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Neue Sony SenSWIR-Technologie, die begeistert

24. November 2021

Interview mit Danny Hesse, Portfolio Manager bei STEMMER IMAGING

Sony hat mit der Entwicklung seiner SenSWIR-Sensoren einen wichtigen Meilenstein für die zukünftige Weiterverbreitung der SWIR-Bilderfassung erreicht: Dank der modernen InGaAs-Sensorarchitektur können erstmals Bilder im sichtbaren und unsichtbaren kurzwelligen Infrarot-Spektrum gleichzeitig erfasst werden. Dabei setzen die Sensoren neue Maßstäbe in puncto Pixelgröße und Bildhomogenität.

Unser Portfolio Manager Danny Hesse erläutert, was die neuen SenSWIR-Sensoren so einzigartig macht und für welche Anwendungsgebiete sie besonders gut geeignet sind.

Danny Hesse, Portfolio Manager bei STEMMER IMAGING

Was unterscheidet die neuen digitalen SenSWIR-Sensoren von Sony von bisher genutzten InGaAs-basierten Sensoren für den SWIR-Bereich und welche Vorteile bieten sie?

Ein wesentlicher Unterschied zwischen SenSWIR- und herkömmlichen Standard-InGaAs-Sensoren liegt in deren Aufbau. Dabei gibt es vier technische Merkmale, die entsprechende Vorteile bieten: die kleine Pixelgröße, hohe Bildhomogenität, automatische Dunkelstromkorrektur sowie die dünne Indium-Phosphid-Schicht.

Bei herkömmlichen InGaAs Sensoren liegen die Pixelgrößen typischerweise im Bereich von 15µm für VGA-Sensoren und bis zu 10µm für SXGA-Sensoren. Die SenSWIR-Sensoren erreichen hingegen durch die Verwendung von Kupfer-zu-Kupfer-Verbindungen Pixelgrößen von nur 5µm. Der Vorteil: Die SenSWIR-Technologie schafft höhere Auflösungen bei gleichzeitig kompakterer Sensor- und damit auch Kamerabauform.

SenSWIR-Sensor-Architektur im Vergleich zu herkömmlichen InGaAs-Sensoren. Bild: Allied Vision Technologies

Quanteneffizienz von Sony SenSWIR-Sensoren in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Bild: Allied Vision Technologies GmbH

Im Gegensatz zu Standard-InGaAs-Sensoren ist es Sony als erstem Hersteller gelungen, die Quanteneffizienz über den gesamten sichtbaren und kurzwelligen IR-Spektralbereich auf einem relativ hohen Niveau (>50 %) zu halten. Insbesondere in Multispektralanwendungen können so die Systemkosten gesenkt werden, da man nur eine Kamera benötigt.

Eine weitere technische Innovation der SenSWIR-Sensoren sind die abgeschirmten Pixel, die keinem Licht ausgesetzt sind und somit eine automatische Schwarzwertkorrektur ermöglichen.

Bei abgedecktem Kamerasensor ohne Lichteinfall sind immer noch schwache, durch spontane freie Ladungsträger verursachte Signale zu sehen, die als Dunkelstrom (dark current) bezeichnet werden.

Diese Pixel werden verwendet, um in Echtzeit den durch den Dunkelstrom verursachten mittleren Schwarzwert zu bestimmen. Wenn die automatische Schwarzwertkorrektur aktiviert ist, wird der gemessene Schwarzwert automatisch vom Pixelwert jedes effektiven Pixels direkt im Sensor subtrahiert und nicht im FPGA der Kamera, wie es normalerweise bei Standard-InGaAS-Sensoren der Fall ist. Dadurch werden die in der Kamera benötigten Hardwareressourcen reduziert und eine deutlich schnellere Reaktionszeit erreicht.

Außerdem weisen SenSWIR-Sensoren eine wesentlich höhere Pixel-Homogenität als herkömmliche InGaAs-Sensoren auf. Nur bei genauer Betrachtung sind bei den SenSWIR-Sensoren leichte Inhomogenitäten erkennbar, die mit steigender Sensortemperatur zunehmen. Die Sensorkühlung ist daher nach wie vor von Vorteil, um sowohl den Dunkelstrom als auch die Inhomogenität der Sensordaten bei Langzeitbelichtungen oder Anwendungen mit höheren Temperaturen zu reduzieren, bei denen Bildhomogenität und reproduzierbare Abbildungsergebnisse erforderlich sind.

Eine kameraseitige Korrektur von Inhomogenitäten (NUC, Non-Uniformity Correction) ermöglicht es, eine moderate Sensortemperatur zu wählen, um den Stromverbrauch der Kamera niedriger zu halten, was auch für die Effizienz der Sensorkühlung von Nutzen ist. SenSWIR-Sensoren liefern jedoch im Vergleich zu InGaAs-Sensoren bessere Ergebnisse, wenn keine NUC oder Kühlung vorhanden ist.

Welche Kameras verfügen bereits über die neuen SenSWIR Sensoren?

Allied Vision ist einer der ersten Kamerahersteller, der die innovativen SenSWIR InGaAs-Sensoren von Sony in die Goldeye SWIR-Kameraserie integriert hat. Damit sind die Kameras sowohl im sichtbaren als auch im kurzwelligen Infrarot (SWIR) empfindlich. Die neue Goldeye ist mit einer Gigabit Ethernet Schnittstelle nach dem GigE Vision-Standard ausgestattet und unterstützt Power over Ethernet. Damit wird nur ein einziges Kabel für Strom und Daten benötigt, was sowohl den Verkabelungsaufwand als auch Integrationskosten reduziert.

Ihre modulare Bauweise ermöglicht außerdem den Einsatz verschiedener Filter und Optiken mit C-Mount, F-Mount oder M42-Mount. Darüber hinaus ist die Goldeye mit einer integrierten einstufigen thermoelektrischer Sensorkühlung ausgestattet. Dadurch gewährleistet sie eine gleichbleibende Bildqualität auch bei intensivem Einsatz unter wechselnden Umgebungsbedingungen. Modelle mit CameraLink-Schnittstelle folgen in Kürze und runden das SWIR-Portfolio ab.

Zusätzlich zu den bereits verfügbaren Goldeye-Kameras von Allied Vision werden wir die neuen Sensoren in Kürze auch in der Alvium Serie mit USB3-Vision- und Mipi-CSi2-Schnittstelle anbieten. Neben dem extrem kompakten Design mit geringem Gewicht und Stromverbrauch verfügen die Kameras über Befestigungslöcher an allen Seiten für eine einfache Systemintegration. Die einzigartige Kombination von Kameradesign und innovativer SenSWIR-Sensorik eröffnet viele neue Anwendungsmöglichkeiten, wie z.B. für Drohnen in der Landwirtschaft.

Für welche Anwendungen sind die neuen SenSWIR Sensoren besonders interessant?

Die SenSWIR-Sensoren erweitern die Einsatzmöglichkeiten für industrielle Bildverarbeitung jenseits des sichtbaren Spektrums.

Dies ist vor allem für Anwendungsbereiche interessant, die eine große Flexibilität bei der spektralen Analyse und Objekterkennung sowie eine präzise Erkennung von Details erfordern.

Dazu fallen wir mir folgende Beispiele ein:

  • Qualitätsprüfung von Kunststoffbehältern in einer Produktionsumgebung auf Druckfehler und Anomalien auf Joghurtbechern, Milch-, sowie Fruchtsaftbehälter.
  • Materialsortierung von Lebensmitteln aufgrund ihres Wassergehalts und der Absorption von SWIR-Licht, wie Zucker, Salz, Saatkörner, Nüsse usw.
  • Kunststoffsortierung und Recyclinganwendungen
  • Materialsortierung von Obst und Gemüse zur Bewertung von Reifegrad und Frische vor und nach dem Verpacken.