Würfelwelten

Snapshot Hyperspektralkamera mit 20Hz

Würfelwelten

Bei der hyperspektralen Bildgebung nimmt eine Kamera einen ´hyperspektralen Würfel´ eines Objekts auf. Genau wie bei einem RGB-Bild verfügt jeder Pixel über zusätzliche Farbinformationen. Beim RGB-Bild werden allerdings nur drei Kanäle verarbeitet, während eine hyperspektrale Kamera hundert oder mehr Kanäle aufnimmt.
Während das menschliche Auge über drei Zapfentypen ungefähr den gleichen Farbraum wie den eines RGB-Bildes wahrnimmt, nimmt die hyperspektrale Kamera in jedem Pixel ein ganzes Spektrum auf, das vom sichtbaren bis ins unsichtbare nahe und mittlere Infrarot reicht. Somit ’sieht‘ eine hyperspektrale Kamera mehr und kann über die spektrale Signatur Objekte mit scheinbar gleicher Farbe unterscheiden. Die spektrale Signatur jedes Pixels lässt Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung und Struktur des abgebildeten Objekts zu. Mit dem entsprechendem Vorwissen können quantitative chemische Messungen vorgenommen werden, z.B. die Bestimmung der Menge an Chlorophyll in einer Pflanze oder der Sauerstoffsättigung im Blut.

Stand der Technik

Es haben sich zwei unterschiedliche Ansätze zur Aufnahme von vollflächigen spektralen Bildern etabliert. Der erste Ansatz basiert darauf, dass ein hyperspektrales Bild mittels Abtastung eines Punkts oder einer Linie konstruiert wird (Scan). Hierbei werden hohe spektrale Auflösungen mit mehr als 20 Kanälen pro Pixel erreicht. Bedingt durch die langen Aufnahmezeiten (Sekunden bis Minuten) kann es zu Bewegungsartefakten kommen. Der andere Ansatz zur Aufnahme von vollflächigen spektralen Bildern basiert auf einer Einzelaufnahme. Hierbei wird zwischen multispektralen und – ab 100 Kanälen – hyperspektralen Kameras unterschieden. Die Hyperspektral-Kameras der UHD-x85 Produktreihe verzichten auf die komplexen Betriebsbedingungen von Punkt- oder Linienscannern. Die Bedienung entspricht eher einer handelsüblichen Foto- oder Videokamera. Mit Sonnenlicht oder einer äquivalenten Lichtquelle sind Belichtungszeiten von weniger als 1ms für die Aufnahme eines gesamten Hyperspektral-Würfels keine Ausnahme. Durch die kurzen Belichtungszeiten können sowohl die Kamera als auch das Objekt sich während der Aufnahme bewegen. Somit sind auch mobile Anwendungen möglich. Je nach Signal-zu-Rausch-Verhältnis können hyperspektrale Videos mit mehr als 20Hz aufgenommen werden, sodass auch sehr schnelle Prozesse spektral analysiert werden können.

Hyperspektrale Einzelaufnahme

Der Aufbau des neuen Vollflächen-Spektrometers unterscheidet sich maßgeblich von bisherigen Technologien, z.B. wird ein einzelner Bildpunkt mittels eines dispersiven Elements auf eine CCD-Linie abgebildet, wobei die Wellenlängen des Spektrums auf dieser Reihe aufgetrennt werden. Hyperspektrale Linien-Scanner werden ähnlich betrieben, jedoch dort das Objekt auf einen Eingangsspalt projiziert. Bei den UHD-x85 wird hingegen ein ganzes Feld von CCD-Linien erzeugt, sodass gleichzeitig verschiedene Spektren aufgenommen werden, die jeweils einem anderem Ort auf dem Eingangsraster entsprechen. Ziel war die Entwicklung einer direkt abbildenden, hyperspektralen Technik. Statt der Verwendung eines Spalts wird ein 2D-Raster verwendet. Das Eingangsraster wird durch ein dispersives Element auf einen CCD-Sensor abgebildet, sodass jeder Punkt am Eingangsraster einem Linienspektrum auf dem CCD-Sensor entspricht. Durch die Transformation von Orts- und Spektraldaten wird ein 3D-Hyperspektral-Würfel berechnet. Die Kameras eignen sich besonders für die Klassifikation von Objekten, die mit konventionellen Systemen nicht unterscheidbar sind. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die vollflächige Qualitäts- und Prozesskontrolle. Im wissenschaftlichen Bereich ist die chemische Analyse das Hauptanwendungsgebiet. Zwei Kategorien spektrale Messtechnik

Spektrale Messtechnik lässt sich in zwei Kategorien unterscheiden: Scannende Systeme und Vollflächig messende Systeme. Bei Scannenden Systemen wird entweder ein 2D-Flächenarray mit einem wechselbaren Filter versehen und jede Wellenlänge separat aufgenommen oder es wird eine Linie Spektral aufgenommen und das Bild entsteht durch zusammenfügen der Scan-Linien.Bei Snapshot System besteht die Herausforderung in der Aufnahme einer 3D-Information auf einem 2D-Sensor. Hier werden entweder komplexe Filteranordungen eingesetzt oder über Ortspattern – unter Verwendung von normalen Spektralapparaten – eine Aufspaltung von räumlicher Spektralinformation ermöglicht.
Cubert GmbH
www.cubert-gmbh.de

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