Highspeed im Laufe der Zeit

Vom ersten Funkenschlag bis zur Elektronenladung

Highspeed-Kameras finden heutzutage in vielen Industrien und Produktionszweigen Verwendung. Ob nun in der Lebensmittelindustrie, in der Pharmazie oder in der Automobilindustrie, überall sorgen sie dafür, dass mögliche Fehler schnell entdeckt werden können. Bis zur heutigen technischen Präzision war es aber ein weiter Weg. Dennoch verdeutlichten bereits die ersten Gehversuche das ganze Potenzial der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen.

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Trommeln für Highspeed

Einer der ersten namhaften Entwicklungen war die sogenannte Funkenzeitlupe. Sie wurde von den beiden Ballistikern Carl Cranz und Hubert Schardin in den 20er-Jahren entworfen. Das Prinzip: Die Kamera nutzt eine Funkenstrecke zur Belichtung des Objekts. Als Lichtquelle dient ein Funkenkopf, aus dem in schneller Abfolge mehrere Funken gezündet werden. Jedem einzelnen Funke steht ein Objektiv zur Seite, sodass für jeden Lichtblitz ein Einzelbild entsteht (Abb. 1). Auch heute noch überzeugt dieses Verfahren durch hohe Bildraten sowie scharfe Bilder. Innerhalb der Strömungsmechanik sowie der Visualisierung von Bruchprozessen kommt es daher nach wie vor zum Einsatz.

Eine weitere Entwicklung kam nicht aus der Industrie, sondern der Unterhaltungsbranche: Die Photo-Sonics 4ER schoss bis zu 360 Bilder in der Sekunde und sorgte bei so manchem Kinobesucher der 80er-Jahre für ehrfürchtiges Staunen. Möglich machte dies ein Greifer im Inneren der Kamera, der den Film im 35mm- oder 70mm-Format präzise in der Spur hielt. Noch einen drauf setzte die Firma Cordin Company mit der Kamera Millisecond, bei dem der Film durch eine schnell rotierende Trommel gezogen wird. Das Prinzip wurde ursprünglich für das Militär konzipiert. Die Millisecond bringt es auf stattliche 12.000 Einzelbilder pro Sekunde.

Aus einer gänzlich anderen Perspektive blicken Drehspiegelkameras auf die Welt: Hier bewegt sich nicht der Film. Stattdessen rotiert ein Drehspiegel im Inneren der Kamera. Das einfallende Licht wird reflektiert und auf den zu belichteten Film geleitet, der kreisförmig angeordnet ist (Abb. 2). Um möglichst hohe Drehzahlen zu erreichen, ist die Kamera häufig mit einem Gas wie Helium angefüllt. Auf diese Weise werden enorm hohe Aufnahmeraten möglich. So kommt etwa die Cording 119 auf eine Aufnahmeleistung von mehreren Millionen Einzelbilder pro Sekunde. Der Spiegel dreht sich dabei rund 20.000 Mal um die eigene Achse. Für den nötigen Schub sorgt eine Turbine. Drehspiegelkameras wie die Cording 119 sind wie geschaffen für wissenschaftliche Zwecke, wie etwa die Analyse von Kavitationsblasenfelder.

Schneller, höher, weiter

Trotz aller Erfolge und technischer Finessen: Der Leistungsfähigkeit von Kameras mit integrierten Fotoplatten oder Filmnegativen sind irgendwann Grenzen gesetzt: Je höher die Aufnahmegeschwindigkeit, desto höher auch die mechanische Belastung für die einzelnen Bauteile. Zudem waren die Kameras nicht selten empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie Erschütterungen und nicht für den Transport oder gar den Einsatz im freien Feld gedacht. Zudem mussten die Bilder nach erfolgreicher Aufnahme belichtet werden. Unmittelbare Bildanalysen waren nicht möglich. Auch sind der Aufnahmedauer deutlich Grenzen gesetzt.

Die Einführung der Digitaltechnik kam daher einer Revolution gleich: Statt wie bisher Fotoplatten oder Negativfilme für die Aufnahmen zu nutzen, setzte man nun ganz auf kleinste Sensorchips sowie Massenspeichersysteme (Abb. 3). Die Funktionsweise ist im Prinzip simpel, aber in ihre Ausführung hochkomplex: Sensoren sorgen dafür, dass Licht (Photonen) in elektrische Signale (Elektronen) umgewandelt werden. Je mehr Licht einfällt, desto mehr Elektronen werden freigesetzt. Die anfallenden Informationen werden dann in digitaler Form auf einer internen oder externen Festplatte abgespeichert.

Sensoren und Spannungen

Das Herz einer jeden Highspeed-Kamera ist der Lichtsensor. Er gibt die Performance einer Kamera vor, an dem sich alle anderen Bauelemente wie die Optik oder das Datenspeichersystem ausrichten. Die Leistungsfähigkeit des Lichtsensors ist wiederum abhängig von der Größe des Chips und der Art der Datenverarbeitung. So werden etwa beim CCD (Charge-Coupled Device) die entstandenen Ladungen zeilenweise in ein Ausleseregister weitergeleitet und in digitale Informationen umgewandelt. Beim CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) hingegen werden die Ladungen unmittelbar in elektrische Spannungen umgewandelt. Dafür sorgen spezielle Transistoren an jedem lichtempfindlichen Element des Sensors (Fotozelle).

Ein Lichtsensor ist aus Millionen solcher Fotozellen zusammengesetzt. Sie stellen jeweils für sich einen Pixel der Fotozelle dar. Ein Pixel besteht aus verschiedenen Elementen, die schichtenweise angeordnet sind und jeweils eine eigene Funktion erfüllen (Abb.4). Die Elektroden, das Silizium und das Silizium-Oxid bilden das lichtempfindliche Element. Sie sorgen für die Helligkeit des aufgenommen Bildes. Der Farbfilter ist indes für die Farbinformation des Bildes zuständig. Jeder Pixel kann aber nur ein bestimmtes Farbspektrum abdecken. Deshalb besteht jeder Lichtsensor aus einer Matrix aus roten, blauen und grünen Pixel. Damit die Signale schlussendlich ausgelesen und in Bildinformationen umgewandelt werden können, sind Leiterbahnen notwendig. Weitere elektronische Bauelemente können je nach Sensortyp vorhanden sein.

Die ersten Lichtsensoren kamen bereits zu Beginn der 70er-Jahre zum Einsatz und haben seitdem eine enorme technische Entwicklung durchgemacht. Mittlerweile gehören CMOS-Sensoren zum technischen Standard. Vor allem im Bereich professioneller Highspeed-Aufnahmen sind CMOS-Sensoren mittlerweile die erste Wahl. Nur sie liefern die nötige Performance, die für Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen notwendig sind. Aus diesem Grund sind alle unsere Kameras mit CMOS-Chips ausgestattet – von der kleinsten Highspeed-Kamera bis hin zu unserem Flaggschiff, der i-SPEED 727. Letzteres schafft es auf Bildraten von unglaublichen 2.450.000 Bildern pro Sekunde.

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