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Hohe Bildqualität über den gesamten VIS-SWIR-Bereich
Umfassende Tests bei verschiedenen Anwendungsfälle haben gezeigt, dass die HC-VIS-SW-Objektivserie von Kowa ideal für die VIS-SWIR-Kamera VS20 von Emberion ist. Wo die Vorteile bei dieser Kombination liegen, zeigt der folgende Beitrag.
Bild 1 | Das Bild mit einer VIS-SWIR Kamera (o.) zeigt sowohl den Druck auf der Verpackung als auch die Ampullen unter der Verpackungsfolie. Die IR-Aufnahme (u.) zeigt die Ampulle deutlich klarer, aber der Verpackungsaufdruck ist nicht zu erkennen.
Bild 1 | Das Bild mit einer VIS-SWIR Kamera (o.) zeigt sowohl den Druck auf der Verpackung als auch die Ampullen unter der Verpackungsfolie. Die IR-Aufnahme (u.) zeigt die Ampulle deutlich klarer, aber der Verpackungsaufdruck ist nicht zu erkennen. Bild: Emberion Oy

Die verschiedenen Spektralbereiche unterschiedlicher Sensortechnologien, und die hohen Kosten von Infrarotsensoren wie InGaAs-Chips waren bisher ein Hindernis für den breiten Einsatz der hyperspektralen Bildgebung. Neue Sensortechnologien decken jedoch einen größeren Spektralbereich vom sichtbaren bis zum kurzwelligen Infrarot (SWIR) ab und sind zudem kostengünstiger. Eine dieser Technologien sind kolloidale Quantenpunkte (Colloidal Quantum Dots, CQD). Diese sind lichtempfindliche Nanomaterialien, die in Schichten auf einen CMOS-Ausleseschaltkreis aufgebracht werden. Sie können in einem druckähnlichen Verfahren direkt auf das Substrat aufgebracht werden, ohne dass ein komplexes Pixel-für-Pixel-Bonding wie bei InGaAs-Sensoren erforderlich ist. Der einfachere Herstellungsprozess macht die Technologie deutlich erschwinglicher. Außerdem ist sie flexibler und skalierbar in Bezug auf Pixelgröße und Sensorauflösung. Die spektrale Empfindlichkeit kann sogar durch Abstimmung der Rezeptur der Nanomaterialschichten angepasst werden.

Emberion, ein 2016 gegründetes Spin-off von Nokia, ist ein Pionier in der Entwicklung von Bildsensoren mit CQD-Technologie. Das Unternehmen hat ein proprietäres Substrat als Wandler zwischen dem integrierten Ausleseschaltkreis (ROIC) und den lichtempfindlichen Schichten entwickelt. Die Firma entwirft auch eigene kundenspezifische ROICs und bietet eine anpassbare Sensorplattform mit einer spektralen Empfindlichkeit von 400 bis 2.000nm an. „Die Empfindlichkeit unserer CQD-Sensoren geht über die von Standard-InGaAs-Sensoren (1700nm) hinaus“, erklärt Sylvain Pineau, Sales Manager bei Emberion. „Dies ist in einigen Anwendungen wie dem Kunststoffrecycling oder der Wasserdetektion äußerst wertvoll.“ So können verschiedene Kunststoffe anhand ihrer spektralen Signatur bei 1.850nm unterschieden werden, während Wasser eine starke Absorptionsspitze bei 1.920nm aufweist. Die Bildgebung in diesem Spektralbereich eignet sich auch, um den Füllstand in undurchsichtigen Behältern zu überprüfen, Spuren von Feuchtigkeit in einem Lebensmittelprozess zu erkennen oder Druckstellen in Obst und Gemüse zu identifizieren. Um diese Technologie für verschiedene Anwendungen leicht zugänglich zu machen, hat Emberion eine Kameraserie mit eigener Sensortechnologie entwickelt. Die VS20 VIS-SWIR-Kamera hat eine VGA-Auflösung, eine Pixelgröße von 20µm und liefert bis zu 100fps.

Bild 2 | Die HC-VIS-SW-Objektivserie von Kowa wurde speziell entwickelt, um sowohl das sichtbare als auch das SWIR-Spektrum abzudecken.
Bild 2 | Die HC-VIS-SW-Objektivserie von Kowa wurde speziell entwickelt, um sowohl das sichtbare als auch das SWIR-Spektrum abzudecken.Bild: Kowa Optimed Deutschland GmbH

Das richtige Objektiv

„Diese einzigartige spektrale Empfindlichkeit von 400 bis 2.000nm zu bieten, ist eine große Leistung, aber die Herausforderung besteht darin, eine geeignete Optik zu finden“, so Pineau. Viele Anwendungen erfordern gleichzeitig sichtbare und SWIR-Informationen mit minimalen Unterschieden in der Bildqualität über den gesamten Spektralbereich. Objektive verhalten sich bei verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich. Insbesondere verschiebt sich der Fokus zwischen dem sichtbaren und dem infraroten Bereich erheblich. Dies bedeutet, dass die Verwendung von Objektiven für sichtbares Licht mit einer SWIR-Kamera zu unscharfen Bildern führen würde. Je größer also die Empfindlichkeit eines Sensors ist, desto schwieriger ist es, Objektive zu finden, die über den gesamten Bereich hinweg minimale optische Aberrationen und Fokusverschiebungen erzeugen. „Nach gründlichen Tests in unseren Labors haben wir festgestellt, dass die VIS-SWIR-Reihe von Kowa bei allen Wellenlängen die beste Leistung bietet, und wir empfehlen sie den Kunden in Kombination mit unserer Kamera“, so Pineau. Die HC-VIS-SW-Objektivserie wurde speziell entwickelt, um sowohl das sichtbare als auch das SWIR-Spektrum abzudecken. Mit minimalen chromatischen Aberrationen und praktisch keiner Fokusverschiebung vom sichtbaren Bereich bis zu 2.000nm sind die Objektive ideal für die Emberion-Sensoren mit ihrem breitem Spektralbereich geeignet. Das Objektivsortiment umfasst sechs Brennweiten von 8 bis 50mm. „Das Emberion VS20 VIS-SWIR und die HC-VIS-SW-Objektive von Kowa sind die perfekte Kombination, um beste Bildqualität im Bereich von 400 bis 2.000nm zu liefern“, lautet das Fazit von Sylvain Pineau.

Kowa Optimed Deutschland GmbH
http://www.kowa-lenses.com

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