Fény-mező elvű térbeli részecskedetektálás

Átírás

1 Fény-mező elvű térbeli részecskedetektálás Hartmann Péter MTA Wigner SZFI Elektromos Gázkisülések csoport, Komplex Folyadékok osztály társszerzők: Donkó István és Donkó Zoltán

2 Vázlat Fény-mező (light field) függvény Előzmények A Lytro kamera 3D részecskedetektálás poros plazmákban Az új módszer

3 Fény-mező (light field) függvény A fény-mező (light field) függvény koncepcióját Michael Faraday javasolta 1846-ban ( Thoughts on Ray Vibrations c. előadás). Segítségével a geometriai optika fénysugár koncepciójának leírását lehet matematikailag megfogalmazni.

4 Fény-mező (light field) függvény A hagyományos fényképezőgép a tárgysíkot vetíti le a képsíkra, de nem törődik azzal, hogy az adott pontba érkező fénysugár milyen utat járt be. Más szóval: L(s,t)-t rögzíti t s

5 Fény-mező (light field) függvény A fény-mező fotográfia célja, hogy a teljes (kamerán belüli) fény-mező függvényt rögzítse Más szóval: L(s,t,u,v)-t rögzíti (u,v) (s,t)

6 Fény-mező (light field) függvény A fény-mező függvény birtokában az exponált kép utólag módosítható: hagyományos kép E F (s, t) = 1 Z Z F 2 L F (s, t, u, v) cos 4 dudv fókusztolás: F 0 = F W 1: tárgysík, 2: objektív, 3: detektor F L F 0(s, t, u, v) =L F (s, t, u, v) =L F (u +(s u)/,v+(t v)/,u,v) E F (s, t) = 1 2 F 2 Z Z L F [u +(s u)/,v+(t v)/,u,v] cos 4 dudv Na jó, de hogyan?

7 Előzmények - Gabriel Lippmann Lippmann, G. (2 March 1908). "Épreuves réversibles. Photographies intégrales". Comptes Rendus de l'académie des Sciences 146 (9):

8 Előzmények - plenoptikus elv Adobe s plenoptic lens enables refocus magic 2010, David Salesin and Todor Georgiev The Stanford Multi-Camera Array 1996-

9 Lytro kamera Mikrolencse mátrix Bayer színszűrő mátrix 10 MP CMOS szenzor

10 Lytro kamera Sematikus működési elv: W F 1: tárgysík, 2: objektív, 3: fókuszsík, 4: CMOS detektor (nem méretarányos)

11 Lytro - nyers kép 4 színü tja. A míg a képek ozaik tektor 12. ábra. Nyers light field felvétel

12 Lytro kamera Sematikus működési elv: W F 1: tárgysík, 2: objektív, 3: fókuszsík, 4: CMOS detektor (nem méretarányos)

13 Lytro - nyers kép életlen: éles:

14 megértése. Térbeli részecskeeloszlások detektálására poros plazmákban az elmúlt évtizedekben több módszert is kidolgoztak. Ez indokolt is, hiszen minden módszernek megvannak az előnyei és a korlátai, így nem létezik egy Mikrogravitációs legjobb (űrállomás, parabolikus módszer. Mindig repülés, az igényeknek és lehetőségeknek megfelelőt kell alkalmazni. A ejtőtorony) kísérletek mellett,leginkább 2005 óta földfelszíni legismertebb módszerek a következők: 3D poros plazma rendszerek laboratóriumi körülmények között is vizsgálnak 3D Sztereoszkópia: Hasonlít az emberi térlátáshoz. Két poros plazma rendszereket: ezek a Yukawa gömbök. vagy három azonos kamera különböző irányokból figyel egy térfogatot (lásd a 3. ábrát). Előnye, hogy nagy sebességű felvételeket lehet készíteni (tipikusan 60 kép/mp-ig), nagyon intuitív módszer. 2. ábra. 3D Coulomb ball kísérlet vázlata. Hátránya, hogy a lencsék mélységélessége általában nem elég nagy, valamit perspektíva miatt ami távolabb van, az kissebbnek látszik, a kamerákat szinkronizálni kell, részecskék eltakarhatják egymást. Szín-gradiens módszer: A vizsgálandó térfogatot különböző színű, térben változó intenzitású fénnyel világítják meg (lásd a 4. ábrát). Ebben az esetben egy irányból, színes felvételt készítve a részecskékről visszaszórt fény színkomponenseinek aránya hordozza a mélység információt. Előnye, hogy egy irányból, egy lencsével lehet dolgozni. Hátránya, hogy a kamerának nagy dinamikai tartományú, 2 vagy 3 detektorosnak kell lenni, ami nagyon drága. Továbbra is gond, hogy a nagy mélységélesség csak drága, telecentrikus objektívvel érhető el. 3. ábra: Sztereoszkópikus kamerarendszer. Letapogatás: Ennél a módszenél vesznek egy hagyományos 2D-s elrendezést (vízszintes megvilágító FIG. 1. "a# A schematic cross section of the discharge chamber. The powlézersíkot + felülnézeti kamerát, lásd 1. ered electrode is located inside the grounded vacuum vessel. The dust particles are confined in a cubical glass box located on top of the electrode. "b# ábra), amelyet függőleges irányba Top view of the video microscopy setup. A vertical laser sheet illuminates a slice of theconf. dust Ser. cloud. are taken at right angle by a CCD mozgatnak. a vizsgált O. Arp, D. Block, M. Bonitz, H. Fehske, V. Golubnychiy, Így S. Kosse, P. Ludwig, térfogatot A. Melzer, and A.thin Piel, J. Phys.: 11,Images 234 (2005). szeletenként lehet letapogatni. Előnye, camera with a macro lens. hogy egyszerű és olcsó, nincsenek

15 3D részecskedetektálási módszerek Pásztázó módszer [D. Samsonov, et.al. Rev. Sci. Instrum. 79, (2008)]: nagy mélységélesség rossz időszinkronizáció gyenge mélységfelbontás Sztereoszkópia [S. Käding and A. Melzer, Phys. Plasmas 13, (2006)]: gyors drága (2 vagy 3 kamera) kis mélységélesség perspektíva

16 3D részecskedetektálási módszerek Színgradiens módszer [B. M. Annaratone, et.al., Plasma Phys. Control. Fusion 46, B495 (2004)]: x, y, Izöld/Ipiros gyors kis mélységélesség perspektíva drága detektor kell két fényforrás kell Holografikus módszer [M. Kroll, et.al., Phys. Plasmas 15, (2008)]: lassú optika hiányában lencsehiba mentes drága detektor kell

17 Saját kísérletünk Pa Argon gáz 10 W rf. teljesítmény (13.56MHz) 0.01 sccm gázáramlás 9.16 µm átmérőjű por (MF, kb. 60 darab) 1 1: elektróda 2: megvilágító lézer (532 nm, 200 mw) 3: földelt, lyukas elektróda 4: Lytro kamer 5: porfelhő 6: f=174 mm gyűjtőlencse

18 Fény-mező elvű részecskedetektálás Alapvető lépések: 1. Előállítjuk az LF(s,t,u,v) fény-mező függvényt. 2. Kiszámítunk egy sorozat átfókuszált képet a fény-mező függvény seítségével. Ezáltal redelkezésünkre állnak olyan felvételek, ahol a W tárgytávolság lefedi a teljes porfelhőt. 3. Beazonosítjuk a részecskéket (i) és meghatározzuk azok látszó B átlag-intenzitását és (x,y) koordinátáit. 4. B(W) függvényeket interpoláljuk, megkeressük azok maximum értékét (Bi) és helyét (Wi), amely egyben a porszemcse mélység (z) koordinátája.

19 Fény-mező elvű részecskedetektálás Kokrét lépések: Lytro kamera kalibrálása: egymáshoz kell rendelni a CMOS detektor (x,y) képpontjait és az L(s,t,u,v) fény-mező függvény négyes koordinátáit. Ez a hozzárendelés kamera specifikus, vagyis egyszer kell elvégezni és tárolni. nagyítás: u = x + L x v = y + L y Δx, Δy a detektorpixel relatív koordinátája a mikrolencse középpontához képest. Lx, Ly a mikrolencse középpontjának koordinátája az optikai tengelyhez képest. β nagyítás: az objektív és a mikrolencse fókusztávolságainak aránya W F

20 Fény-mező elvű részecskedetektálás Átfókuszált képszorozat előállítása (40 lépés, α = ): E F (s, t) = 1 Z Z 2 F 2 L F [u +(s u)/,v+(t v)/,u,v] cos 4 dudv

21 Fény-mező elvű részecskedetektálás Részecskék azonosítása, követése szeletről-szeletre: sub-apertúra kép: E F (s, t) = 1 Z Z F 2 L F (s, t, u, v) cos 4 dudv Pozíciómérés: - szorzat képen - momentum módszerrel (a) α = 0.987, (b) α = 1.000, (b) α = 1.013

22 Fény-mező elvű részecskedetektálás Intenzitásgörbék interpolálása, maximumhelyek keresése: B [average intensity/pixel] Particle

23 Fény-mező elvű részecskedetektálás Méretkalibrálás után: 3D rekonstrukció és ellenőrzés felülnézeti ábra: ellenőrzés: z [mm] y [px] x [mm] x [px]

24 Konklúzió Ami már látszik: 1. A fény-mező elvű térbeli részecskedetektálás már ebben a kezdeti stádiumban is versenyképes a hagyományos módszerekel. 2. Egymást elfedő részecskék azonosítására is képes. Ilyenkor többpúpú B(W) függvényt várunk. 3. A Rev. Sci. Instrum. elfogadta a cikket. Ami még hátra van: 1. Elvégezzünk összehasonlító méréseket valódi Yukawa gömbökön.