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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Scheimpflug-Adapter zur Kopplung eines Objektivs mit einer Kamera unter Einhaltung des Scheimpflug-Kriteriums,
umfassend einen Objektivanschluss und einen Kameraanschluss, die relativ zueinander verschwenkbar gelagert sind.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf die Verwendung einer mittels eines derartigen Scheimpflugadapters mit einem Objektiv gekoppelten Hochgeschwindigkeits-Digitalkamera.
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Stand der Technik
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Es ist allgemeint bekannt, dass die Aufnahme einer Fläche, die relativ zur Bildebene einer Kamera (definiert durch deren Bildsensor) verkippt ist, häufig zu Schärfentiefen-Problemen führt, wenn, wie dies bei herkömmlichen üblicherweise der Fall ist, die Hauptebene des Kameraobjektivs parallel zur Bildebene steht. Diese Probleme sind umso größer, je größer der Abbildungsmaßstab M, d.h. das Verhältnis von Bildgröße B zu Gegenstandsgröße G (M = B/G) ist. Bekanntermaßen lässt sich die Schärfentiefe zwar vergrößern, indem das Objektiv abgeblendet wird. Dies ist jedoch insbesondere bei lichtkritischen Applikationen keine Option, da dann die zur Verfügung stehende Gesamtlichtmenge häufig nicht zur Erfüllung der vorgesehenen Aufgaben ausreicht. Rein beispielhaft seien hier sogenannte Stereo-PIV-Messungen (particle imaging velocimetry) angegeben. Dabei wird ein Lichtschnitt durch ein Messvolumen, welches von einem Partikel-beimpften Fluid durchströmt wird, mittels mehrerer Kameras unter unterschiedlichen Winkeln aufgenommen. Sodann wird die Bewegung der Teilchen mittels Bildverarbeitungsverfahren ausgewertet, um ein dreikomponentiges 2D-Strömungsfeld (Stereo-PIV) zu berechnen. Zur Erzeugung des Stereo-Effektes ist die Aufnahme unter unterschiedlichen Winkeln, d.h. bei nicht-paralleler Ausrichtung von Objektebene (Lichtschnittebene) und Kamera-Bildebene, zwingend erforderlich. Ein erhebliches Abblenden der Objektive ist bei der genannten Anwendung keine wirtschaftlich sinnvolle Option, da dies mit einer Verstärkung der Beleuchtung des Messvolumens kompensiert werden müsste, was in der Regel den Einsatz stärkerer und damit teurerer Laser erfordert. Daher werden bei derartigen Applikationen häufig Scheimpflug-Adapter zur Kopplung von Objektiv und Kamera eingesetzt, die so justierbar sind, dass Bildebene, Objektebene und Objekt-Hauptebene einander in einer gemeinsamen Geraden schneiden, d.h. dass das sog. Scheimpflug-Kriterium eingehalten wird. Ein Beispiel hierfür ist in der
EP 1 460 433 B1 offenbart.
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Ein weiteres Problem bei derartigen Messungen ist der mittlerweile übliche Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras. Hochgeschwindigkeits-Digitalkameras zeichnen sich in der Regel durch besonders große Pixelgrößen, typischerweise mit einer Breite und Höhe von 20–30 Mikrometer, aus, was erforderlich ist, um bei kurzen Integrationszeiten eine hinreichende Lichtmenge pro Pixel sammeln zu können. Hierdurch vergrößert sich – bei gegebener Pixelanzahl – die Sensorfläche und damit der Abbildungsmaßstab, was das oben genannte Schärfentiefe-Problem verstärkt. Zudem werden bei typischen PIV-Messungen sehr kleine Partikel verwendet, die typischerweise beugungsbegrenzt abgebildet werden. Sind, wie bei der hier skizzierten Konstellation, die Beugungsscheibchen, die typischerweise in der Bildebene ca. zehn Mikrometer groß sind, deutlich kleiner als die Pixelgröße, sind Bildverarbeitungsalgorithmen zur Subpixel-genauen Auflösung nicht oder nur noch sehr eingeschränkt anwendbar. Entsprechend vergrößern sich die Ungenauigkeiten der eigentlich intendierten Strömungsmessungen. Diese Problematik bleibt vom Einsatz herkömmlicher Scheimpflug-Adapter unberührt.
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Aus der
US 2006/0170808 A1 ist ein als Weichzeichner genutztes, doppelbrechendes Element bekannt, das im Strahlengang einer Kamera zwischen dem Objektiv und dem Bildsensor senkrecht zu deren gemeinsamer optischen Achse angeordnet ist. Eine ebensolche Anordnung ist in der
US 3 126 334 A für einen Tiefpassfilter offenbart.
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Aus der
US 2005/0185268 A1 ist ein mehrschichtig aufgebauter, ebenfalls doppelbrechender Anti-Aliasing-Filter bekannt.
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Aus der
US 2013/0293729 A1 ist eine Kamera bekannt, in deren Gehäuse unmittelbar vor dem Bildsensor und parallel zu diesem ein optischer Tiefpassfilter angeordnet ist.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die beide oben genannten Problemkreise behebt oder zumindest abmildert.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch einen Scheimpflugadapter mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 gelöst, bei dem im Strahlengang ein Diffusor senkrecht zu einer durch den Kameraanschluss vorgegebenen optischen Achse fixiert ist.
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Besonders bevorzugt findet ein derartiger Scheimpflugadapter Einsatz im Rahmen einer PIV-Messung. Eine entsprechende Messanordnung ist Gegenstand von nach Anspruch 4, d.h. eine PIV-Messanordnung, umfassend eine mittels eines solchen Scheimpflug-Adapters mit einem Objektiv gekoppelten Hochgeschwindigkeits-Digitalkamera zur Aufnahme von Bildern im Rahmen einer PIV-Messung, wobei eine Lichtschnittebene in einem von einem partikel-beimpften Fluid durchströmten Messvolumen, die Hauptebene des Objektivs und die von einem Bildsensor definierte Bildebene der Digitalkamera einander in einer gemeinsamen Geraden schneiden.
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Der erfindungsgemäße Scheimpflug-Adapter weist also einen Diffusor in demjenigen Teil seines Strahlengangs auf, in dem die optische Achse, wie durch den Kameraanschluss definiert, senkrecht zur Bildebene steht. Der Diffusor wirkt damit wie ein üblicher Filter und bringt insbesondere keine zusätzlichen Störungen durch Verzerrungen im Strahlengang ein.
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Der Begriff des Diffusors ist hier weit zu verstehen und umfasst jede Art einfachen oder komplexen optischen Tiefpassfilters. Derartige Tiefpassfilter sind bspw. als sogenannte Moiré-Filter oder Anti-Aliasing-Filter bekannt. Solche Filter können mehrschichtig ausgebildet sein und z.B. so ausgelegt sein, dass sie die Abbildung eines beugungsbegrenzten Lichtpunktes in der Bildebene in zwei Dimensionen um ein genau definiertes Vielfaches der Pixelgröße vergrößern. Es sind jedoch auch einfacher aufgebaute, z.B. einschichtige Diffusoren bekannt.
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Der erfindungsgemäße Scheimpflug-Adapter zeitigt mehrere Vorteile. Zum einen verwirklicht er die erwartbaren Vorteile eines Scheimpflug-Adapters, nämlich die über die gesamte Bildbreite verbesserte Schärfentiefe bei Aufnahme einer verkippten Objektebene. Zum anderen realisiert er die erwartbaren Vorteile eines Diffusors beim Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Digitalkameras mit großer Pixelgröße, nämlich die Vergrößerung der Beugungsscheibchen, sodass eine Subpixel-genaue Auflösung erzielt wird, was insgesamt zu einer verbesserten Positionsbestimmung der aufgenommenen Partikel oder Partikelgruppen, z.B. durch Korrelationsverfahren, führt.
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Zudem liefert die Erfindung jedoch auch einen nicht erwartbaren, überraschenden Vorteil, der sich aus der Wechselwirkung der Scheimpflug- und Diffusor-Funktionen ergibt. So hat es sich als ausgesprochen schwierig erwiesen, einen herkömmlichen Scheimpflug-Adapter so zu justieren, dass die Objektebene über die gesamte Sensorfläche gleichmäßig scharf abgebildet wird. In der Praxis variiert der Grad der Schärfe – wenn auch nur geringfügig – über die Bildebene, was insbesondere bei komplexen Bildverarbeitungs-Algorithmen zu bildortbedingten Ergebnisunterschieden führen kann. Durch den erfindungsgemäß eingesetzten Diffusor sinkt nun das maximal erreichbare Maß an Schärfe und ermöglicht dadurch eine gleichmäßigere Schärfe (auf besagtem, geringerem Niveau) über die gesamte Bildebene. Dies bedeutet insgesamt eine größere Unempfindlichkeit des Systems gegenüber Fehljustagen des Scheimpflugadapters.
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Die Bildverarbeitungs-Algorithmen können somit auf dieses bekannte, durch den Diffusor begrenzte, einheitliche Schärfeniveau optimiert werden. Damit verbunden ist ein insgesamt reduziertes Schärfeniveau, sodass sich insgesamt bessere Ergebnisse bei der Subpixel-genauen Bestimmung von Partikeln oder Partikelgruppen erzielen lassen.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Diffusor in der Ebene des Kameraanschlusses des Scheimpflugadapters fixiert. Grundsätzlich ist es auch denkbar, ihn vor oder hinter dem Kameraanschluss zu positionieren. Die Ebene des Kameraanschluss bietet sich jedoch insbesondere im Hinblick auf dort vorhandene Fixierungsmöglichkeiten an. Bspw. kann der typischerweise ein Außengewinde aufweisende Kameraanschluss mit einem zusätzlichen Innengewinde versehen sein, in welches der mit einem Außengewinde versehene Diffusor einschraubbar ist.
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Wie bereits erwähnt, kann der Diffusor als Moiré-Filter ausgebildet sein. Alternativen wären sogenannte Anti-Aliasing-Filter oder andere Arten optischer Tiefpassfilter.
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Insbesondere die Stereo-PIV-Messung von Strömungen bietet eine Konstellation, in welcher von den erläuterten Vorteilen des erfindungsgemäßen Scheimpflug-Adapters in besonderer Weise profitiert werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es zeigt:
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1: eine grob schematische Darstellung einer PIV-Messkonfiguration unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Scheimpflugadapters.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1 zeigt in grob schematisierter Darstellung eine beispielhafte Konfiguration zur Durchführung von PIV-Messungen.
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Ein nur ausschnittsweise dargestelltes Messvolumen 10 wird von einem partikel-beimpften Fluid 12 durchströmt, wie durch den Strömungspfeil 14 angedeutet. In das Messvolumen 10 ist mittels einer nicht näher dargestellten, laserbasierten Beleuchtungsvorrichtung ein Lichtschnitt 16 gelegt, mit welchem die Partikel des Strömungsfluides 12 beleuchtet werden, sodass ihr Reflexions- oder Emissionslicht mittels einer Kamera 18, insbesondere mittels deren digitalen Bildsensors 20, aufgenommen werden kann. Hierzu ist die Kamera 18 mit einem Objektiv 22 ausgestattet, welches den vom Lichtschnitt 16 beleuchteten Teil des Messvolumens 10 auf den Bildsensor 20 abbildet.
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Typischerweise steht die von dem Lichtschnitt 16 definierte Objektebene 24 nicht parallel zu der durch den Bildsensor 20 definierten Bildebene 26. Um dennoch eine hinreichende Schärfe über die gesamte Bildbreite zu erzielen, sind daher die Kamera 18 und das Objektiv 22 mittels eines erfindungsgemäßen Scheimpflug-Adapters 28 miteinander gekoppelt. Der Scheimpflug-Adapter 28 weist zum Anschluss der Kamera 18 einen Kameraanschluss 30 und zum Anschluss des Objektivs 22 einen Objektivanschluss 32 auf. Vorzugsweise finden hier verbreitete Anschlussnormen Anwendung. Der Kameraanschluss 30 ist über eine nicht im Detail dargestellte Schwenkvorrichtung relativ zu dem Objektivanschluss 32 derart verschwenkbar, dass das sogenannte Scheimpflug-Kriterium eingehalten werden kann. Gemäß diesem Kriterium wird ein Objekt (hier der Lichtschnitt 16), das in einer relativ zur Bildebene 26 verkippten Objektebene 24 liegt, dann über seine ganze Breite scharf auf den Bildsensor 20 abgebildet, wenn sich die Hauptebene 34 des Objektivs 22 mit der Objektebene 24 und der Bildebene 26 in einer gemeinsamen Geraden 36 schneidet. Diese Konstellation ist in 1 wiedergegeben.
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Erfindungsgemäß weist der Scheimpflugadapter 28 im Bereich seines Kameraanschlusses 30 einen parallel zum Bildsensor 20 ausgerichteten Diffusor 38 auf. Dieser kann bspw. in ein Innengewinde des im Übrigen ein Außengewinde aufweisenden Kameraanschlusses 30 eingeschraubt sein.
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Der Diffusor 38 senkt zum einen das maximal erreichbare Schärfeniveau, sodass eine Justierung des Scheimpflugadapters mit dem Ziel, eine gleichmäßige Schärfe über die gesamte Fläche des Bildsensors 20 zu erzielen, erleichtert wird. Zudem vergrößert der Diffusor 30 die Beugungsscheibchen der Partikel im Strömungsfluid 12, sodass deren Bilder auch bei großen Kamerapixeln, wie dies insbesondere bei Hochgeschwindigkeits-Digitalkameras der Fall ist, mehrere Pixel überlappen bzw. touchieren. Dies ist die Voraussetzung für eine Subpixel-genaue Ortsbestimmung der Partikelbilder bzw., nach Umrechnung, der Partikel im Messvolumen 16.
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Details des Diffusors 38 sind in 1 nicht dargestellt. Dem Fachmann sind unterschiedliche, gleichermaßen verwendbare Bauarten von Diffusoren, d.h. optischen Tiefpassfiltern, bekannt.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere wird der Fachmann erkennen, dass die Vorteile der vorliegenden Erfindung insbesondere dann nutzbar sind, wenn eine unverkippte Relativpositionierung von Bildebene 26, Objektiv-Hauptebene 34 und Objektebene 24 nicht realisierbar ist. Eine solche Situation tritt insbesondere bei Stereo-PIV-Messungen auf, wo der Lichtschnitt 16 zwingend von mehreren Kameras 20 unter unterschiedlichen Winkeln abgebildet werden muss.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Messvolumen
- 12
- Strömungsfluid
- 14
- Strömungspfeil
- 16
- Lichtschnitt
- 18
- Kamera
- 20
- Bildsensor
- 22
- Objektiv
- 24
- Objektebene
- 26
- Bildebene
- 28
- Scheimpflug-Adapter
- 30
- Kameraanschluss von 28
- 32
- Objektivanschluss von 28
- 34
- Objektiv-Hauptebene
- 36
- Schnittgerade
- 38
- Diffusor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004008072 B3 [0003]
- EP 1460433 B1 [0004]
- US 2006/0170808 A1 [0006]
- US 3126334 A [0006]
- US 2005/0185268 A1 [0007]
- US 2013/0293729 A1 [0008]
