auch in Verbindung mit Spezialfarbvideokameras in vorteilhafter Weise einsetzbar. So kann die Farbvideokamera auch mehr als drei Farbkanäle aufweisen und/oder sich von einer herkömmlichen Farbvideokamera durch einen extern triggerbaren Verschluss, d. h. die Möglichkeit einer externen Vorgabe des Zeitpunkts der Öffnung ihres Verschlusses und eines sich anschließenden Bildwechsels unterscheiden. Die Farbvideokamera kann auch mit einem extern triggerbaren Doppelverschluss versehen sein, wie er für die Anwendung in der PIV grundsätzlich bekannt ist und der zwei Verschlussöffnungszeiten vor und nach einem dazwischen liegenden Bildwechsel der Farbvideokamera definiert.
Mit der vorliegenden Erfindung kann die effektive Bildfolgefrequenz beim Aufzeichnen des schnellen Vorgangs gegenüber der Bildfrequenz der Farbvideokamera um einen ganzzahligen Faktor erhöht werden, der der Anzahl ihrer Farbkanäle entspricht. Dazu ist der jeweilige Vorgang zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Bildwechseln der Farbvideokamera nacheinander mit Licht aller der unterschiedlichen Farben zu beleuchten, die jeweils einem der Farbkanäle zugeordnet sind.
Noch höhere Bildfolgefrequenzen können kurzzeitig erreicht werden, indem vor und nach einem Bildwechsel der Farbvideokamera der jeweilige Vorgang jeweils nacheinander mit Licht aller der unterschiedlichen Farben beleuchtet wird und entsprechende nach Farben getrennte Bilder des Vorgangs mit der Farbvideokamera aufgezeichnet werden. In diesem Fall ist die Bildfolgefrequenz über eine Anzahl von Bildern, die maximal doppelt so groß ist wie die Anzahl der Farbkanäle der Farbvideokamera, nur durch die Dauer des Bildwechsels der Farbvideokamera begrenzt.
Gerade dann, wenn die im letzten Absatz beschriebene sehr hohe Bildfolgefrequenz realisiert werden soll, ist es entscheidend, dass die Bildwechsel der Farbvideokamera mit der Beleuchtung des schnellen Vorgangs mit dem Licht der unterschiedlichen Farben synchronisiert werden, um ein Beleuchten des Vorgangs nur außerhalb der Dauer der Bildwechsel der Farbvideokamera sicherzustellen. Dabei können die Beleuchtungen des Vorgangs mit dem Licht der verschiedenen Farben in regelmäßigen Abständen erfolgen. Die Abstände der Beleuchtungen können aber auch unregelmäßig sein. Es ist im übrigen nicht erforderlich, dass der Vorgang zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Bildwechseln der Farbvideokamera mit Licht aller der unterschiedlichen Farben beleuchtet wird.
Ein Verschluss der Farbvideokamera kann bei dem neuen Verfahren grundsätzlich zeitgleich mit jeder Beleuchtung des Vorgangs mit dem Licht jeder einzelnen Farbe geöffnet werden. Dazu müsste er aber mehrfach während jeder Bildintegrationszeit der Farbvideokamera zu öffnen sein. Außerdem müsste er für sehr kurze Zeit sehr schnell hintereinander zu öffnen sein. Als einfacher erweist es sich daher, den Verschluss der Farbvideokamera vor der Beleuchtung des schnellen Vorgangs mit dem Licht der ersten Farbe zu öffnen und nach der Beleuchtung des schnellen Vorgangs mit dem Licht der letzten Farbe zu schließen. Auch auf diese Weise kann der Einfluss des Umgebungslichtes zumindest etwas begrenzt werden, ohne hohe Anforderungen an den Verschluss der Farbvideokamera zu stellen.
Die Realisierung der neuen Vorrichtung ist besonders vorteilhaft unter Verwendung von Leuchtdioden zur Bereitstellung des Lichts der verschiedenen Farben möglich. So kann die Beleuchtungseinrichtung der neuen Vorrichtung mehrere monochromatische Leuchtdioden oder eine Multichip-Mehrfarben-Leuchtdiode aufweisen. Dabei kann die Beleuchtungseinrichtung auf einem handelsüblichen Videoprojektor mit Leuchtdioden als Lichtquelle basieren, bei dem zur Erzeugung von Lichtpulsen hoher Lichtmenge kurzzeitig sehr hohe Ströme durch die Leuchtdioden hervorgerufen werden, die oberhalb ihres nominellen Maximalstroms liegen. Geeignete Videoprojektoren mit Leuchtdioden sind am Markt verfügbar. Sie weisen vorzugsweise Leuchtdioden mit einer rechteckig begrenzten Emissionsfläche auf, wie sie auf der Website ”www.luminus.com” unter der Produktbezeichnung Phlatlight beschrieben sind. So wird von einer dort beschriebenen monochromen Leuchtdiode vom Typ PT-121 oder vom Typ CBT-120 R, G und B das Licht verteilt über eine Fläche von 12 mm² in Form eines Rechtecks mit einem der Videonorm entsprechenden Seitenverhältnis von 4 zu 3 abgestrahlt. Bei einer senkrechten Projektion dieser Abstrahlungsfläche auf den aufzuzeichnenden schnellen Vorgang ist dessen Ausleuchtung dem Gesichtsfeld einer handelsüblichen Farbvideokamera gut angepasst, d. h. nur wenig Lichtenergie geht durch das Ausleuchten von Flächen, die außerhalb des Kameragesichtsfelds liegen, verloren. Darüber hinaus ist die Ausleuchtung des Gesichtsfelds homogen. Auf der Website ”www.luminus.com” werden neben monochromen Leuchtdioden verschiedener Farben mit der Bezeichnung CBM 380 auch Multichip-Mehrfarben-Leuchtdioden dieses neuartigen Grundtyps beschrieben. Die einzelnen Chips dieser Diode lassen sich separat an die separaten Stromquellen anschließen und somit zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit unterschiedlichen Stromstärken pulsartig ansteuern.
Die Lichtquelle kann ebenfalls in Form einer auf das Kameraobjektiv aufsteckbaren Ringleuchte ausgebildet werden. Solche Ringleuchte besteht aus mehreren Leuchtdioden pro Farbe, wobei diese Leuchtdioden möglichst gleichmäßig über die Ringleuchte verteilt sind. Alle Leuchtdioden einer Farbe sind miteinander elektrisch verbunden und werden mit demselben Stromimpuls beaufschlagt. Die Anzahl der Leuchtdioden jeder Farbe muss dabei nicht gleich sein, vielmehr wird sie so gewählt, dass die Blitzenergie jeder Farbe der Farbempfindlichkeit der Kamera für diese Farbe angepasst ist. Auf diese Weise kann die unterschiedliche Lichtempfindlichkeit der Kamera für unterschiedliche Farben weitgehend kompensiert werden.
Bei Verwendung von Leuchtdioden in der Beleuchtungseinrichtung werden diese bei der vorliegenden Erfindung durch eine geeignete Stromquelle für sehr kurze Zeiten von typischerweise weniger als 10 μs mit sehr hohen Strömen beaufschlagt, die ein Vielfaches des selbst im gepulsten Betrieb regulär vorgesehen Maximalstroms dieser Leuchtdioden betragen. Solange dabei durch die Wiederholungsfrequenz der Strombeaufschlagung keine Erhöhung der Temperatur der Leuchtdioden über ein tolerables Maß hinaus auftritt, sind diese hohen Ströme, die zu hohen Lichtemissionen führen, unkritisch, und sie erlauben die Bereitstellung von Lichtpulsen, deren Lichtintensität unabhängig von den vorhergehenden Lichtpulsen nur von der Höhe und Dauer des jeweils fließenden Stroms abhängig sind.
Als Farbvideokamera kann bei der vorliegenden Erfindung auf eine solche mit Farb-CCD- oder Farb-CMOS-Bildsensoren zurückgegriffen werden, deren mit verschiedenen Farbfiltern versehene Pixel nach dem Konzept der sog. Bayer-Matrix angeordnet sind. Daneben sind auch Mehrsensorenkameras einsetzbar, die beispielsweise nach dem Konzept der Foveon X3-Bildsensoren aufgebaut oder drei völlig getrennte CCD- oder CMOS-Chips aufweisen können.
Insbesondere für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind Progressive Scan-CCD- und CMOS-Farbvideokameras mit simultanem Verschluss (engl.: global Shutter) für alle Farbkanäle gemeinsam. Digitale Farbvideokameras weisen dabei Vorteile bei der Trennung der Farbkanäle auf. Je nach Anwendung und Ausstattung kann die Farbvideokamera freilaufend, d. h. mit intern vorgegebener Bildfolge, extern getriggert oder auch mehrfach getriggert, z. B. im PIV-Modus zur Doppelbildaufnahme, betrieben werden. Nach dem Konzept der vorliegenden Erfindung sind aber auch Spezialkameras realisierbar, indem beispielsweise bei einer aus der DE 42 12 271 C1 bekannten Hochgeschwindigkeitskamera jeder einzelne Halbleiter-Bildsensor mit einem anderen Farbfilter versehen wird oder durch eine Farbvideokamera z. B. in Form eines Foveon X3-Bildsensors ersetzt wird.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutet und beschrieben.
1 skizziert eine erste Ausführungsform des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung zur Aufzeichnung eines schnellen Vorgangs, hier in Form eines fliegenden Projektils.
2a zeigt eine erste alternative Ausbildung der in 1 skizzierten Beleuchtungseinrichtung.
2b zeigt eine zweite alternative Ausbildung der in 1 skizzierten Beleuchtungseinrichtung.
3 skizziert eine zweite Ausführungsform der neuen Vorrichtung bei der Aufzeichnung desselben Vorgangs wie in 1.
4 skizziert eine Ausführungsform des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung, die anders als diejenigen der 1 und 2 das fliegende Projektil in Durchlichtanordnung aufzeichnet.
5 zeigt eine zeitliche Abfolge von Beleuchtungszeitpunkten des schnellen Vorgangs relativ zu Bildintegrationszeiten einer freilaufenden Farbvideokamera bei einer ersten konkreten Ausführungsform des neuen Verfahrens.
6 zeigt die zeitliche Abfolge der Beleuchtungszeitpunkte des schnellen Vorgangs relativ zu den Bildintegrationszeiten der freilaufenden Kamera bei einer zweiten konkreten Ausführungsform des neuen Verfahrens.
7 zeigt die zeitliche Abfolge der Beleuchtungszeitpunkte des schnellen Vorgangs relativ zu den Bildintegrationszeiten einer freilaufenden Farbvideokamera mit Verschluss bei einer weiteren Ausführungsform des neuen Verfahrens.
8 zeigt die zeitliche Abfolge der Beleuchtungen des schnellen Vorgangs relativ zu der Bildintegrationszeit einer extern getriggerten Farbvideokamera.
9 zeigt die Abfolge der Beleuchtung des schnellen Vorgangs relativ zu zwei Bildintegrationszeiten einer extern getriggerten Farbvideokamera mit Doppelverschluss; und
10 zeigt eine Abwandlung der zeitlichen Abfolge gemäß 9, bei der die Abstände der einzelnen Beleuchtungen variieren.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 skizzierte Vorrichtung 1 dient zur Aufzeichnung eines schnellen Vorgangs 2 in Form mehreren zeitlich aufeinanderfolgender Bilder. Vorliegend handelt es sich bei dem schnellen Vorgang 2 um ein fliegendes Projektil 3. Zur Aufzeichnung des fliegenden Projektils 3 ist eine Farbvideokamera 4 als Aufzeichnungseinrichtung 5 vorgesehen. Daneben umfasst die Vorrichtung 1 eine Beleuchtungseinrichtung 6, um das Projektil 3 zu verschiedenen Zeitpunkten zu beleuchten. Dabei weist die Beleuchtungseinrichtung 6 hier drei Leuchtdioden 7 bis 9 auf, die jeweils eine Projektionsoptik für das von Ihnen abgestrahlte Licht 10 bis 12 umfassen. Die Leuchtdioden 7 bis 9 strahlen monochromatisches Licht 10 bis 12 unterschiedlicher Wellenlängen, d. h. unterschiedlicher Farben ab. Hier hat das Licht 10 die Farbe rot, das Licht 11 die Farbe grün und das Licht 12 die Farbe blau. Diese Farbverteilung korrespondiert mit der Ausbildung der Farbvideokamera 4 als RGB-Farbvideokamera mit getrennten Farbkanälen für die Farben rot, grün und blau. So werden die aus der Beleuchtung des Projektils 3 mit dem Licht 10 bis 12 der verschiedenen Farben resultieren Bildern getrennt in den verschiedenen Farbkanälen der Farbvideokamera 4 aufgezeichnet. Auf diese Weise ist es möglich, das fliegende Projektil 3 während jeder Bildintegrationszeit der Farbvideokamera 4 zu drei verschiedenen Zeitpunkten aufzuzeichnen, die durch Strompulse 13 bis 15 festgelegt werden, mit denen die Leuchtdioden 7 bis 9 beaufschlagt werden, um sie zur Emission des Lichts 10 bis 12 zu veranlassen. Die resultierenden drei Bilder des Projektils 3 sind jeweils monochromatisch, wobei die aktuelle Farbe des Bilds keine zusätzliche Information enthält außer der Zuordnung zu dem Zeitpunkt des jeweiligen Strompulses 13 bis 15. Die verschiedenen monochromatischen Bilder werden in den verschiedenen Farbkanälen 16 bis 18 der Farbvideokamera 4 ausgegeben. Dabei kann die Ausgabe tatsächlich nach den Farbkanälen 16 bis 18 getrennt oder als geschlossener Bilddatensatz 19 erfolgen.
Die örtlich versetzte Lage der einzelnen Leuchtdioden 7 bis 9 der Beleuchtungseinrichtung 6 gemäß 1 führt zwangsläufig zu einer Parallaxe bei der Ausleuchtung des von allen drei Leuchtdioden 7 bis 9 beleuchteten Bereichs 20. Diese Parallaxe kann durch ein den Leuchtdioden nachgeschaltetes optisches System vermieden werden, so dass das Licht aller Leuchtdioden durch eine gemeinsame Projektionsoptik emittiert wird. Als solches optisches System kann z. B. ein Prismensystem, eine Spiegelanordnung oder ein mehrarmiges Lichtleiterbündel verwendet werden. 2a skizziert die Anordnung der Leuchtdioden 7 bis 9 an einem dichroitischen Prisma 21, aus dem das Licht 10 bis 12 der unterschiedlichen Farben von den einzelnen Leuchtdioden 7 bis 9 auf einer gemeinsamen optischen Achse 22 austritt. In 2a ist die in 1 zu jeder der Leuchtdioden 7 bis 9 zählende Projektionsoptik nicht wiedergegeben.
2b zeigt die Ausführung der Beleuchtungseinrichtung 6 in Form einer auf das Objektiv 34 der Farbvideokamera 4 aufgesteckten Ringleuchte 35. Diese Ringleuchte 35 besteht aus einer Vielzahl von Multichip-Mehrfarben-Leuchtdiode 23 oder jeweils einer Mehrzahl von Leuchtdioden pro Farbe. Die Leuchtdioden aller Farben sind dann möglichst gleichmäßig über die Ringleuchte 35 verteilt. Alle Leuchtdioden einer Farbe sind miteinander elektrisch verbunden und mit demselben Stromimpuls beaufschlagt. Die Anzahl der Leuchtdioden pro Farbe muss nicht identisch sein, vielmehr wird sie vorzugsweise so gewählt, dass die Lichtenergie jeder Farbe an die Lichtempfindlichkeit der Farbvideokamera 4 für diese Farbe angepasst ist. Auf diese Weise können unterschiedliche Lichtempfindlichkeiten der Farbvideokamera 4 für unterschiedliche Farben sowie unterschiedliche Lichtintensitäten der Leuchtdioden je nach Farbe kompensiert werden.
Gemäß 3 sind die Leuchtdioden 7 bis 9 gemäß 1 zu einer einzigen Multichip-Mehrfarben-Leuchtdiode 23 zusammengefasst, die mit den Strompulsen 13 bis 15 getrennt zur Emission des Lichts 10 bis 12 der unterschiedlichen Farben beaufschlagt wird. Dadurch wird das Licht der unterschiedlichen Farben längs einer gemeinsamen optischen Achse auf den schnellen Vorgang 2 projiziert, aber zu unterschiedlichen, von den Strompulsen 13 bis 15 vorgegebenen Zeitpunkten. Insoweit unterscheidet sich die grundsätzliche Funktion der Aufzeichnungseinrichtung 5 nicht von derjenigen gemäß 1. In 3 ist aber zusätzlich angedeutet, dass die Farbvideokamera 4 ein externes Triggersignal 24 zum Auslösen ihres Verschlusses erhält. Dabei ist aber zu betonen, dass dieses Triggersignal 24 nicht synchronisiert mit jedem einzelnen der Strompulse 13 bis 15 an die Kamera gegeben wird, sondern nur gemeinsam für jeweils einen vollständigen Satz der Strompulse 13 bis 15.
4 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 1, bei der der schnelle Vorgang 2, d. h. hier das Projektil 3 in einer Durchlichtanordnung, d. h. im sog. Hellfeldverfahren, aufgezeichnet wird. Dabei liegt eine Kondensorlinse 25 auf der optischen Achse 22 einer dem Objektiv 34 der Farbvideokamera 4 vorgeschalteten Sammellinse 26 über den Vorgang 2 hinweg gegenüber. Zudem wird hier das Licht 10 bis 12 der unterschiedlichen Farben von den Leuchtdioden 7 bis 9 mit Hilfe von Lichtleiterfasern 27 bis 29 von dem schnellen Vorgang 2 aus hinter der Kondensorlinse 25 in deren Brennpunkt auf der optischen Achse 22 zusammengeführt.
5 skizziert die zeitliche Abfolge der Strompulse 13 bis 15 bzw. der diesen entsprechenden Lichtpulse unterschiedlicher Farbe von den Leuchtdioden bzw. der hieraus resultierenden Belichtungszeiten der monochromatischen Bilder unterschiedlicher Farbe relativ zu den Bildintegrationszeiten 30 der hier freilaufenden Farbvideokamera. Die Bildintegrationszeiten 30 sind durch Bildwechsel 31 einer Dauer 32 getrennt. Während jeder Bildintegrationszeit 30 wird ein Bilddatensatz 19 gemäß den 1, 3 oder 4 generiert, der bei der normalen Verwendung der Farbvideokamera einem mehrfarbigen Bild entspricht, bei der vorliegenden Erfindung jedoch drei zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen monochromatischen Bildern des interessierenden schnellen Vorgangs. Diese unterschiedlichen Zeitpunkte sind die Zeitpunkte der Strompulse 13 bis 15 während der jeweiligen Bildintegrationszeit 30. 5 lasst unmittelbar deutlich werden, dass die Bildfolgefrequenz der auf den einzelnen Strompulsen 13 bis 15 basierenden monochromatischen Bilder dreimal so hoch ist wie die Bildfrequenz der Farbvideokamera, d. h. die Frequenz der Abfolge deren einzelnen Bildintegrationszeiten 30. Dabei sind gemäß 5 die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Strompulsen 13 bis 15 konstant, auch über die Wiederholungen der Strompulse für die jeweils selbe Leuchtdiode hinweg. Keiner der Strompulse 13 bis 15 fällt jedoch mit einem der Bildwechsel 31 zusammen, während dessen die Farbvideokamera kein Licht von dem interessierenden schnellen Vorgang registrieren könnte. Um das Zusammenfallen der Strompulse 13 bis 15 mit den Bildwechseln 31 zu verhindern, muss die jeweilige Beleuchtungseinrichtung mit der Aufnahmeeinrichtung synchronisiert werden. Wenn in jede Bildintegrationszeit 30 drei Strompulse 13 bis 15 bzw. entsprechende monochromatische Bilder fallen sollen, muss die Synchronisation nicht nur das Zusammenfallen der Strompulse 13 bis 15 mit den Bildwechseln 31 verhindern, sondern auch die der effektiven Bildfolgefrequenz der monochromatischen Bilder entsprechende Abfolgefrequenz der Strompulse 13 bis 15 auf die durch die Abfolgefrequenz der Bildintegrationszeiten 30 definierte Bildfrequenz der Farbvideokamera abgestimmt werden. Dadurch, dass hier die Bildintegrationszeit 30 jeweils viel länger ist als die einzelnen Strompulse 13 bis 15 und damit auch viel länger als die einzelnen Belichtungszeiten der verschiedenfarbigen monochromatischen Bilder, muss in einem abgedunkelten Raum gearbeitet werden. Die unterschiedliche Lichtempfindlichkeit der Kamera für Licht unterschiedlicher Farben und die unterschiedliche Lichtintensitäten der Leuchtdioden unterschiedlicher Farbe wird durch die individuelle Stärke der Strompulse 13 bis 15 kompensiert. Dadurch kann die Belichtung der einzelnen monochromatischen Bilder aneinander angeglichen werden. In 5 und den folgenden Figuren wird dies durch die unterschiedliche Höhe der die Strompulse 13 bis 15 repräsentierenden Linien deutlich gemacht.
6 skizziert die maximale Bildfolgefrequenz, wie sie erfindungsgemäß mit einer drei Farbkanäle aufweisenden Farbvideokamera erzielt werden kann, indem die Strompulse 13 bis 15 mit einem Abstand der Dauer 32 des Bildwechsels 31 der Farbvideokamera zweimal hintereinander, jeweils einmal während zweier aufeinanderfolgender Bildintegrationszeiten 30 der Farbvideokamera die Beleuchtung des schnellen Vorgangs auslösen und entsprechende monochromatische Bilder generieren. Es versteht sich, dass diese maximale Bildfolgefrequenz eine genaue Synchronisation der Zeitpunkte, zu denen tatsächlich das Licht für die einzelnen monochromatischen Bilder von dem interessierenden schnellen Vorgang auf die Farbvideokamera fällt, mit den Bildwechseln 31 erfordert. Zudem kann diese hohe Bildfolgefrequenz nur über die doppelte Anzahl der Farbkanäle der Farbvideokamera aufrecht erhalten werden, wenn – wie es hier der Fall ist – die Bildintegrationszeit 30 zusammen mit der Dauer 32 des Bildwechsels 31 deutlich länger als die dreifache Periodenlänge bei dieser maximalen Bildfolgefrequenz ist. Entsprechend können immer nur alle zwei Bildwechsel 31 der Farbvideokamera sechs Bilder schnell hintereinander aufgenommen werden. In dieser Konfiguration muss ebenfalls in einem abgedunkelten Raum gearbeitet werden.
7 zeigt eine Verkürzung der Bildintegrationszeit 30 der Farbvideokamera durch einen Verschluss, der beispielsweise die Ladungen der einzelnen Pixel vor der gewählten Bildintegrationszeit 30 löscht. Auch gemäß 7 läuft die Farbvideokamera jedoch frei, d. h. die Abfolge ihrer Bildintegrationszeiten 30 und ihrer Bildwechsel 31 einschließlich deren Frequenz ist fest. Die Strompulse 13 bis 15 bzw. die entsprechenden Bilder von dem interessierenden schnellen Vorgang müssen in die von dem Verschluss verkürzte Bildintegrationszeit 30 fallen, damit sie registriert werden. Soweit dies der Fall ist, reduziert die durch den Verschluss verkürzte Bildintegrationszeit 30 jedoch den Einfluss des Umgebungslichtes auf den Inhalt der einzelnen monochromatischen Bilder, weil sich außerhalb der eigentlichen Belichtungszeit des jeweiliges Bildes infolge des zugehörigen Strompulses 13, 14 oder 15 weniger Hintergrundlicht in den Pixeln ansammelt. Eine deutlich verkürzte Belichtungszeit 30, wie sie in 7 dargestellt ist, führt aber dazu, dass die Strompulse 13 bis 15 jeweils nur in Gruppen von drei dicht aufeinander folgenden Strompulsen angeordnet werden können, während diese Dreiergruppen untereinander größere Abstände haben müssen, um jeweils in die vor dem Bildwechsel 31 liegende Bildintegrationszeit 30 zu fallen. Je nach Wahl der Verschlusszeit kann diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auch in nicht abgedunkelten Räumen eine ausreichend gute Unterdrückung des Umgebungslichtes zu erreichen.
8 skizziert die relative Lage der Strompulse 13 bis 15 zur Bildintegrationszeit 30 und dem Bildwechsel 31 einer durch ein externes Triggersignal 24 gestarteten Farbvideokamera. Die ansteigende Flanke 33 des Triggersignals 24 fällt mit dem Beginn des ersten Strompulses 13 zusammen und startet die Bildintegrationszeit 30. Die Bildintegrationszeit 30 hat eine definierte Länge, die auf die Abfolge der Strompulse 13 bis 15 abgestimmt ist und die nach diesen mit dem Bildwechsel 31 endet. Während dieser einen Bildintegrationszeit 30 werden drei sehr schnell aufeinanderfolgende Bilder eines interessierenden schnellen Vorgangs zu einem beliebigen, durch das Triggersignal 24 definierten Zeitpunkt aufgezeichnet.
Die Anzahl dieser Bilder, die zu einem beliebigen Zeitpunkt schnell aufeinanderfolgend aufgenommen werden, kann erhöht werden, wenn eine Farbvideokamera mit Doppelverschluss eingesetzt wird. Ein derartiger Doppelverschluss ist aus dem Bereich der PIV grundsätzlich bekannt. 9 skizziert die entsprechende doppelte Abfolge der Strompulse 13 bis 15 in Relation zu zwei durch einen Bildwechsel 31 getrennte Bildintegrationszeiten 30 der Farbvideokamera und zu der ansteigenden Flanke 33 des Triggersignals 24. An die zweite Bildintegrationszeit 30 schließt sich ein weiterer, hier nicht dargestellter Bildwechsel zum Auslesen der zweiten Gruppe von drei schnell hintereinander aufgenommen Bildern an. Allerdings kann die zweite Bildintegrationszeit 30 durch einen elektronischen Verschluss der Farbvideokamera nicht verkürzt werden, da sie direkt nach dem Bildwechsel 31 beginnt und bis zu dem nächsten Bildwechsel dauern muss. Der minimale Abstand der Bildwechsel 31 stellt bei einer Farbvideokamera üblicherweise den ihre Bildfrequenz limitierenden Faktor dar.
Während in 9 die Strompulse 13 bis 15 auch über ihre Widerholung hinweg jeweils gleiche Abstände untereinander aufweisen, skizziert 10 unterschiedliche Abstände der Strompulse 13 bis 15 untereinander, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich sind. Allerdings muss dazu der Zeitpunkt bekannt sein, zu dem jeder der Strompulse 13 bis 15 genau einmal erfolgt ist, damit der die erste Bildintegrationszeit 30 beendende bzw. die beiden Bildintegrationszeiten 30 trennende Bildwechsel 31 genau anschließend erfolgen kann.
Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft in der PIV einsetzbar. Ein weiteres bevorzugtes Einsatzgebiet sind schnelle Vorgänge, die periodischen oder sich zumindest wiederholenden Vorgängen überlagert sind. Zur Beobachtung dieser schnellen Vorgänge ist in üblicher Weise eine geeignete Synchronisation zwischen dem periodischen oder sich wiederholenden Vorgang und der Aufnahme der einzelnen Bilder vorzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: schneller Vorgang
3: fliegendes Projektil
4: Farbvideokamera
5: Aufzeichnungseinrichtung
6: Beleuchtungseinrichtung
7: Leuchtdiode
8: Leuchtdiode
9: Leuchtdiode
10: Licht
11: Licht
12: Licht
13: Strompuls
14: Strompuls
15: Strompuls
16: Strompuls
17: Farbkanal
18: Farbkanal
19: Bilddatensatz
20: beleuchteter Bereich
21: dichroitisches Prisma
22: optische Achse
23: Multichip-Mehrfarben-Leuchtdiode
24: Triggersignal
25: Kondensorlinse
26: Sammellinse
27: Lichtleiterfaser
28: Lichtleiterfaser
29: Lichtleiterfaser
30: Bildintegrationszeit
31: Bildwechsel
32: Dauer des Bildwechsels
33: ansteigende Flanke des Triggersignals
34: Objektiv
35: Ringleuchte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4212271 C1 [0004, 0005, 0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

www.luminus.com [0015]
www.luminus.com [0015]

Claims

Verfahren zur videografischen Aufzeichnung schneller Vorgänge (2), wobei der jeweilige Vorgang (2) mit Licht (10 bis 12) unterschiedlicher Farben jeweils kurzzeitig beleuchtet wird und nach Farben (10 bis 12) getrennte Bilder des Vorgangs (2) aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder getrennt in den verschiedenen Farbkanälen (16 bis 18) einer Farbvideokamera (4) aufgezeichnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Farben, mit deren Licht (10 bis 12) der jeweilige Vorgang (2) beleuchtet wird, auf eine maximale Signaltrennung in den einzelnen Farbkanälen (16 bis 18) der Farbvideokamera (4) abgestimmt sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als die Farbvideokamera (4) eine digitale RGB-Kamera verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Vorgang (2) zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Bildwechseln (31) der Farbvideokamera (4) nacheinander mit Licht (10 bis 12) aller der unterschiedlichen Farben beleuchtet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und nach einem Bildwechsel (31) der Farbvideokamera (4) der jeweilige Vorgang (2) jeweils nacheinander mit Licht (10 bis 12) aller der unterschiedlichen Farben beleuchtet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildwechsel (31) der Farbvideokamera (4) mit der Beleuchtung des schnellen Vorgangs (2) mit dem Licht (10 bis 12) der unterschiedlichen Farben synchronisiert werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang (2) außerhalb der Bildwechsel (31) der Farbvideokamera (4) in regelmäßigen Abständen mit dem Licht (10 bis 12) der verschiedenen Farben beleuchtet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verschluss der Farbvideokamera (4) vor der Beleuchtung des schnellen Vorgangs (2) mit dem Licht (10) der ersten Farbe geöffnet und nach der Beleuchtung des schnellen Vorgangs (2) mit Licht der letzten Farbe (12) geschlossen wird.
Vorrichtung (1) zur videografischen Aufzeichnung schneller Vorgänge (2), mit einer Beleuchtungseinrichtung (6), um den jeweiligen Vorgang (2) mit Licht (10 bis 12) unterschiedlicher Farbe jeweils kurzzeitig zu beleuchten und mit einer Aufzeichnungseinrichtung (5), um nach Farben getrennte Bilder des Vorgangs (2) aufzuzeichnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungseinrichtung (5) eine Farbvideokamera (4) aufweist, die die Bilder getrennt in ihren verschiedenen Farbkanälen (16 bis 18) aufzeichnet.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Farben, mit deren Licht (10 bis 12) die Beleuchtungseinrichtung (6) den jeweiligen Vorgang (2) beleuchtet, auf eine maximale Signaltrennung in den einzelnen Farbkanälen (16 bis 18) der Farbvideokamera (4) abgestimmt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbvideokamera (4) eine digitale RGB-Kamera ist.
Vorrichtung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (6) den jeweiligen Vorgang (2) zwischen zwei Bildwechseln (31) der Farbvideokamera (4) mit Licht (10 bis 12) aller der unterschiedlichen Farben beleuchtet.
Vorrichtung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Synchronisierungseinrichtung vorgesehen ist, die die Farbvideokamera (4) der Aufzeichnungseinrichtung (5) mit der Beleuchtungseinrichtung (6) synchronisiert.
Vorrichtung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierungseinrichtung einen Bildwechsel (31) der Farbvideokamera (4) nach der Beleuchtung des Vorgangs (2) mit dem Licht (10 bis 12) aller der unterschiedlichen Farben auslöst.
Vorrichtung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierungseinrichtung einen Verschluss der Farbvideokamera (4) vor der ersten Beleuchtung des schnellen Vorgangs (2) mit dem Licht (10) der ersten Farbe öffnet und nach der Beleuchtung des schnellen Vorgangs (2) mit dem Licht (12) der letzten anderen Farbe schließt.
Vorrichtung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (6) mehrere monochromatische Leuchtdioden (7 bis 9) oder mindestens eine Multichip-Mehrfarben-Leuchtdiode (23) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (7 bis 9, 23) jeweils eine rechteckig begrenzte Emissionsfläche aufweisen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (6) eine Ringleuchte (35) aufweist, bei der mehrere monochromatische Leuchtdioden (7 bis 9) pro Farbe oder mehrere Multichip-Mehrfarben-Leuchtdioden (23) um ein Objektiv (34) der Farbvideokamera (4) herum verteilt angeordnet sind, wobei die Leuchtdioden (7 bis 9) oder die Chips jeder Farbe zusammengeschaltet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (7 bis 9, 23) mit Strompulsen (13 bis 15) oberhalb ihres nominellen Maximalstroms beaufschlagt werden.