EF-Mess2022

Messtechnik Nächste

Messtechnik Nächste Generation der kompakten Hyperspektral-Kameraserie xiSpec is back: XIMEA stellt ihre neue „next generation“ Hyperspektralkameraserie xiSpec2 vor Abstand der Spiegel und dem Einfallswinkel (Bild 1): Die Formel liefert jeweils für mehrere Wellenlängen Lösungen, den verschiedenen Harmonien. Beim Einsatz in Kameras ist es jedoch sinnvoll, die Wellenlängen, die den Sensor erreichen, eindeutig identifizieren zu können, um das Spektrum eindeutig abbilden zu können. Technische Verbesserungen der xiSpec2 Kameras In den xiSpec2 Kameras werden „next generation“ Sensoren und neu entwickelte Bandpass-Filter genutzt, Autorin: Christine Förster XIMEA GmbH www.ximea.com Bild 2: Spektrale Empfindlichkeitskurven der alten Sensorgeneration mit Overlaps und Gap Bild 1: Die Peak-Wellenlängen sind abhängig vom Abstand der Spiegel und dem Einfallswinkel Hyperspektralkameras erfassen, anders als gewöhnliche Kameras, die Lichtintensität bei verschiedenen Wellenlängen und ermöglichen damit Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung absorbierender bzw. reflektierender Materialien. XIMEA hat über mehrere Jahre erfolgreich ihre sehr kompakte Hyperspektral-Kameraserie xiSpec produziert und vertrieben. In den Kameras werden die Hyperspektralsensoren von Imec, einem großen Belgischen Forschungs institut, eingesetzt. Imec und XIMEA haben ihre Kooperation inzwischen deutlich erweitert und intensiviert und stellen die Kameraserie xiSpec2 als Nachfolger vor. Fabry-Perot-Interferenzfilter Die eingesetzte Sensortechnologie basiert darauf, dass Filter auf Wafer-Ebene auf die einzelnen Pixel des Sensors aufgebracht werden. Grundlage bildet ein Sensor mit 2048*1088 Pixeln mit einer Größe von jeweils 5,5 µm. Die einzelnen Filter sind Fabry-Perot-Interferenzfilter, bei denen zwei parallele, halbdurchlässige Spiegel zu definierten Spektralpeaks führen, die jeweils die Sensorfläche erreichen. Die Peak- Wellenlängen sind abhängig vom die genau auf die neuen Sensoren abgestimmt sind und einen jeweils möglichst großen Wellenlängenbereich, diesen aber sicher ohne zweite Harmonien, unterstützen. Das Produktionsverfahren der neuen Sensoren konnte so weit verbessert werden, dass nun Overlaps und Gaps zwischen verschiedenen Bändern im unterstützten Wellenlängenbereich vermieden werden. Die folgenden Beispiele zeigen im Vergleich spektrale Empfindlichkeitskurven von alter (Bild 2) und neuer Sensorgeneration (Bild 3). Die Peaks sind nun weitestgehend äquidistant über den aktiven Wellen längenbereich verteilt. Außerdem konnte erreicht werden, dass die Position eines Bandes mit hoher Genauigkeit reproduziert werden kann (Abweichung ≤1 %). Einen 12 Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2022

Messtechnik Bild 3: Spektrale Empfindlichkeitskurven neuer Sensorgeneration ohne Overlaps und Gaps Eindruck von dieser Qualitätssteigerung zeigt das Diagramm in Bild 4. Die Harmoniefunktion zeigt die Abhängigkeit der Peak-Wellenlänge auch vom Lichteinfallswinkel. Für den Einsatz mit xiSpec2 Kameras werden Objektive empfohlen, die einen Winkel unter 5° gewähr leisten. Ideal sind sensorseitig telezentrische Linsen. Einfluss der Innenseiten der Kameras Bei Analysen während der Entwicklung der xiSpec2 Kameras hat sich herausgestellt, dass die Innenseiten der Kameras einen erheblichen Einfluss auf die spektralen Ergebnisse haben. Wellenlängen im NIR wurden teilweise stark im Gehäuse gestreut und konnten damit die Messergebnisse stören. Daher wurden die Innenflächen der Kameragehäuse optimiert, um Streulicht zu verhindern. Diese Änderung führt zu einer signifikanten Verbesserung der spektralen Ergebnisse. Die optimierten Flächen im Kameragehäuse sind in Bild 5 in rot dargestellt. Integrierte Kalibrierung Während des Herstellungsprozesses werden die Sensoren, die Bandpassfilter und die gesamte Kamera (in Einheit mit den empfohlenen Objektiven) kalibriert. Das Ergebnis sind Kameras, die eingemessen als spektrales Messinstrument eingesetzt werden können. Jeder Kamera liegt ein Messprotokoll bei, das den Vergleich von Spektralkurven der Kamera mit einem hochauflösenden Punktspektrometer aufzeigt (Bild 6). Zur Messung werden genormte Farbmess- Karten genutzt. Die xiSpec2 Kameras sind folglich eine wesentliche Weiterentwicklung der Vorgängerserie. Kameramodelle Wie bereits in der Vorgänger- Kameraserie werden auch bei der xiSpec2 zwei verschiedene Sensortypen unterstützt. Snapshot-Mosaic Kameras: Bei den eingesetzten Sensoren wiederholt sich entweder ein 4x4 oder 5x5 Pixel großes Muster mit jeweils verschiedenen Interferenzfiltern auf der Sensoroberfläche (Bild 7). Diese Kameras ermöglichen aus jedem Bild die Berechnung eines vollständigen Hyperspektral-Daten-Cubes. Damit liefern die Kameras für Echtzeitanwendungen Daten mit bis zu 25 Bändern. Linescan-Kameras: Die verschiedenen Wellenlängen sind über die Höhe des Sensors verteilt angeordnet (Bild 8). Sowohl die räumliche als auch die spektrale Auflösung sind größer, der Datencube muss in diesem Fall jedoch aus den Aufnahmen mehrere aufgenommenen Bilder, zwischen denen Kamera oder Objekt verschoben werden, zusammengerechnet werden. Die Harmonie-Funktion zeigt, dass der Abstand der verschiedenen Harmonien bei längeren Wellenlängen größer wird. Es ist daher verständlich, dass die unterstützten Wellenlängenbereiche der verschiedenen Snapshot-Mosaic- Sensoren bei höheren Wellenlängen Bild 4: Das Diagramm gibt einen Eindruck von der Qualitätssteigerung größer werden. Eine Übersicht über die xiSpec2 Kameramodelle zeigt Bild 9. Leichte und stromsparende Systeme für den mobilen Einsatz Die außergewöhnlich kleinen Abmessungen von nur 26,4 x 26,4 x 30,2 mm, die geringe Masse von 32 Gramm und eine ungewöhnlich niedrige Leistungsaufnahme von typischerweise nur 1,5 W zeichnen auch die neue Kameraserie xiSpec2 aus und prädestinieren diese Kameras für einen Einsatz u. a. in mobilen Applikationen wie z. B. an UAVs. Für den Einsatz in kompakten Integrationsprojektenwerden auch Modelle mit USB3-Flachbandanschluss oder PCIe (in einer späteren Phase) verfügbar sein. Die PCIe- Schnittstelle ermöglicht Bandbreiten von 10 Gbit/s bei geringem Stromverbrauch und erlaubt den Zugriff auf die maximal möglichen Frameraten der verbauten Sensoren (bis zu 340 fps). Beide Standardschnittstellen unterstützen ideal die Anbindung an Embedded Systeme wie Nvidias Jetson Architektur. Die eingesetzte Technik hat sich als sehr robust erwiesen. Die Interferenzfilter können ihre optischen Eigenschaften selbst bei Stößen und Vibrationen nicht ändern. Nachkalibrierungen wie beim Einsatz von Prismen oder Beugungsgittern entfallen. Software und Support Es muss eine Softwarelösung verwendet / entwickelt werden, die in der Lage ist, die RAW-Daten von der Kamera zu erfassen und die Kalibrierungsdaten zu lesen und zu interpretieren. XIMEAs API/SDK zur Erfassung der RAW-Daten und Steuerung der Kamera ist kostenlos verfügbar. Als Ergebnis der intensivierten Zusammenarbeit zwischen Imec und XIMEA haben Käufer von xiSpec2 Snapshot-Mosaic-Kameras Zugriff auf Imecs HSI-Mosaic- Software: • HSI-Mosaic: GUI-basierte Erfassungssoftware Bild 5: Rot eingefärbt sieht man die speziell optimierten Flächen im Kameragehäuse Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2022 13