Las técnicas de imagen más allá de la longitud de onda visible mejoran las aplicaciones de visión artificial.

Aunque las cámaras multiespectrales e hiperespectrales se despliegan en muchas aplicaciones e industrias, un área mejorada por la aparición de estas tecnologías es la inspección industrial. La inspección de calidad de productos alimenticios y bebidas, la inspección y clasificación de productos farmacéuticos, la inspección del color y la supervisión de procesos son sólo un puñado de ejemplos de cómo los componentes de imágenes no visibles son un factor en los sistemas de visión artificial hoy en día.

Figura 1: Basadas en la tecnología de prismas, las cámaras multiespectrales Sweep + y Fusion proporcionan imágenes simultáneas de diferentes espectros de luz a través de una única trayectoria óptica.

Basado en la tecnología de prisma que proporciona una captura simultánea a lo largo de una sola trayectoria óptica sin ruedas de filtro u otras piezas móviles, JAI (San José, CA, EE.UU., www.jai.com) ofrece varias cámaras multiespectrales (Figura 1). Para los usuarios de cámaras de exploración de área, JAI ofrece tres cámaras multiespectrales en su serie Fusion. Estos modelos de sensores de 2 CCD sólo difieren en la resolución y las interfaces de datos: AD-080CL (0,8 MPixel, interfaz Camera Link, 30 fps), AD-080GE (0,8 MPixel, interfaz GigE Vision, 30 fps), y AD-130GE (1,3 MPixel, interfaz GigE Vision, 31 fps.) Cada cámara se basa en el mismo aspecto multiespectral, en el sentido de que un CCD Bayer captura imágenes en color visible (400 a 700 nm) en un canal, y un sensor monocromo captura datos en el infrarrojo cercano (750 a 900+ nm) en un segundo canal.

Para los usuarios de cámaras de barrido lineal, JAI ofrece tres cámaras multiespectrales en su serie Sweep+. Estas cámaras cuadrilineales basadas en prismas proporcionan canales separados para datos R, G, B y NIR. La SW-2001Q-CL se basa en una matriz de píxeles CCD de 4 x 2048 y cuenta con una interfaz Camera Link con una frecuencia de línea de 19 kHz, mientras que la LQ-401CL -también con interfaz Camera Link- utiliza una matriz CMOS de 4 x 4096 con una frecuencia de línea de 18 kHz. Con una interfaz de 10GigE, la SW-4000Q-10GE utiliza una matriz CMOS de 4 x 4096 con una frecuencia de línea de 72 kHz.

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Por último, la compañía también ofrece una opción de escaneo de línea multiespectral en su serie Wave, con su WA-1000D-CL, que cuenta con dos, sensores de línea InGaAs montados en prisma (2 x 1024 píxeles, interfaz Camera Link, frecuencia de línea de 39 kHz). Un canal cubre el espectro NIR superior y la banda SWIR inferior (900 a 1400 nm), mientras que el segundo canal se sitúa en la parte superior de la banda SWIR, de 1400 a 1700 nm.Figura 3: Basada en un detector de InSb refrigerado, la cámara de imágenes hiperespectrales FX50 puede desplegarse en la clasificación de plástico negro y en la detección de contaminación en superficies metálicas.

«Al utilizar diferentes fuentes de luz de banda estrecha en el rango NIR y SWIR, junto con técnicas de fusión de imágenes, esta cámara puede utilizarse para detectar y clasificar sustancias difíciles de diferenciar, especialmente en aplicaciones como la inspección de alimentos y el reciclaje de plásticos», afirma Rich Dickerson, director de comunicaciones de marketing de JAI.

También desarrollando cámaras multiespectrales mediante la fabricación de filtros y la fijación de filtros con micropatrones directamente a los sensores de imagen a través de un sistema de alineación activa, Salvo Technologies (anteriormente PIXELTEQ; Seminole, FL, EE.UU.; www.opticalfiltershop.com), ofrece una gama de cámaras multiespectrales y polarimétricas. Las cámaras de la serie SpectroCam, que están disponibles en versiones ultravioleta, VIS y SWIR, se basan en una rueda de filtros de rotación continua compuesta por entre seis y ocho filtros ópticos intercambiables. Las versiones UV y VIS -que cubren de 200 a 900 nm y de 400 a 1000 nm respectivamente- se basan en sensores de imagen CCD, mientras que las versiones SWIR utilizan sensores InGaAs.

Las cámaras multiespectrales PixelCam permiten obtener imágenes multiespectrales de tres a nueve bandas espectrales, a un máximo de 30 fps. Los tres modelos se basan en sensores CCD (de 4 u 8 megapíxeles) con conjuntos de filtros dicroicos personalizados integrados en el plano focal a nivel de oblea que extraen información espectral de alto contraste en longitudes de onda visibles e infrarrojas específicas, según la empresa. Estas cámaras son sensibles en el rango de 400 a 1000 nm y están disponibles en versiones GigE o CoaXPress con velocidades de cuadro de hasta 15 fps.

Spectral Devices (London, ON, Canadá; www.spectraldevices.com) ofrece dos tipos de cámaras multiespectrales, de instantánea y de barrido lineal. Las cámaras de barrido lineal de la empresa se basan en el sensor de imagen CMV2000 de 2 megapíxeles con obturador global de ams (Premstaetten, Austria; www.ams.com) y se ofrecen en tres cámaras estándar de cuatro bandas, así como en modelos de cámaras personalizadas que van de 2 a 16 bandas diferentes. Estas cámaras están destinadas a aplicaciones como el control e inspección de la calidad de los alimentos y la inspección de obleas.Figura 4: Con un rango espectral de 400 a 1000 nm, la cámara hiperespectral Pika L mide sólo 3,9 x 4,9 x 2,2 pulgadas y está destinada a aplicaciones de visión artificial y teledetección.

Las cámaras hiperespectrales se basan en el sensor de imagen CMV4000 de 4 megapíxeles, también desarrollado por ams, y están diseñadas para la captura simultánea de una escena en múltiples bandas. Se ofrecen en seis modelos estándar -así como en modelos personalizados- y las cámaras capturan entre 2 y 16 bandas a velocidades de hasta 94 fps a plena velocidad de cuadro. Estas cámaras multiespectrales, según la empresa, son adecuadas para su uso en aplicaciones como la robótica, el procesamiento de alimentos y la medición del color.

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Por lo que respecta a los sensores, imec (Lovaina, Bélgica; www.imec-int.com) ha desarrollado un sensor de imagen multiespectral de integración por retardo de tiempo (TDI) denominado Argus, que se basa en la tecnología CCD-in-CMOS. Los sensores utilizan un formato con 4.096 columnas y 256 etapas por matriz CCD (o banda), con un tamaño de píxel de 5,4 µm. Además, está disponible una versión con siete bandas, que permite a los usuarios añadir siete filtros espectrales.

Estos prototipos integran controladores CMOS y circuitos de lectura y alcanzan una velocidad de línea de hasta 300 kHz. Cuando se combinan con filtros espectrales, es posible obtener imágenes TDI multiespectrales, y con un número personalizado de bandas y etapas TDI. Los filtros de color o espectrales pueden procesarse posteriormente en la oblea o en la tapa de cristal de protección.

Imágenes hiperespectrales

Para permitir la obtención de imágenes hiperespectrales, imec también ha creado sensores de imagen hiperespectrales listos para usar, basados en obleas aplicadas directamente sobre los píxeles (figura 2) del sensor de imagen CMV2000 CMOS de ams. Estos sensores de imagen están disponibles en formatos de mosaico instantáneo, mosaico instantáneo, cuña de barrido lineal y barrido lineal CCD de integración con retardo de tiempo (TDI) y ofrecen opciones con 4, 7, 16, 25, 32, 100+ y 150+ bandas. Los sensores de imagen se integran en varios modelos de cámaras de visión artificial, todos ellos adecuados para su uso en diversas aplicaciones de inspección industrial.

XIMEA (Münster, Alemania; www.ximea.com) ofrece cuatro modelos basados en sensores imec, entre los que se incluyen dos sensores de mosaico con 16 y 25 bandas, y dos modelos de escaneo lineal con 100 y 150 bandas. Estas cámaras cuentan con una interfaz USB3 con velocidades de 170 fps o PCIe con hasta 340 fps, y rangos espectrales de RGB+NIR, 470 a 630 nm, 600 a 950 nm, 600 a 975 nm y 470 a 900 nm, según el modelo.

«Al aplicar filtros espectrales de banda estrecha a nivel de píxel mediante el procesamiento de películas finas de semiconductores, la tecnología de imec permite que las soluciones de sensores de imagen hiperespectrales reduzcan el factor de forma, disminuyan el peso y sean adecuadas para los sistemas de visión integrados», afirma Ivan Klimkovic, Key Account Manager de XIMEA. «XIMEA ha acoplado los sensores hiperespectrales de imec a su plataforma de cámara xiQ, que complementa el importante factor de tamaño al ofrecer unas dimensiones de 26,4 x 26,4 x 31 mm y un peso de apenas 31 gramos».

Photonfocus (Lachen, Suiza; www.photonfocus.com) ofrece también tres cámaras hiperespectrales con sensores de imec. Disponibles en formatos de mosaico instantáneo, estas cámaras ofrecen opciones con 16 o 25 bandas. Con una interfaz GigE, las cámaras ofrecen velocidades de hasta 50 fps y rangos espectrales de 470 a 630 nm, 470 a 900 nm, 595 a 860 nm, 600 a 975 nm y 665 a 975 nm, según el modelo.

Además, imec se asoció con Adimec (Eindhoven, Países Bajos; www.adimec.com) para desarrollar el sistema hiperespectral VNIR de imec, que se basa en una cámara de visión artificial Quartz de Adimec con un sensor de imagen CMOS de 2 MPixel. Este sistema, que ofrece un formato de escaneo lineal con más de 150 bandas y una interfaz Camera Link, cuenta con un rango espectral de 470 a 900 nm o de 600 a 1000 nm.

Imec también cuenta con sus propios productos hiperespectrales, como los sistemas SNAPSCAN NIR, SNAPSCAN VNIR y SNAPSCAN SWIR, que cuentan con una interfaz USB 3.0 y ofrecen formatos de escaneo instantáneo y lineal con 100+ y 150+ bandas, así como rangos espectrales de 470 a 900 nm, 600 a 1000 nm y 1100 a 1700 nm, según el modelo.

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Numerosas empresas de visión artificial también desarrollan cámaras hiperespectrales fuera del ámbito de imec, entre ellas Specim (Oulu, Finlandia; www.specim.fi), que ofrece la serie de cámaras FX. Estas cámaras hiperespectrales funcionan en modo de barrido lineal, están disponibles en GigE, Camera Link o Ethernet personalizada, y están diseñadas específicamente para aplicaciones de visión artificial industrial.

La cámara FX50 (figura 3) se basa en un detector InSb refrigerado y presenta una resolución espacial de 640 píxeles, un rango espectral de 2,7 a 5,3 µm, una velocidad de adquisición de imágenes de 380 fps y una selección libre de la longitud de onda entre 154 bandas dentro de la cobertura de la cámara. Esta cámara, según la empresa, es adecuada para su uso en la clasificación de plástico negro y en la detección de contaminación en superficies metálicas.

«Los residuos de plástico son un problema enorme: se calcula que en 2050 habrá más plástico en los océanos que peces. La mayor parte de los plásticos no reciclables está formada por tipos de plástico mezclados que no pueden reutilizarse porque las tecnologías tradicionales de clasificación de plásticos no cumplen los requisitos industriales para separarlos con la suficiente fiabilidad y eficacia», afirma Hannu Mäki-Marttunen, responsable de ventas & marketing de Specim. «Aquí es donde entran en juego las cámaras hiperespectrales de la serie FX de Specim. Con la FX17 y la flamante FX50, ahora podemos identificar y clasificar diferentes plásticos, incluso los negros, con una precisión de hasta el 99%», y continúa: «Esto significa que los clientes finales de Specim pueden ahora transformar los residuos de plástico en un valioso recurso que puede reutilizarse como materia prima para la industria del plástico».»

El modelo FX17 es una cámara basada en InGaAs con un rango espectral de 900 a 1700 nm, velocidad de adquisición de imágenes de 670 fps y selección libre de longitudes de onda entre 224 bandas dentro de la cobertura de la cámara. Las aplicaciones previstas son la calidad de los alimentos y los piensos, la clasificación de residuos, el reciclaje y la medición de la humedad. El modelo FX10 es una cámara basada en un sensor de imagen CMOS con un rango espectral de 400 a 1000 nm, una velocidad de adquisición de imágenes de 330 fps y una selección libre de longitudes de onda entre 224 bandas dentro de la cobertura de la cámara. Esta cámara, según la empresa, se dirige a aplicaciones de visión artificial como la inspección de la calidad de los alimentos y la detección del color/densidad en aplicaciones de impresión.

Specim ofrece otras cámaras hiperespectrales, como los modelos Fenix, PFD-65-V10E y sCMOS-50-V10E, así como la cámara portátil Specim IQ, que permite el análisis móvil de materiales y ofrece un rango espectral de 400 a 1000 nm.

HinaLea Imaging (Kapolei, HI, EE.UU.; www.hinaleaimaging.com) también fabrica cámaras hiperespectrales, incluida la cámara de campo amplio modelo 4200, que tiene una resolución espacial del sensor de 2,3 megapíxeles, sensibilidad en el rango de 400 a 1000 nm y acceso a hasta 600 bandas espectrales. La empresa también ofrece el modelo 4100H de mano, que supuestamente ofrece cubos de datos de 2,3 megapíxeles en hasta 550 bandas espectrales en las longitudes de onda del visible y el infrarrojo cercano (400 a 1000 nm). El dispositivo también cuenta con un procesador integrado y una iluminación incorporada.

«Estamos recibiendo un enorme y creciente interés por nuestras cámaras para la inspección de seguridad alimentaria y el procesamiento de semiconductores», afirma Alexandre Fong, Vicepresidente de Ingeniería. «Con la introducción de soluciones espectrales rentables, existe el potencial de transformar las aplicaciones de inspección automatizada con esta profundidad de información nueva».

Dirigida a las aplicaciones avanzadas de visión artificial como uno de sus principales mercados, Headwall Photonics (Bolton, MA, EE.UU.; www.headwallphotonics.com) es otra empresa que desarrolla cámaras espectrales. Para su cámara Micro-Hyperspec, por ejemplo, la empresa menciona la visión artificial como aplicación objetivo. Esta cámara está disponible en versiones VNIR, NIR, NIR ampliado y SWIR, todas ellas con interfaz Camera Link: VNIR Serie A (400 a 1000 nm, sensor CCD de silicio, 324 bandas espectrales seleccionables, 90 fps); VNIR Serie E (400 a 1000 nm, sensor sCMOS, 369 bandas espectrales seleccionables, 250 fps); NIR 640 (900 a 1700 nm, detector InGaAs, 134 bandas espectrales seleccionables, 120 fps); NIR 320 (900 a 1700 nm, detector InGaAs, 67 bandas espectrales seleccionables, 346 fps); VNIR extendido 640 (600 a 1700 nm, detector InGaAs, 267 bandas espectrales seleccionables, 120 fps); SWIR 384 (900 a 2500 nm, detector MCT, 166 bandas espectrales seleccionables, 450 fps); y SWIR 640 (900 a 2500 nm, detector MCT, 267 bandas espectrales seleccionables, >200 fps).

Diseñada exclusivamente para aplicaciones de visión artificial es la cámara Hyperspec MV de la empresa, que tiene un rango de longitud de onda de 400 a 1000 nm, 270 bandas espectrales seleccionables, una interfaz Camera Link y una velocidad de adquisición de imágenes de 485 fps.

BaySpec (San José, CA, EE.UU.; www.bayspec.com), es una empresa que desarrolla instrumentos espectrales para sectores como la investigación y el desarrollo, la biomedicina y las telecomunicaciones ópticas, y también tiene cámaras hiperespectrales adecuadas para la inspección industrial. Una de estas cámaras es la USB 3.0, que sirve como motor óptico de las cámaras hiperespectrales OCI-1000 (push-broom, hasta 120 fps) y OCI-2000 (snapshot, hasta 120 fps), que cubren el rango de 600 a 1000 nm con hasta 100 (OCI-1000) o 25 (OCI-2000) bandas espectrales seleccionables.

Otra opción es la cámara hiperespectral GoldenEye Snapshot de la empresa, que utiliza tecnología FT-PI propia y cubre un rango extendido de 400 a 1700 nm, cuenta con entre 40 y 52 bandas espectrales seleccionables y una velocidad de fotogramas de 1 fps a 648 x 488 píxeles espaciales.

De forma similar, Resonon (Bozeman, MT, EE.UU.; www.resonon.com) es una empresa que desarrolla cámaras hiperespectrales para aplicaciones de laboratorio, exteriores y de teledetección, sin perder de vista el mercado de la visión artificial. Según la empresa, las siguientes cámaras son aptas para su uso en aplicaciones de imagen industrial Pika L (Figura 4; rango espectral de 400 a 1000 nm, 281 bandas espectrales seleccionables, 249 fps, interfaz USB 3.0), Pika XC2 (rango espectral de 400 a 1000 nm, 447 bandas espectrales seleccionables, 165 fps, interfaz USB 3.0), Pika NIR-320 (rango espectral de 900 a 1700 nm, 164 bandas espectrales seleccionables, 520 fps, interfaz GigE), y Pika NIR-640 (900 a 1700 nm, 328 bandas espectrales seleccionables, 249 fps, interfaz GigE.)

Por último, Norsk Elektro Optikk (NEO; Skedsmokorset, Noruega; www.hyspex.no) ofrece dos cámaras de imagen hiperespectral para aplicaciones de imagen industrial en su línea HySpex. La cámara HySpex SWIR-384 se basa en un sensor MCT y ofrece un rango espectral de 950 a 2500 nm con 288 bandas espectrales seleccionables y una velocidad de fotogramas de 400 fps a rango espectral completo (escalable reduciendo el rango), mientras que la HySpex VNIR-1024 se basa en un sensor de imagen CMOS y ofrece un rango espectral de 400 a 1000 nm con 108 bandas espectrales seleccionables y una velocidad de fotogramas de 700 fps a resolución espectral completa.

Ambas cámaras hiperespectrales, según la empresa, son extremadamente nítidas -tanto espectral como espacialmente- con menos de un 10% de desregistro espacial y espectral (smile y keystone).