Zobrazovací techniky mimo viditelnou vlnovou délku rozšiřují aplikace strojového vidění.

Multispektrální a hyperspektrální kamery jsou nasazovány v mnoha aplikacích a odvětvích, jednou z oblastí, která se díky nástupu těchto technologií zlepšila, je průmyslová kontrola. Kontrola kvality potravinářských a nápojových výrobků, kontrola a třídění farmaceutických výrobků, kontrola barev a monitorování procesů jsou jen hrstkou příkladů toho, jak se dnes neviditelné zobrazovací komponenty promítají do systémů strojového vidění.

Obrázek 1: Multispektrální kamery Sweep + a Fusion založené na prizmatické technologii poskytují simultánní snímky různých světelných spekter prostřednictvím jediné optické cesty.

Na základě prizmatické technologie poskytující současné snímání podél jediné optické dráhy bez filtračních koleček nebo jiných pohyblivých částí nabízí společnost JAI (San Jose, Kalifornie, USA, www.jai.com) několik multispektrálních kamer (obr. 1). Pro uživatele kamer pro plošné snímání nabízí společnost JAI tři multispektrální kamery řady Fusion. Tyto modely se snímači 2-CCD se liší pouze rozlišením a datovými rozhraními: AD-080CL (0,8 MPixel, rozhraní Camera Link, 30 fps), AD-080GE (0,8 MPixel, rozhraní GigE Vision, 30 fps) a AD-130GE (1,3 MPixel, rozhraní GigE Vision, 31 fps.) Každá kamera je založena na stejném multispektrálním aspektu, kdy Bayerův snímač CCD snímá viditelné barevné obrazy (400 až 700 nm) v jednom kanálu a monochromatický snímač snímá data v blízké infračervené oblasti (750 až 900+ nm) ve druhém kanálu.

Pro uživatele kamer s řádkovým snímáním nabízí společnost JAI tři multispektrální kamery řady Sweep+. Tyto čtyřřádkové kamery na bázi hranolů poskytují samostatné kanály pro data R, G, B a NIR. Kamera SW-2001Q-CL je založena na matici CCD 4 x 2048 pixelů a je vybavena rozhraním Camera Link s řádkovou frekvencí 19 kHz, zatímco kamera LQ-401CL – rovněž s rozhraním Camera Link – využívá matici CMOS 4 x 4096 s řádkovou frekvencí 18 kHz. Model SW-4000Q-10GE s rozhraním 10GigE používá pole CMOS 4 x 4096 bodů s řádkovou frekvencí 72 kHz.

Související: Společnost nabízí také možnost multispektrálního řádkového snímání v řadě Wave s modelem WA-1000D-CL, který je vybaven dvěma řádkovými snímači InGaAs s hranolovou montáží (2 x 1024 pixelů, rozhraní Camera Link, řádková frekvence 39 kHz). Jeden kanál pokrývá horní část spektra NIR a dolní část pásma SWIR (900 až 1400 nm), zatímco druhý kanál spadá do horní části pásma SWIR od 1400 do 1700 nm.Obrázek 3: Na základě chlazeného detektoru InSb lze hyperspektrální zobrazovací kameru FX50 nasadit při třídění černých plastů a při detekci kontaminace kovových povrchů.

„Díky využití různých úzkopásmových zdrojů světla v oblasti NIR a SWIR spolu s technikami fúze obrazu lze tuto kameru použít k detekci a třídění obtížně rozlišitelných látek, zejména v aplikacích, jako je kontrola potravin a recyklace plastů,“ říká Rich Dickerson, manažer marketingové komunikace společnosti JAI.

Společnost Salvo Technologies (dříve PIXELTEQ; Seminole, FL, USA; www.opticalfiltershop.com), která rovněž vyvíjí multispektrální kamery výrobou filtrů a připojováním mikroskopických filtrů přímo k obrazovým snímačům prostřednictvím systému aktivního zarovnání, nabízí řadu multispektrálních a polarimetrických zobrazovačů. Kamery řady SpectroCam, které jsou k dispozici v ultrafialové, VIS a SWIR verzi, jsou založeny na plynule rotujícím filtračním kolečku složeném ze šesti až osmi vyměnitelných optických filtrů. Verze UV a VIS, které pokrývají vlnové délky 200 až 900 nm, resp. 400 až 1000 nm, jsou založeny na obrazových snímačích CCD, zatímco verze SWIR používají snímače InGaAs.

Multispektrální kamery PixelCam poskytují multispektrální zobrazovací funkce ve třech až devíti spektrálních pásmech při rychlosti až 30 snímků za sekundu. Všechny tři modely jsou podle společnosti založeny na snímačích CCD (4 nebo 8 MPixel) s vlastními dichroickými filtrovými poli integrovanými do pole ohniskové roviny na úrovni destičky, které získávají vysoce kontrastní spektrální informace v určitých viditelných a infračervených vlnových délkách. Tyto kamery jsou citlivé v rozsahu 400 až 1 000 nm a jsou k dispozici ve verzích GigE nebo CoaXPress se snímkovou frekvencí až 15 fps.

Spectral Devices (Londýn, ON, Kanada; www.spectraldevices.com) nabízí dva typy multispektrálních kamer, snímací a řádkové. Kamery pro řádkové snímání jsou založeny na 2 MPixelovém obrazovém snímači CMV2000 s globální závěrkou CMOS od společnosti ams (Premstaetten, Rakousko; www.ams.com) a jsou nabízeny ve třech standardních čtyřpásmových kamerách a také v zákaznických modelech kamer s rozsahem 2 až 16 různých pásem. Tyto kamery se zaměřují na aplikace, jako je zajištění a kontrola kvality potravin a kontrola oplatek.Obrázek 4: Hyperspektrální kamera Pika L se spektrálním rozsahem 400 až 1000 nm má rozměry pouhých 3,9 x 4,9 x 2,2 palce a je určena pro aplikace strojového vidění a dálkového snímání.

Snímací kamery jsou založeny na obrazovém snímači CMV4000 CMOS s rozlišením 4 MPixel, který rovněž vyvinula společnost ams, a jsou určeny pro současné snímání scény ve více pásmech. Kamery jsou nabízeny v šesti standardních modelech – a také v modelech na zakázku – a snímají 2 až 16 pásem rychlostí až 94 snímků za sekundu při plné snímkové frekvenci. Tyto multispektrální kamery jsou podle společnosti vhodné pro použití v aplikacích, jako je robotika, zpracování potravin a měření barev.

Související: Společnost imec (Leuven, Belgie; www.imec-int.com) vyvinula multispektrální obrazový snímač s časovou integrací (TDI) nazvaný Argus, který je založen na technologii CCD-in-CMOS. Senzory používají formát se 4096 sloupci a 256 stupni na pole CCD (nebo pásmo) s velikostí pixelu 5,4 µm. Navíc je k dispozici verze se sedmi pásmy, která umožňuje uživatelům přidat sedm spektrálních filtrů.

Tyto prototypy integrují ovladače CMOS a čtecí obvody a dosahují řádkové rychlosti až 300 kHz. V kombinaci se spektrálními filtry je možné multispektrální zobrazování TDI, a to s přizpůsobeným počtem pásem a stupňů TDI. Barevné nebo spektrální filtry lze dodatečně zpracovat na destičce nebo krycím skleněném víku.

Hyperspektrální zobrazování

Pro umožnění hyperspektrálního zobrazování vytvořil imec také hotové hyperspektrální obrazové senzory založené na destičkách aplikovaných přímo na pixely (obr. 2) na obrazovém senzoru CMV2000 CMOS od ams. Tyto obrazové snímače jsou k dispozici ve formátech mozaikového snímku, dlaždicového snímku, klínového řádkového snímání a řádkového snímání CCD s časovým zpožděním integrace (TDI) a nabízejí varianty se 4, 7, 16, 25, 32, 100+ a 150+ pásmy. Obrazové snímače jsou integrovány do několika modelů kamer strojového vidění, které jsou všechny vhodné pro použití v různých průmyslových kontrolních aplikacích.

XIMEA (Münster, Německo; www.ximea.com) nabízí čtyři modely založené na snímačích imec, včetně dvou mozaikově skládaných snímačů s 16 a 25 pásmy a dvou modelů pro řádkové snímání se 100 a 150 pásmy. Tyto kamery jsou vybaveny buď rozhraním USB3 s rychlostí 170 snímků/s, nebo PCIe s rychlostí až 340 snímků/s a spektrálními rozsahy RGB+NIR, 470 až 630 nm, 600 až 950 nm, 600 až 975 nm a 470 až 900 nm v závislosti na modelu.

„Díky použití úzkopásmových spektrálních filtrů na úrovni pixelů s využitím polovodičového zpracování tenkých vrstev umožňuje technologie společnosti imec snížit rozměry hyperspektrálních obrazových senzorů, snížit jejich hmotnost a být vhodné pro vestavěné systémy vidění,“ říká Ivan Klimkovic, Key Account Manager společnosti XIMEA. „Společnost XIMEA spojila hyperspektrální senzory imec se svou kamerovou platformou xiQ, která doplňuje důležitý faktor velikosti tím, že nabízí rozměry 26,4 x 26,4 x 31 mm a hmotnost pouhých 31 gramů.“

Photonfocus (Lachen, Švýcarsko; www.photonfocus.com) nabízí také tři hyperspektrální kamery se senzory imec. Tyto kamery jsou k dispozici ve formátech mozaiky snímků a nabízejí varianty s 16 nebo 25 pásmy. Kamery s rozhraním GigE nabízejí rychlost až 50 snímků za sekundu a spektrální rozsahy 470 až 630 nm, 470 až 900 nm, 595 až 860 nm, 600 až 975 nm a 665 až 975 nm v závislosti na modelu.

Dále společnost imec spolupracovala se společností Adimec (Eindhoven, Nizozemsko; www.adimec.com) na vývoji hyperspektrálního systému imec VNIR, který je založen na kameře strojového vidění Adimec Quartz s obrazovým snímačem CMOS s rozlišením 2 MPixel. Tento systém nabízí formát řádkového snímání s více než 150 pásmy a rozhraním Camera Link a spektrální rozsah 470 až 900 nm nebo 600 až 1000 nm.

Imec má také vlastní hyperspektrální produkty, včetně systémů SNAPSCAN NIR, SNAPSCAN VNIR a SNAPSCAN SWIR, které jsou vybaveny rozhraním USB 3.0 a nabízejí formáty snímků a řádkového skenování s pásmy 100+ a 150+ a spektrálními rozsahy 470 až 900 nm, 600 až 1000 nm a 1100 až 1700 nm v závislosti na modelu.

Související: Hyperspektrální zobrazovací systém hodnotí zemědělské produkty

Mnoho společností zabývajících se strojovým viděním vyvíjí hyperspektrální kamery i mimo oblast imec, včetně společnosti Specim (Oulu, Finsko; www.specim.fi), která nabízí kamery řady FX. Tyto hyperspektrální kamery pracují v režimu řádkového skenování, jsou k dispozici v provedení GigE, Camera Link nebo vlastní Ethernet a jsou navrženy speciálně pro průmyslové aplikace strojového vidění.

Kamera FX50 (obr. 3) je založena na chlazeném detektoru InSb a vyznačuje se prostorovým rozlišením 640 pixelů, spektrálním rozsahem 2,7 až 5,3 µm, rychlostí pořizování obrazu 380 fps a volným výběrem vlnové délky ze 154 pásem v rámci pokrytí kamery. Tato kamera je podle společnosti vhodná pro použití při třídění černých plastů a při detekci kontaminace kovových povrchů.

„Plastový odpad je obrovský problém: odhaduje se, že do roku 2050 bude v oceánech více plastů než ryb. Většinu nerecyklovatelných plastů tvoří smíšené typy plastů, které nelze znovu použít, protože tradiční technologie třídění plastů nesplňují průmyslové požadavky na jejich dostatečně spolehlivé a efektivní třídění,“ říká Hannu Mäki-Marttunen, vedoucí oddělení prodeje & marketingu společnosti Specim. „Zde nastupují hyperspektrální kamery řady Specim FX. S kamerami FX17 a zcela novou FX50 nyní dokážeme identifikovat a třídit různé plasty, dokonce i černé plasty, a to s přesností až 99 %.“

Pokračuje: „To znamená, že koncoví zákazníci společnosti Specim nyní mohou přeměnit plastový odpad na cenný zdroj, který lze znovu využít jako surovinu pro plastikářský průmysl.“

Model FX17 je kamera na bázi InGaAs se spektrálním rozsahem 900 až 1700 nm, rychlostí pořizování obrazu 670 snímků/s a volným výběrem vlnové délky z 224 pásem v rámci pokrytí kamery. Cílové aplikace zahrnují kvalitu potravin a krmiv, třídění odpadu, recyklaci a měření vlhkosti. Model FX10 je kamera založená na obrazovém snímači CMOS se spektrálním rozsahem 400 až 1000 nm, rychlostí pořizování obrazu 330 snímků/s a volným výběrem vlnové délky z 224 pásem v rámci pokrytí kamery. Tato kamera se podle společnosti zaměřuje na aplikace strojového vidění, jako je kontrola kvality potravin a detekce barvy/hustoty v tiskařských aplikacích.

Specim nabízí řadu dalších hyperspektrálních kamer, včetně modelů Fenix, PFD-65-V10E a sCMOS-50-V10E, a také přenosnou kameru Specim IQ, která umožňuje mobilní analýzu materiálů a nabízí spektrální rozsah 400 až 1000 nm.

HinaLea Imaging (Kapolei, HI, USA; www.hinaleaimaging.com) rovněž vyrábí hyperspektrální kamery, včetně širokoúhlé kamery Model 4200, která má prostorové rozlišení snímače 2,3 MPixelů, citlivost v rozsahu 400 až 1000 nm a přístup až k 600 spektrálním pásmům. Společnost nabízí také ruční kameru Model 4100H, která údajně poskytuje 2,3 MPixelové datové kostky až v 550 spektrálních pásmech ve viditelné a blízké infračervené oblasti vlnových délek (400 až 1000 nm). Zařízení má také vestavěný procesor a zabudované osvětlení.

„O naše kamery pro kontrolu bezpečnosti potravin a zpracování polovodičů je obrovský a stále rostoucí zájem,“ říká Alexandre Fong, viceprezident pro inženýrství. „Se zavedením nákladově efektivních spektrálních řešení existuje potenciál pro transformaci automatizovaných kontrolních aplikací s touto hloubkou nových informací.“

Další společností vyvíjející spektrální kamery je Headwall Photonics (Bolton, MA, USA; www.headwallphotonics.com), která se zaměřuje na pokročilé aplikace strojového vidění jako na jeden ze svých hlavních trhů. Například u své kamery Micro-Hyperspec uvádí společnost jako cílovou aplikaci strojové vidění. Tato kamera je k dispozici ve verzích VNIR, NIR, rozšířené NIR a SWIR, přičemž všechny nabízejí rozhraní Camera Link: VNIR A-Series (400 až 1000 nm, křemíkový CCD snímač, 324 volitelných spektrálních pásem, 90 fps); VNIR E-Series (400 až 1000 nm, sCMOS snímač, 369 volitelných spektrálních pásem, 250 fps); NIR 640 (900 až 1700 nm, InGaAs detektor, 134 volitelných spektrálních pásem, 120 fps); NIR 320 (900 až 1700 nm, InGaAs detektor, 67 volitelných spektrálních pásem, 346 fps); rozšířená VNIR 640 (600 až 1700 nm, InGaAs detektor, 267 volitelných spektrálních pásem, 120 fps); SWIR 384 (900 až 2500 nm, MCT detektor, 166 volitelných spektrálních pásem, 450 fps); a SWIR 640 (900 až 2500 nm, MCT detektor, 267 volitelných spektrálních pásem, >200 fps).

Výhradně pro aplikace strojového vidění je určena kamera Hyperspec MV, která má rozsah vlnových délek 400 až 1000 nm, 270 volitelných spektrálních pásem, rozhraní Camera Link a rychlost pořizování obrazu 485 fps.

Společnost BaySpec (San Jose, Kalifornie, USA; www.bayspec.com), která vyvíjí spektrální přístroje pro průmyslová odvětví včetně výzkumu a vývoje, biomedicíny a optických telekomunikací, má také hyperspektrální kamery vhodné pro průmyslovou kontrolu. Jednou z takových kamer je kamera USB 3.0 na bázi kamery OCI-OEM, která slouží jako optický motor hyperspektrálních zobrazovačů OCI-1000 (push-broom, až 120 fps) a OCI-2000 (snapshot, až 120 fps), které pokrývají oblast 600 až 1000 nm s možností volby až 100 (OCI-1000) nebo 25 (OCI-2000) spektrálních pásem.

Další možností je hyperspektrální kamera GoldenEye Snapshot, která využívá vlastní technologii FT-PI a pokrývá rozšířený rozsah 400 až 1700 nm, má 40 až 52 volitelných spektrálních pásem a snímkovou frekvenci 1 fps při 648 x 488 prostorových pixelech.

Podobně je na tom společnost Resonon (Bozeman, MT, USA; www.resonon.com), která vyvíjí hyperspektrální kamery pro laboratorní, venkovní a dálkové snímání, přičemž se zaměřuje i na trh strojového vidění. Pro použití v průmyslových zobrazovacích aplikacích jsou podle společnosti vhodné následující kamery: Pika L (obr. 4; spektrální rozsah 400 až 1000 nm, 281 volitelných spektrálních pásem, 249 snímků za sekundu, rozhraní USB 3.0), Pika XC2 (spektrální rozsah 400 až 1000 nm, 447 volitelných spektrálních pásem, 165 snímků za sekundu, rozhraní USB 3.0), Pika XC2 (spektrální rozsah 400 až 1000 nm, 447 volitelných spektrálních pásem, 165 snímků za sekundu, rozhraní USB 3.0).0), Pika NIR-320 (spektrální rozsah 900 až 1700 nm, 164 volitelných spektrálních pásem, 520 fps, rozhraní GigE) a Pika NIR-640 (900 až 1700 nm, 328 volitelných spektrálních pásem, 249 fps, rozhraní GigE.)

Nakonec nabízí dvě hyperspektrální zobrazovací kamery pro průmyslové zobrazovací aplikace v řadě HySpex společnost Norsk Elektro Optikk (NEO; Skedsmokorset, Norsko; www.hyspex.no). Kamera HySpex SWIR-384 je založena na snímači MCT a nabízí spektrální rozsah 950 až 2 500 nm s 288 volitelnými spektrálními pásmy a snímkovou frekvencí 400 snímků za sekundu při plném spektrálním rozsahu (škálovatelném zmenšením rozsahu), zatímco kamera HySpex VNIR-1024 je založena na obrazovém snímači CMOS a nabízí spektrální rozsah 400 až 1 000 nm se 108 volitelnými spektrálními pásmy a snímkovou frekvencí 700 snímků za sekundu při plném spektrálním rozlišení.

Obě hyperspektrální kamery jsou podle společnosti extrémně ostré – spektrálně i prostorově – s méně než 10% prostorovou a spektrální chybnou registrací (smile a keystone).