Hyperspectral 2.0
TITELSTORY: Neue Generation Hyperspektraler Kameras
Mit den xiSpec2 Hyperspektral-Kameras von Ximea erhalten Anwender ein eingemessenes, spektrales Messinstrument. Bei der neuen Generation der Kameras liegen die Spektralbänder nahezu äquidistant und die Messungen sind in Ihren spektralen Ergebnissen reproduzierbar. Darüber hinaus wurden die mitgelieferte Software sowie der Zugriff auf den Anwendungs-Support erweitert.
Bild: Ximea GmbHXimea hat über mehrere Jahre die kompakte Hyperspektral-Kameraserie xiSpec produziert und vertrieben. In den Kameras werden die Hyperspektralsensoren von Imec, einem belgischen Forschungsinstitut, eingesetzt.
Bild: Ximea GmbH
Bild: Ximea GmbH
Die Formel liefert jeweils für mehrere Wellenlängen Lösungen, den verschiedenen Harmonien. Beim Einsatz in den Kameras ist es jedoch sinnvoll, die Wellenlängen, die den Sensor erreichen, eindeutig zu identifizieren, um das Spektrum korrekt abbilden zu können.
Bild: Ximea GmbH / Imec
Bild: Ximea GmbH / ImecZahlreiche technische Verbesserungen
In den xiSpec2 Kameras werden neue Sensoren und neu entwickelte Bandpass-Filter genutzt, die genau auf die Sensoren abgestimmt sind. Diese unterstützen einen jeweils möglichst großen Wellenlängenbereich, und zwar sicher ohne zweite Harmonien. Das Produktionsverfahren der Sensoren wurde so weit verbessert, dass nun Overlaps und Gaps zwischen verschiedenen Bändern im unterstützten Wellenlängenbereich vermieden werden (Bild 2). Die Peaks sind weitestgehend äquidistant über den aktiven Wellenlängenbereich verteilt. Außerdem kann die Position eines Bandes mit hoher Genauigkeit reproduziert werden (Abweichung <=1%, Bild 3).
Die Harmoniefunktion zeigt die Abhängigkeit der Peak-Wellenlänge auch vom Lichteinfallswinkel. Für den Einsatz der xiSpec2 Kameras werden daher Objektive empfohlen, die einen Winkel unter 5° gewährleisten. Ideal sind sensorseitig telezentrische Linsen.
Analysen während der Entwicklung der xiSpec2 Kameras haben gezeigt, dass auch die Innenseiten der Kameras einen erheblichen Einfluss auf die spektralen Ergebnisse haben. Wellenlängen im NIR-Bereich wurden teilweise stark im Gehäuse gestreut und konnten damit die Messergebnisse stören. Daher wurden die Innenflächen der Kameragehäuse optimiert, um Streulicht zu verhindern, was zu einer signifikanten Verbesserung der spektralen Ergebnisse führte. Während des Herstellungsprozesses werden zudem die Sensoren, 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 4). Zur Messung werden genormte Farbmess-Karten genutzt.
Bild: Ximea GmbH
Bild: Ximea GmbH / ImecVerschiedene Kameramodelle
Wie bereits in der Vorgängerserie xiSpec stehen auch bei der xiSpec2 verschiedene Modelle zur Verfügung (Bild 5) und es werden zwei verschiedene Sensortypen unterstützt:
- • Snapshot Mosaic Kameras: Bei den eingesetzten Sensoren wiederholt sich entweder ein 4x4 oder 5x5 Pixel großes Muster mit verschiedenen Interferenzfiltern auf der Sensoroberfläche. Diese Kameras ermöglichen aus jedem Bild die Berechnung eines vollständigen Hyperspektral-Daten-Cubes und liefern für Echtzeitanwendungen Daten mit bis zu 25 Bändern.
- • Line Scan Kameras: Die verschiedenen Wellenlängen sind über die Höhe des Sensors verteilt angeordnet. Sowohl die räumliche als auch die spektrale Auflösung sind größer, der Datencube muss jedoch aus mehreren Bildern zusammengerechnet werden, bei denen Kamera oder Objekt verschoben werden.
Die Harmonie-Funktion zeigt, dass der Abstand der verschiedenen Harmonien bei längeren Wellenlängen größer wird. Daher werden die unterstützten Wellenlängenbereiche der verschiedenen Snapshot-Mosaic-Sensoren bei höheren Wellenlängen auch größer.
Bild: Ximea GmbH / ImecLeichte Systeme für den mobilen Einsatz
Mit Abmessungen von nur 26,4x26,4x30,2mm, einem Gewicht von 32 Gramm und einer niedrigen Leistungsaufnahme von typischerweise nur 1,5W zeichnet sich die neue Kameraserie für den Einsatz unter anderem in mobilen Applikationen wie z.B. UAVs, aus. Für den Einsatz in kompakten Integrationsprojekten werden auch Modelle mit USB3-Flachbandanschluss oder (demnächst) PCIe verfügbar sein. Die PCIe-Schnittstelle ermöglicht Bandbreiten von 10Gbit/s bei geringem Stromverbrauch und erlaubt den Zugriff auf die maximal möglichen Frameraten der integrierten Sensoren von bis zu 340fps. Beide Interfaces unterstützen die Anbindung an Embedded Systeme wie Nvidias Jetson Architektur. Die Interferenzfilter ändern Ihre optischen Eigenschaften auch bei Stößen und Vibrationen nicht, das heißt Nachkalibrierungen, wie beim Einsatz von Prismen oder Beugungsgittern, entfallen.
Software und Support
Um die RAW-Daten der Kamera zu erfassen und die Kalibrierungsdaten zu lesen und zu interpretieren, steht die kostenfreie API/SDK von Ximea zur Verfügung. Zudem haben Käufer der Snapshot-Mosaic-Kameras Zugriff auf Imecs HSI-Mosaic-Software (HSI-Mosaic: GUI-basierte Erfassungssoftware; HSI Camera API: verbinden, konfigurieren und Rohdaten von einer Kamera erfassen; HSI Mosaic API: Konfiguration und Verwendung einer Verarbeitungspipeline für Imec Mosaikdaten). Registrierte Kamerakunden haben auch direkten Zugang zu Imecs First-Line-Support für Fragen zur hyperspektralen Bildgebung, sowie zu den Handbüchern von Imec und Beispieldaten.
Bild: Ximea GmbH / ImecBild: Ximea GmbH / ImecZahlreiche technische Verbesserungen
In den xiSpec2 Kameras werden neue Sensoren und neu entwickelte Bandpass-Filter genutzt, die genau auf die Sensoren abgestimmt sind. Diese unterstützen einen jeweils möglichst großen Wellenlängenbereich, und zwar sicher ohne zweite Harmonien. Das Produktionsverfahren der Sensoren wurde so weit verbessert, dass nun Overlaps und Gaps zwischen verschiedenen Bändern im unterstützten Wellenlängenbereich vermieden werden (Bild 2). Die Peaks sind weitestgehend äquidistant über den aktiven Wellenlängenbereich verteilt. Außerdem kann die Position eines Bandes mit hoher Genauigkeit reproduziert werden (Abweichung <=1%, Bild 3).
Die Harmoniefunktion zeigt die Abhängigkeit der Peak-Wellenlänge auch vom Lichteinfallswinkel. Für den Einsatz der xiSpec2 Kameras werden daher Objektive empfohlen, die einen Winkel unter 5° gewährleisten. Ideal sind sensorseitig telezentrische Linsen.
Analysen während der Entwicklung der xiSpec2 Kameras haben gezeigt, dass auch die Innenseiten der Kameras einen erheblichen Einfluss auf die spektralen Ergebnisse haben. Wellenlängen im NIR-Bereich wurden teilweise stark im Gehäuse gestreut und konnten damit die Messergebnisse stören. Daher wurden die Innenflächen der Kameragehäuse optimiert, um Streulicht zu verhindern, was zu einer signifikanten Verbesserung der spektralen Ergebnisse führte. Während des Herstellungsprozesses werden zudem die Sensoren, 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 4). Zur Messung werden genormte Farbmess-Karten genutzt.
Ximea GmbH
Dieser Artikel erschien in inVISION 3 (Juni) 2021 - 09.06.21.Für weitere Artikel besuchen Sie www.invision-news.de
