Reaktive Fluide

Das EMPI-RF verwendet verschiedene Kameras zur optischen Erfassung zweidimensionaler Daten. Einige wissenschaftliche Kameras unterscheiden sich in ihrer Sensorarchitektur nicht wesentlich von den Kameras in unseren Mobiltelefonen – tatsächlich hat die Entwicklung wissenschaftlicher Kameras von den viel größeren Märkten für Mobiltelefone und industrielle Bildverarbeitung profitiert. Andere Kameras sind hochspezialisiert und nur in ganz bestimmten Laborumgebungen einsetzbar. In der Regel wünschen wir uns eine Kamera, die in einer oder mehreren „Disziplinen” besonders gut ist.

Schnell

Viele der physikalisch-chemischen Prozesse bei der Energieumwandlung und Materialsynthese laufen schnell ab oder weisen eine stochastische Komponente auf, wie beispielsweise Turbulenzen. Aus diesem Grund verfügen wir über Kameras mit hohen Bildraten (derzeit bis zu 20.000 Bilder pro Sekunde bei einer Auflösung von 1 MP). Andere Kameras können nur wenige Bilder pro Sekunde aufnehmen, jedoch mit sehr kurzen Belichtungszeiten (wenige Nanosekunden). Sogenannte „Streak-Kameras“ können eine Linie durch das Sichtfeld mit einer Belichtungszeit von weniger als einer Nanosekunde pro Linie scannen – diese Kameras werden in der Regel verwendet, um Spektralinformationen mit extrem hohen Raten zu erfassen.

Empfindlich

Häufig muss die Messung bei sehr wenig Licht durchgeführt werden, oder das Licht liegt nicht im sichtbaren Bereich des Spektrums. Sehr geringe Lichtstärken können mit Kameras abgebildet werden, die vor dem Sensor einen optischen Verstärker, einen sogenannten „Bildverstärker“, haben. Wir verfügen auch über Kameras, die für ultraviolettes (UV) oder infrarotes (IR) Licht empfindlich sind. Beispielsweise liegt die laserinduzierte Fluoreszenz von Gasen oft im UV-Bereich, während die Absorptionsbildgebung von Wasserfilmen auf Infrarotlicht basiert. Die meisten wissenschaftlichen Kameras sind „farbenblind“, das heißt, sie können nicht zwischen verschiedenen Wellenlängen unterscheiden. Das ist oft auch nicht notwendig, da die Farbe durch andere Teile des Experiments bestimmt wird, beispielsweise durch die Wellenlänge des verwendeten Lasers. Wir verfügen jedoch auch über eine Farb-Hochgeschwindigkeitskamera und eine Multispektralkamera, die neun Farben gleichzeitig erkennen kann.

Quantitativ

Wenn wir eine Prozessvariable, beispielsweise die Temperatur, durch optische Bildgebung quantifizieren möchten, müssen wir die Lichtmenge quantifizieren, die jedes Pixel im zugrunde liegenden Rohbild erreicht. Grundsätzlich sind alle „digitalen“ Kameras quantitativ, auch die in Ihrem Smartphone. Sie zählen die Anzahl der Photonen, die auf dem Sensor in Elektronen umgewandelt werden. Bei wissenschaftlichen Kameras und der zu ihrer Bedienung verwendeten Software werden jedoch besondere Anstrengungen unternommen, um diese Zahl genauer und präziser zu machen. Beispielsweise verfügen einige unserer Kameras über Sensoren, die auf Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gekühlt werden, um das Rauschen zu verringern, das bei der Übertragung der Daten vom Sensor unvermeidlich entsteht. Die Bildverarbeitung muss dann den quantitativen Charakter der Messung bewahren. Dies ist ein zentraler Bestandteil der Gewinnung physikalischer Informationen durch Bildgebung. Wir verwenden sowohl Standardtools wie MATLAB als auch spezialisiertere Software, die Datenerfassung, Anzeige und Verarbeitung integriert.

​

Die „Mikroexplosion“ von Tröpfchen ist ein wichtiger Prozess bei der Gasphasensynthese von Nanopulvern durch Versprühen von Vorläufern. Dabei handelt es sich um einen sehr schnellen Vorgang, bei dem die winzigen Tröpfchen im Sprühnebel plötzlich „zerplatzen“ – hier sind acht Beispielsequenzen (vertikale Spalten) zu sehen, die mit über 300 000 Bildern pro Sekunde aufgenommen wurden.

​

​Zwei Hochgeschwindigkeitskameras blicken gleichzeitig mit etwa 70.000 Bildern pro Sekunde in die Brennkammer eines optisch zugänglichen Motors. Links zeigt eine verstärkte Kamera die Zündung und die Flamme, rechts sieht eine Farbkamera die Einspritzung, die Verbrennung und insbesondere die Rußbildung.