Técnicas de imageamento além do comprimento de onda visível melhoram as aplicações de visão mecânica.

As câmeras multiespectrais e hiper-espectrais são implantadas em muitas aplicações e indústrias, uma área melhorada pelo surgimento dessas tecnologias é a inspeção industrial. A inspeção de qualidade de produtos alimentícios e bebidas, inspeção e classificação de produtos farmacêuticos, inspeção de cores e monitoramento de processos são apenas alguns exemplos de como os componentes de imagem não-visíveis são fatores nos sistemas de visão mecânica de hoje.

Figure 1: Com base na tecnologia de prisma, as câmeras multiespectrais Sweep + e Fusion fornecem imagens simultâneas de diferentes espectros de luz através de um único caminho óptico.

Baseada na tecnologia de prisma que proporciona captura simultânea ao longo de um único caminho óptico sem rodas de filtro ou outras partes móveis, várias câmeras multiespectral (Figura 1) são oferecidas pela JAI (San Jose, CA, EUA, www.jai.com). Para usuários de câmeras de varredura de área, a JAI oferece três câmeras multiespectral em sua série Fusion. Estes modelos de sensores 2-CCD diferem apenas em resolução e interfaces de dados: AD-080CL (0,8 MPixel, interface Camera Link, 30 fps), AD-080GE (0,8 MPixel, interface GigE Vision, 30 fps), e AD-130GE (1,3 MPixel, interface GigE Vision, 31 fps).) Cada câmera é baseada no mesmo aspecto multiespectral, em que um CCD da Bayer captura imagens coloridas visíveis (400 a 700 nm) em um canal, e um sensor monocromático captura dados quase infravermelhos (750 a 900+ nm) em um segundo canal.

Para usuários de câmeras de varredura de linha, a JAI oferece três câmeras multiespectral em sua série Sweep+. Essas câmeras quad lineares baseadas em prisma fornecem canais separados para os dados R, G, B e NIR. A SW-2001Q-CL é baseada em uma matriz de 4 x 2048 pixels CCD e possui uma interface Camera Link com frequência de linha de 19 kHz, enquanto a LQ-401CL – também com interface Camera Link – utiliza uma matriz CMOS de 4 x 4096 com frequência de linha de 18 kHz. Com uma interface de 10GigE, o SW-4000Q-10GE utiliza uma matriz CMOS 4 x 4096 com 72 kHz de frequência de linha.

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Lastly, a empresa também oferece uma opção de varredura de linha multiespectral em sua série Wave, com sua WA-1000D-CL, que apresenta dois sensores de linha InGaAs montados em prisma (2 x 1024 pixels, interface Camera Link, frequência de linha de 39 kHz). Um canal cobre o espectro NIR superior e a banda SWIR inferior (900 a 1400 nm), enquanto o segundo canal cai na porção superior da banda SWIR de 1400 a 1700 nm.Figure 3: Baseada em um detector InSb refrigerado, a câmera de imagem hiperespectral FX50 pode ser implantada na classificação de plástico preto e na detecção de contaminação em superfícies de metal.

“Utilizando diferentes fontes de luz de banda estreita na gama NIR e SWIR, juntamente com técnicas de fusão de imagens, esta câmara pode ser utilizada para detectar e classificar substâncias difíceis de diferenciar, particularmente em aplicações como a inspecção de alimentos e a reciclagem de plásticos”, diz Rich Dickerson, Director, Comunicações de Marketing, JAI.

Além disso, o desenvolvimento de câmeras multiespectral através da fabricação de filtros e da fixação de filtros de micro padrão diretamente nos sensores de imagem através de um sistema de alinhamento ativo, Salvo Technologies (Anteriormente PIXELTEQ; Seminole, FL, EUA; www.opticalfiltershop.com), oferece uma gama de câmeras multiespectral e polarimétricas. As câmeras da série SpectroCam, que estão disponíveis nas versões ultravioleta, VIS e SWIR, são baseadas em uma roda de filtro de rotação contínua composta de seis a oito filtros ópticos intercambiáveis. As versões UV e VIS, que cobrem respectivamente 200 a 900 nm e 400 a 1000 nm, são baseadas em sensores de imagem CCD, enquanto as versões SWIR utilizam sensores InGaAs.

As câmeras multiespectrais PixelCam fornecem capacidades de imagem multiespectrais de três a nove bandas espectrais, a até 30 fps. Todos os três modelos são baseados em sensores CCD (4 ou 8 MPixel) com matrizes de filtros dicróicos personalizados integrados na matriz de plano focal ao nível do wafer que extraem informações espectrais de alto contraste em comprimentos de onda específicos visíveis e infravermelhos, de acordo com a empresa. Essas câmeras são sensíveis na faixa de 400 a 1000 nm e estão disponíveis nas versões GigE ou CoaXPress com taxas de quadros de até 15 fps.

Spectral Devices (London, ON, Canada; www.spectraldevices.com) oferece dois tipos de câmeras multiespectral, snapshot e line scan. As câmeras de varredura de linha da empresa são baseadas no sensor de imagem CMOS de 2 MPixel CMV2000 de obturador global ams (Premstaetten, Áustria; www.ams.com) e são oferecidas em três câmeras padrão de quatro bandas, bem como modelos de câmeras personalizadas que variam de 2 a 16 bandas diferentes. Essas câmeras visam aplicações como garantia e inspeção de qualidade de alimentos e inspeção de wafer.Figure 4: Com uma faixa espectral de 400 a 1000 nm, a câmera hiperespectral Pika L mede apenas 3,9 x 4,9 x 2,2 polegadas e visa aplicações de visão mecânica e sensoriamento remoto.

As câmeras instantâneas são baseadas no sensor de imagem CMV4000 CMOS de 4 MPixel, também desenvolvido por ams, e são projetadas para a captura simultânea de uma cena em várias bandas. Oferecidas em seis modelos padrão – assim como modelos personalizados – as câmeras capturam em qualquer lugar de 2 a 16 bandas a velocidades de até 94 fps em taxa de quadros total. Essas câmeras multiespectral, de acordo com a empresa, são adequadas para uso em aplicações como robótica, processamento de alimentos e medição de cores.

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No lado do sensor, imec (Leuven, Bélgica; www.imec-int.com) desenvolveu um sensor de imagem multiespectral time delay integration (TDI) chamado Argus, que é baseado na tecnologia CCD-in-CMOS. Os sensores usam um formato com 4096 colunas e 256 estágios por matriz (ou banda) CCD, com um tamanho de pixel de 5,4 µm. Adicionalmente, está disponível uma versão com sete bandas, o que permite aos utilizadores adicionar sete filtros espectrais.

Estes protótipos integram drivers CMOS e circuitos de leitura e alcançam uma taxa de linha de até 300 kHz. Quando combinado com filtros espectrais, é possível obter imagens multiespectral TDI, e com um número personalizado de bandas e estágios TDI. Filtros coloridos ou espectrais podem ser pós-processados no wafer ou tampa de vidro da tampa.

Hyperspectral imaging

Para ativar a imagem hiper-espectral, a imec também criou sensores de imagem hiper-espectral fora da prateleira baseados em wafers aplicados diretamente no topo dos pixels (Figura 2) no sensor de imagem CMOS CMV2000 a partir de ams. Estes sensores de imagem estão disponíveis em mosaico de instantâneos, mosaico de instantâneos, cunha de varredura de linha e formatos de integração de tempo de varredura CCD (TDI) e oferecem opções com 4, 7, 16, 25, 32, 100+, e 150+ bandas. Os sensores de imagem são integrados em vários modelos de câmera de visão mecânica, todos adequados para uso em várias aplicações de inspeção industrial.

XIMEA (Münster, Alemanha; www.ximea.com) oferece quatro modelos baseados em sensores imec, incluindo dois sensores em mosaico com 16 e 25 bandas, e dois modelos de varredura de linha com 100 e 150 bandas. Estas câmaras dispõem de interface USB3 com velocidades de 170 fps ou PCIe com até 340 fps, e faixas espectrais de RGB+NIR, 470 a 630 nm, 600 a 950 nm, 600 a 975 nm, e 470 a 900 nm, dependendo do modelo.

“Ao aplicar filtros espectrais de banda estreita a nível de pixel utilizando processamento de filme fino semicondutor, a tecnologia da imec permite que as soluções de sensores de imagem hiper-espectrais reduzam o factor de forma, o peso e sejam adequadas para sistemas de visão incorporados”, diz Ivan Klimkovic, Key Account Manager na XIMEA. “O XIMEA acoplou os sensores hiper-espectrais da imec com sua plataforma de câmera xiQ, que complementa o importante fator de tamanho, oferecendo 26,4 x 26,4 x 31 mm em dimensão e apenas 31 gramas em peso.”

Photonfocus (Lachen, Suíça; www.photonfocus.com) oferece três câmeras hiper-espectrais com sensores imec também. Disponíveis nos formatos de mosaico snapshot, estas câmaras oferecem opções com 16 ou 25 bandas. Com uma interface GigE, as câmaras oferecem velocidades até 50 fps, e faixas espectrais de 470 a 630 nm, 470 a 900 nm, 595 a 860 nm, 600 a 975 nm, e 665 a 975 nm, dependendo do modelo.

Adicionalmente, a imec associou-se à Adimec (Eindhoven, Holanda; www.adimec.com) para desenvolver o sistema hiper-espectral imec VNIR, que se baseia numa câmara de visão mecânica Adimec Quartz com um sensor de imagem CMOS de 2 MPixel. Oferecendo um formato de varredura de linha com mais de 150 bandas e interface Camera Link, este sistema apresenta uma faixa espectral de 470 a 900 nm ou 600 a 1000 nm.

Imec também tem seus próprios produtos hyperspectral, incluindo os sistemas SNAPSCAN NIR, SNAPSCAN VNIR, e SNAPSCAN SWIR, que apresentam um USB 3.0 e oferecem formatos de snapshot e line scan com bandas de 100+ e 150+, assim como 470 a 900 nm, 600 a 1000 nm e 1100 a 1700 nm, dependendo do modelo.

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Númeras empresas de visão mecânica também desenvolvem câmeras hiperespectral fora do reino imectral, incluindo Specim (Oulu, Finlândia; www.specim.fi), que oferece a série FX de câmeras. Estas câmaras hiper-espectrais funcionam em modo de varrimento de linha, estão disponíveis em GigE, Camera Link, ou Ethernet personalizada, e são concebidas especificamente para aplicações industriais de visão mecânica.

A câmara FX50 (Figura 3) é baseada num detector InSb refrigerado e apresenta uma resolução espacial de 640 pixels, um alcance espectral de 2,7 a 5,3 µm, velocidade de aquisição de imagem de 380 fps, e selecção livre de comprimento de onda a partir de 154 bandas dentro da cobertura da câmara. Esta câmera, de acordo com a empresa, é adequada para uso na classificação de plástico preto e na detecção de contaminação em superfícies metálicas.

“Os resíduos plásticos são um enorme problema: Estima-se que até 2050, haverá mais plástico nos oceanos do que peixe. A maioria dos plásticos não recicláveis consiste em tipos mistos de plástico que não podem ser reutilizados porque as tecnologias tradicionais de separação de plásticos não estão a cumprir os requisitos industriais para os separar de forma fiável e eficiente o suficiente”, diz Hannu Mäki-Marttunen, Chefe de Vendas & Marketing at Specim. “É aqui que entram as câmaras hiper-espectrais da série Specim FX”. Com o FX17 e o novíssimo FX50, podemos agora identificar e classificar diferentes plásticos, mesmo plásticos pretos, até 99% de precisão”

Ele continua, “Isto significa que os clientes finais da Specim podem agora transformar os resíduos plásticos num recurso valioso que pode ser reutilizado como matéria-prima para a indústria de plásticos.”

O modelo FX17 é uma câmera baseada em InGaAs com uma faixa espectral de 900 a 1700 nm, velocidade de aquisição de imagem de 670 fps, e seleção de comprimento de onda livre a partir de 224 bandas dentro da cobertura da câmera. As aplicações alvo incluem qualidade de alimentos e rações, classificação de resíduos, reciclagem e medição de umidade. O modelo FX10 é uma câmera baseada em sensor de imagem CMOS com uma faixa espectral de 400 a 1000 nm, velocidade de aquisição de imagem de 330 fps e seleção de comprimento de onda livre a partir de 224 bandas dentro da cobertura da câmera. Esta câmera, de acordo com a empresa, tem como alvo aplicações de visão mecânica, tais como inspeção de qualidade de alimentos e detecção de cor/densidade em aplicações de impressão.

Specim oferece uma série de outras câmeras hiperespectrais, incluindo os modelos Fenix, PFD-65-V10E e sCMOS-50-V10E, bem como a câmera portátil Specim IQ, que permite a análise de material móvel e oferece uma faixa espectral de 400 a 1000 nm.

HinaLea Imaging (Kapolei, HI, EUA; www.hinaleaimaging.com) também fabrica câmeras hiperespectrais, incluindo a câmera de campo amplo Modelo 4200, que tem resolução espacial de 2,3 MPixel sensor, sensibilidade na faixa de 400 a 1000 nm, e acesso a até 600 bandas espectrais. A empresa também oferece o modelo portátil 4100H, que alegadamente fornece cubos de dados de 2,3 MPixel a até 550 bandas espectrais nos comprimentos de onda visíveis e quase infravermelhos (400 a 1000 nm). O dispositivo também tem um processador incorporado e iluminação embutida.

“Estamos recebendo um tremendo e crescente interesse em nossas câmeras para inspeção de segurança alimentar e processamento de semicondutores”, diz Alexandre Fong, vice-presidente de engenharia. “Com a introdução de soluções espectrais econômicas, há potencial para transformar aplicações de inspeção automatizada com essa profundidade de novas informações”.

Apontando aplicações avançadas de visão mecânica como um de seus principais mercados, a Headwall Photonics (Bolton, MA, EUA; www.headwallphotonics.com) é outra empresa que desenvolve câmeras espectrais. Para sua câmera Micro-Hyperspec, por exemplo, a empresa lista a visão mecânica como uma aplicação alvo. Esta câmera está disponível nas versões VNIR, NIR, NIR estendida e SWIR, todas elas com interface Camera Link: VNIR Série A (400 a 1000 nm, sensor CCD de silicone, 324 bandas espectrais selecionáveis, 90 fps); VNIR Série E (400 a 1000 nm, sensor sCMOS, 369 bandas espectrais selecionáveis, 250 fps); NIR 640 (900 a 1700 nm, detector InGaAs, 134 bandas espectrais selecionáveis, 120 fps); NIR 320 (900 a 1700 nm, detector InGaAs, 67 bandas espectrais selecionáveis, 346 fps); VNIR 640 estendida (600 a 1700 nm, detector InGaAs, 267 bandas espectrais selecionáveis, 120 fps); SWIR 384 (900 a 2500 nm, detector MCT, 166 bandas espectrais selecionáveis, 450 fps); e SWIR 640 (900 a 2500 nm, detector MCT, 267 bandas espectrais selecionáveis, >200 fps).

Desenhada exclusivamente para aplicações de visão mecânica é a câmera MV Hyperspec da empresa, que tem uma faixa de comprimento de onda de 400 a 1000 nm, 270 bandas espectrais selecionáveis, uma interface Camera Link, e uma velocidade de aquisição de imagem de 485 fps.

Embora BaySpec (San Jose, CA, EUA; www.bayspec.com), é uma empresa que desenvolve instrumentos espectrais para indústrias incluindo pesquisa e desenvolvimento, biomédica e telecomunicações ópticas, a empresa também possui câmeras hiperespectrais que são adequadas para inspeção industrial. Uma dessas câmeras é a USB 3.0 baseado na câmera OCI-OEM, que serve como o motor óptico da empresa OCI-1000 (push-broom, até 120 fps) e OCI-2000 (snapshot, até 120 fps) hiper-espectrais, que cobrem a faixa de 600 a 1000 nm com até 100 (OCI-1000) ou 25 (OCI-2000) bandas espectrais selecionáveis.

Outra opção é a câmera hiper-espectral GoldenEye Snapshot da empresa, que usa tecnologia proprietária FT-PI e cobre uma faixa estendida de 400 a 1700 nm, apresenta bandas espectrais selecionáveis de 40 a 52, e uma taxa de quadros de 1 fps a 648 x 488 pixels espaciais.

Simplesmente, a Resonon (Bozeman, MT, EUA; www.resonon.com) é uma empresa que desenvolve câmeras hiper-espectrais para aplicações laboratoriais, ao ar livre e de sensoriamento remoto, enquanto também está de olho no mercado de visão mecânica. Adequadas para uso em aplicações industriais de imagem são as seguintes câmeras, de acordo com a empresa: Pika L (Figura 4; faixa espectral de 400 a 1000 nm, 281 bandas espectrais selecionáveis, 249 fps, interface USB 3.0), Pika XC2 (faixa espectral de 400 a 1000 nm, 447 bandas espectrais selecionáveis, 165 fps, USB 3.0 interface), Pika NIR-320 (faixa espectral de 900 a 1700 nm, 164 bandas espectrais selecionáveis, 520 fps, interface GigE), e Pika NIR-640 (900 a 1700 nm, 328 bandas espectrais selecionáveis, 249 fps, interface GigE.)

Lastly, oferecendo duas câmeras de imagem hiperespectral para aplicações de imagem industrial em sua linha HySpex é Norsk Elektro Optikk (NEO; Skedsmokorset, Noruega; www.hyspex.no). A câmera HySpex SWIR-384 é baseada em um sensor MCT e oferece uma faixa espectral de 950 a 2500 nm com 288 bandas espectrais selecionáveis e uma taxa de quadros de 400 fps em toda a faixa espectral (escalonável reduzindo a faixa), enquanto a HySpex VNIR-1024 é baseada em um sensor de imagem CMOS e oferece uma faixa espectral de 400 a 1000 nm com 108 bandas espectrais selecionáveis e uma taxa de quadros de 700 fps em toda a resolução espectral.

As câmaras hiper-espectrais, segundo a empresa, são extremamente nítidas – tanto espectral como espacialmente – com menos de 10% de erros de registo espacial e espectral (smile e keystone).