Le tecniche di imaging oltre la lunghezza d’onda visibile migliorano le applicazioni di visione industriale.

Mentre le telecamere multispettrali e iperspettrali sono impiegate in molte applicazioni e industrie, un’area migliorata dall’emergere di queste tecnologie è l’ispezione industriale. L’ispezione della qualità dei prodotti alimentari e delle bevande, l’ispezione e lo smistamento dei prodotti farmaceutici, l’ispezione dei colori e il monitoraggio dei processi sono solo una manciata di esempi di come i componenti di imaging non visibili entrino oggi nei sistemi di visione artificiale.

Figura 1: Basate sulla tecnologia dei prismi, le telecamere multispettrali Sweep + e Fusion forniscono immagini simultanee di diversi spettri di luce attraverso un unico percorso ottico.

Basato sulla tecnologia dei prismi che fornisce l’acquisizione simultanea lungo un unico percorso ottico senza ruote filtro o altre parti mobili, diverse telecamere multispettrali (Figura 1) sono offerti da JAI (San Jose, CA, USA, www.jai.com). Per gli utenti di telecamere a scansione d’area, JAI offre tre telecamere multispettrali nella sua serie Fusion. Questi modelli di sensori 2-CCD differiscono solo nella risoluzione e nelle interfacce dati: AD-080CL (0,8 MPixel, interfaccia Camera Link, 30 fps), AD-080GE (0,8 MPixel, interfaccia GigE Vision, 30 fps), e AD-130GE (1,3 MPixel, interfaccia GigE Vision, 31 fps.Ogni telecamera si basa sullo stesso aspetto multispettrale, nel senso che un CCD Bayer cattura le immagini a colori visibili (da 400 a 700 nm) in un canale, e un sensore monocromatico cattura i dati nel vicino infrarosso (da 750 a 900+ nm) in un secondo canale.

Per gli utenti di telecamere line scan, JAI offre tre telecamere multispettrali nella sua serie Sweep+. Queste telecamere quad-lineari basate su prismi forniscono canali separati per i dati R, G, B e NIR. La SW-2001Q-CL è basata su un array di pixel CCD 4 x 2048 e dispone di un’interfaccia Camera Link con frequenza di linea 19 kHz, mentre la LQ-401CL – anch’essa con interfaccia Camera Link – utilizza un array CMOS 4 x 4096 con frequenza di linea 18 kHz. Dotato di un’interfaccia 10GigE, lo SW-4000Q-10GE utilizza una matrice CMOS 4 x 4096 con una frequenza di linea di 72 kHz.

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Infine, l’azienda offre anche un’opzione di scansione multispettrale della linea nella sua serie Wave, con il WA-1000D-CL, che presenta due sensori di linea InGaAs montati su prisma (2 x 1024 pixel, interfaccia Camera Link, 39 kHz di frequenza di linea). Un canale copre lo spettro NIR superiore e la banda SWIR inferiore (da 900 a 1400 nm), mentre il secondo canale rientra nella porzione superiore della banda SWIR da 1400 a 1700 nm.Figura 3: Sulla base di un rivelatore InSb raffreddato, la telecamera di imaging iperspettrale FX50 può essere impiegata nella selezione della plastica nera e nel rilevamento della contaminazione sulle superfici metalliche.

“Utilizzando diverse fonti di luce a banda stretta nella gamma NIR e SWIR, insieme a tecniche di fusione delle immagini, questa telecamera può essere utilizzata per rilevare e ordinare sostanze difficili da differenziare, in particolare in applicazioni come l’ispezione alimentare e il riciclaggio della plastica”, dice Rich Dickerson, Manager, Marketing Communications, JAI.

Sviluppando anche telecamere multispettrali mediante la produzione di filtri e l’applicazione di micro filtri modellati direttamente ai sensori di immagine attraverso un sistema di allineamento attivo, Salvo Technologies (precedentemente PIXELTEQ; Seminole, FL, USA; www.opticalfiltershop.com), offre una gamma di imager multispettrali e polarimetrici. Le telecamere della serie SpectroCam, disponibili nelle versioni ultravioletta, VIS e SWIR, si basano su una ruota di filtri a rotazione continua composta da sei a otto filtri ottici intercambiabili. Le versioni UV e VIS – che coprono rispettivamente da 200 a 900 nm e da 400 a 1000 nm – sono basate su sensori di immagine CCD, mentre le versioni SWIR utilizzano sensori InGaAs.

Le telecamere multispettrali PixelCam forniscono capacità di imaging multispettrale da tre a nove bande spettrali, fino a 30 fps. Tutti e tre i modelli sono basati su sensori CCD (4 o 8 MPixel) con array di filtri dicroici personalizzati integrati nella matrice del piano focale a livello del wafer che estraggono informazioni spettrali ad alto contrasto a specifiche lunghezze d’onda visibili e infrarosse, secondo la società. Queste telecamere sono sensibili nella gamma da 400 a 1000 nm e sono disponibili nelle versioni GigE o CoaXPress con frame rate fino a 15 fps.

Spectral Devices (London, ON, Canada; www.spectraldevices.com) offre due tipi di telecamere multispettrali, snapshot e line scan. Le telecamere a scansione lineare dell’azienda sono basate sul sensore di immagine CMV2000 da 2 MPixel con otturatore globale di ams (Premstaetten, Austria; www.ams.com) e sono offerte in tre telecamere standard a quattro bande, oltre a modelli di telecamere personalizzate che vanno da 2 a 16 bande diverse. Queste telecamere si rivolgono ad applicazioni come il controllo e l’ispezione della qualità degli alimenti e l’ispezione dei wafer.Figura 4: Con una gamma spettrale da 400 a 1000 nm, la telecamera iperspettrale Pika L misura solo 3,9 x 4,9 x 2,2 pollici e si rivolge alla visione artificiale e alle applicazioni di telerilevamento.

Le telecamere snapshot sono basate sul sensore di immagine CMV4000 CMOS da 4 MPixel, anch’esso sviluppato da ams, e sono progettate per la cattura simultanea di una scena a più bande. Offerte in sei modelli standard, così come modelli personalizzati, le telecamere catturano ovunque da 2 a 16 bande a velocità fino a 94 fps a pieno frame rate. Queste telecamere multispettrali, secondo l’azienda, sono adatte per l’uso in applicazioni come la robotica, la lavorazione degli alimenti e la misurazione del colore.

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Sul lato sensore, imec (Leuven, Belgio; www.imec-int.com) ha sviluppato un sensore d’immagine multispettrale a integrazione temporale (TDI) chiamato Argus, che è basato sulla tecnologia CCD-in-CMOS. I sensori usano un formato con 4096 colonne e 256 stadi per array CCD (o banda), con una dimensione di pixel di 5,4 µm. Inoltre, è disponibile una versione con sette bande, che permette agli utenti di aggiungere sette filtri spettrali.

Questi prototipi integrano driver CMOS e circuiti di lettura e raggiungono una velocità di linea fino a 300 kHz. Se combinato con i filtri spettrali, l’imaging TDI multispettrale è possibile, e con un numero personalizzato di bande e stadi TDI. I filtri colorati o spettrali possono essere post-processati sul wafer o sul coperchio di vetro di copertura.

Immagine iperspettrale

Per consentire l’imaging iperspettrale, imec ha anche creato sensori di immagine iperspettrali off-the-shelf basati su wafer applicati direttamente sopra i pixel (Figura 2) sul sensore di immagine CMV2000 CMOS di ams. Questi sensori d’immagine sono disponibili nei formati snapshot mosaic, snapshot tiled, line scan wedge e line scan CCD time delay integration (TDI) e offrono opzioni con 4, 7, 16, 25, 32, 100+ e 150+ bande. I sensori di immagine sono integrati in diversi modelli di telecamere per la visione artificiale, tutti adatti all’uso in varie applicazioni di ispezione industriale.

XIMEA (Münster, Germania; www.ximea.com) offre quattro modelli basati su sensori imec, compresi due sensori a mosaico con 16 e 25 bande, e due modelli a scansione lineare con 100 e 150 bande. Queste telecamere sono dotate di interfaccia USB3 con velocità di 170 fps o PCIe con fino a 340 fps, e gamme spettrali di RGB+NIR, da 470 a 630 nm, da 600 a 950 nm, da 600 a 975 nm e da 470 a 900 nm, a seconda del modello.

“Applicando filtri spettrali a banda stretta a livello di pixel utilizzando l’elaborazione a film sottile dei semiconduttori, la tecnologia di imec consente alle soluzioni di sensori d’immagine iperspettrali di ridurre il fattore di forma, abbassare il peso ed essere adatti ai sistemi di visione incorporati”, afferma Ivan Klimkovic, Key Account Manager di XIMEA. “XIMEA ha accoppiato i sensori iperspettrali di imec con la sua piattaforma di telecamere xiQ, che completa l’importante fattore di dimensione offrendo 26,4 x 26,4 x 31 mm di dimensione e solo 31 grammi di peso.”

Photonfocus (Lachen, Svizzera; www.photonfocus.com) offre anche tre telecamere iperspettrali con sensori imec. Disponibili in formati a mosaico istantaneo, queste telecamere offrono opzioni con 16 o 25 bande. Con un’interfaccia GigE, le telecamere offrono velocità fino a 50 fps e gamme spettrali da 470 a 630 nm, da 470 a 900 nm, da 595 a 860 nm, da 600 a 975 nm e da 665 a 975 nm, a seconda del modello.

Inoltre, imec ha collaborato con Adimec (Eindhoven, Paesi Bassi; www.adimec.com) per sviluppare il sistema iperspettrale imec VNIR, che si basa su una telecamera di visione artificiale Adimec Quartz con un sensore immagine CMOS da 2 MPixel. Offrendo un formato di scansione lineare con 150+ bande e un’interfaccia Camera Link, questo sistema presenta una gamma spettrale da 470 a 900 nm o da 600 a 1000 nm.

Imec ha anche i propri prodotti iperspettrali, tra cui i sistemi SNAPSCAN NIR, SNAPSCAN VNIR e SNAPSCAN SWIR, che presentano un’interfaccia USB 3.0 e offrono formati di scansione istantanea e lineare con bande 100+ e 150+, nonché gamme spettrali da 470 a 900 nm, da 600 a 1000 nm e da 1100 a 1700 nm, a seconda del modello.

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Numerose aziende di visione artificiale sviluppano anche telecamere iperspettrali al di fuori del regno imec, tra cui Specim (Oulu, Finlandia; www.specim.fi), che offre la serie FX di telecamere. Queste telecamere iperspettrali lavorano in modalità line scan, sono disponibili in GigE, Camera Link, o custom Ethernet, e sono progettate specificamente per applicazioni industriali di visione artificiale.

La telecamera FX50 (Figura 3) è basata su un rilevatore InSb raffreddato e presenta una risoluzione spaziale di 640 pixel, una gamma spettrale da 2,7 a 5,3 µm, una velocità di acquisizione delle immagini di 380 fps e una selezione libera della lunghezza d’onda da 154 bande all’interno della copertura della telecamera. Questa telecamera, secondo l’azienda, è adatta per l’uso nella selezione della plastica nera e nel rilevamento della contaminazione sulle superfici metalliche.

“I rifiuti di plastica sono un problema enorme: si stima che entro il 2050, ci sarà più plastica negli oceani che pesci. La maggior parte della plastica non riciclabile è costituita da tipi di plastica misti che non possono essere riutilizzati perché le tecnologie tradizionali di selezione della plastica non soddisfano i requisiti industriali per separarli in modo abbastanza affidabile ed efficiente”, dice Hannu Mäki-Marttunen, responsabile delle vendite & Marketing di Specim. “È qui che entrano in gioco le telecamere iperspettrali della serie FX di Specim. Con la FX17 e la nuovissima FX50, ora possiamo identificare e selezionare diverse materie plastiche, anche nere, con una precisione fino al 99%.”

Continua, “Questo significa che i clienti finali di Specim possono ora trasformare i rifiuti di plastica in una risorsa preziosa che può essere riutilizzata come materia prima per l’industria della plastica.”

Il modello FX17 è una telecamera basata su InGaAs con una gamma spettrale da 900 a 1700 nm, una velocità di acquisizione delle immagini di 670 fps e una selezione libera della lunghezza d’onda da 224 bande all’interno della copertura della telecamera. Le applicazioni target includono la qualità degli alimenti e dei mangimi, la selezione dei rifiuti, il riciclaggio e la misurazione dell’umidità. Il modello FX10 è una telecamera basata su un sensore d’immagine CMOS con una gamma spettrale da 400 a 1000 nm, una velocità di acquisizione delle immagini di 330 fps e una selezione libera della lunghezza d’onda da 224 bande all’interno della copertura della telecamera. Questa telecamera, secondo l’azienda, si rivolge ad applicazioni di visione artificiale come l’ispezione della qualità degli alimenti e il rilevamento del colore/densità nelle applicazioni di stampa.

Specim offre una serie di altre telecamere iperspettrali, compresi i modelli Fenix, PFD-65-V10E, e sCMOS-50-V10E, così come la telecamera portatile Specim IQ, che consente l’analisi mobile dei materiali e offre una gamma spettrale da 400 a 1000 nm.

HinaLea Imaging (Kapolei, HI, USA; www.hinaleaimaging.com) produce anche telecamere iperspettrali, tra cui il modello 4200 ad ampio campo, che ha una risoluzione spaziale del sensore di 2,3 MPixel, sensibilità nella gamma da 400 a 1000 nm e accesso a 600 bande spettrali. L’azienda offre anche il palmare modello 4100H, che secondo quanto riferito fornisce cubi di dati da 2,3 MPixel fino a 550 bande spettrali nel visibile e nel vicino infrarosso (da 400 a 1000 nm). Il dispositivo ha anche un processore incorporato e un’illuminazione incorporata.

“Stiamo ottenendo un enorme e crescente interesse per le nostre telecamere per l’ispezione della sicurezza alimentare e l’elaborazione dei semiconduttori”, dice Alexandre Fong, Vice Presidente, Engineering. “Con l’introduzione di soluzioni spettrali convenienti, c’è il potenziale per trasformare le applicazioni di ispezione automatizzata con questa profondità di nuove informazioni.”

Puntando ad applicazioni avanzate di visione artificiale come uno dei suoi mercati principali, Headwall Photonics (Bolton, MA, USA; www.headwallphotonics.com) è un’altra azienda che sviluppa telecamere spettrali. Per la sua telecamera Micro-Hyperspec, per esempio, l’azienda elenca la visione artificiale come applicazione target. Questa telecamera è disponibile nelle versioni VNIR, NIR, NIR esteso e SWIR, tutte con interfaccia Camera Link: VNIR A-Series (da 400 a 1000 nm, sensore CCD al silicio, 324 bande spettrali selezionabili, 90 fps); VNIR E-Series (da 400 a 1000 nm, sensore sCMOS, 369 bande spettrali selezionabili, 250 fps); NIR 640 (da 900 a 1700 nm, rilevatore InGaAs, 134 bande spettrali selezionabili, 120 fps); NIR 320 (da 900 a 1700 nm, rilevatore InGaAs, 67 bande spettrali selezionabili, 346 fps); VNIR esteso 640 (da 600 a 1700 nm, rilevatore InGaAs, 267 bande spettrali selezionabili, 120 fps); SWIR 384 (da 900 a 2500 nm, rilevatore MCT, 166 bande spettrali selezionabili, 450 fps); e SWIR 640 (da 900 a 2500 nm, rilevatore MCT, 267 bande spettrali selezionabili, >200 fps).

Progettata esclusivamente per applicazioni di visione artificiale è la telecamera Hyperspec MV dell’azienda, che ha una gamma di lunghezza d’onda da 400 a 1000 nm, 270 bande spettrali selezionabili, un’interfaccia Camera Link e una velocità di acquisizione delle immagini di 485 fps.

Mentre BaySpec (San Jose, CA, USA; www.bayspec.com), è un’azienda che sviluppa strumenti spettrali per industrie tra cui ricerca e sviluppo, biomedico e telecomunicazioni ottiche, l’azienda ha anche telecamere iperspettrali che sono adatte per l’ispezione industriale. Una di queste telecamere è la USB 3.0 basata su OCI-OEM, che serve come motore ottico degli imager iperspettrali OCI-1000 (push-broom, fino a 120 fps) e OCI-2000 (snapshot, fino a 120 fps) dell’azienda, che coprono la gamma da 600 a 1000 nm con fino a 100 (OCI-1000) o 25 (OCI-2000) bande spettrali selezionabili.

Un’altra opzione è la telecamera iperspettrale GoldenEye Snapshot dell’azienda, che utilizza la tecnologia proprietaria FT-PI e copre una gamma estesa da 400 a 1700 nm, presenta da 40 a 52 bande spettrali selezionabili e un frame rate di 1 fps a 648 x 488 pixel spaziali.

Similmente, Resonon (Bozeman, MT, USA; www.resonon.com) è una società che sviluppa telecamere iperspettrali per applicazioni di laboratorio, all’aperto e di telerilevamento, mantenendo anche un occhio verso il mercato della visione artificiale. Secondo l’azienda, le seguenti telecamere sono adatte all’uso in applicazioni di imaging industriale: Pika L (Figura 4; gamma spettrale da 400 a 1000 nm, 281 bande spettrali selezionabili, 249 fps, interfaccia USB 3.0), Pika XC2 (gamma spettrale da 400 a 1000 nm, 447 bande spettrali selezionabili, 165 fps, interfaccia USB 3.0), Pika NIR-320 (intervallo spettrale da 900 a 1700 nm, 164 bande spettrali selezionabili, 520 fps, interfaccia GigE), e Pika NIR-640 (da 900 a 1700 nm, 328 bande spettrali selezionabili, 249 fps, interfaccia GigE.)

Infine, ad offrire due telecamere iperspettrali per applicazioni di imaging industriale nella sua linea HySpex è Norsk Elektro Optikk (NEO; Skedsmokorset, Norvegia; www.hyspex.no). La telecamera HySpex SWIR-384 è basata su un sensore MCT e offre una gamma spettrale da 950 a 2500 nm con 288 bande spettrali selezionabili e un frame rate di 400 fps a pieno spettro (scalabile riducendo la gamma), mentre la HySpex VNIR-1024 è basata su un sensore di immagine CMOS e offre una gamma spettrale da 400 a 1000 nm con 108 bande spettrali selezionabili e un frame rate di 700 fps a piena risoluzione spettrale.

Entrambe le telecamere iperspettrali, secondo l’azienda, sono estremamente nitide, sia spettralmente che spazialmente, con meno del 10% di misregistrazione spaziale e spettrale (smile e keystone).