Procesamiento de imágenes multicámara para obtener nuevos conocimientos sobre los chorros de plasma altamente dinámicos
Cuando el plasma se hace visible
Los chorros de plasma, en los que el gas ionizado sale de forma dirigida de una fuente en forma de estructura concentrada, altamente dinámica y emisora de luz, desempeñan un papel fundamental en numerosas aplicaciones tecnológicas y médicas, desde el tratamiento de materiales hasta la medicina del plasma. Al mismo tiempo, las descargas de plasma se encuentran entre los fenómenos más difíciles de estudiar experimentalmente: Son de pequeña escala, muy dinámicos, erráticos y cambian en cuestión de microsegundos.
En el Instituto Leibniz de Investigación y Tecnología del Plasma (INP) de Greifswald (Alemania), el grupo de investigación «Medical Plasma Source Systems» (MPS) se dedica a abordar este reto. Bajo la dirección del Dr. Torsten Gerling, el equipo investiga las propiedades fundamentales de las fuentes de plasma utilizadas con fines médicos, entre otras cosas mediante métodos de medición basados en el procesamiento de imágenes. Una de las líneas de investigación actuales es el estudio experimental de la descarga de plasma del denominado «kINPen-Plasmajet», una fuente de plasma frío a presión atmosférica desarrollada en el INP que genera un filamento de plasma altamente dinámico y autoluminiscente. Para capturar espacialmente la estructura de descarga altamente dinámica, los investigadores han apostado desde el principio por una configuración sincrónica de múltiples cámaras con cámaras industriales de IDS.
El kINPen-Plasmajet objeto de estudio es una fuente de plasma frío a presión atmosférica desarrollada íntegramente en el INP, cuyo plasma generado sale del dispositivo en forma de lo que se denomina «efluente» y presenta una estructura de descarga altamente dinámica (con un periodo de 1 µs) y una extensión espacial muy reducida (0,1 mm de diámetro y 10 mm de longitud). Esta combinación de cambios temporales rápidos y escala reducida convierte al kINPen en un sistema de referencia idóneo para estudiar experimentalmente la estructura espacial y la propagación de descargas de chorro de plasma individuales.
Es precisamente esta dimensión espacial la que ocupa un lugar central en los trabajos actuales: «Para nosotros, lo más importante es la estructura tridimensional de la descarga de plasma», explica Artur Wittig, investigador del INP. «La observación experimental de esta estructura constituye un paso importante para comprender y controlar mejor los chorros de plasma y sus mecanismos de acción».
El procesamiento de imágenes en los límites físicos
Los requisitos que se exigen al procesamiento de imágenes son extraordinarios. La descarga de plasma es un fenómeno altamente dinámico que evoluciona en escalas de tiempo de unos pocos microsegundos y se extiende espacialmente solo unos diez milímetros. Para hacer visibles los canales de descarga individuales, se requieren tiempos de exposición extremadamente cortos. En la presente aplicación se utilizan tiempos de exposición de entre 9,35 y 30,03 microsegundos. Las capturas se realizan en modo monocromo en imágenes individuales de 8 bits. «Lo fundamental es que todas las cámaras funcionen de forma perfectamente sincronizada, ya que solo así es posible capturar las mismas características en un intervalo de tiempo muy breve», subraya Artur Wittig. Aunque las imágenes bidimensionales individuales proporcionan imágenes de alta resolución de la descarga, solo permiten extraer conclusiones limitadas sobre su estructura espacial. En particular, en el caso de objetos autoluminiscentes y altamente dinámicos, como el filamento de plasma, la extensión tridimensional real sigue siendo objeto de especulación si no se dispone de vistas adicionales. Solo mediante la captura simultánea desde varios ángulos es posible reconstruir de forma fiable características espaciales como la curvatura, el enrollamiento o la desviación lateral de la descarga.
«Debemos asegurarnos de que en cada toma se capturen efectivamente los mismos filamentos de plasma», explica el Dr. Torsten Gerling, director del grupo de investigación. «Esto requiere una sincronización temporal muy precisa y una elevada repetibilidad en la relación de fase con respecto a la fuente de plasma.»
Imágenes estables a pesar de una descarga altamente dinámica
Aunque en una sola imagen sin superficie pueden aparecer varios filamentos —los denominados «streamers guiados», es decir, canales de descarga filiformes y efímeros en el plasma—, las imágenes con superficie suelen mostrar una trayectoria de descarga claramente dominante. Este comportamiento se atribuye al denominado «modo derivativo»: En este caso, un streamer guiado forma un canal conductor hacia la superficie. A lo largo de este canal se produce a continuación, de forma irregular, una especie de descarga luminosa transitoria. Debido al efecto memoria, las partículas metaestables procedentes de descargas anteriores favorecen la nueva activación de otros streamers guiados. Estas siguen, en gran medida, la misma trayectoria espacial, ligeramente desplazadas por el flujo de gas.
En particular, cuando se excita el kINPen a alta frecuencia, este efecto hace que la estructura visible del plasma se forme de manera reproducible en el espacio a lo largo de varias descargas. Esto permite detectarla de forma fiable mediante técnicas de imagen.
Esta propiedad física constituye una base fundamental para poder estudiar sistemáticamente la descarga de plasma altamente dinámica mediante métodos de medición basados en el procesamiento de imágenes.
Reconstrucción en 3D de la estructura de la descarga en forma de nube de puntos con una línea central (roja) para representar el canal de descarga; normales para la orientación (azul).
Efecto estéreo multivisión para la reconstrucción en 3D
Para registrar experimentalmente la estructura espacial de la descarga de plasma, el INP utiliza un enfoque estéreo multivisión con cinco cámaras IDS que funcionan de forma sincronizada. La descarga de plasma se graba simultáneamente desde diferentes ángulos. Para obtener una reconstrucción espacial fiable, además de una calibración precisa del sistema de cámaras, es necesario que la representación de las estructuras finas de descarga presente la menor distorsión posible.
Se utilizan objetivos de gran luminosidad de 75 mm de IDS, con un amplio círculo de imagen de 1,2" y una apertura de f/2,8. Este rendimiento óptico es necesario, ya que la descarga tiene una longitud axial inferior a 10 mm y una anchura inferior a 1 mm.
«A una distancia de observación de unos 500 mm, el filamento de plasma apenas emite luz por sí mismo; su luminosidad es prácticamente equivalente a la de una luciérnaga», explica el Dr. Ing. Philipp Mattern, director y evaluador del trabajo de máster realizado en el INP.
«Solo la combinación del sensor y el sistema óptico permite obtener imágenes de alta calidad a pesar de los tiempos de exposición de microsegundos».
En el análisis de imágenes se identifican las estructuras más destacadas de la descarga de plasma y se utilizan como puntos de correspondencia entre imágenes, a partir de los cuales se reconstruye la estructura tridimensional de la descarga en forma de nube de puntos.
«Las nubes de puntos obtenidas de este modo constituyen, por primera vez, una base sólida para el estudio de las trayectorias de descarga», explica Artur Wittig. «Esto nos permite no solo visualizar la estructura del plasma, sino también analizarla de forma sistemática».
Selección de cámaras centrada en el disparo y la sincronización
La tarea de procesamiento de imágenes la llevan a cabo cinco cámaras industriales del modelo uEye CP U3-31J0CP Rev . 2.2 de IDS, que, gracias a sus características de disparo y sincronización, resultan muy adecuadas para el funcionamiento en paralelo en configuraciones multicámara.
La base conceptual de esta configuración, así como la decisión de utilizar el hardware de IDS, son obra del Dr. Ing. Philipp Mattern. Parte del apoyo científico-técnico se llevó a cabo a través de su empresa de ingeniería M.E.S.S. (Mattern Engineering & Software Solutions). «Gracias a mi experiencia con aplicaciones similares, era previsible que este sistema de cámaras permitiera cumplir los exigentes requisitos ópticos y temporales», explica Mattern.
Los factores decisivos para la decisión fueron, sobre todo, las posibilidades de activación precisa del hardware, la sincronización exacta y el control reproducible de tiempos de exposición muy cortos. Debido a la elevada dinámica de la descarga de plasma, es fundamental contar con un disparo preciso, una sincronización exacta y tiempos de exposición reproducibles en el rango de los microsegundos para poder capturar las mismas características en cada toma. El sensor con global shutter utilizado permite obtener una imagen sin distorsiones de la estructura del plasma, de corta duración, y garantiza una calidad de imagen estable incluso con tiempos de exposición del orden de microsegundos.
La cámara está equipada con un sensor CMOS cuadrado Sony Pregius S (IMX546) y ofrece una resolución de 8,13 megapíxeles. La combinación de global shutter y retroiluminación (BSI) permite tiempos de exposición cortos incluso con un bajo rendimiento lumínico, lo que constituye un requisito fundamental para la captura fiable de estructuras de plasma autoluminiscentes y de corta duración.
«También resultó de gran ayuda la amplia documentación de IDS, así como el apoyo técnico prestado durante la concepción y validación de la interconexión de varias cámaras para la captura simultánea de imágenes y la configuración estable del sistema multicámara», afirma Artur Wittig.
La integración se realiza a través del SDK de IDS peak, que permite la configuración y el funcionamiento en paralelo de varias cámaras. El almacenamiento y la reutilización reproducibles de los ajustes de la cámara garantizan que las series de mediciones experimentales se puedan llevar a cabo en condiciones iniciales uniformes y se puedan comparar entre sí. El control y la automatización de la configuración multicámara se realizan a través de la API IDS peak para Python, que permite gestionar cómodamente el funcionamiento en paralelo, el disparo y el almacenamiento de imágenes.
Más que una visualización: una prueba de viabilidad experimental
La metodología multicámara desarrollada no solo sirve para ofrecer una representación clara. Se trata, más bien, de una demostración experimental de viabilidad: Por primera vez se ha podido demostrar que la descarga de plasma altamente dinámica de un chorro kINPen puede reconstruirse como una nube de puntos tridimensional y, a continuación, analizarse desde el punto de vista estructural. De este modo, se dispone de una base práctica para estudios más exhaustivos sobre la propagación espacial de las descargas de chorro de plasma.
Además, el método no se limita al kINPen, sino que puede aplicarse con un esfuerzo relativamente reducido a otras estructuras de descarga de pequeño tamaño.
Perspectiva
El trabajo actual sigue centrándose en el análisis de las descargas de chorro de plasma, incluso con parámetros de funcionamiento modificados, como el caudal de gas o el modo de descarga. Además, se pueden contemplar otras aplicaciones, especialmente en aquellos ámbitos en los que se deseen estudiar estructuras dinámicas con una alta resolución temporal y espacial. También se están llevando a cabo investigaciones sobre técnicas de imagen, como los métodos Schlieren o BOS (Schlieren orientado al fondo). Se trata de técnicas de imagen óptica que no captan los objetos en sí, sino los cambios que se producen en los fluidos, como el aire o el gas de trabajo. En el futuro, ofrecerán nuevas posibilidades para hacer visibles las corrientes invisibles y las diferencias de densidad en el entorno de la descarga de plasma, complementando así el análisis experimental.
Clasificación desde el punto de vista de IDS
El proyecto demuestra de manera impresionante cómo las soluciones de procesamiento de imágenes de IDS, flexibles y potentes, abren nuevas vías en la investigación experimental, permitiendo así observar lo que hasta ahora era invisible. «En aplicaciones con objetos altamente dinámicos, como las descargas de plasma, lo decisivo no son las propiedades individuales, sino la combinación de un sensor global shutter con un control de la exposición preciso y reproducible mediante el disparo por hardware para la sincronización de varias cámaras», explica Heiko Seitz, Product Marketing Manager de IDS. «Estas características permiten capturar datos de imagen coherentes incluso en configuraciones multicámara, lo que constituye una base fiable para tareas exigentes de procesamiento de imágenes en el ámbito de la investigación y el desarrollo».
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e. V.
El Instituto Leibniz de Investigación y Tecnología del Plasma (INP) lleva más de 25 años dedicándose a la investigación básica aplicada y al desarrollo en el ámbito de los plasmas a baja temperatura.
uEye CP
Modelo utilizado: U3-31J0CP Rev.2.2
Objetivo utilizado: IDS-20M12-C7528