Unsichtbares sichtbar machen

Seit Februar 2017 richtet die ESA-Mission NELIOTA ein Teleskop auf den Mond, um Einschläge von Meteoriten und Asteroiden aufzuzeichnen. Binnen 813 Tagen schlugen 58 Near-Earth Objects (NEOs) ein. Forscher des National-Observatoriums Athen dokumentierten sie mit zwei 5,5 Megapixel-sCMOS-Kameras der Oxford Instruments Tochter Andor. Diese liefern 30 hochaufgelöste Bilder pro Sekunde, die sie jeweils mit nanosekunden-genauen Zeitstempeln versehen. Zudem filmen die Kameras auf zwei verschiedenen photometrischen Bändern, was es den Forschern erlaubt, auch die Temperatur der schwachen Lichtblitze zur bestimmen, die von den Einschlägen ausgehen.

Die sCMOS (PDF, 8,44 MB) - (scientific Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Sensortechnik bietet besonders hohe Auflösungen, hohe Quantenwirkungsgrade, Bildraten und besticht durch ihren Dynamikumfang. Mit dem Einsatz in der Astronomie geht NELIOTA neue Wege. Bisher setzen Weltraumforscher bei der Erkundung und Dokumentation auf CCD-Kameras – etwa bei der Suche nach erdähnlichen Planeten.

Dagegen hat die sCMOS-Sensorik in der Mikroskopie einen festen Platz: sCMOS-Kameras von PCO, XIMEA oder von Teledyne Photometrics sind heute in unterschiedlichsten Verfahren der Hellfeld- und Fluoreszenzmikroskopie, der Einzelmolekül-Lokalisierung, in Hochdurchsatz-Screenings und vielen weiteren wissenschaftlichen Imaging-Anwendungen im Einsatz.

Quantenpunkttechnologie ergänzt InGaAs-Sensorik

Für das Imaging im kurzwelligen Infrarotspektrum (SWIR) gelten Indium-Gallium-Arsenid-(InGaAs)-Sensoren als Mittel der Wahl. Doch auch hier ist die kostengünstigere CMOS-Technologie auf dem Vormarsch. Der US-Hersteller SWIR Vision Systems setzt bei seinen neuen Acuros™ Kameras auf die Kombination von CMOS-Pixeln mit kristallinen kolloidalen Quantenpunkten (CQD). Dafür bringt das Unternehmen CQD-Halbleiterkristalle direkt auf Silizium-CMOS-Schaltungen auf – und realisiert so nach eigenen Angaben eine monolithische Fotodetektorstruktur, die signifikant günstiger ist als die InGaAs-Sesnorik. SWIR Vision bietet CQD-Kameras mit bis zu 2,1 Megapixeln an. In Kombination mit modernen GigE- oder USB3-Schnittstellen ermöglichen sie im spektralen Band von 400 bis 1.700 nm Bildraten bis 380 fps (10 bit / 640x510 px); in der höchsten Auflösung 30 fps (14 bit /1920x1080 px). Laut LASER 2000, die die Acuros™-Kameras vertreibt, stoßen diese auf enorme Marktresonanz.

Die SWIR-Bildgebung im Wellenlängenbereich von 900 bis 1.700 nm macht für menschliche Augen Unsichtbares sichtbar. So wird Silizium in Bereich ab 1.150 nm transparent, was sich die Halbleiter-Industrie in der Prüfung von Wavern, Mikrochips oder Photovoltaik-Paneelen zunutze macht. Auch farbige Kunststoffflaschen und Folien werden im SWIR-Spektrum durchsichtig – und geben so den Blick auf bereits verpackte Lebensmittel frei. Und es gibt Dutzende weitere Anwendungen, in den die SWIR-Bildgebung mit Kameras von Herstellern wie Raptor Photonics, ARTRAY oder Emberion OY, Hamamatsu und Xenics mittlerweile gang und gäbe ist. Systemintegratoren wie Acal BFi, Stemmer, oder Polytec sorgen für passgenaue Gesamtlösungen.

Schnittstellen für mehr Bandbreite

Nicht nur die Auswahl an Bildsensoren nimmt zu. Immer höhere Auflösungen treiben die Entwicklung neuer Datenübertragungsstandards mit Gigabyte-Bandbreiten voran. Highspeed-Kameras erfassen Fertigungsprozesse en Detail und lassen die Vision lückenloser Qualitätsüberwachung immer näher rücken. Dabei erreichen Kamerahersteller immer neue Superlative. So meldet die SVS-Vistek GmbH die „schnellste 31 Megapixel Kamera mit Sonys IMX342-Sensor auf dem Markt“ und kündigt bereits eine CMOS-Flächenkamera mit sagenhafter Auflösung von 151 Megapixeln für anspruchsvollste Inspektionen von Wafern, Solarpanels oder Displays an. Vierfach-CoaXpress- oder neue 10GigE-Schnittstellen sorgen für die nötige Bandbreite. Kombiniert man vier CoaXPress-Interfaces mit je 6,25 Gbit/s summiert sich die Übertragungsrate auf 25 Gbit/s.

Alternative ist die Übertragung mithilfe des neuen 10 Gigabit-Ethernet (10 GigE) Standards, die zwar eine geringere Bandbreite bieten, dafür aber selbst bei 100 Metern Übertragungsweg stabile Datenraten gewährleistet. Ein Vorteil, den auch die schweizerische Photonfocus AG für ihre neue MV4 Plattform für die Industrielle Bildverarbeitung nutzt. Ebenfalls für Machine-Vision-Anwendungen liefert die Optronis GmbH einen weiteren Superlativ. Mit vier CoaX-Press 2.0 Schnittstellen erlauben ihre Hochgeschwindigkeits-Kameras der CamPerform-Cyclone Serie Datenraten von 50 Gbit/s. Die Kameras nehmen 2.158 Bilder pro Sekunde mit jeweils 2 Megapixeln Auflösung auf. Bei 5 Megapixeln sind es immer noch 705 Bilder pro Sekunde. Solche Lösungen sind es, die in Industrie 4.0 Prozessen selbst bei höchsten Bandgeschwindigkeiten vollen Durchblick gewährleisten – und das vermeintlich Unsichtbare sichtbar machen.

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