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#Neues aus der Industrie
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Multispektrale und hyperspektrale Kameras erweitern den Anwendungsbereich der industriellen Bildgebung
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Qualitätskontrolle, Farbprüfung und Prozessüberwachung sind nur einige Beispiele dafür, wie nicht sichtbare Bildkomponenten heute in Bildverarbeitungssysteme einfließen.
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Bildgebungstechniken jenseits der sichtbaren Wellenlänge verbessern Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung.
Während Multispektral- und Hyperspektralkameras in vielen Anwendungen und Branchen eingesetzt werden, ist ein Bereich, der durch die Entwicklung dieser Technologien verbessert wurde, die industrielle Inspektion. Qualitätskontrolle von Nahrungsmitteln und Getränken, pharmazeutische Produktkontrolle und -sortierung, Farbprüfung und Prozessüberwachung sind nur einige Beispiele dafür, wie nicht sichtbare Bildverarbeitungskomponenten heute in Bildverarbeitungssysteme einfließen.
Multispektrale Bildgebung
Zwei Methoden zur Erfassung von Bildern außerhalb der sichtbaren Wellenlängen sind die multispektrale und hyperspektrale Bildgebung. Die hyperspektrale Bildgebung umfasst schmale, meist zusammenhängende Spektralbänder, die möglicherweise Hunderte oder Tausende von Spektren umfassen, während die multispektrale Bildgebung Spektralbänder mit unterschiedlichen Bandbreiten umfasst, die nicht unbedingt zusammenhängend sind, sondern mit bis zu 10 strategisch ausgewählten Bändern.
Beide Verfahren beziehen sich im Wesentlichen auf das gleiche Abbildungskonzept, wobei multispektral weniger diskrete Spektralbänder abgedeckt werden. Multispektralkameras erfassen in der Regel mehrere Wellenlängen in einem einzigen Bild, und die Techniken variieren von der Verwendung der Standard-Pixelfilterarchitektur mit großer Bandbreite bis hin zur Verwendung von schmalbandigen, abstimmbaren Filtern im Pixelraum. Multispektralkameras, die in industriellen Anwendungen wie Materialprüfung, Halbleiter- und Elektronikinspektion und Lebensmittelqualitätsprüfung eingesetzt werden, sind in den Formaten Flächen- und Zeilenscan erhältlich.
Teledyne DALSA (Waterloo, ON, Kanada; www.teledynedalsa.com) bietet beispielsweise seine Linea ML-Kameras, die im Rahmen des Innovators Award 2018 ausgezeichnet wurden, mit quadratischen CMOS-Sensoren im Format 8k x 4 und 16k x 4 mit drei nativen RGB-Kanälen plus einem separaten Nahinfrarot-Kanal (NIR) an. Die Kameras sind im sichtbaren (400 bis 700 nm) und nahen Infrarot (700 bis 1000 nm) Wellenlängen mit dichroitischen Filtern auf Waferebene empfindlich und erfassen unabhängige RGB+NIR-Bilder in einem einzigen Scan. Die Linea ML-Kameras bieten eine Zeilenrate von 75 kHz x 4 oder 5 GB/sec Durchsatz über die Camera Link HS Glasfaser-Schnittstelle. Die Kameras bieten eine Zeilenrate von 70 kHz über Camera Link und verfügen über Wafer-Level-Filter für eine klare spektrale Kanaltrennung.
Erhältlich mit 8-, 10- oder 12-Bit-Ausgabe und Multiple-Region-of-Interest Modus, zielen die Kameras auf Druckinspektion, Elektronikinspektion, Materialbewertung, Bahninspektion, Farbsortierung und Lebensmittelinspektion ab, so das Unternehmen.
Basierend auf der Prismentechnologie, die eine gleichzeitige Erfassung entlang eines einzigen optischen Weges ohne Filterräder oder andere bewegliche Teile ermöglicht, werden von JAI (San Jose, CA, USA, www.jai.com) mehrere Multispektralkameras (Abbildung 1) angeboten. Für Anwender von Flächenkameras bietet JAI mit der Fusion-Serie drei Multispektralkameras an. Diese 2-CCD-Sensormodelle unterscheiden sich nur in der Auflösung und den Datenschnittstellen: AD-080CL (0,8 MPixel, Camera Link-Schnittstelle, 30 fps), AD-080GE (0,8 MPixel, GigE Vision-Schnittstelle, 30 fps) und AD-130GE (1,3 MPixel, GigE Vision-Schnittstelle, 31 fps.) Jede Kamera basiert auf dem gleichen multispektralen Aspekt, indem ein Bayer CCD sichtbare Farbbilder (400 bis 700 nm) in einem Kanal erfasst und ein monochromer Sensor Daten im nahen Infrarot (750 bis 900+ nm) in einem zweiten Kanal erfasst.
Für Zeilenkamera-Anwender bietet JAI mit der Sweep+-Serie drei Multispektralkameras an. Diese prismenbasierten, quadlinearen Kameras bieten separate Kanäle für R-, G-, B- und NIR-Daten. Der SW-2001Q-CL basiert auf einem 4 x 2048 CCD-Pixelarray und verfügt über eine Camera Link-Schnittstelle mit 19 kHz Zeilenfrequenz, während der LQ-401CL - auch mit Camera Link-Schnittstelle - ein 4 x 4096 CMOS-Array mit 18 kHz Zeilenfrequenz verwendet. Der SW-4000Q-10GE verfügt über eine 10GigE-Schnittstelle und verwendet ein 4 x 4096 CMOS-Array mit 72 kHz Zeilenfrequenz.
Schließlich bietet das Unternehmen mit der WA-1000D-CL eine multispektrale Zeilenscan-Option in der Wave-Serie an, die über zwei prismenmontierte InGaAs-Linesensoren (2 x 1024 Pixel, Camera Link-Schnittstelle, 39 kHz Zeilenfrequenz) verfügt. Ein Kanal deckt das obere NIR-Spektrum und das untere SWIR-Band (900 bis 1400 nm) ab, während der zweite Kanal im oberen Teil des SWIR-Bandes von 1400 bis 1700 nm liegt.
"Durch den Einsatz verschiedener schmalbandiger Lichtquellen im NIR- und SWIR-Bereich sowie Bildfusionstechniken kann diese Kamera zum Erkennen und Sortieren schwer zu unterscheidender Substanzen eingesetzt werden, insbesondere in Anwendungen wie der Lebensmittelinspektion und dem Kunststoffrecycling", sagt Rich Dickerson, Manager, Marketing Communications, JAI.
Salvo Technologies (vorher PIXELTEQ; Seminole, FL, USA; www.opticalfiltershop.com) entwickelt Multispektralkameras, indem es Filter herstellt und mikrostrukturierte Filter direkt an den Bildsensoren über ein aktives Ausrichtungssystem anbringt. Es bietet eine Reihe von multispektralen und polarimetrischen Bildgebern an. Die Kameras der SpectroCam-Serie, die in den Versionen Ultraviolett, VIS und SWIR erhältlich sind, basieren auf einem kontinuierlich rotierenden Filterrad mit sechs bis acht austauschbaren optischen Filtern. Die UV- und VIS-Versionen, die jeweils 200 bis 900 nm und 400 bis 1000 nm abdecken, basieren auf CCD-Bildsensoren, während die SWIR-Versionen InGaAs-Sensoren verwenden.
PixelCam Multispektralkameras bieten multispektrale Abbildungsfunktionen von drei bis neun Spektralbändern mit bis zu 30 fps. Alle drei Modelle basieren auf CCD-Sensoren (4 oder 8 MPixel) mit kundenspezifischen dichroitischen Filterarrays, die in die Fokusebene auf Waferebene integriert sind und kontrastreiche Spektralinformationen bei bestimmten sichtbaren und infraroten Wellenlängen extrahieren, so das Unternehmen. Diese Kameras sind im Bereich von 400 bis 1000 nm empfindlich und sind entweder als GigE- oder CoaXPress-Version mit Bildraten bis zu 15 fps erhältlich.
Spectral Devices (London, ON, Canada; www.spectraldevices.com) bietet zwei Arten von Multispektralkameras an: Schnappschuss und Zeilenscan. Die Zeilenkameras des Unternehmens basieren auf dem 2 MPixel CMV2000 Global Shutter CMOS-Bildsensor von ams (Premstätten, Österreich; www.ams.com) und werden in drei Standard-Vierbandkameras sowie kundenspezifischen Kameramodellen von 2 bis 16 verschiedenen Bändern angeboten. Diese Kameras sind für Anwendungen wie die Qualitätssicherung und -inspektion von Lebensmitteln sowie die Waferinspektion konzipiert.
Die Schnappschusskameras basieren auf dem ebenfalls von ams entwickelten 4 MPixel CMV4000 CMOS-Bildsensor und sind für die gleichzeitige Aufnahme einer Szene in mehreren Bändern ausgelegt. Die Kameras werden in sechs Standardmodellen - sowie in kundenspezifischen Modellen - angeboten und erfassen 2 bis 16 Bänder mit Geschwindigkeiten von bis zu 94 fps bei voller Bildrate. Diese Multispektralkameras eignen sich nach Angaben des Unternehmens für den Einsatz in Anwendungen wie Robotik, Lebensmittelverarbeitung und Farbmessung.
Auf der Sensorseite hat imec (Leuven, Belgien; www.imec-int.com) einen multispektralen Time Delay Integration (TDI) Bildsensor namens Argus entwickelt, der auf der CCD-in-CMOS-Technologie basiert. Die Sensoren verwenden ein Format mit 4096 Spalten und 256 Stufen pro CCD-Array (oder Band) mit einer Pixelgröße von 5,4 µm. Zusätzlich ist eine Version mit sieben Bändern erhältlich, die es dem Anwender ermöglicht, sieben Spektralfilter hinzuzufügen.
Diese Prototypen integrieren CMOS-Treiber und Ausleseschaltungen und erreichen eine Zeilenrate von bis zu 300 kHz. In Kombination mit Spektralfiltern ist eine multispektrale TDI-Bildgebung möglich, und zwar mit einer kundenspezifischen Anzahl von Bändern und TDI-Stufen. Farb- oder Spektralfilter können auf dem Wafer- oder Deckglasdeckel nachbearbeitet werden.
Hyperspektrale Bildgebung
Um die hyperspektrale Bildgebung zu ermöglichen, hat imec auch handelsübliche hyperspektrale Bildsensoren entwickelt, die auf Wafern basieren, die direkt auf Pixel aufgebracht werden (Abbildung 2), und zwar auf dem CMV2000 CMOS-Bildsensor von ams. Diese Bildsensoren sind in den Formaten Snapshot Mosaik, Snapshot Tiled, Line Scan Wedge und Line Scan CCD Time Delay Integration (TDI) erhältlich und bieten Optionen mit 4, 7, 16, 25, 32, 100+ und 150+ Bändern. Die Bildsensoren sind in mehrere Modelle von Bildverarbeitungskameras integriert, die alle für den Einsatz in verschiedenen industriellen Inspektionsanwendungen geeignet sind.
XIMEA (Münster, Deutschland; www.ximea.com) bietet vier Modelle auf Basis von imec-Sensoren an, darunter zwei mosaikgekachelte Sensoren mit 16 und 25 Bändern und zwei Zeilenmodelle mit 100 und 150 Bändern. Diese Kameras verfügen je nach Modell entweder über eine USB3-Schnittstelle mit 170 fps oder PCIe mit bis zu 340 fps und Spektralbereiche von RGB+NIR, 470 bis 630 nm, 600 bis 950 nm, 600 bis 975 nm und 470 bis 900 nm.
"Durch den Einsatz von schmalbandigen Spektralfiltern auf Pixelebene mittels Halbleiter-Dünnschichtverarbeitung ermöglicht die Technologie von imec hyperspektrale Bildsensorlösungen, den Formfaktor zu reduzieren, das Gewicht zu reduzieren und für eingebettete Visionssysteme geeignet zu sein", sagt Ivan Klimkovic, Key Account Manager bei XIMEA. "XIMEA hat die Hyperspektralsensoren von imec mit seiner xiQ-Kameraplattform gekoppelt, die den wichtigen Größenfaktor mit 26,4 x 26,4 x 26,4 x 31 mm in den Abmessungen und nur 31 Gramm Gewicht ergänzt."
Photonfocus (Lachen, Schweiz; www.photonfocus.com) bietet drei Hyperspektralkameras mit imec-Sensoren an. Diese Kameras sind als Schnappschuss-Mosaikformate erhältlich und bieten Optionen mit 16 oder 25 Bändern. Mit einer GigE-Schnittstelle bieten die Kameras je nach Modell Geschwindigkeiten von bis zu 50 fps und Spektralbereiche von 470 bis 630 nm, 470 bis 900 nm, 595 bis 860 nm, 600 bis 975 nm und 665 bis 975 nm.
Darüber hinaus hat imec in Zusammenarbeit mit Adimec (Eindhoven, Niederlande; www.adimec.com) das imec VNIR Hyperspektralsystem entwickelt, das auf einer Adimec Quartz Bildverarbeitungskamera mit einem 2 MPixel CMOS-Bildsensor basiert. Dieses System bietet ein Zeilenformat mit 150+ Bändern und Camera Link-Schnittstelle und verfügt über einen Spektralbereich von 470 bis 900 nm oder 600 bis 1000 nm.
Imec verfügt auch über eigene hyperspektrale Produkte, darunter die Systeme SNAPSCAN NIR, SNAPSCAN VNIR und SNAPSCAN SWIR, die über eine USB 3.0-Schnittstelle verfügen und je nach Modell Snapshot- und Zeilenscanformate mit 100+ und 150+ Bändern sowie 470 bis 900 nm, 600 bis 1000 nm und 1100 bis 1700 nm Spektralbereiche bieten.
Zahlreiche Bildverarbeitungsunternehmen entwickeln auch Hyperspektralkameras außerhalb des imec-Bereichs, darunter Specim (Oulu, Finnland; www.specim.fi), das die Kameras der FX-Serie anbietet. Diese hyperspektralen Kameras arbeiten im Zeilenmodus, sind in GigE, Camera Link oder kundenspezifischem Ethernet erhältlich und wurden speziell für industrielle Bildverarbeitungsanwendungen entwickelt.
Die FX50-Kamera (Abbildung 3) basiert auf einem gekühlten InSb-Detektor und verfügt über eine räumliche Auflösung von 640 Pixeln, einen Spektralbereich von 2,7 bis 5,3 µm, eine Bildaufnahmegeschwindigkeit von 380 fps und eine freie Wellenlängenauswahl aus 154 Bändern innerhalb der Kameraabdeckung. Nach Angaben des Unternehmens ist diese Kamera für den Einsatz bei der Sortierung von schwarzem Kunststoff und bei der Erkennung von Verunreinigungen auf Metalloberflächen geeignet.
"Kunststoffabfälle sind ein großes Problem: Schätzungen zufolge wird es bis 2050 mehr Kunststoff in den Ozeanen geben als Fisch. Der Großteil der nicht recycelbaren Kunststoffe besteht aus gemischten Kunststofftypen, die nicht wiederverwendet werden können, da die traditionellen Kunststoffsortiertechnologien die industriellen Anforderungen an eine zuverlässige und effiziente Trennung nicht erfüllen", sagt Hannu Mäki-Marttunen, Head of Sales & Marketing bei Specim. "Hier setzen die Hyperspektralkameras der Specim FX-Serie an. Mit dem FX17 und dem brandneuen FX50 können wir jetzt verschiedene Kunststoffe, auch schwarze Kunststoffe, mit einer Genauigkeit von bis zu 99% identifizieren und sortieren."
Er fährt fort: "Das bedeutet, dass der Endkunde von Specim nun Kunststoffabfälle in eine wertvolle Ressource verwandeln kann, die als Rohstoff für die Kunststoffindustrie wiederverwendet werden kann"
Das FX17-Modell ist eine InGaAs-basierte Kamera mit einem Spektralbereich von 900 bis 1700 nm, einer Bildaufnahmegeschwindigkeit von 670 fps und einer freien Wellenlängenauswahl aus 224 Bändern innerhalb der Kameraabdeckung. Zu den Zielanwendungen gehören Lebensmittel- und Futtermittelqualität, Abfallsortierung, Recycling und Feuchtemessung. Das FX10-Modell ist eine CMOS-Bildsensor-basierte Kamera mit einem Spektralbereich von 400 bis 1000 nm, einer Bilderfassungsgeschwindigkeit von 330 fps und einer freien Wellenlängenauswahl aus 224 Bändern innerhalb der Kamerabedeckung. Diese Kamera, so das Unternehmen, zielt auf Bildverarbeitungsanwendungen wie die Qualitätskontrolle von Lebensmitteln und die Erkennung von Farbe und Dichte in Druckanwendungen ab.
Specim bietet eine Reihe weiterer Hyperspektralkameras an, darunter die Modelle Fenix, PFD-65-V10E und sCMOS-50-V10E, sowie die tragbare Specim IQ-Kamera, die eine mobile Materialanalyse ermöglicht und einen Spektralbereich von 400 bis 1000 nm bietet.
HinaLea Imaging (Kapolei, HI, USA; www.hinaleaimaging.com) stellt auch Hyperspektralkameras her, darunter die Weitwinkelkamera Modell 4200 mit 2,3 MPixel Sensor-Raumauflösung, Empfindlichkeit im Bereich von 400 bis 1000 nm und Zugriff auf bis zu 600 Spektralbänder. Das Unternehmen bietet auch das tragbare Modell 4100H an, das angeblich 2,3 MPixel Datenwürfel mit bis zu 550 Spektralbändern im sichtbaren und nahen Infrarotbereich (400 bis 1000 nm) liefert. Das Gerät verfügt außerdem über einen integrierten Prozessor und eine integrierte Beleuchtung.
"Wir erhalten ein enormes und wachsendes Interesse an unseren Kameras für die Lebensmittelsicherheitsprüfung und die Halbleiterverarbeitung", sagt Alexandre Fong, Vice President, Engineering. "Mit der Einführung kostengünstiger Spektrallösungen besteht das Potenzial, automatisierte Prüfanwendungen mit dieser Tiefe an neuen Informationen zu transformieren."
Headwall Photonics (Bolton, MA, USA; www.headwallphotonics.com) ist ein weiteres Unternehmen, das Spektralkameras entwickelt und sich auf fortschrittliche Bildverarbeitungsanwendungen als einen seiner Kernmärkte konzentriert. So führt das Unternehmen beispielsweise für seine Micro-Hyperspec-Kamera die Bildverarbeitung als Zielanwendung an. Diese Kamera ist in den Versionen VNIR, NIR, Extended NIR und SWIR erhältlich, die alle mit Camera Link-Schnittstelle ausgestattet sind: VNIR A-Serie (400 bis 1000 nm, Silizium-CCD-Sensor, 324 wählbare Spektralbänder, 90 fps); VNIR E-Serie (400 bis 1000 nm, sCMOS-Sensor, 369 wählbare Spektralbänder, 250 fps); NIR 640 (900 bis 1700 nm, InGaAs- Detektor, 134 wählbare Spektralbänder, 120 fps); NIR 320 (900 bis 1700 nm, InGaAs-Detektor, 67 wählbare Spektralbänder, 346 fps); Extended VNIR 640 (600 bis 1700 nm, InGaAs-Detektor, 267 wählbare Spektralbänder, 120 fps); SWIR 384 (900 bis 2500 nm, MCT-Detektor, 166 wählbare Spektralbänder, 450 fps); und SWIR 640 (900 bis 2500 nm, MCT-Detektor, 267 wählbare Spektralbänder, >200 fps).
Die Hyperspec MV-Kamera des Unternehmens wurde speziell für Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung entwickelt und verfügt über einen Wellenlängenbereich von 400 bis 1000 nm, 270 wählbare Spektralbänder, eine Camera Link-Schnittstelle und eine Bilderfassungsgeschwindigkeit von 485 fps.
BaySpec (San Jose, CA, USA; www.bayspec.com) ist ein Unternehmen, das Spektralinstrumente für Branchen wie Forschung und Entwicklung, Biomedizin und optische Telekommunikation entwickelt, aber auch Hyperspektralkameras, die für die industrielle Inspektion geeignet sind. Eine dieser Kameras ist die USB 3.0-basierte OCI-OEM-Kamera, die als optischer Motor für die OCI-1000 (Push-Broom, bis zu 120 fps) und OCI-2000 (Snapshot, bis zu 120 fps) Hyperspektral-Imager des Unternehmens dient, die den 600 bis 1000 nm-Bereich mit bis zu 100 (OCI-1000) oder 25 (OCI-2000) wählbaren Spektralbändern abdecken.
Eine weitere Option ist die Hyperspektralkamera GoldenEye Snapshot des Unternehmens, die auf einer proprietären FT-PI-Technologie basiert und einen erweiterten Bereich von 400 bis 1700 nm abdeckt, 40 bis 52 wählbare Spektralbänder und eine Bildrate von 1 fps bei 648 x 488 räumlichen Pixeln bietet.
Ebenso ist Resonon (Bozeman, MT, USA; www.resonon.com) ein Unternehmen, das Hyperspektralkameras für Labor-, Outdoor- und Fernerkundungsanwendungen entwickelt und gleichzeitig den Markt für Machine Vision im Auge behält. Geeignet für den Einsatz in der industriellen Bildverarbeitung sind nach Angaben des Unternehmens folgende Kameras: Pika L (Abbildung 4; 400 bis 1000 nm Spektralbereich, 281 wählbare Spektralbänder, 249 fps, USB 3.0-Schnittstelle), Pika XC2 (400 bis 1000 nm Spektralbereich, 447 wählbare Spektralbänder, 165 fps, USB 3.0-Schnittstelle), Pika NIR-320 (900 bis 1700 nm Spektralbereich, 164 wählbare Spektralbänder, 520 fps, GigE-Schnittstelle) und Pika NIR-640 (900 bis 1700 nm, 328 wählbare Spektralbänder, 249 fps, GigE-Schnittstelle.)
Schließlich bietet Norsk Elektro Optikk (NEO; Skedsmokorset, Norwegen; www.hyspex.no) zwei hyperspektrale Bildkameras für industrielle Bildverarbeitungsanwendungen an. Die HySpex SWIR-384-Kamera basiert auf einem MCT-Sensor und bietet einen Spektralbereich von 950 bis 2500 nm mit 288 wählbaren Spektralbändern und einer Bildrate von 400 fps bei vollem Spektralbereich (skalierbar durch Reduzierung des Bereichs), während die HySpex VNIR-1024 auf einem CMOS-Bildsensor basiert und einen Spektralbereich von 400 bis 1000 nm mit 108 wählbaren Spektralbändern und einer Bildrate von 700 fps bei voller Spektralauflösung bietet.
Die beiden Hyperspektralkameras sind nach Angaben des Unternehmens extrem scharf - sowohl spektral als auch räumlich - mit weniger als 10% räumlicher und spektraler Fehlregistrierung (Lächeln und Keystone)
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