Fény-mező elvű térbeli részecskedetektálás

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

Vázlat

• • • • •

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

Fény-mező elvű térbeli részecskedetektálás

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.


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 Fény-mező elvű térbeli részecskedetektálás

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) Fény-mező elvű térbeli részecskedetektálás

(s,t)

Fény-mező (light field) függvény A fény-mező függvény birtokában az exponált kép utólag módosítható: • hagyományos kép Z Z 1 EF (s, t) = 2 LF (s, t, u, v) cos4 F

2

1

dudv

• fókusztolás:

W

F

1: tárgysík, 2: objektív, 3: detektor

0

F = ↵F LF 0 (s, t, u, v) = L↵F (s, t, u, v) = LF (u + (s 1 E↵F (s, t) = 2 2 ↵ F

33

Z Z

LF [u + (s

u)/↵, v + (t

u)/↵, v + (t

v)/↵, u, v] cos4

Na jó, de hogyan? Fény-mező elvű térbeli részecskedetektálás

v)/↵, u, v) dudv

4

Előzmények - Gabriel Lippmann

Lippmann, G. (2 March 1908). "Épreuves réversibles. Photographies intégrales". Comptes Rendus de l'Académie des Sciences 146 (9): 446–451.


Előzmények - plenoptikus elv

“Adobe’s plenoptic lens enables refocus magic” 2010, David Salesin and Todor Georgiev

The Stanford Multi-Camera Array 1996-


2011 - Lytro kamera

Mikrolencse mátrix


Bayer színszűrő mátrix

10 MP CMOS szenzor

2011 - Lytro kamera Sematikus működési elv:

2

1

W

3

F

1: tárgysík, 2: objektív, 3: fókuszsík, 4: CMOS detektor (nem méretarányos)


4

Lytro - nyers kép

54 ;

színü atja. A míg a képek mozaik etektor

12. ábra. Nyers “light field” felvétel


2011 - Lytro kamera Sematikus működési elv:

2

1

W

3

F

1: tárgysík, 2: objektív, 3: fókuszsík, 4: CMOS detektor (nem méretarányos)


4

Lytro - nyers kép életlen:

éles:


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. Fény-mező elvű térbeli részecskedetektálás hogy egyszerű és olcsó, nincsenek

3D részecskedetektálási módszerek • Pásztázó módszer [D. Samsonov, et.al. Rev. Sci. Instrum. 79, 035102 (2008)]: • • •

nagy mélységélesség rossz időszinkronizáció gyenge mélységfelbontás

• Sztereoszkópia [S. Käding and A. Melzer, Phys. Plasmas 13, 090701 (2006)]: • • • •

gyors drága (2 vagy 3 kamera) kis mélységélesség perspektíva


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, 063703 (2008)]: • • •


lassú optika hiányában lencsehiba mentes drága detektor kell

Saját kísérletünk 1.0 Pa Argon gáz 10 W rf. teljesítmény (13.56MHz) 0.01 sccm gázáramlás 9.16 µm átmérőjű por (MF, kb. 60 darab)

3

4 5

2 1

1: 2: 3: 4: 5: 6:

elektróda megvilágító lézer (532 nm, 200 mW) földelt, lyukas elektróda Lytro kamer porfelhő f=174 mm gyűjtőlencse


6

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.


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 v

x + Lx y + Ly

•

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. 2

1

W


= =

3

F

4

Fény-mező elvű részecskedetektálás • Átfókuszált képszorozat előállítása (40 lépés, α = 0.98 ... 1.02): 1 E↵F (s, t) = 2 2 ↵ F


Z Z

LF [u + (s

u)/↵, v + (t

v)/↵, u, v] cos4

dudv

Fény-mező elvű részecskedetektálás • Részecskék azonosítása, követése szeletről-szeletre: sub-apertúra kép: Z Z 1 EF (s, t) = 2 LF (s, t, u, v) cos4 F

dudv

Pozíciómérés: - szorzat képen - momentum módszerrel


(a) α = 0.987, (b) α = 1.000, (b) α = 1.013

Fény-mező elvű részecskedetektálás • Intenzitásgörbék interpolálása, maximumhelyek keresése:

B [average intensity/pixel]

1200

Particle 6 20 42 55

1000 800 600 400 200 0 0.98


0.985

0.99

0.995

1

1.005

1.01

1.015

1.02

Fény-mező elvű részecskedetektálás • Méretkalibrálás után: 3D rekonstrukció és ellenőrzés 14

felülnézeti ábra:

12

z [mm]

10

ellenőrzés: 450

8 6 4

400

2

350 y [px]

300

0

250 200 150 100 50 0 0

200

400


600 x [px]

800

1000

0

2

4

6 8 10 x [mm]

12

14

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.


Fény-mező elvű térbeli részecskedetektálás

Recommend Documents