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Analoge und DigitaleHochgeschwindigkeitskinematographie

Analog and Digital High Speed Cinematography

Joachim Holzfuss, Technische Universitat Darmstadt

Die ultraschnelle Aufnahme mehrdimensionaler optische Daten mit Kameras stellt fur den

Forscher eine Moglichkeit dar, in kurzer Zeit ablaufende Vorgange zu speichern und spater

zeitaufgelost zu analysieren. Die technischen Entwicklungen der letzten Jahrzehnte haben

hierzu unterschiedlichste Gerate hervorgebracht, die zum Teil heute noch ihren berechtigten

Platz in der Forschung haben. Verschiedene Prinzipien von Hochgeschwindigkeitskameras

werden vorgestellt und Beispiele Ihrer Anwendungsgebiete gezeigt.

Ultrafast capture of multidimensional optical data enables the scientist to store short time

events and analyse them later. Technical developments of past decades created instruments

still having their place in science. Different principles of high speed cameras are introduced

and examples of high speed imaging are shown.

Schlagworter: Drehspiegelkamera, CCD, Bildverstarker, Bildwandlerkamera, Streak

1 Einleitung

Die Untersuchung schneller optischer Ereignisse stelltein interessantes und haufig anzutreffendes Problemda. Die Schwierigkeiten, die sich stellen, sind viel-schichtig. Wahrend bei Vorgangen, bei denen ein un-veranderliches, sich schnell bewegendes Objekt aufge-nommen, zur Inspektion quasi “eingefroren” werdensoll, genugt es bereits, mittels Abbildungsoptik undeiner sehr kurzen Verschlusszeit das Bild des Objek-tes auf ein Speichermedium (Filmnegativ, CCD Chip)zu bringen. Verandert sich das aufzunehmende Objektinnerhalb sehr kurzer Zeit, so muss zusatzlich nochdas gespeicherte Bild aus der Bildebene wegtranspor-tiert werden, damit freier Speicherplatz zur Aufnahmedes veranderten Objektes zur Verfugung steht. Je nachDauer des aufzunehmenden Vorgangs konnen hierfureine Menge Einzelbilder benotigt werden. Bei kurzenAufnahmedauern kann durch schnellen Filmtransportoder schnelles Umkopieren auf Massenspeicher der ge-samte Vorgang untersucht werden. Falls jedoch langereVorgange untersucht werden sollen, ist auch mit denneuesten Entwicklungen keine umfassende Darstellungmoglich. Es bleibt dann nur die Moglichkeit, wieder-holte, zeitversetzte Aufnahmen, oder, bei periodischenVorgangen, stroboskopische Techniken anzuwenden.

In einer großen Bandbreite soll verschiedene Methoden

der Hochgeschwindigkeitskinematographie beschriebenwerden. Analoge und digitale Verfahren sowie derenHilfsmittel werden besprochen. Einzelne Beispiele ausaktuellen Forschungsgebieten werden die jeweiligen An-wendungsbereiche veranschaulichen.

2 Analoge Bildaufnahme

2.1 Funkenzeitlupe

Cranz und Schardin entwickelten 1929 das Prinzip ei-ner Funkenzeitlupe. Hierbei werden mehrere Funken-strecken, deren Licht ein transparentes Objekt durch-

Bild 1: Bruchwelle, aufge-nommen mit einer Cranz-Schardin Kamera, Bildab-stand 50µs (HSPS, Wedel).

499–506tm – Technisches Messen 68 (2001) 11 c© Oldenbourg Verlag 499

leuchtet und dann auf eine Photoplatte fallt, in schnel-ler Abfolge gezundet. Die Besonderheit hierbei ist, dassdie Bilder, die durch die Beleuchtung mit einzelnenraumlich entfernten Funken entstehen, getrennt abge-bildet werden. Kameras dieses Typs sind heute noch imEinsatz. Der Vorteil dieses Kameratyps liegt in der ho-hen Auflosung der optischen Speicherung auf einer Pho-toplatte (einige 10 GByte) gepaart mit relativ hohenBildraten bis zu 106Hz.

2.2 Hochgeschwindigkeits-Filmkameras

Wann immer in Werbespots oder großen Hollywood Fil-men Zeitlupenaufnahmen von tropfenden Flussigkeitenoder Explosionen zu sehen sind, wurden diese mit tra-ditionellen Greiferkameras aufgenommen. Wegen der er-forderlichen großen Auflosung werden hierzu 35mm oder70mm Film eingesetzt. Der Film wird durch Greifertransportiert und fur den kurzen Augenblick der Be-lichtung angehalten. Mechanisch sind somit der Bild-wiederholrate enge Grenzen gesetzt. So kann die Photo-Sonics 4ER [1] Bildraten von 6 bis 360fps auf einer300m langen Rolle mit 35mm Film aufnehmen (Bild2.2). Die Belichtung erfolgt mittels Umlaufblende mit1/1.000s − 1/25.000s.

Bild 2: Photosonics 4ER(Dedo Weigert, Munchen[2]).

2.3 Drehprismenkameras

Eine Moglichkeit, zu noch hoheren Bildraten zu gelan-gen und trotzdem eine hohe Auflosung und lange Auf-nahmezeit durch Verwendung von Filmrollen zu behal-ten, bieten Drehprismenkameras. Hierbei wird das Bilddurch einen Glasquader oder ein Prisma gefuhrt, wel-ches gleichformig mit dem kontinuierlich bewegten Filmrotiert wird. Durch die an den Grenzflachen des Qua-ders auftretende Lichtbrechung wird dafur gesorgt, dassdie Lichtstrahlen unabhangig vom jeweiligen Drehwin-kel immer unter dem gleichen Winkel austreten, unddass das Bild sich mit exakt derselben Geschwindigkeitbewegt wie der Film. Somit konnen keine Verschmierun-gen auftreten und der Film muss nicht mehr kurzfristigangehalten werden. Die Belichtungszeit wird auch hiermittels Umlaufblenden eingestellt.

Die Photo-Sonics NAC-E10 (Bild 2.3) kommt hierbeiauf maximal 10.000fps mit einer Belichtungszeit von1/50.000s [1]. Eine 120m Filmrolle mit 16mm Film er-laubt eine Aufnahmezeit von maximal 2.4s.

Bild 3: NAC E10 (DedoWeigert, Munchen [2]).

2.4 Trommelkameras

Noch hohere Bildraten werden mit Trommelkameras er-reicht. Der Film wird außen um eine schnell rotierendeTrommel aufgezogen. Die Belichtung erfolgt durch einObjektiv an der Seite (Bild 4). Bei diesem Kameratypmuss die Belichtung mittels Lichtpulsen extern erfol-gen. Die Filmrotationsgeschwindigkeit betragt bei derStrobodrum maximal 90m/s. 60-150 Bilder der Große1 − 24mm konnen mit Raten bis 20.000fps aufgenom-men werden. Ein Vorteil ist, dass die Aufnahme nichtsynchronisiert erfolgen muss, d.h. die Kamera kann be-reits gestartet werden, bevor der aufzunehmende Vor-gang beginnt. Außerdem ist es moglich, Streak- oderSchmieraufnahmen zu machen, ein Verfahren, das spaternoch ausfuhrlich besprochen wird.

Bild 4: Strobodrum (HSPS,Wedel [3]).

Eine Anwendung dieser Kamera ist in Bild 5 gezeigt:Ein kurzer, intensiver Laserpuls wird in Wasser fokus-siert. Es entsteht eine sogenannte Kavitationsblase, diesich bis zu ihrer Maximalgroße von 2.6mm ausdehntund dann schnell kollabiert. Beim Kollaps bildet sichein Flussigkeitsjet aus, der sich durch die Blase hin-durch in Richtung der unteren festen Grenzflache desGefaßes fortbewegt und auf dieser Schadigungen hin-terlassen kann. Die Blase selbst bildet in der Endpha-se einen Ringwirbel. Allgemein tritt Kavitation immerdann in Flussigkeiten auf, wenn hohe lokale Druckgra-dienten vorliegen.

Bild 5: Laserinduzierter Kavitationsblasenkollaps [4](A.Vogel, MLL Lubeck)

500

Drehspiegel

Film

Feldlinse

ObjektlichtVerschluss

Bild 6: Prinzip einer Drehspiegelkamera

2.5 Drehspiegelkameras

Die hochste Bildrate der mechanischen Kameras errei-chen die Drehspiegelkameras. Bei Ihnen wird wie bei derTrommelkamera der Film auf einem Kreis gefuhrt. DerUnterschied ist, dass der Film in Ruhe bleibt, wahrendin der Mitte der Kamera ein Drehspiegel mit hoher Ge-schwindigkeit rotiert. Somit entfallt die hohe mechani-sche Belastung des Films. Fur hochste Drehzahlen desSpiegels ist die Kamera haufig evakuiert und mit ei-nem leichten Gas wie Helium gefullt. Drehspiegelkame-ras gibt es sowohl fur den Synchronbetrieb, bei demder Start des Experiments und die Aufnahme an einerfestgelegten Position des rotierenden Spiegels beginnenmuss, als auch fur einen jederzeitigen Start der Aufnah-me. Durch geschickte Strahlfuhrung und Verwendungvieler Spalten und Linsen erfolgt die Bildtrennung au-tomatisch (Charles E. Miller-Prinzip, 1930) (Bild 6),wobei die Bilder immer scharf abgebildet bleiben. Esbraucht also bei Drehspiegelkameras nicht jedes Bild ei-gens belichtet zu werden.

Eine der schnellsten Drehspiegelkameras ist die Cor-din 119 [5]. Sie liefert Bilder bis zu 25 Millionen fps(Bild 7). 130 Bilder der Große 4∗11mm auf 35mm Filmsind moglich mit einer Auflosung von 28lp/mm longi-tudinal bzw 68lp/mm transversal. Eine Turbine treibtden Drehspiegel auf 20.000rps. Neuere, hybride Versio-nen dieser Kamera haben anstelle des Films viele hoch-auflosende CMOS Chips eingebaut.

Bild 8 zeigt Aufnahmen einer Drehspiegelkamera voneinem Kavitationsblasenfeld. Dieses besteht aus vie-len tausend kleinen Blaschen, die um den Fokus ei-nes 13kHz Ultraschallsenders herum entstehen. Ultra-

Bild 7: Cordin 119 (Cordin,Salt Lake City, USA).

Bild 8: Kavitationsblasenfeld (Lauterborn und Heinrich,Gottingen).

schallsender werden z.B. in der bildgebenden Medizin,bei Unterwasserortung und der Ultraschallreinigung vonTrinkwasser, Bauteilen etc. eingesetzt. Kavitationsbla-sen haben eine große zerstorerische Wirkung. Gezeigtsind Aufnahmen mit 200.000fps von etwas mehr als ei-ner Schallperiode [6]: Die Blasen oszillieren im Schallfeldund bilden fraktale dynamische Strukturen.

3 Digitale Bildaufnahme

3.1 CCD und CMOS Sensoren

Die digitale Bildaufnahme basiert auf der Verwendungvon CCD Sensoren (Charge Coupled Device) und seitneuerem auch CMOS Sensoren (Complementary MetalOxid Semiconductor) als Ersatz fur die bei analogenGeraten verwendeten Filmmaterialien. Sie hat den ent-scheidenden Vorteil, dass das Resultat der Aufnahmenunmittelbar vorliegt, ausgewertet und weiterverarbei-tet werden kann (digitale Bildverarbeitung). Allerdingssind digitale Kameras in Hinblick auf hohe Auflosung,hochste Bildraten und lange Aufzeichnungsdauer wegender enormen Datenmengen nur in jeweils einer Eigen-schaft spezialisiert.

Die Funktionsweise der CCD’s beruht auf der Erzeu-gung von Ladungen durch den inneren Photoeffekt. DieCCD’s bestehen aus vielen lichtempfindlichen Pixeln, indenen Photonen in verarmtem Silizium (keine freien La-dungstrager) Elektron/Lochpaare erzeugen. Die Locherfließen ab, die Elektronen werden angesammelt. Die La-dungen werden nun in Schieberegistern transportiert(Bild 9). Dabei werden die angesammelten Ladungen

501

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verschobeneElektronen

Bild 9: Prinzip der La-dungsverschiebung mit ei-nem CCD Chip: Eine La-dungssenke wird durch suk-zessives Anlegen einer Span-nung verschoben. Die ge-speicherten Ladungen flie-ßen in der gleichen Rich-tung.

parallel Zeile fur Zeile in Ausleseregister geschoben, diesequentiell ausgelesen und digitalisiert werden (Bild 10).

Im Hinblick auf die Verwendung zur Aufnahme schnel-ler Prozesse tauchen nun mehrere Schwierigkeiten auf:Ein CCD-Pixel bleibt auch wahrend des langsamen Aus-lesevorganges lichtempfindlich. Das bedeuted, dass einsich bewegendes Objekt wegen der Verschiebung der Pi-xelinformationen verschmiert dargestellt wird (smear-Effekt).

Um diesen Effekt zu verhindern, haben sich 2 Tech-niken durchgesetzt, der Interline-Transfer- und derFrame-Transfer-Sensor (Bild 11). Die Sensoren sind in

Auslesebeginn

Bildintegration

3. paralleler Transfer

2.paralleler Transfer

1. parallel

4.parallel 2.seriell 3.seriell1.seriell

1.seriell 2.seriell 3.seriell

Bild 10: Bildintegration undAuslesen der Bildpunkte:Die Pixel werden parallelins Ausleseregister verscho-ben und in diesem seriell ei-nem A/D Konverter zur Ab-tastung zugefuhrt.

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horizontales Schieberegister

Pixel

A/D

lichtempfindlicher Pixelbereich

abgedeckter Speicherbereich

serielles SchieberegisterA/D

Bild 11: Die durch die Bildintegration angesammelten Elek-tronen werden in abgedunkelte Bereiche verschoben unddann ungestort ausgelesen. Im interline transfer chip(links) werden alle Spalten zunachst parallel verschoben unddann seriell ausgelesen. Im frame transfer chip (rechts) wirdder gesamte lichtempfindliche Bereich in einen anderen, ab-gedunkelten Bereich umkopiert, der dann ausgelesen wird.

Belichtungs- und abgedunkelte Speicherbereiche unter-teilt. Nach Ablauf der Belichtungszeit werden die In-formationen schnell in die Speicherbereiche umkopiert.Hierdurch wird die Verwendung eines mechanischen Ver-schlusses unnotig. Aufnahme und Auslesen kann in ge-wissem Rahmen parallel geschehen. Es lassen sich dannBildraten von bis zu 2000fps erzielen. Beim Auslesenvon kleineren Bereichen (geringere Auflosung) konnendann entsprechend hohere Raten erzielt werden. DieVerwendung eines Interline-Transfer Sensors hat we-gen der abgedunkelten Speicherbereiche den Nachteil,das der Fullfaktor (lichtempfindliche Flache / Gesamt-flache) klein ist. Abhilfe schafft die sogenannte Lens-on-Chip Technik, bei der kleine Linsen uber den Pixeln dasLicht auf die empfindlichen Elemente fokussiert. Frame-Transfer Sensoren haben einen hohen Fullfaktor.

Die CCD Technologie ist eine speziell optimierte Tech-nologie, die sich durch geringes Rauschen und geringenDunkelstrom auszeichnet. Mittlererweile gibt es auchCMOS Sensoren, die in der Standardtechnologie derHalbleiterindustrie angefertigt werden. CMOS-Sensorengibt es als passive pixel und active pixel (Bild 12). Beibeiden kann uber Wahlleitungen selektiv jedes Bildele-ment oder jeder Bildausschnitt abgefragt werden wer-den. Bei den aktiven Sensoren ist hinter jedem licht-empfindlichen Element ein Ladungsverstarker oder auchweitere Intelligenz aufgebracht. Der Fullfaktor ist bei

x

y

x

y

Bild 12: Prinzip eines CMOS Sensors. Das aktive Sensorele-ment (rechts) hat zusatzlich zum lichtempfindlichen Elementund einem Feldeffekttransistor noch einen lokalen Verstarkeroder eine intelligente Vorverarbeitung.

502

Bild 13: Hochgeschwindigkeits-Video, links: CCD-KameraHS4540mx (Roperscientific, San Diego, USA) , rechts:CMOS Kamera Phantom V5 (Vision Research, New Jersey,USA)

solchen Sensoren kleiner. Ein Vorteil ist die Moglichkeitder logarithmischen Bildsensoren [7]. Hierbei kann derDynamikbereich durch logarithmische Kompression derAnzahl der aufintegrierten Ladungstrager auf bis zu120dB angehoben werden.

3.2 Highspeed-Video

Beispiele fur schnelle Videokameras (Bild 13) sind dieMASD-Roperscientific HS4540mx (CCD Sensor), die8bit Graubilder in der Grosse 256*256 Pixel 5,5s langbei einer Bildrate von 4500fps aufnehmen kann (Teil-bilder bis 40.500fps) [8] und die CMOS Kamera Visi-on Research Phantom V5 [9], die 1024*1024 Bildpunkte4s lang bei 1000fps (Ausschnitte 60.000fps) und 24bitFarbtiefe aufnehmen kann.

Eine Anwendung des Hochgeschwindigkeits-Video zeigtSchwingungen eines schwebenden Flussigkeitstropfens(Bild 14). In einem stehenden Ultraschallfeld von ca.20 kHz wird ein bis 6mm großer Tropfen im Druckkno-ten durch den Schallstrahlungsdruck zum Schweben ge-bracht [10] und durch Amplitudenmodulation in Ober-flachenschwingungen versetzt. Gezeigt sind Videoauf-nahmen mit einer Folgefrequenz von 400Hz.

Bild 14: Durch Ultraschalllevitation schwebendeTropfen, die durch Amplitudenmodulation zu Ober-flachenschwingungen angeregt werden. Der Bildabstandbetragt ∆T = 2.5ms. (R. G. Holt, Univ. Boston, USA.)

1 3 5

2 4 6 8

7

Photokathode

Fokussierung

Anode Spalt

PhosphorschirmVertikal

Horizontal

Verschluss

Bild 15: Skizze einer Bildwandlerkamera

4 Elektronische Kameras

4.1 Bildwandlerkameras

Zu den schnellsten Kameras gehoren die Bildwandlerka-meras. Die optischen Informationen, die auf einer Pho-tokathode abgebildet sind, werden von dieser in Elektro-nen umgewandelt, die in Richtung Anode beschleunigtund dann nach dem Durchlaufen einiger Ablenkplattenauf einen Phosphorschirm treffen (Bild 15). Die dort ne-beneinander entstehenden Bilder werden mit einer CCDKamera digitalisiert. Die hinter der Anode befindlichenAblenkplatten haben folgende Funktion: An die Ver-schlußplatten wird eine hochfrequente Wechselspannungangelegt, die die Elektronen ablenkt. Im Nulldurchgangdieser Spannung wird so durch den dahinterliegendenSpalt jeweils ein Bild durchgelassen. Danach werden dieElektronen durch eine zur ersteren phasenverschobeneWechselspannung durch vertikale Korrekturplatten al-ternierend nach oben oder unten abgelenkt. Die letztenAblenkplatten sorgen fur einen langsameren Horizontal-versatz.

Technisch ist es mit solchen Kameras moglich, 50 Mil-lionen Bilder pro Sekunde aufzunehmen (Imacon 792).Typischerweise konnen 6-16 Bilder mit unter 5ns Be-lichtungszeit bei einer Auflosung von 51lp/mm aufge-nommen werden.

Bild 16: Kollaps einer lasererzeugten Kavitationsblase mitStoßwellenabstrahlung bei 20Mfps (C.-D. Ohl, Darmstadt).

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e−

e−

Photokathode Mikrokanalplatte Phosphorschirm

AbbildungsoptikObjekt

Licht

−180V/+80VVerschluss

0 ... 900VNachbeschleunigung

6kVVerstarkung..

Licht

Bild 17: Funktionsweise eines Bildverstarkers. Auf diePhotokathode wird ein Objekt abgebildet. Die durch denPhotoeffekt erzeugten Elektronen werden in den Kanalender Mikrokanalplatte vervielfacht. Beim Auftreffen auf einenPhosphorschirm entsteht ein sichtbares, intensiviertes Bilddes Objekts.

Das Anwendungsbeispiel zeigt Aufnahmen einer Kavi-tationsblase, die durch Fokussierung eines intensivenLaserpulses in Wasser erzeugt wird [11]. Im hier ge-zeigten Ausschnitt kollabiert die Blase und sendet ei-ne kugelformige Stoßwelle in die Flussigkeit aus (Bild16). Forschungen dieser Art werden auf dem Gebietder Augenoperationen mit Laserlicht (Netzhautkoagu-lation) und der Materialforschung durchgefuhrt.

4.2 Bildverstarker

Um kurzeste Belichtungszeiten zu erhalten, werdenBildverstarker eingesetzt [12]. Sie sind in der Lage, Ver-schlusszeiten bis zu Bruchteilen von ns zu erzeugen.Es werden Verstarkungen der Intensitat um den Fak-tor 105 erzielt. Dies geschieht durch die Verwendungeiner oder mehrerer nachgeschalteter Mikrokanalplat-ten. Sie bestehen aus 106 − 107 Kanalen mit einigenµm Durchmesser und einer Lange von 0, 5mm, in denendie an der Photokathode erzeugten Elektronen verviel-facht werden (Bild 17). Trotz der großen Anzahl derKanale ist die Auflosung einer Mikrokanalplatte wegendes Ubersprechens sehr begrenzt, sie betragt ca. 30 Lini-enpaare/mm bei 5% Modulation. Um die Auflosung zuvergrossern, kann man Platten mit 18, 25, und 40mmDurchmesser verwenden. Der Anschluß an eine CCDKamera geschieht mittels Glasfasertapern, die direkt aufdem Sensor enden oder auch mittels einer Relayoptik,die den Phosphorschirm auf den CCD Sensor abbildet.

Benutzt werden die Bildverstarker, wenn kurzeste Ver-schlusszeiten benotigt werden. In Verbindung mit ei-ner CCD Kamera kann durch Mehrfachbelichtungdie Bewegung eines Objekts visualisiert werden, fallses nicht zu Uberlappungen kommt. Wegen Ihrersehr schnellen Triggerbarkeit werden Bildverstarkerals Verschluss fur elektronische Hochgeschwindigkeits-Framing-Kameras benutzt.

Bild 18: Stoßwelle beim Austritt von Helium aus einer Duse(DRS Hadland [13])

4.3 High-Speed-Framing-Kameras

Die schnellsten heute verfugbaren Bildkameras bestehenaus mehreren neben- oder ubereinander angeordnetenCCD Sensoren mit davorgeschalteten Bildverstarkern.Das Bild des Objekts wird durch ein Prisma verviel-facht und auf die einzelnen Sensoren umgelengt. DieBildverstarker werden sequentiell mit einigen Nano-Sekunden Verzogerung getriggert und dienen somit alsschneller Verschluss. Nur eine kleine Anzahl von Auf-nahmen sind mit der entsprechenden Anzahl von Sen-soren moglich.

Die maximal erreichbaren Bildraten betragen 100Mfps(DRS Hadland 468 [13]) und 500Mfps (PCO HSFC Pro[12]). Die Hadland 468 liefert acht Vollbilder, die uber18mm Bildverstarker von CCD Sensoren mit 8 bit ab-getastet werden. Die PCO HSFC Pro liefert 4 Bilder (8mit Doppelbelichtung), die uber 25mm Bildverstarkernmit 12bit digitalisiert werden.

4.4 Streakkameras

Streak-(Schmier-)Kameras konnen schnellste Vorgangevisualisieren durch Beschrankung auf die Aufnahme ei-ner Raumdimension. D.h., sie nehmen keine Bilder auf,sondern nur die Veranderung der Lichtintensitat inner-halb eines eindimensionalen Ausschnitts. Das Bild diesesAusschnitts (ein Spalt) wird in ein elektronisches Signalgewandelt, welches mittels Ablenkplatten mit hoher Ge-

Bild 19: HSFC Pro (PCO, Kelheim [12]) und Hadland 468(DRS Hadland, Munchen [13])

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Spalt

Anode

Photokathode Ablenkplatten

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Zeit

Raum

Bild 20: Prinzip einer Streakkamera

schwindigkeit uber einen Phosphorschirm gefuhrt wird.Ein CCD Sensor nimmt das entstehende Raum/Zeit-Diagramm auf. Die Helligkeitsmodulation entlang ei-ner Achse ist proportional der Lichtintensitat innerhalbdes abgebildeten Spaltes, die andere Achse zeigt dieZeitabhangigkeit. Haufig wird auch ein Bildverstarker(MCP) eingesetzt, der entweder innerhalb der Rohre dieElektronen verstarkt (Bild 20), aber auch vor den CCDSensor gelegt werden kann. Beide Anordnungen habenin Grenzbereichen Vor- oder Nachteile. So kann ein vordem Phosphorschirm liegender Elektronenverstarker ei-ne durch Abstoßung der Elektronen bedingte schlechte-re raumliche Auflosung verursachen, wahrend ein hinterdem Phosphorschirm liegender Bildverstarker bei wenigPhotonen nur noch Rauschen verstarkt.

Ein System mit einem hinter dem Phosphorschirmangebrachten Bildverstarker ist die Cordin 173 [5].Die kurzeste Zeitauflosung betragt 1, 5ps bei 15lp/mmraumlicher Auflosung. Die Hamamatsu FESCA-200 [14]mit eingebauter MCP hat eine kurzeste Zeitauflosungvon 0.2ps.

Die Anwendung zeigt eine Stoßwelle (Bild 21), die bei ei-nem Kavitationsblasenkollaps abgestrahlt wird, mit ho-her zeitlicher und raumlicher Auflosung (Hadland Pho-tonics Imacon 792). Aus der Steigung der Geraden, dieman an den Ort/Zeitgraphen der Stoßwelle anpasst,kann man deren Geschwindigkeit und daraus den Maxi-maldruck (einige GPa) ermitteln [15].

5 Andere Verfahren

5.1 Stroboskopie

Die Stroboskopie kann bei schnellen periodischenVorgange angewandt werden, die sich zusatzlich auf ei-ner langsamen, beobachtbaren Skala andern durfen. DieBeleuchtung des Objektes erfolgt exakt synchronisiert

Bild 21: Streakaufnahme der Stoßwellenabstrahlung beimKollaps einer lasererzeugten Blase. Horizontaler Balken:Zeitdauer 10ns, vertikal: Lange 100µm. Der innere dunkleBereich zeigt die Expansion der Blase, der aussere Kegel istdie Stoßwelle (A. Vogel, MLL Lubeck)

Bild 22: Cordin 173 (Cordin, Salt Lake City, USA) undFESCA-500 (Hahamatsu Photonics, Herrsching)

zur Periode der schnellen Bewegung. Dabei spielt es kei-ne Rolle, ob die Beleuchtung zu jeder oder z.B. nur al-le 1000 Perioden erfolgt. Wird das Objekt relativ zurPhase der Bewegung jeweils einen Moment spater be-lichtet (Verstimmung), dann erscheint der Vorgang inZeitlupe. Er kann dann mit einer normalen Videoka-mera aufgenommen werden. Entscheidend ist, dass derkurze Beleuchtungsblitz nur einen Bruchteil der Periodeselbst einnimmt. Als Beleuchtungsquellen eignen sichz.B. Xenon Blitzlampen, superhelle Dioden, Halbleiter-laser, Kupferdampflaser etc..

Eine Anwendung der Stroboskopie ist die Visualisie-rung der Stoßwellenabstrahlung einer sonolumineszie-renden Blase (Bild 23). Die mit Ultraschall der Fre-quenz 23, 5kHz und dem Schalldruck von 1, 4Bar an-getriebene Blase schwingt stark nichtlinear in Wassermit Volumenanderungen von 6 Großenordnungen. Siesendet im Kollaps einen Lichtblitz von ca. 100ps Dau-er aus. Gleichzeitig emittiert sie eine Stoßwelle, aus de-ren Ablosegeschwindigkeit (> 2000m/s) der Druck zuanfangs mindestens 5, 5kBar bestimmt werden kann[16]. Die Aufnahmen erfolgten mit einer Videokame-ra und Schlierenabbildung bei Beleuchtung mit einembei 11.75kHz repetierenden Kupferdampflaser mit 7nsPulsdauer.

5.2 Hochgeschwindigkeitsholographie

Die Untersuchung schneller Vorgange im 3-dimensionalen Raum mit gleichzeitiger Bestimmungvon Position und Geschwindigkeit ist ein schwierigesUnterfangen. Es existieren zumeist Schnittverfahren, dieBewegungen innerhalb einer Ebene im Raum aufneh-men konnen. Ein Verfahren, welches Vorgange in einemgesamten Volumenelement instantan aufnehmen kann,ist das der Holographie. Hierbei wird das z.B. Partikel

Bild 23: Phasensynchro-ne Aufnahme zweierkugelformiger Stoßwellen(Doppelbelichtung) ei-ner sonolumineszierendenBlase in Wasser, vor undnach Abstoßung einesTeilvolumens mit gleich-zeitiger Ortsanderung (M.Ruggeberg, J. Holzfuss, TUDarmstadt.

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Bild 24: Belichtete Holo-grammplatte: Auf einerschnell rotierenden Photo-platte werden 8 Hologrammemit einer Rate von ca. 10kHzaufgenommen. Das reelle Bildder abgebildeten Objektewird spater rekonstruiert undin einer Rechner eingelesen.

enthaltende Volumenelement von einem koharenten La-serstrahl durchstrahlt. Das an den Partikeln gestreuteund das ungestreute Licht belichten eine Hologramm-platte, die eine hohe Auflosung in der Grossenordnungder verwendeten Wellenlange besitzt. Das so entstan-dene Inlinehologramm wird nach der Entwicklung miteinem anderen Laser bestrahlt, mit dessen Hilfe das reel-le Bild der Partikel sichtbar gemacht wird. Eine digitaleKamera liest die Bilddaten des Volumenelements Ebenefur Ebene ein und ein daran angeschlossener Computerkann so Partikelverteilungen berechnen.

Die Hochgeschwindigkeitsholographie [17] verwendetzum Belichten des aufzunehmenden Volumens Kurz-pulslaser, wie z.B. Kupferdampflaser, die 7ns langeBeleuchtungspulse mit einer Wiederholfrequenz von10kHz liefern. Die Hologrammplatte, auf die die Ob-jekte abgebildet werden, wird von einer Zentrifuge mithoher Drehzahl gedreht. So konnen mehrere Hologram-me mit einer schnelle Bildrate aufgenommen werden.Nach einer entsprechend aufwendigen Weiterverarbei-tung der Hologrammdaten konnen als Resultat schnell-ste Anderungen in Partikelverteilungen und Bewegun-gen im Testvolumen berechnet und angezeigt werden.

Die Anwendung (Bild 25) zeigt eine Rekonstruktion ei-nes Kavitationsblasenfeldes, das sich in Wasser bildet, indas Ultraschall von einigen 105Pa fokussiert wird. Eini-ge tausend maximal 30-300µm große Blasen bilden einefraktale Struktur.

6 Zusammenfassung

Die Visualisierung schnellster Vorgange ist immer wie-der ein komplexes Unterfangen. Es wurde in diesem Ma-nuskript versucht, einen Uberblick uber die mittlerwei-le existierenden technischen Moglichkeiten zu schaffen,um spezifische Messprobleme besser losen zu konnen.Auch im Hinblick auf hier bewusst nicht angesproche-ne finanzielle Aspekte wird jedes Problem seinen ei-genen Losungsweg haben. Die hier behandelten ana-logen, elektronischen und digitalen Kameras bietenhierfur aufgrund ihrer vielseitigen Einsetzbarkeit besteMoglichkeiten.

Bild 25: Computergestutzte Rekonstruktion eines Blasenfel-des (H. Chodura, A. Billo, J. Holzfuss, TU Darmstadt).

Literatur

[1] www.photosonics.com

[2] www.dedoweigertfilm.de

[3] www.hsps.de

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[5] www.cordin.com

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[7] www.fillfactory.com

[8] www.roperscientific.com

[9] www.visiblesolutions.com

[10] M. Ruggeberg, J. Holzfuss: Schwingungsdynamik aku-stisch angeregter Tropfen, Fortschritte der Akustik-DAGA 97, Bad Honnef: DPG GmbH (1997), 343–344.

[11] C.D. Ohl, A. Philipp, W. Lauterborn: Cavitation bubblecollapse studied at 20 million frames per second, Ann.Physik (Leipzig) 4(1995) 26–34.

[12] www.pco.de

[13] www.drs.com

[14] www.hamamatsu.de

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[16] J. Holzfuss, M. Ruggeberg, A. Billo: Shock Wave Emis-sions of a Sonoluminescing Bubble, Phys. Rev. Lett. 81,24 (1998), 5434-5437.

[17] A. Billo: Holographische Partikelfeldanalyse am Bei-spiel Akustischer Lichtenberg-Figuren. Shaker, Aachen(1997).

Manuskripteingang: 20. Juli 2004.

Dr. rer. nat. Dipl. Phys. Joachim Holzfuss, Institut furAngewandte Physik, TU Darmstadt, Schlossgartenstr. 7, 64289Darmstadt.

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