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Bildaufnahme im erweiterten Wellenlängenbereich

Die herkömmliche Bildverarbeitung beschränkt sich auf die Erfassung von Objektszenen im sichtbaren Wellenlängenbereich sowie im nahen Infrarot (NIR).

Diese Limitierung ergibt sich durch das für Licht empfindliche Silizium, das in der Mehrheit der verfügbaren Sensoren verwendet wird. Die Photonen des sichtbaren Wellenlängenbereiches haben ausreichend Energie, um Elektronen zu lösen und Material wie Silizium zu durchdringen. Hingegen ist kurzwelliges Licht zwar energiereich, wird jedoch von dem Sensorschutzglas oder Mikrolinsen absorbiert. Sensoren mit Quarzglas oder abnehmbaren Deckglas sind erforderlich, damit der kurzwellige Lichtanteil ungehindert die empfindliche Silikonschicht erreicht

Diagramm der verschiedenen Materialien

UV-Bildverarbeitung:

Eine Möglichkeit, die Empfindlichkeit eines Sensors für kürzere Wellenlängen zu erhöhen, ist die Verwendung einer fluoreszierenden Beschichtung. Eine dieser Techniken ist als Lumogen Coating bekannt: Die Beschichtung leuchtet, wenn ein UV-Photon auftrifft. Diese Fluoreszenz wird vom Pixel in der darunter liegenden, lichtempfindlichen Schicht erkannt, da die Wellenlängen, die von der Beschichtung ausgegeben werden, sehr nahe an der maximalen Empfindlichkeit des Sensors liegen.

Der Lumogen-Beschichtungsprozess muss sehr exakt sein, da die Dicke der Beschichtung für gute Ergebnisse äußerst kritisch ist. Ist die Schicht zu dick, wird das Licht gestreut und in der Beschichtung absorbiert. Ist sie zu dünn, werden die Photonen nicht erkannt. Um eine perfekte UVBildqualität sicherzustellen muss dieser Sensortyp immer mit UVdurchlässigen Objektiven und Filtern kombiniert werden, die sichtbares Licht ausfiltern und UV-Licht durchlassen.

Als Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung, auch Ultrarotstrahlung) bezeichnet man in der Physik elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der längerwelligen Terahertzstrahlung. Als Infrarot wird der Spektralbereich zwischen 780 nm und 1 mm bezeichnet.

Dieser Spektralbereich wird aufgeteilt in Near Infrared (NIR, 750 nm - 1.400 nm), Short Wavelength Infrared (SWIR, 1,4 µm - 3 µm), Mid Wavelength Infrared (MWIR, 3 µm - 8 µm), Long Wavelength Infrared (LWIR, 8 µm - 15 µm) und Far Infrared (FIR, 15 µm - 1.000 µm). Das menschliche Auge reagiert auf sichtbares Licht im Wellenlängenbereich von etwa 390 bis 750 nm. Das NIR-Spektrum schließt sich also an das sichtbare Spektrum an.

Für Anwendungen im NIR-Bereich kommen CCD- oder CMOS-Sensoren basierend auf Silizium zum Einsatz. Da auf Silizium basierende Sensoren Licht im Wellenlängenbereich > 1.000 nm nur mit sehr geringer Effizienz Photonen in Elektronen wandeln, wird durch eine spezielle Beschaltung oder Sensorbeschichtung versucht, eine Restempfindlichkeit jenseits 1.000 nm zu erzielen.

Der kurzwellige Infrarot (SWIR)-Bereich ist in vielerlei Hinsicht ein sehr interessanter Spektralbereich. Das von SWIR-Kameras erzeugte Bild ähnelt dem einer monochromen CCD-Kamera. Das Detektormaterial ist allerdings in einem Wellenlängenbereich sensitiv, in dem z.B. Wasser maximal absorbiert oder Silizium durchlässig ist. Dies wird für Applikationen wie Wafer- und Solarzelleninspektion, Sortierung von Obst, Überwachung von Pflanzenwachstum, Erkennung von Sicherheitsmerkmalen uvm. genutzt.

Die hochempfindlichen NIR-SWIR-Kameras verwenden hauptsächlich einen InGaAs (Indium-Gallium-Arsenid)-Detektor, der eine hohe Quanteneffizienz von 900 - 1.700 nm aufweist. Das InGaAs-Detektorfeld wird mit einer CMOS-Ausleseelektronik kombiniert.

Die zusätzliche Kameraelektronik ermöglicht eine Korrektur defekter Pixel und eine Background-Korrektur, um eine optimale Bildqualität für die anschließende Bildauswertung zu erzielen.

SWIR-Kameras sind je nach Applikationsanforderungen gekühlt oder ungekühlt. Ungekühlte Sensoren werden normalerweise für Anwendungen bis 1,7 µm eingesetzt, gekühlte Sensoren bieten sich aufgrund der reduzierten Störanfälligkeit für Hochgeschwindigkeitsanwendungen an, sind aber generell aufgrund der zusätzlichen thermoelektrischen Kühlung eine teurere Lösung.

Mittelwelliges Infrarot (MWIR): An den SWIR-Bereich schließt sich der Mid Wavelength Infrared-Bereich (MWIR, 3 µm - 8 µm) an. Kameras für diesen Wellenlängenbereich werden oft auch Thermographiekameras genannt und basieren meist auf Sensoren aus Quecksilber-Cadmium Tellurid (MCT) oder Indium Antimonid (InSb). Durch Nutzung des photoelektrischen Effekts bieten MCT-basierte Sensoren eine Empfindlichkeit im Bereich von 3 - 8 µm, also speziell dort, wo InGaAs-Sensoren unempfindlich sind.

Ebenso wie im kurzwelligen Infrarotbereich kann Mid Wave IR-Bildverarbeitung eingesetzt werden, um reflektiertes oder abgestrahltes Infrarot zu detektieren. Dieser Sensortyp erfordert jedoch eine Kühlung, um sicherzustellen, dass das Bildsignal nicht durch Dunkelstrom im Sensor verfälscht wird oder in die Sättigung gerät.

Langwelliges Infrarot (LWIR): Kurz- und mittelwellige Infrarotsensoren nutzen den photoelektrischen Effekt, um ein Signal zu liefern und ein Bild zu erzeugen. Langwellige Infrarotdetektoren (auch Mikrobolometer genannt) nutzen dagegen die Wärmeabstrahlung eines Objektes und messen Änderungen in der elektrischen Kapazität oder den Widerstand innerhalb der Pixelstruktur. Normalerweise basieren diese Sensoren auf amorphem Silizium (ASi) oder Vanadiumoxid (VO) und können Wellenlängen von 8 - 14 µm detektieren. Diese gemessenen Werte stehen in Zusammenhang mit der Temperatur des Objektes.

So funktionieren LWIR-Kameras auch da, wo keine infraroten Quellen vorhanden sind, und können für Objekte bei sehr viel niedrigeren Temperaturen eingesetzt werden, als dies mit Messtechnik für kurz oder mittelwelligem Infrarot möglich ist. Da diese Technologie unabhängig von einer externen IR-Quelle ist, kann sie für Sicherheits- und Überwachungsaufgaben und die unterschiedlichsten Beleuchtungsbedingungen eingesetzt werden.

Langwellige IR-Detektoren verfügen über eine relativ geringe Auflösung von typischerweise 320 x 240 oder 640 x 480 Pixel. Sensoren der nächsten Generation, die nun auf den Markt kommen, liefern jedoch auch Megapixelauflösung.

Optiken

SWIR- und MWIR-Kameras verwenden Standardglasoptiken, da Glas für diese Wellenlängen eine gute Durchlässigkeit aufweist. Für LWIR hingegen werden spezielle Optiken benötigt, die aus Saphir, Germanium oder Silbersalzen aufgebaut sind. Diese Optiken sind teuer, deshalb werden in den meisten Fällen Optiken mit fester Brennweite eingesetzt, obwohl auch Zoomoptiken zur Verfügung stehen.

Thermographie - Temperaturmessung

Für Thermographie-Anwendungen kann sowohl kurzwelliges als auch mittelwelliges und langwelliges Infrarot genutzt werden. Normalerweise werden hierfür meist LWIR-Kameras eingesetzt. SWIR- und MWIRSensoren werden dagegen für Materialien mit höheren Temperaturen genutzt. So emittiert zum Beispiel Stahl, der auf extreme Temperaturen aufgeheizt wurde, Wellenlängen im sichtbaren Spektrum (rot): Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Temperatur.

Thermographie ist ein sehr umfassendes Thema und beinhaltet Messungen, die nicht nur von der Abstrahlung eines Objektes, sondern auch vom Reflexionsgrad und der IR-Durchlässigkeit eines Objektes abhängen. So müssen Kameras unter Verwendung eines schwarzen Objekts (black body), das ein perfekter Wärmeenergiespender ist, kalibriert werden, damit die Sensorangaben exakt mit den spezifischen Temperaturen in Beziehung gebracht werden können.

Die nachfolgenden Bilder zeigen eine identische Szene unter sichtbarem Licht (oben), SWIR (links) und LWIR (rechts). Das rechte Fahrzeug wurde vor Kurzem gefahren, was an den heißen Reifen und der Kühlerhaube im LWIR-Bild zu erkennen ist. Die Fahrzeuge in der Mitte und links stehen bereits seit einiger Zeit, das linke Fahrzeug hat jedoch eine warme Kühlerhaube, da diese bereits durch die Sonneneinstrahlung aufgeheizt wurde. Das SWIR-Bild zeigt Glasflächen als nicht transparent an, während das Bild im sichtbaren Licht keine dieser Informationen beinhaltet.

Die nächsten Bilder zeigen LED-Aufbauten mit und ohne Kühlung. Die Bilder nutzen Pseudofarben, um Temperaturveränderungen anzuzeigen und klar die Vorteile dieser Technik aufzuzeigen. Besonders im Medizin- und Sicherheitsbereich spielt Thermographie eine wichtige Rolle.

Sie kann z.B. bei der Erkennung von potentiell gefährlichem Fieber in Menschenansammlungen und sehr einfach an öffentlichen Orten eingesetzt werden. Andere Anwendungen für Thermographie sind beispielsweise die Kontrolle von Carpool-Spuren, wo überprüft wird, wie viele Passagiere sich in einem Fahrzeug befinden, oder verschiedenste Anwendungen im Recycling-Bereich.