D12 Ultrahochgeschwindigkeitskameras

Thema

Der Flügelschlagzyklus des Insekts vollzieht sich so schnell – typischerweise zwischen zehn und tausend Mal pro Sekunde –, dass nur Hochgeschwindigkeitskameras seine gesamte Dynamik erfassen und so die Bewegung des Insektenflügels in jedem einzelnen Moment innerhalb jedes Flügelschlagzyklus sichtbar machen können.

Damit diese Erfassung des Flügelschlagzyklus überhaupt möglich ist, muss die Kamera das Nyquist-Kriterium erfüllen: Die Bildrate der Kamera muss mindestens doppelt so hoch sein wie die maximale Frequenz des erfassten Flügelschlagzyklus. Unterhalb dieses Minimums kann die Kamera die tatsächliche Flügelbewegung nicht von einer anderen, scheinbaren Bewegung unterscheiden.

In der Praxis reicht dieses Nyquist-Minimum jedoch nicht aus, um den Flügelschlagzyklus mit der gewünschten Detailgenauigkeit darzustellen: Forscher verwenden deutlich mehr Bilder pro vollständigem Flügelschlagzyklus – zwischen zehn und hundert –, um die feinen Details der Pronation und Supination des Flügels, also der schnellen Drehung des Flügels zu Beginn und am Ende jedes Flügelschlags, aufzulösen.

Die Erhöhung der Bildrate, um mehr Bilder pro Flügelschlagzyklus zu erfassen, hat jedoch ihren Preis: Je schneller die Kamera Bilder aufnimmt, desto kürzer ist die Belichtungszeit jedes einzelnen Bildes. Diese kürzere Belichtungszeit führt dazu, dass jedes Pixel im Bild weniger Photonen empfängt, was die Bildqualität durch das verringerte Verhältnis von Nutzsignal zu Rauschen beeinträchtigt.

Die Belichtungszeit ist zudem durch die Flügelbewegung selbst begrenzt: Ist sie zu lang, erscheint das Bild unscharf, da sich der Flügel bereits eine beträchtliche Strecke bewegt hat, während die Kamera das Bild noch aufnimmt. Bei einer Flügelspitze, die sich mit zwei Metern pro Sekunde bewegt und mit einer Auflösung von einhundert Mikrometern pro Pixel fotografiert wird, muss die Belichtungszeit weniger als fünfzig Mikrosekunden betragen, um ein unscharfes Bild zu vermeiden.

Aus der Winkelposition des Flügels, die aus jedem Bild extrahiert wird, lassen sich durch numerische Differentiation die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung des Flügels während des gesamten Flügelzyklus berechnen. Die Kombination dieser Winkelbeschleunigung mit dem Trägheitsmoment des Flügels ermöglicht die Ableitung der aerodynamischen und Trägheitsmomente, die während des Insektenflugs auf den Flügel wirken.

Derselbe Zielkonflikt zwischen Aufnahmegeschwindigkeit und Bildqualität bestimmt in der Praxis, was die modernsten Ultrahochgeschwindigkeitskameras heute für die Untersuchung des Insektenflügelzyklus leisten können: Sie erreichen etwa eine Million Bilder pro Sekunde, wenn die Auflösung reduziert wird, oder etwa hunderttausend Bilder pro Sekunde, wenn eine Auflösung von einem Megapixel beibehalten wird. Dies stellt den Forscher vor dasselbe Dilemma zwischen Geschwindigkeit und Detailgenauigkeit, das den gesamten Messprozess durchdringt.

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