Näkyvän aallonpituuden ulkopuolelle ulottuvat kuvantamistekniikat parantavat konenäön sovelluksia.

Multispektri- ja hyperspektrikameroita käytetään monissa sovelluksissa ja monilla teollisuudenaloilla, mutta yksi näiden tekniikoiden esiinmarssin myötä parantunut alue on teollisuustarkastus. Elintarvikkeiden ja juomatuotteiden laatutarkastus, lääketuotteiden tarkastus ja lajittelu, väritarkastus ja prosessien valvonta ovat vain muutamia esimerkkejä siitä, miten ei-näkyvät kuvantamiskomponentit ovat nykyään osa konenäköjärjestelmiä.

Kuva 1: Prismatekniikkaan perustuvat Sweep+- ja Fusion-monispektrikamerat tuottavat samanaikaisia kuvia eri valospektreistä yhden optisen polun kautta.

JAI (San Jose, CA, USA, www.jai.com) tarjoaa useita monispektrikameroita (kuva 1), jotka perustuvat prismatekniikkaan, joka mahdollistaa samanaikaisen kuvan ottamisen yhtä optista reittiä pitkin ilman suodatinpyörää tai muita liikkuvia osia. Aluekuvauskameroiden käyttäjille JAI tarjoaa kolme monispektrikameraa Fusion-sarjassaan. Nämä 2-CCD-kennolla varustetut mallit eroavat toisistaan ainoastaan resoluution ja dataliitäntöjen osalta: AD-080CL (0,8 megapikseliä, Camera Link -liitäntä, 30 kuvaa/s), AD-080GE (0,8 megapikseliä, GigE Vision -liitäntä, 30 kuvaa/s) ja AD-130GE (1,3 megapikseliä, GigE Vision -liitäntä, 31 kuvaa/s).) Jokainen kamera perustuu samaan monispektriseen näkökulmaan siten, että Bayerin CCD-kenno kuvaa näkyvän värin kuvia (400-700 nm) yhdellä kanavalla ja yksivärinen kenno kuvaa lähi-infrapunatietoja (750-900+ nm) toisella kanavalla.

Viivakamerakäyttäjille JAI tarjoaa Sweep+-sarjassaan kolme monispektristä kameraa. Nämä prismapohjaiset, nelilinjaiset kamerat tarjoavat erilliset kanavat R-, G-, B- ja NIR-tiedoille. SW-2001Q-CL perustuu 4 x 2048 CCD-pikseliryhmään, ja siinä on Camera Link -liitäntä 19 kHz:n linjataajuudella, kun taas LQ-401CL, jossa on myös Camera Link -liitäntä, käyttää 4 x 4096 CMOS-pikseliryhmää 18 kHz:n linjataajuudella. SW-4000Q-10GE:ssä on 10GigE-liitäntä, ja siinä käytetään 4 x 4096 CMOS-kuvakenttää 72 kHz:n linjataajuudella.

Suhteessa: Syväoppiminen ja hyperspektrikuvantamisteknologiat yhdistyvät sairaiden perunoiden tunnistamiseen

Viimeiseksi yritys tarjoaa Wave-sarjassaan myös monispektrisen viivakuvausvaihtoehdon WA-1000D-CL:llä, jossa on kaksi prisma-asennettua InGaAs-viiva-anturia (2 x 1024 pikseliä, Camera Link -liitäntä, 39 kHz:n viivataajuus). Toinen kanava kattaa ylemmän NIR-spektrin ja alemman SWIR-kaistan (900-1400 nm), kun taas toinen kanava kuuluu SWIR-kaistan ylempään osaan 1400-1700 nm:n välillä.Kuva 3: Jäähdytettyyn InSb-ilmaisimeen perustuva FX50-hyperspektrikuvakamera voidaan ottaa käyttöön mustan muovin lajittelussa ja metallipintojen epäpuhtauksien havaitsemisessa.

”Hyödyntämällä erilaisia kapeakaistaisia valonlähteitä NIR- ja SWIR-alueella sekä kuvanfuusiointitekniikoita tätä kameraa voidaan käyttää vaikeasti erotettavien aineiden havaitsemiseen ja lajitteluun erityisesti elintarviketarkastuksen ja muovin kierrätyksen kaltaisissa sovelluksissa”, sanoo JAI:n markkinointiviestinnän johtaja Rich Dickerson.

Salvo Technologies (aiemmin PIXELTEQ; Seminole, FL, USA; www.opticalfiltershop.com) kehittää myös monispektrikameroita valmistamalla suodattimia ja kiinnittämällä mikrokuvioidut suodattimet suoraan kuva-antureihin aktiivisen kohdistusjärjestelmän avulla. Salvo Technologies (aiemmin PIXELTEQ; Seminole, FL, USA; www.opticalfiltershop.com) tarjoaa valikoiman monispektrisiä ja polarimetrisiä kuvantimia. SpectroCam-sarjan kamerat, joita on saatavana ultravioletti-, VIS- ja SWIR-versioina, perustuvat jatkuvasti pyörivään suodatinpyörään, joka koostuu kuudesta tai kahdeksasta vaihdettavasta optisesta suodattimesta. UV- ja VIS-versiot, jotka kattavat 200-900 nm:n ja 400-1000 nm:n taajuudet, perustuvat CCD-kuvakennoihin, kun taas SWIR-versioissa käytetään InGaAs-kennoja.

PixelCam-monispektrikamerat tarjoavat monispektrikuvantamisominaisuuksia kolmesta yhdeksään spektrikaistaa jopa 30 fps:n nopeudella. Kaikki kolme mallia perustuvat CCD-antureihin (4 tai 8 megapikseliä), joissa on kiekkotasolla polttotasojoukkoon integroidut räätälöidyt dikroottiset suodinjoukot, jotka poimivat korkean kontrastin spektritietoa tietyillä näkyvän ja infrapunan aallonpituuksilla, yrityksen mukaan. Nämä kamerat ovat herkkiä 400-1000 nm:n alueella, ja niitä on saatavana joko GigE- tai CoaXPress-versioina jopa 15 fps:n kuvanopeudella.

Spectral Devices (London, ON, Kanada; www.spectraldevices.com) tarjoaa kahdenlaisia monispektrikameroita, snapshot- ja line scan -kameroita. Yrityksen line scan -kamerat perustuvat ams:n (Premstaetten, Itävalta; www.ams.com) 2 MPixelin CMV2000 global shutter CMOS -kuvakennoon, ja niitä tarjotaan kolmena vakiomallisena nelikaistaisena kamerana sekä räätälöityinä kameramalleina, joissa on 2-16 eri kaistaa. Nämä kamerat on suunnattu sovelluksiin, kuten elintarvikkeiden laadunvarmistukseen ja -tarkastukseen sekä kiekkojen tarkastukseen.Kuva 4: Pika L -hyperspektrikamera, jonka spektrialue on 400-1000 nm, on kooltaan vain 3,9 x 4,9 x 2,2 tuumaa, ja se on suunnattu konenäkö- ja kaukokartoitussopimuksiin.

Pikakamerat perustuvat 4 MPikselin CMV4000 CMOS-kuvakennoon, jonka myös ams on kehittänyt, ja ne on suunniteltu kohtauksen samanaikaiseen kuvaamiseen useilla taajuusalueilla. Kameroita on tarjolla kuutena vakiomallina – sekä räätälöityinä malleina – ja ne kuvaavat 2-16 kaistaa jopa 94 kuvaa sekunnissa täydellä kuvataajuudella. Yhtiön mukaan nämä monispektrikamerat soveltuvat käytettäväksi esimerkiksi robotiikan, elintarviketeollisuuden ja värimittauksen kaltaisissa sovelluksissa.

Related: Aerial imaging aids precision agriculture

Sensoripuolella imec (Leuven, Belgia; www.imec-int.com) on kehittänyt monispektrisen TDI-kuva-anturin (Time Delay Integration) nimeltä Argus, joka perustuu CCD-in-CMOS-teknologiaan. Antureissa käytetään formaattia, jossa on 4096 saraketta ja 256 vaihetta CCD-joukkoa (tai kaistaa) kohti, ja pikselikoko on 5,4 µm. Lisäksi saatavilla on versio, jossa on seitsemän kaistaa, jolloin käyttäjät voivat lisätä seitsemän spektrisuodatinta.

Nämä prototyypit integroivat CMOS-ajurit ja lukupiirit ja saavuttavat jopa 300 kHz:n linjanopeuden. Kun ne yhdistetään spektrisuotimiin, monispektrinen TDI-kuvaus on mahdollista, ja räätälöidyllä kaistojen ja TDI-vaiheiden määrällä. Väri- tai spektrisuotimet voidaan jälkikäsitellä kiekolla tai peitinlasikannella.

Hyperspektrikuvantaminen

Hyperspektrikuvantamisen mahdollistamiseksi imec loi myös hyllystä saatavia hyperspektrikuvakennoja, jotka perustuvat kiekkoihin, jotka on levitetty suoraan amsin CMV2000 CMOS-kuvakennon pikseleiden päälle (kuva 2). Näitä kuva-antureita on saatavana snapshot-mosaiikkimuotona, snapshot tiled-, line scan wedge- ja line scan CCD time delay integration (TDI) -formaateissa, ja niistä on saatavana vaihtoehtoja, joissa on 4, 7, 16, 25, 32, 100+ ja 150+ kaistaa. Kuva-anturit on integroitu useisiin konenäkökameramalleihin, jotka kaikki soveltuvat käytettäväksi erilaisissa teollisissa tarkastussovelluksissa.

XIMEA (Münster, Saksa; www.ximea.com) tarjoaa neljää imec-antureihin perustuvaa mallia, mukaan lukien kaksi mosaiikki-tiilattua anturia, joissa on 16 ja 25 kaistaa, ja kaksi viivaskannausmallia, joissa on 100 ja 150 kaistaa. Kameroissa on joko USB3-liitäntä, jonka nopeus on 170 kuvaa/s, tai PCIe-liitäntä, jonka nopeus on jopa 340 kuvaa/s, ja spektrialueet ovat mallista riippuen RGB+NIR, 470-630 nm, 600-950 nm, 600-975 nm ja 470-900 nm.

”Soveltamalla kapeakaistaisia spektrisuotimia pikselitasolla puolijohteiden ohutkalvoprosessoinnin avulla imecin teknologia mahdollistaa hyperspektrikuvasensoriratkaisujen pienemmän muotokoon, pienemmän painon ja soveltuvuuden sulautettuihin visiojärjestelmiin”, sanoo Ivan Klimkovic, Key Account Manager XIMEA:ssa. ”XIMEA yhdisti imecin hyperspektriset sensorit xiQ-kamera-alustaansa, joka täydentää tärkeää kokotekijää 26,4 x 26,4 x 31 mm:n mitoilla ja vain 31 gramman painolla.”

Photonfocus (Lachen, Sveitsi; www.photonfocus.com) tarjoaa myös kolme imecin sensoreilla varustettua hyperspektrikameraa. Nämä kamerat ovat saatavilla snapshot-mosaiikkimuodossa, ja niissä on 16 tai 25 kaistaa. GigE-liitännällä varustetut kamerat tarjoavat jopa 50 fps:n nopeuden ja spektrialueet 470-630 nm, 470-900 nm, 595-860 nm, 600-975 nm ja 665-975 nm mallista riippuen.

Yhteistyössä Adimecin (Eindhoven, Alankomaat; www.adimec.com) kanssa imec kehitti imecin VNIR-hyperspektraalijärjestelmän, joka perustuu Adimecin Quartz-konenäkökameraan, jossa on 2 MPikselin CMOS-kuva-anturi. Tämä järjestelmä tarjoaa yli 150 kaistaa sisältävän viivakuvausformaatin ja Camera Link -liitännän, ja sen spektrialue on 470-900 nm tai 600-1000 nm.

Imecillä on myös omia hyperspektraalisia tuotteita, kuten SNAPSCAN NIR-, SNAPSCAN VNIR- ja SNAPSCAN SWIR -järjestelmät, joissa on USB 3.0-liitäntä ja tarjoavat snapshot- ja line scan -formaatteja 100+ ja 150+ kaistalla sekä 470-900 nm:n, 600-1000 nm:n ja 1100-1700 nm:n spektrialueilla mallista riippuen.

Suhteessa: Hyperspektrikuvantamisjärjestelmä luokittelee maataloustuotteita

Lukuiset konenäköalan yritykset kehittävät hyperspektrikameroita myös imecin ulkopuolella, kuten Specim (Oulu, Suomi; www.specim.fi), joka tarjoaa FX-sarjan kameroita. Nämä hyperspektrikamerat toimivat viivaskannaustilassa, niitä on saatavana GigE-, Camera Link- tai räätälöitynä Ethernet-liitäntänä, ja ne on suunniteltu erityisesti teollisuuden konenäön sovelluksiin.

FX50-kamera (kuva 3) perustuu jäähdytettyyn InSb-ilmaisimeen, ja siinä on 640 pikselin spatiaalinen resoluutio, 2,7-5,3 µm:n spektrialue, 380 fps:n kuvankeräysnopeus ja vapaa aallonpituusvalinta 154:stä kameran peittoalueeseen kuuluvasta kaistasta. Yrityksen mukaan kamera soveltuu käytettäväksi mustan muovin lajitteluun ja metallipintojen epäpuhtauksien havaitsemiseen.

”Muovijäte on valtava ongelma: On arvioitu, että vuoteen 2050 mennessä merissä on enemmän muovia kuin kaloja. Suurin osa kierrätykseen kelpaamattomasta muovista koostuu sekamuovityypeistä, joita ei voida käyttää uudelleen, koska perinteiset muovinlajittelutekniikat eivät täytä teollisuuden vaatimuksia lajitella niitä riittävän luotettavasti ja tehokkaasti”, sanoo Specimin myyntipäällikkö & markkinointijohtaja Hannu Mäki-Marttunen. ”Tässä kohtaa Specimin FX-sarjan hyperspektrikamerat astuvat kuvaan. FX17:n ja upouuden FX50:n avulla pystymme nyt tunnistamaan ja lajittelemaan eri muovit, jopa mustat muovit, jopa 99 %:n tarkkuudella.”

Hän jatkaa: ”Tämä tarkoittaa, että Specimin loppuasiakkaat voivat nyt muuttaa muovijätteen arvokkaaksi resurssiksi, joka voidaan käyttää uudelleen muoviteollisuuden raaka-aineena.”

FX17-malli on InGaAs-pohjainen kamera, jonka spektrialue on 900-1700 nm, kuvanottonopeus 670 kuvaa sekunnissa ja vapaa aallonpituusvalinta 224:stä kaistasta kameran peittoalueella. Käyttökohteita ovat elintarvikkeiden ja rehujen laatu, jätteiden lajittelu, kierrätys ja kosteuden mittaus. FX10-malli on CMOS-kuvakennoon perustuva kamera, jonka spektrialue on 400-1000 nm, kuvanottonopeus 330 kuvaa sekunnissa ja vapaa aallonpituusvalinta 224:stä kaistasta kameran peittoalueella. Yrityksen mukaan tämä kamera on suunnattu konenäön sovelluksiin, kuten elintarvikkeiden laadunvalvontaan ja värin/tiheyden havaitsemiseen painosovelluksissa.

Specim tarjoaa useita muita hyperspektrikameroita, kuten Fenix-, PFD-65-V10E- ja sCMOS-50-V10E-mallit sekä kannettavan Specim IQ -kameran, joka mahdollistaa liikkuvan materiaalianalyysin ja tarjoaa 400-1000 nm:n spektrialueen.

HinaLea Imaging (Kapolei, HI, USA; www.hinaleaimaging.com) valmistaa myös hyperspektrikameroita, mukaan lukien laajakenttäkamera Model 4200, jossa on 2,3 MPikselin kennon spatiaalinen resoluutio, herkkyys 400-1000 nm:n alueella ja pääsy jopa 600:aan spektrikaistaan. Yritys tarjoaa myös kannettavaa Model 4100H -mallia, jonka kerrotaan tuottavan 2,3 MPikselin datakuutioita jopa 550 spektrikaistalla näkyvän ja lähi-infrapunan aallonpituuksilla (400-1000 nm). Laitteessa on myös sulautettu prosessori ja sisäänrakennettu valaistus.

”Saamme valtavaa ja kasvavaa kiinnostusta kameroihimme elintarviketurvallisuuden tarkastuksessa ja puolijohteiden käsittelyssä”, sanoo Alexandre Fong, Vice President, Engineering. ”Kustannustehokkaiden spektriratkaisujen käyttöönoton myötä on potentiaalia muuttaa automatisoituja tarkastussovelluksia tämän syvällisen uuden tiedon avulla.”

Kehittyneen konenäön sovelluksia yhdeksi keskeiseksi markkina-alueekseen tavoitteleva Headwall Photonics (Bolton, MA, USA; www.headwallphotonics.com) on toinen spektrikameroita kehittävä yritys. Esimerkiksi Micro-Hyperspec-kameransa kohdesovellukseksi yritys mainitsee konenäön. Kamerasta on saatavilla VNIR-, NIR-, laajennettu NIR- ja SWIR-versiot, joissa kaikissa on Camera Link -liitäntä: VNIR A-sarja (400-1000 nm, pii-CCD-kenno, 324 valittavissa olevaa spektrikaistaa, 90 kuvaa sekunnissa); VNIR E-sarja (400-1000 nm, sCMOS-kenno, 369 valittavissa olevaa spektrikaistaa, 250 kuvaa sekunnissa); NIR 640 (900-1700 nm, InGaAs-detektori, 134 valittavissa olevaa spektrikaistaa, 120 kuvaa sekunnissa); NIR 320 (900-1700 nm, InGaAs-detektori, 67 valittavissa olevaa spektrikaistaa, 346 kuvaa sekunnissa); Laajennettu VNIR 640 (600-1700 nm, InGaAs-detektori, 267 valittavissa olevaa spektrinauhaa, 120 fps); SWIR 384 (900-2500 nm, MCT-detektori, 166 valittavissa olevaa spektrinauhaa, 450 fps); ja SWIR 640 (900-2500 nm, MCT-detektori, 267 valittavissa olevaa spektrinauhaa, >200 fps).

Yksinomaan konenäön sovelluksiin on suunniteltu yhtiön Hyperspec MV -kamera, jonka aallonpituusalue on 400-1000 nm, 270 valittavissa olevaa spektrikaistaa, Camera Link -liitäntä ja 485 fps:n kuvanottonopeus.

Yhtiö BaySpec (San Jose, CA, USA; www.bayspec.com) kehittää spektraalisia mittalaitteita muun muassa tutkimus- ja kehitystoimintaan, biolääketieteeseen ja optiseen tietoliikenteeseen, mutta sillä on myös teollisuustarkastukseen soveltuvia hyperspektrikameroita. Yksi tällainen kamera on USB 3.0-pohjainen OCI-OEM-kamera, joka toimii optisena moottorina yhtiön OCI-1000- (push-broom, jopa 120 kuvaa/s) ja OCI-2000-hyperspektrikameroissa (snapshot, jopa 120 kuvaa/s), jotka kattavat 600-1000 nm:n alueen ja joissa on jopa 100 (OCI-1000) tai 25 (OCI-2000) valittavissa olevaa spektrikaistaa.

Toinen vaihtoehto on yrityksen GoldenEye Snapshot -hyperspektrikamera, joka käyttää omaa FT-PI-tekniikkaa ja kattaa laajennetun 400-1700 nm:n alueen, siinä on 40-52 valittavissa olevaa spektrikaistaa ja kuvanopeus on 1 fps 648 x 488 spatiaalipikselillä.

Vastaavasti Resonon (Bozeman, MT, USA; www.resonon.com) on yritys, joka kehittää hyperspektrikameroita laboratorio-, ulkotila- ja kaukokartoitussovelluksia varten pitäen samalla silmällä konenäkömarkkinoita. Teollisuuden kuvantamissovelluksiin soveltuvat yrityksen mukaan seuraavat kamerat: Pika L (kuva 4; 400-1000 nm:n spektrialue, 281 valittavissa olevaa spektrikaistaa, 249 kuvaa/s, USB 3.0 -liitäntä), Pika XC2 (400-1000 nm:n spektrialue, 447 valittavissa olevaa spektrikaistaa, 165 kuvaa/s, USB 3.0 -liitäntä), Pika XC2 (400-1000 nm:n spektrialue, 447 valittavissa olevaa spektrikaistaa, 165 kuvaa/s, USB 3.0-liitäntä), Pika NIR-320 (900-1700 nm:n spektrialue, 164 valittavissa olevaa spektrikaistaa, 520 kuvaa sekunnissa, GigE-liitäntä) ja Pika NIR-640 (900-1700 nm:n spektrialue, 328 valittavissa olevaa spektrikaistaa, 249 kuvaa sekunnissa, GigE-liitäntä).

Viimeiseksi Norsk Elektro Optikk (NEO; Skedsmokorset, Norja; www.hyspex.no) tarjoaa kahta teolliseen kuvantamiseen tarkoitettua hyperspektristä kameraa HySpex-linjastonsa puitteissa. HySpex SWIR-384 -kamera perustuu MCT-kennoon ja tarjoaa 950-2500 nm:n spektrialueen, 288 valittavissa olevaa spektrinauhaa ja 400 kuvan sekuntinopeuden täydellä spektrialueella (skaalautuva pienentämällä aluetta), kun taas HySpex VNIR-1024 -kamera perustuu CMOS-kuvakennoon ja tarjoaa 400-1000 nm:n spektrialueen, 108 valittavissa olevaa spektrinauhaa ja 700 kuvan sekuntinopeuden täydellä spektrinerotuksella.

Yhtiön mukaan molemmat hyperspektrikamerat ovat erittäin teräviä – sekä spektrisesti että spatiaalisesti – ja niiden spatiaalinen ja spektrinen virherekisteröinti (hymy ja keystone) on alle 10 prosenttia.