Je nach Sensorglasmaterial und interner Architektur können Silizium-basierte Sensoren so optimiert werden, dass sie auch im UV-Bereich bis runter zu 200nm empfindlich sind, oder eine höhere Empfindlichkeit oberhalb von 750nm bis hin zu 1.100nm bieten (NIR-Sensorik). Dabei liegt die Quanteneffizienz ab 1.050nm jedoch meist unter 10% und fällt stark ab, da Silizium ab etwa 1.100nm transparent ist. Aus diesem Grund werden andere Sensormaterialien benötigt, um Licht im SWIR-Bereich jenseits von 1.100nm zu erkennen.
XSWIR-Sensortechnologie
Die gängigsten SWIR-Sensortypen verwenden Materialien wie Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs). Solche Sensoren sind meist im Bereich von 900 bis 1.700nm empfindlich. Sie können aber auch im sichtbaren Bereich Licht detektieren, wenn die Indium-Phosphit-Schicht sehr dünn gehalten wird, so dass das sichtbare Licht in die Fotosensitive InGaAs Schicht gelangen kann. Dies ist beispielsweise bei den IMX99x SenSWIR Sensoren von Sony der Fall. Das Interessante an InGaAs ist, dass die Sensoren in verschiedenen Zusammensetzungen von Indiumarsenid und Galliumarsenid hergestellt werden können. Letztendlich bestimmt das Verhältnis zwischen Indium und Gallium die Cut-Off-Wellenlänge, d.h. die maximale Wellenlänge, bei der Licht detektiert werden kann. Oberhalb von 1.700nm spricht man dabei von sogenannter extended range InGaAs oder auch XSWIR Sensorik, die typischerweise eine maximale Empfindlichkeit von 1,9, 2,2 oder bis hin zu 2,6µm aufweist.
Eine andere Art von Sensoren besteht aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid (MCT). Sie gehören zu den populärsten Sensortypen für die Bildgebung jenseits von 1.700nm im SWIR-Bereich. Darüber hinaus gibt es Typ-II-Superlattice (T2SL)-Sensoren. Sie werden bereits für die Bildgebung im MWIR-Wellenlängenbereich genutzt. Bestimmte Materialzusammensetzungen wie etwa InGaAs/GaAsSb oder InAs/AlSb/GaSb machen T2SL Sensorik aber auch für den SWIR-Bereich nutzbar. Die neueste Sensortechnologie, die auch im XSWIR Bereich Licht detektieren kann, sind Collodial Quantum Dot (CQD) Sensoren, die häufig auf Bleisulfid (PbS) basieren. Die Sensoroptionen für die Bildakquise im SWIR- und XSWIR-Bereich sind somit vielfältig.
Wahl der geeigneten Kamera
Bei der Wahl der geeigneten Kamera für Anwendungen im XSWIR-Bereich spielen bestimmte Leistungsparameter eine entscheidende Rolle: die maximale Quanteneffizienz oberhalb von 1.700nm, der unterstützte Spektralbereich mit einer Quanteneffizienz von mehr als 30%, die Höhe des Dunkelstroms, der Dynamikbereich, die Auflösung, die Bildrate, die Pixelgröße sowie natürlich die Kosten. Für die spektrale Bildgebung sind dabei insbesondere hohe Bildraten und eine hohe Quanteneffizienz über einen möglichst weiten Bereich entscheidend. Wie aber schneiden typische Kameras mit verschiedenen XSWIR-Sensortechnologien bei der Bewertung der Parameter ab?
- CQD-Sensor basierte Kameras haben derzeit noch eine sehr geringe Quanteneffizienz im SWIR-Bereich, und die Bildraten sind relativ niedrig. Dafür punkten sie mit geringeren Kosten, niedrigem Dunkelstrom und einer oft höheren Auflösung (aktuell bis zu 2MP).
- Kameras mit Typ-II-Superlattice-Sensorik zeichnen sich trotz kleinster Pixelgrößen zwischen fünf bis 12µm bei SXGA-Auflösung durch einen sehr hohe Dynamikbereich aus. Allerdings verfügen sie im Vergleich nur über eine niedrige Quanteneffizienz und niedrige Bildraten. Hinzu kommen sehr hohe Dunkelstromwerte und oft hohe Kosten.
- MTC-Sensorik-basierte Kameras haben meist eine geringere Auflösung von maximal 640×512 Pixeln (VGA). Sie unterstützen einen breiten Spektralbereich von 400 bis 2.500nm bei hoher Quanteneffizienz. Jedoch handelt es sich um eine teure Technologie, die eine starke Kühlung mittels eines Sterling-Kühlers erfordert, um den hohen Dunkelstrom des Sensors zu kompensieren.
- InGaAs basierte XSWIR-Kameras sind derzeit nur mir QVGA- und VGA-Auflösung verfügbar. Sie unterstützen jedoch hohe Bildwiederholraten >300fps bei Vollauflösung und haben sehr hohe Quanteneffizienzen über einen breiten Spektralbereich. Der Dunkelstrom kann mittels 2-Stufiger thermoelektrischer Kühlung niedrig gehalten werden, was insgesamt zu einem moderatem Preislevel führt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass InGaAs-Sensoren mit erweitertem Spektralbereich sehr gut für die spektrale Bildgebung jenseits von 1.700nm geeignet sind und ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis bieten. Sie sind vor allem preiswerter und wesentlich langlebiger als die meist mit Sterling-Kühlern ausgestatteten MCT-Kameras, die in der Regel eine Lebensdauer von maximal drei Jahren haben. Andererseits verfügen Sensortechnologien wie Typ-II- Superlattice – oder CQD-Sensoren zwar über eine höhere Auflösung, bieten aber nicht die hohen Bildwiederholraten und Quanteneffizienzen wie XSWIR InGaAs-Sensoren.
InGaAs-Kameras für XSWIR
Die Goldeye XSWIR-Kameras von Allied Vision verfügen über schnelle InGaAs-Sensoren mit Bildraten bis zu 344fps. Dabei unerstützen sie einen erweiterten SWIR-Wellenlängenbereich bis zu 1,9 oder 2,2µm sowie QVGA- und VGA-Auflösung. Die Kameras sind wahlweise mit GigE Vision- oder Camera Link Base kompatibler Schnittstelle erhältlich und bieten Bildkorrektur- und -verarbeitungsfunktionen, wie z. B. die 2-Punkt-Korrektur zur Beseitigung von Bild-Inhomogenitäten oder die Steuerung mehrere Regions of Interest (ROI) zur Erhöhung der Bildwiederholrate. Hohe Bildraten sind für die spektrale Bildgebung von großer Bedeutung, da sie es zum Beispiel ermöglichen, Förderbänder mit höherer Geschwindigkeit zu betreiben und somit Prozesse zu beschleunigen und den Durchsatz zu erhöhen. Die Goldeye XSWIR Kameras verfügen daher über eine spezielle Funktion, die es ermöglicht, mehrere ROI auszulesen. Dabei können bis zu 32 Bereiche oder Wellenbänder ausgewählt werden, die jeweils einen bestimmten Wellenlängenbereich betrachten. Wenn die Multi-ROI-Funktion aktiviert ist, werden nur relevante Daten an den Host übertragen, wodurch die Bildrate erheblich erhöht wird.
Für eine Vielzahl von Aufgabenstellungen im SWIR-Bereich ist eine spektrale Empfindlichkeit bis zu 1.700nm jedoch völlig ausreichend. Zusammen mit SVS-Vistek, wie Allied Vision Teil von TKH Vision, bietet Allied Vision im SWIR-Bereich das wohl umfangreichste Produktportfolio auf dem Markt an. Neben den Goldeye XSWIR Kameras mit erweiterter spektraler Empfindlichkeit reicht die Auswahl von kompakten Kameras mit Sony SenSWIR-Sensorik, die auch im sichtbaren Bereich eingesetzt werden können, bis hin zu Kameras für wissenschaftlich orientierte Anwendungen mit zweistufiger thermoelektrischer Sensorkühlung (TEC2), die lange Belichtungszeiten ermöglichen. Dabei stehen eine Vielzahl verschiedener Schnittstellen zur Auswahl, wie GigE Vision, 5GigE, 10GigE, USB3 Vision, MIPI CSI-2 sowie CameraLink und CoaXPress-12 – zur Auswahl. Das Produktportfolio umfasst zudem Modelle mit bis zu 5,3MP und die maximale Bildrate bei voller Auflösung reicht bis 344fps.
