Herkömmliche RGB-Kameras nutzen nur einen begrenzten Wellenlängenbereich im sichtbaren und teilweise im NIR-Bereich des Spektrums und lassen daher zahlreiche spektrale Informationen ungenutzt. Dabei können verschiedene Technologien zur spektralen Bildgebung eingesetzt werden, um detaillierte Spektraldaten eines Objekts oder einer Szene zu erfassen und zu analysieren. Dies ermöglicht es, wertvolle Erkenntnisse zu sammeln, die über das hinausgehen, was herkömmliche Bildgebungsverfahren bieten.
Die spektrale Bildgebung hat viele Fachgebiete revolutioniert, da sie nicht-invasive, zerstörungsfreie und höchst informative Analysemöglichkeiten bietet. Sie wird heute in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt wie z.B. in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, in Recycling, Landwirtschaft, Bergbau, Medizin oder Astronomie).
Im Kern geht es bei der spektralen Bildgebung um die Aufnahme von Bildern bei verschiedenen Wellenlängen, vom ultravioletten über den sichtbaren bis hin zum infraroten Bereich. Durch die Analyse dieser Spektraldaten kann ein tieferes Verständnis für die Zusammensetzung, die Eigenschaften und das Verhalten der erfassten Objekte oder Materialien gewonnen werden.
- Hyperspektrale Bildgebung (HSI): Bei dieser Technik werden Bilder in zahlreichen schmalen, aneinandergrenzenden Spektralbändern aufgenommen (in der Regel mehrere Hundert), was zu einer hohen spektralen Auflösung führt. Jeder Pixel in einem hyperspektralen Bild enthält ein vollständiges Spektrum, und alle Bilder zusammen bilden einen HSI-Bilddatenwürfel, der eine detaillierte Analyse und Identifizierung von Materialien auf der Grundlage ihrer spektralen Signaturen ermöglicht.
- Multispektrale Bildgebung (MSI): Im Gegensatz zu HSI werden bei MSI Bilder in einer begrenzten Anzahl von separaten Spektralbändern aufgenommen (in der Regel 3-16). Wenn die spektralen Besonderheiten eines zu identifizierenden Objekts bekannt sind, reicht es jedoch oft aus, weniger Spektralbänder zu verwenden. Somit können Systemkosten gesenkt und die Prozesse beschleunigt werden.
Spektrale Bildgebungssysteme verwenden verschiedene Arten von optischen Komponenten wie Prismen, Gitter, Interferometer sowie Interferenz- oder abstimmbare Filter, um bestimmte Wellenlängen selektiv durchzulassen oder zu blockieren. Sie werden mit geeigneten Area-Scan-Sensoren kombiniert, um die HSI- oder MSI-Datenwürfel zu erfassen. Gängige Systemtypen sind:
Line-Scan Systeme
- Klassische gitterbasierte Push-Broom HSI-Kameras für höchste Datenqualität / höchste spektrale Auflösung
- Lineare variable Filter auf dem Sensorchip
Snap-Shot Systeme
- Kameras mit abstimmbaren Spektralfiltern
- Interferometer-basierte Fourier-Transform HSI-Kameras für die Bildgebung bei schwachem Licht
- Mikrolinsenarray-basierte Lichtfeldkamera
- Kameras mit On-Pixel-Filtertechnologie
Die Anforderungen an eine Kamera für die spektrale Bildgebung sind vielfältig und hängen stark von der geplanten Anwendung und dem für die Analyse erforderlichen Grad an Genauigkeit und Präzision ab. Im Allgemeinen handelt es sich um eine Mischung aus verschiedenen Merkmalen, von denen die wichtigsten sind:
- Hohe und möglichst gleichbleibende Quanteneffizienz über den gesamten Spektralbereich des Sensors/Systems.
- Lineare Empfindlichkeit der Pixel in Abhängigkeit von der Lichtintensität.
- Homogene Intensitätsverteilung der Pixel, die dieselbe Wellenlänge erfassen.
- Die Auswahl von Mehrfach-ROI ist besonders wichtig für zeilenbasierte Push-Broom HSI-Systeme, da so die Datenmenge reduziert und damit die Signalverarbeitung erleichtert werden kann.
- Hohe Bildraten sind im Allgemeinen vorteilhaft, um Prozesse zu beschleunigen, jedoch nur, solange bei kurzen Belichtungszeiten ausreichend Signal erfasst wird. Hier kann eine höhere Lichtintensität helfen, wobei gleichzeitig verhindert werden muss, dass sich die untersuchten Objekte aufheizen.
- Eine hohe Sensorauflösung ist für multispektrale Bildgebungssysteme mit On-Pixel-Filtern oder miniaturisierten Optiken mit Filtern relevant, da die Anzahl der Filter die Gesamtauflösung des Spektralbildes verringert.
- Bei Systemen, die längere Belichtungszeiten erfordern, ist auch die Sensorkühlung mit thermoelektrischen Kühlelementen (TECs) von Vorteil, um das durch Dunkelstrom induzierte Rauschen zu verringern und so das SNR hochzuhalten.
- Boardlevel-Kameras mit oder ohne Sensorglas (RCG-Option) zum Bau kompakter OEM-Spektralkameras.
- Einfach zu verwendende Schnittstellen wie GigE Vision oder USB3.
Allied Vision bietet eine große Auswahl an SWIR-Kameras an, die für hyper- und multispektrale Bildgebung geeignet sind. Das Spektrum reicht von Auflösungen zwischen QVGA und SXGA (0,3-1,3 Megapixel) bei räumlichen Auflösungen von 30µm bis hinunter zu 5µm und spektralen Empfindlichkeiten von 400nm bis zu 2,2µm. Alle Kameras haben eine hohe und relativ gleichbleibende Quanteneffizienz (siehe Diagramm auf der linken Seite) über den unterstützten Spektralbereich.
Alvium SWIR- und Goldeye SWIR-Kameras unterstützen die flexible Mehrfachauswahl räumlich getrennter ROIs, was beispielsweise bei Push-Broom Systemen einer Wellenlängenauswahl gleichzusetzen ist. In Kombination mit den hohen Standardbildwiederholratender der Kameras ist es somit möglich, Prozesse zu beschleunigen und die CPU/GPU-Last zu reduzieren.
Für den Aufbau kompakter Multispektral-Bildgebungssysteme sind die Alvium SWIR-Kameras als Boardlevel-Version ohne Sensorglas erhältlich (Removed Cover Glass/RCG Bestelloption), die es ermöglicht, pixel-basierte Filterarrays hinzuzufügen, um anwendungsspezifische OEM-Lösungen zu entwickeln.
Goldeye SWIR-Kameras mit thermoelektrischer Sensorkühlung (TEC) ermöglichen eine Stabilisierung der Sensortemperatur, was das Rauschen durch Dunkelstrom reduziert und längere Belichtungszeiten ermöglicht. Durch die Kühlung des Sensors bleibt auch das Grundrauschen niedrig, was zu einem höheren SNR führt. Darüber hinaus sind die Ergebnisse der spektralen Bildgebung reproduzierbar.
Alle Kameras bieten eine hohe Linearität und Bildhomogenität, entweder durch eine automatische 2-Punkt-Korrektur, die bei Bedarf deaktiviert werden kann, oder den Sensor selbst (IMX99x).
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