Для чего нужен стробоскоп?

Что такое стробоскопическое освещение?

Стробоскоп – это источник света, который мгновенно загорается и гаснет. Это инструмент для демонстрации и корректировки движущихся или вибрирующих объектов путем освещения их вспышками для создания эффекта неподвижности.

Стробоскоп был изобретен в 1836 году Жозефом Антуаном Фердинандом Плато, профессором Гентского университета (Бельгия). В 1931 году профессор Массачусетского технологического института доктор Гарольд Юджин Эдгертон разработал ксеноновую лампу-вспышку. Благодаря этому изобретению стробоскоп нашел применение и в фотографии, а также во многих сферах торговли и промышленности.

Стробоскопическая лампа производит очень короткую вспышку света, длительностью стотысячные доли секунды. Благодаря коротким вспышкам высокой интенсивности изображение объекта «застывает» на сетчатке глаза, создавая четкий стоп-кадр. Если объект продолжает двигаться, его движение воспринимается как серия стоп-кадров, будь то движение бейсбольного мяча или человека, танцующего под стробоскопом на дискотеке.

В основном с эффектом стробоскопа люди сталкиваются на дискотеках или при осмотре двигателя с помощью стробоскопов. В таких случаях частота вспышек достаточно низкая, чтобы человек мог легко следить за паузами между вспышками фонаря. При этом прибор обычно работает с частотой 10-30 вспышек в секунду (10-30 Гц) и создает мерцающий эффект.

Когда стробоскоп превышает скорость 60 Гц, вспышки появляются настолько часто, что человеческий глаз не улавливает момент включения/выключения света. Таким образом, больше не ощущается раздражающее мерцание, как в вышеописанных случаях.

Работа стробоскопов с частотой выше 60 Гц внешне ничем не отличается от освещения люминесцентными лампами или лампами накаливания, за исключением того, что стробоскоп освещает движущийся объект, создавая четкое изображение того, на чем фокусируется глаз.

Классификация приборов

Помимо классификации по конструктивным особенностям, стробоскопы подразделяются еще на три группы:

• подвал;
• неоправданный. Имеют два выходных контактных поля для прямого подключения к сети;
• супер стробоскопы. Выглядят они как пластиковая трубка, длина которой может быть 1,5 м. Внутри размещается от 4 до 8 стробоскопов. Для их работы требуется специальное подключение через соответствующий контроллер. С его помощью можно создать эффект «бегущего огня». Такие устройства были разработаны корпорацией Neo-Neon.

Примечание! Свет, излучаемый суперстробами, виден на расстоянии до трех (!) километров. Это при том, что обычные модели светят на максимальное расстояние до 1 км.

Супер стробоскопы

Различные типы стробоскопов используются в разных областях соответственно.

История создания

Стробоскопический эффект актуален и популярен в современных клубах, несмотря на то, что устройства для его создания были разработаны еще 190 лет назад, когда для управления скоростью записи в граммофоне использовалась газоразрядная лампа.

Изобретение стробоскопа связано с именами двух ученых: бельгийского физика Жозефа Антуана Фердинанда Платона и австрийского математика Симона Риттера фон Штамфера, которые в 1832 году придумали свои изобретения почти одновременно, независимо друг от друга.

Платэт в 1832 г изобрел фенакистоскоп, который состоит из двух дисков: один с изображениями предмета в круге с небольшими изменениями, другой имел прорези по окружности всего диска. При вращении одного диска относительно другого создавалась оптическая иллюзия движения изображения. Так впервые удалось «оживить» образы, которые впоследствии использовались в кинематографе.

Примерно в то же время австрийский профессор Штамфер сконструировал аналогичный прибор и назвал его «строб» (от греч. «στρόβος» (strobos) — «вихрь, кружащийся» и «σκοπεῖν» (skopein) — «смотреть»), а через год получить на него официальный патент. Стробоскоп быстро стал популярным в Австрии, а исследователь был посвящен в рыцари.

Первый электрический стробоскоп появился только в 1917 году благодаря французскому инженеру Этьену Мишену, а электронный стробоскоп был изобретен в 1931 году американским профессором Гарольдом Юджином Эдгертоном. Именно благодаря Эдгертону стробоскоп стал популярным прибором в самых разных областях.

Сочетать музыку и стробоскопы начали еще в 60-х годах 19 века, использовали их на дискотеках и различных шоу. Задача современных стробоскопов — создавать прерывистые вспышки, похожие на вспышки молнии — такие же яркие и недолговечные, что помогает добиться невероятно динамичного эффекта, который очень выгодно использовать на танцполе, в архитектуре и рекламе.

Виды стробоскопов

По принципу действия стробоскопы можно разделить на:

• электронно-оптический, в котором используются переключатели светового потока, работающие на различных оптоэлектронных эффектах;
• оптико-механические или тахометрические, где роль затвора выполняет диск с канавками;
• электронные, частота импульсов которых регулируется генератором импульсов, а источником света являются светодиодные или газоразрядные лампы;
• осциллографический, область которого распространяется на ряд исследований электронных схем.

По конструктивным особенностям стробоскопы делятся на:

• подвал;
• безцокольный, имеющий два разъема для подключения к сети;
• суперстробы, работа которых регулируется контроллером. Они выполнены в виде пластиковой трубки длиной до полутора метров, внутри которой находится 4-8 стробоскопических лампочек, совместная работа которых позволяет создать эффект «бегущего огня». Суперстроб производит вспышки, видимые на расстоянии до трех километров, в отличие от других стробоскопов, видимых на расстоянии до одного километра.

Сферы применения стробоскопов

Стробоскопы используются в:

• ночные клубы, дискотеки и так далее;
• наружная реклама (подсветка билбордов);
• архитектура (освещение зданий);
• различные отрасли;
• наука (для изучения периодических процессов);
• медицина (для лечения речевых нарушений);
• легковые автомобили;
• фонари.

Чаще всего стробоскоп можно найти на дискотеках и в ночных клубах. Там различные световые эффекты создаются с помощью стробоскопов, которые можно комбинировать с музыкальным ритмом, который часто используется на танцполах, хотя режимы работы стробоскопов можно регулировать и вручную. Четкие и быстрые вспышки видны с большого расстояния, поэтому мероприятие даже на открытом воздухе не останется незамеченным. При монтаже стробоскопов вне зданий необходимо оснастить их герметичным корпусом и проводкой.

Стробоскопические эффекты уже много лет не теряют своей популярности в ночных клубах и дискотеках по всему миру. При включенной вспышке создается визуальный эффект замедленного движения танцующих людей. К любителям стробоскопов можно отнести организаторов световых шоу, владельцев ночных клубов и любителей домашних вечеринок.

В архитектуре и рекламе при использовании стробоскопов можно «заполучить» потенциальных клиентов, привлекая внимание к архитектурному сооружению или рекламному плакату.

Использование стробоскопов может привести к дезориентации освещаемого объекта и ухудшению зрения, что позволяет использовать такие фонари в целях самообороны. Иногда полицейские используют фонари со стробоскопическим эффектом.

Читайте также: Образец приказа об увольнении по форме Т-8

Достоинства и недостатки

Среди преимуществ стробоскопов можно выделить следующие:

• помогают создавать интересные визуальные эффекты;
• иметь возможность подключения к музыкальному оборудованию и синхронизации с ним;
• создать праздничную атмосферу;
• привлекать внимание;
• имеет регулируемую яркость.

Наиболее популярны светодиодные стробоскопы, преимуществами которых являются:

• эффективность энергопотребления;
• качественный световой поток;
• выбор цветов светодиодов;
• продолжительность жизни;
• устойчивость к механическим и климатическим воздействиям;
• экологичность;
• DMX-управление;
• безопасность.

Недостатки стробоскопов связаны не конкретно с ними, а с действием, которое они оказывают на людей (дезориентация в пространстве, временное нарушение зрения).

Низкая стоимость, доступность для покупки, простота в эксплуатации, зрелищность – вот за что стробоскопы ценятся уже много лет. Однако помните, что стробоскопический эффект не так безобиден, как кажется на первый взгляд. При наведении стробоскопической лампы на нападающего последний теряет ориентацию в пространстве. При длительном использовании стробоскопического эффекта любой частоты возникает усталость глаз.

Именно со стробоскопов можно начать знакомство с современным рынком световых эффектов, чтобы на практике убедиться, насколько простым, портативным и неприхотливым может быть профессиональное оборудование.

Как работает стробоскопическая лампа?

Когда объект движется быстро, глаза не могут сфокусироваться на нем. В зависимости от скорости объекта относительно расстояния до зрителя объект может казаться размытым (не в фокусе) изображением. Например, лопасти вентилятора при вращении кажутся полупрозрачной плоскостью. Наблюдатель пытается сфокусироваться на лопастях, но по мере того, как они продолжают двигаться, глаза получают лишь размытое изображение:

размытие изображения называется размытием в движении. Из-за эффекта размытия невозможно четко увидеть объект, движущийся со скоростью 80 м/мин, и довольно сложно различить объект, скорость которого находится в диапазоне от 40 до 80 м/мин.

попытка сконцентрироваться на движущемся объекте ясно показывает нам ограниченность нашего зрения. Реакцию глаза на свет можно сравнить с реакцией химических веществ на пленку фотоаппарата. Когда свет попадает на химические вещества, они активируются и формируют изображение на пленке. Если снимаемый объект движется слишком быстро, изображение будет размытым.

Чтобы решить эту проблему, фотограф увеличивает выдержку. При короткой выдержке сокращается время световой активации химического материала. Поскольку затвор открыт на более короткое время, объект на пленке запечатлен лучше и менее размыт. Это дает фотографу более четкое изображение. Понятно, что увеличить частоту восприятия глазами мы не можем, поэтому мы должны найти подходящий фотозатвор, который не производил бы разрушительного, раздражающего или ограничивающего действия на наши способности.

Вспышка стробоскопа замораживает движение объекта так же, как это делает затвор фотоаппарата. Сетчатка глаза реагирует на вспышку длительностью 10–30 мкс как на стоп-кадр. Предмет, движущийся со скоростью 600 м/мин, проходит за это время расстояние 0,1 мм и кажется настолько незначительным, что глаз воспринимает это как отсутствие движения. Это устраняет эффект размытия и улучшает контрастность, что необходимо для выделения и распознавания объекта. По мере увеличения частоты вспышек в поле зрения глаза перемещается последовательность изображений, стимулирующих обнаружение и идентификацию дефектов. Когда глаз видит один и тот же дефект несколько раз, он фокусируется на нем, и дефект отпечатывается в уме.

Синхронизация стробоскопической вспышки

Изменяя время стробоскопической вспышки или интервал между вспышками (скорость вспышки), движущийся или вращающийся объект может казаться:

1. остановился
2. немного вперед или назад.

В приведенном выше примере вентилятора лопасть будет казаться неподвижной, если вспышка синхронизирована с определенным положением лопасти при ее вращении. Это потому, что стробоскопическая вспышка показывает то же самое изображение на сетчатке глаза. Поскольку сетчатка не видит движения лопастей между стробоскопическими импульсами, глаз воспринимает это как состояние покоя.

Если вспышка синхронизирована со скоростью вспышки, немного превышающей скорость вращения вентилятора, лезвие не успеет занять то же положение, когда произойдет следующая вспышка. В этом режиме на сетчатке глаза появится последовательность положений лезвия с отклонением назад в каждом последующем кадре. Поэтому будет казаться, что вентилятор медленно движется в противоположном направлении.

Рисунок 1: Если кажется, что вентилятор движется в противоположном направлении, частота стробоскопических вспышек выше, чем скорость вращения лопастей:

Если вспышка синхронизирована со скоростью вспышки, немного отстающей от скорости вентилятора, лезвие поднимется в то же положение перед следующей вспышкой. В этом режиме на сетчатке глаза появится последовательность положений лезвия с отклонением вперед в каждом последующем кадре. Поэтому будет казаться, что вентилятор медленно движется вперед.

Наблюдение за технологической линией без отпечатанного изображения

При наблюдении за линейно движущейся линией, например при обработке стали, можно наблюдать алгоритм, аналогичный вееру.

При наблюдении за производственными линиями важно поддерживать частоту вспышки выше 50-60 Гц. Поскольку глаза не могут фиксироваться в отсутствие повторяющегося рисунка, необходимо преодолеть частоту мерцания. При этом устанавливается частота мигания лампы, которой будет достаточно для фиксации «зернистой структуры» на поверхности. Типичная частота составляет от 65 до 85 вспышек в секунду, что намного выше обнаруживаемой частоты мерцания. Рисунок зерен металлической поверхности полосы может казаться стационарным или «плавающим».

Увеличивая или уменьшая скорость вспышки, вы можете перемещать зернистую структуру вдоль полосы вперед или назад. После того, как вы исправите зернистую структуру, любой дефект, который выделяется
обычный рисунок рулона, будет легко обнаружить. Такая зернистая структура является результатом процесса шлифования конвейерных валов при прокатке, что передает их рисунок прокатываемому материалу.

Вы можете столкнуться с материалом без зернистой структуры. Например, это можно наблюдать, когда поверхность валов конвейера гладкая, то есть они изготовлены из качественной нержавеющей стали. В этом случае рекомендуется установить частоту вспышки выше 70 Гц.

Инерция зрения

Существуют заблуждения о том, как работают стробоскопы, которые необходимо развеять.

Мерцание часто связано со стробоскопической операцией. Из-за явления инерции зрения мерцание не наблюдается при высоких скоростях вспышки. Стробоскоп быстро включается и выключается каждую секунду, а каждая вспышка длится всего 10 мкс на импульс. Из математической зависимости видно, что свет практически никогда не включается. Даже при 60-100 Гц лампа не горит в 99% случаев. Однако глаз поглощает свет так же, как губка поглощает влагу. Губка быстро впитывает влагу, но очень медленно ее испаряет. Вспышка света активирует химические вещества глаза.

Когда свет выключен (или, в нашем случае, между вспышками), реакция на химические вещества затухает экспоненциально, и для полного исчезновения требуется 350 мс.
При частоте вспышек выше 60 Гц химические вещества реактивируются быстрее, чем тускнеет свет, так что глаз не улавливает паузы между вспышками. Фотохимический процесс в глазу, заключающийся в удержании света, называется «зрительной инерцией».

Каждый импульс света освещает объект всего на одну стотысячную долю секунды, или на частоте 60 Гц, 6/10 000 секунды. Но на частоте выше 50-60 Гц из-за инерции зрения темные дыры сглаживаются и объект кажется непрерывно освещенным.

Именно из-за медлительности зрения вы не замечаете отдельных кадров кино- или телекартинки, частота которых не превышает 48-60 вспышек в секунду. Ниже представлена ​​раскадровка типичного видеоклипа. По этой же причине вы видите размытие после того, как сделаете снимок с включенной вспышкой. Вспышка перегружает химическую реакцию в сетчатке глаза, и пятно остается там некоторое время.

Наблюдение за технологической линией печати

В некоторых приложениях, таких как печать, частота вспышки, вероятно, будет ниже 50 Гц, и световой импульс будет заметен. И в этом случае, благодаря инерции глаза, вы не будете испытывать дискомфорта, потому что изображение, переданное на сетчатку глаза, останется там до тех пор, пока следующая вспышка не обновит изображение.

Подобно лопастям вентилятора, синхронизированным со вспышкой, напечатанная серия также будет казаться стационарной. Глазам станет некомфортно только при частоте ниже 20 Гц. Однако эта частота вспышек разрешена и в некоторых случаях снижается до 5 Гц.

Яркость против чёткости

Многие считают, что если на поверхность быстродвижущегося объекта падает большое количество света, то дефекты этого объекта будет легче увидеть.

Вернемся к описанию того, как работает глаз при появлении на пленке фотоаппарата размытого изображения из-за длительности движения во время открывания затвора. Если вы не можете контролировать скорость затвора вашей камеры (или вашего глаза в данном случае), все, что вы получаете от яркого света, — это более яркий эффект размытия.

Так как у глаза нет затвора, мы создаем эффект затвора с помощью стробоскопа. Стробоскоп излучает короткий световой импульс. Как упоминалось ранее, свет выключен в 99% случаев. Это отличается от ламп накаливания, люминесцентных, ртутных и галогенных ламп. Такие лампы излучают непрерывный свет, который постоянно активирует химическую реакцию глаза.

Вот почему вы видите призрачные или размытые изображения быстро движущихся объектов в таком непрерывном свете. При правильной установке прибора всего несколько сотен люкс
стробоскопического света достаточно, чтобы увидеть мельчайшие детали. Короткий импульс света действует как затвор, посылая серию четких и четких изображений на сетчатку наблюдателя. Квалифицированные инспекторы и операторы станков, знающие о поверхностных дефектах, могут сразу обнаружить дефекты на скоростях до 2000 м/мин.

Неопытным операторам будет легче обнаружить дефекты со стробоскопическим освещением, и они быстро научатся выявлять производственные дефекты.

Влияние внешнего освещения на стробоскопическое

Стробоскопический эффект уменьшается, если свет стробоскопа смешивается с окружающим светом. Для достижения желаемого стробоскопического эффекта стробоскопическое освещение должно быть в 4 раза сильнее внешнего. Под внешним освещением понимается весь свет, который прямо или косвенно падает на контролируемую поверхность, т е свет от ламп накаливания, люминесцентных ламп, кварцевых, натриевых/ртутных ламп, а также естественный свет. В некоторых случаях необходимо принимать меры по снижению интенсивности этого вида освещения.

Рис. Ослабление стробоскопического эффекта при соотношении внешнего и стробоскопического освещения 1/1 вместо 1/4:

По мере увеличения окружающего освещения стробоскопический эффект ослабевает. В этом случае следует либо установить стробоскоп ближе к поверхности, либо увеличить стробоскопическую подсветку, либо оборудовать купол для защиты наблюдаемой области от внешнего света.

Стробоскопическое освещение в промышленности

Когда вы используете стробоскоп для наблюдения за движущимся объектом, свет оказывает на глаза такое же воздействие, как вспышка фотокамеры на пленку. Каждый импульс стробоскопа создает четкое четкое изображение, позволяющее видеть мельчайшие детали объекта или поверхности на высоких скоростях без размытия. Именно по этой причине стробоскопическое освещение используется как инструмент визуального контроля невооруженным глазом многих непрерывных процессов, а также для улучшения анализа движения или видеосъемки.

Стробоскопическое освещение широко используется в отраслях, где оператор должен наблюдать за производственным процессом, но наблюдение затруднено из-за эффекта размытия. Настройка стробоскопа и результат зависят от отрасли, процесса, продукта и окружающего освещения.

Существует два основных типа процессов, для наблюдения за которыми используется стробоскоп: вращательный и линейный:

• При наблюдении за вращающимися элементами, такими как двигатели, валы, шестерни, лопасти и т д., наблюдаемый объект вращается в определенном пространстве и может быть зафиксирован для проверки на наличие дефектов, вибраций, перекосов, люфтов и т д
• При наблюдении за линейными процессами, такими как сталь, текстиль, пластик, печать и переработка, проверяются два типа ошибок — повторяющиеся и случайные. Повторяющийся дефект воспроизводится через фиксированные промежутки времени. На стали может быть след прокатки или царапина на пластине. Случайный дефект появляется на наблюдаемых поверхностях один или несколько раз через разные промежутки времени. Поскольку стробоскопический эффект обеспечивает несколько изображений на сетчатке, один дефект появляется несколько раз, когда он проходит под стробоскопом, что облегчает его обнаружение оператором. Как упоминалось ранее, если глаз видит изображение несколько раз, оно запоминается. Таким образом, оператор сможет выявить как повторяющиеся, так и случайные ошибки и принять соответствующие меры.

Наиболее важной областью использования стробоскопов Unilux является контроль поверхностей в полотнах и полосах в бумажном производстве, полиграфии, переработке, металлообработке, стробоскопы используются во многих других отраслях промышленности.