Les caméras capturent les décharges de plasma

Pour saisir la structure spatiale de la décharge plasmatique, l’INP s’appuie sur une approche de stéréovision multi‑vue faisant appel à cinq caméras IDS fonctionnant de manière synchronisée.

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Les jets de plasma, dans lesquels un gaz ionisé émerge d’une source sous la forme d’une structure concentrée, hautement dynamique et émettant de la lumière, jouent un rôle central dans de nombreuses applications technologiques et médicales, allant du traitement des matériaux jusqu’à la médecine des plasmas. Parallèlement, les décharges de plasma comptent parmi les phénomènes les plus difficiles à étudier expérimentalement : Elles sont de petite échelle, hautement dynamiques, erratiques et évoluent en l’espace de quelques microsecondes.

À l'Institut Leibniz pour la recherche et la technologie des plasmas (INP) à Greifswald (Allemagne), le groupe de recherche « Medical Plasma Source Systems » (MPS) se consacre à relever ce défi. Sous la direction du Dr Torsten Gerling, l'équipe étudie les propriétés fondamentales des sources de plasma utilisées en médecine, notamment à l'aide de méthodes de mesure basées sur le traitement d'images. L'un des axes de recherche actuels porte sur l'étude expérimentale de la décharge plasma du jet de plasma dit kINPen, une source de plasma froid à pression atmosphérique développée à l'INP, qui génère un filament de plasma hautement dynamique et auto-luminescent. Afin de capturer dans l'espace la structure hautement dynamique de la décharge, les chercheurs ont misé dès le départ sur un dispositif multi-caméras synchrone équipé de caméras industrielles IDS.

Le jet de plasma kINPen étudié est une source de plasma froid à pression atmosphérique entièrement développée à l’INP, dont le plasma produit quitte l’appareil sous forme d’un effluent et présente une structure de décharge hautement dynamique (période de 1 µs) avec une très faible extension spatiale (0,1 mm de diamètre, 10 mm de longueur). Cette combinaison de variation temporelle rapide et de faible échelle fait du kINPen un système de référence approprié pour étudier expérimentalement la structure spatiale et la propagation de décharges individuelles de plasma‑jet.

C’est précisément cette dimension spatiale qui est au cœur des travaux actuels : « La structure tridimensionnelle de la décharge plasmatique est au cœur de nos recherches », explique Artur Wittig, collaborateur scientifique à l’INP. « La mise en évidence expérimentale de cette structure constitue une étape importante pour mieux comprendre et contrôler les jets de plasma et leurs mécanismes d'action. »

Traitement d'images aux limites physiques
Les exigences en matière de traitement d'images sont exceptionnelles. La décharge de plasma est un phénomène hautement dynamique qui évolue à l'échelle de quelques microsecondes et ne s'étend que sur une dizaine de millimètres. Afin de rendre visibles des canaux de décharge individuels, des temps d’exposition extrêmement courts sont nécessaires. Dans l’application présentée, des temps d’exposition compris entre 9,35 et 30,03 microsecondes sont utilisés. Les images sont réalisées en mode monochrome sous forme d'images individuelles de 8 bits. « Il est essentiel que toutes les caméras fonctionnent de manière parfaitement synchronisée, car c'est la seule façon de capturer les mêmes caractéristiques sur une très courte durée », souligne Artur Wittig. Des images bidimensionnelles individuelles fournissent certes des images haute résolution de la décharge, mais ne permettent de tirer que des conclusions limitées quant à sa structure spatiale. En particulier dans le cas d'objets auto‑luminescents et hautement dynamiques tels que le filament de plasma, la configuration tridimensionnelle réelle reste hypothétique sans vues supplémentaires. Ce n’est qu’à travers une acquisition simultanée depuis plusieurs angles de vue qu’il devient possible de reconstruire de manière fiable des caractéristiques spatiales telles que la courbure, l’enroulement ou la déviation latérale de la décharge.

« Nous devons nous assurer que chaque image capture bien les mêmes filaments de plasma », explique le Dr Torsten Gerling, responsable du groupe de recherche. « Cela nécessite une synchronisation temporelle très précise ainsi qu’une grande reproductibilité dans la relation de phase avec la source de plasma. » 

Bien que plusieurs filaments puissent apparaître lors d’une prise de vue unique sans surface — les « guided streamers », c’est‑à‑dire des canaux de décharge filamentaires éphémères dans le plasma —, les images prises en présence d’une surface montrent généralement un trajet de décharge clairement dominant. Ce comportement est attribué au mode dit conducteur : Un guided streamer forme ainsi un canal conducteur vers la surface. Le long de ce canal, une sorte de décharge luminescente transitoire se produit ensuite de manière irrégulière. Grâce à l’effet de mémoire, des particules métastables issues de décharges précédentes favorisent le déclenchement de nouveaux guided streamers. Celles-ci suivent en grande partie le même trajet spatial, avec un léger décalage dû à l’écoulement du gaz.

En particulier lors de l'émulation à haute fréquence du kINPen, cet effet a pour conséquence que la structure visible du plasma se forme de manière reproductible dans l'espace sur plusieurs décharges. Cela permet de la visualiser de manière fiable par imagerie médicale.

Cette propriété physique constitue un fondement essentiel permettant d'étudier systématiquement la décharge plasma hautement dynamique à l'aide de méthodes de mesure basées sur le traitement d'images.

Pour saisir expérimentalement la structure spatiale de la décharge plasmatique, l’INP s’appuie sur une approche de stéréovision multi‑vue faisant appel à cinq caméras IDS fonctionnant de manière synchronisée. La décharge de plasma est filmée simultanément sous différents angles. Pour obtenir une reconstruction spatiale fiable, il est nécessaire non seulement de calibrer avec précision le système de caméras, mais aussi de reproduire les structures fines de décharge avec le moins de distorsion possible.

On utilise des objectifs IDS de 75 mm à grande ouverture, dotés d'un grand cercle d'image de 1,2 pouce et d'une ouverture de f/2,8. Cette performance optique est nécessaire, car la décharge présente une longueur axiale inférieure à 10 mm et une largeur inférieure à 1 mm.

« À une distance d'observation d'environ 500 mm, le filament de plasma est à peine lumineux ; sa luminosité correspond presque à celle d'une luciole », explique Philipp Mattern, docteur en ingénierie, directeur de thèse et évaluateur du mémoire de master réalisé à l'INP.
During image analysis, distinctive structures within the plasma discharge are identified and used as cross-image point correspondences, from which the three-dimensional structure of the discharge is reconstructed as a point cloud. « C’est seulement la combinaison du capteur et de l’optique qui permet d’obtenir des images de haute qualité malgré des temps d’exposition de l’ordre de la microseconde. »

Lors de l'analyse d'images, les structures caractéristiques de la décharge plasma sont identifiées et utilisées comme correspondances de points entre les images, à partir desquelles la structure tridimensionnelle de la décharge est reconstituée sous forme de nuage de points. 

« Les nuages de points ainsi obtenus constituent pour la première fois une base solide pour l'étude des trajets de décharge », explique Artur Wittig. « Cela nous permet non seulement de visualiser la structure du plasma, mais aussi de l'analyser de manière systématique. »

Choix de la caméra en mettant l'accent sur le déclenchement et la synchronisation
La tâche de traitement d'images est assurée par cinq caméras industrielles de type uEye CP U3-31J0CP Rev .2.2 d'IDS, qui, grâce à leurs propriétés de déclenchement et de synchronisation, sont parfaitement adaptées à un fonctionnement en parallèle dans des configurations multi-caméras.
C'est le Dr Philipp Mattern, ingénieur, qui a posé les bases conceptuelles de cette configuration et qui a opté pour le matériel IDS. Une partie de l'accompagnement scientifique et technique a été assurée par son bureau d'études M.E.S.S. (Mattern Engineering & Logiciel). « Compte tenu de mon expérience avec des applications similaires, il était prévisible que ce système de caméra permettrait de répondre à ces exigences élevées en matière de qualité d'image et de synchronisation », explique M. Mattern. 

Les critères déterminants pour le choix ont avant tout été les possibilités de déclenchement matériel précis, de synchronisation exacte ainsi que de commande reproductible de temps d’exposition très courts. Compte tenu de la forte dynamique de la décharge plasma, un déclenchement précis, une synchronisation exacte et des temps d'exposition reproductibles de l'ordre de la microseconde sont essentiels pour pouvoir capturer les mêmes caractéristiques à chaque prise de vue. Le capteur à obturateur global utilisé permet une reproduction sans distorsion de la structure plasma éphémère et garantit une qualité d'image stable, même avec des temps d'exposition de l'ordre de la microseconde.

La caméra est équipée d'un capteur CMOS carré Sony Pregius S (IMX546) et offre une résolution de 8,13 mégapixels. La combinaison d'un obturateur global (global shutter) et de la technologie de rétroéclairage (BSI) permet d'utiliser des temps d'exposition courts même en cas de faible intensité lumineuse – une condition essentielle pour obtenir une image fiable des structures plasmatiques auto-lumineuses et éphémères.

« La documentation complète fournie par IDS ainsi que l’assistance technique apportée lors de la conception et de la validation du câblage de plusieurs caméras pour une acquisition simultanée des images et la mise en place stable du système multi‑caméras ont également été très utiles », déclare Artur Wittig.

L'intégration s'effectue via le SDK IDS peak, qui permet la configuration et le fonctionnement en parallèle de plusieurs caméras. La possibilité d'enregistrer et de réutiliser les réglages de la caméra garantit que les séries de mesures expérimentales peuvent être réalisées dans des conditions cohérentes et comparées entre elles. Le pilotage et l'automatisation de la configuration multi-caméra s'effectuent via l'API IDS peak pour Python, qui permet de gérer facilement le fonctionnement en parallèle, le déclenchement et l'enregistrement des images.

Plus qu'une simple visualisation : une démonstration de faisabilité expérimentale
La méthodologie multi-caméras développée ne sert pas uniquement à une représentation illustrative. Il s'agit plutôt d'une démonstration de faisabilité expérimentale : Pour la première fois, il a été démontré qu'il était possible de reconstituer la décharge plasma hautement dynamique d'un jet kINPen sous la forme d'un nuage de points tridimensionnel, puis d'en analyser la structure. Ainsi, une base pratique est désormais disponible pour des études approfondies sur la propagation spatiale des décharges de jets de plasma. 

De plus, cette méthode n’est pas limitée au kINPen, mais peut être transposée à d’autres structures de décharge de petite taille avec un effort comparativement limité.

Perspectives
L’analyse des décharges de jets de plasma demeure au centre des travaux actuels, y compris dans des conditions de fonctionnement modifiées telles que le débit de gaz ou le mode de décharge. En outre, d’autres applications sont envisageables, notamment partout où des structures dynamiques doivent être étudiées avec une haute résolution temporelle et spatiale. Des méthodes d'imagerie telles que l’imagerie Schlieren ou BOS (Background Oriented Schlieren) font également l'objet d'études en cours. Il s'agit de techniques d'imagerie optique qui ne détectent pas les objets eux-mêmes, mais les variations du fluide, comme l'air ou le gaz de travail. À l'avenir, elles offriront de nouvelles possibilités pour rendre visibles les courants invisibles et les différences de densité autour de la décharge de plasma, complétant ainsi l'analyse expérimentale.

Mise en perspective du point de vue d’IDS
Ce projet démontre de manière impressionnante comment les solutions de traitement d'images flexibles et performantes d'IDS ouvrent de nouvelles perspectives dans la recherche expérimentale, permettant ainsi de rendre visible ce qui ne l’était pas jusqu’ici. « Dans les applications impliquant des objets hautement dynamiques, tels que les décharges de plasma, ce ne sont pas les propriétés individuelles qui sont déterminantes, mais la combinaison d’un capteur à obturateur global (global shutter) et d’un contrôle d’exposition précis et reproductible grâce à un déclenchement matériel permettant la synchronisation de plusieurs caméras », explique Heiko Seitz, responsable marketing produit chez IDS. « Ces caractéristiques permettent de saisir des données d’image cohérentes, même dans des configurations multi‑caméras, et constituent ainsi une base fiable pour des tâches exigeantes de traitement d’image en recherche et développement. »

Droits d'image : Leibniz Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP)
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Caméra

The Leibniz Institute for Plasma Science and Technology (INP) has been conducting applied basic research and development in the field of low-temperature plasmas for over 25 years.
(https://www.inp-greifswald.de/en/research/more/kompetenzzentrum-diabetes-karlsburg/medical-plasma-source-systems)