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Polarisierte Bildgebung

Kamera liefert Polarisierungsdaten in einem einzigen Bild

Neben Helligkeit (Intensität) und Farbe (Wellenlänge) kann Polarisation auch als Eigenschaft des Lichtes zur Bildgebung verwendet werden. Polarisation von Licht entsteht z.B. wenn Licht an einer Oberfläche reflektiert wird. So lassen sich Oberflächenfehler finden, die sonst nur schwer zu erkennen sind. Auch mechanische Spannungen in Materialien können sichtbar gemacht werden.

 Die Phoenix Polarisationskamera basiert auf dem IMX250MZR CMOS von Sony, der eine zusätzliche On-Chip nanowire Polarisationsschicht hat. Die Pixeldaten können zur Berechnung von Polarisationsdaten verwendet werden. (Bild: Lucid Vision Labs Inc)

Bild 1 | Die Phoenix Polarisationskamera basiert auf dem IMX250MZR CMOS von Sony, der eine zusätzliche On-Chip nanowire Polarisationsschicht hat. Die Pixeldaten können zur Berechnung von Polarisationsdaten verwendet werden. (Bild: Lucid Vision Labs Inc.)

Herkömmliche Polarisationskamerasysteme kombinieren mehrere Kameras mit unterschiedlich ausgerichteten Polarisationsfiltern oder eine einzige Kamera mit zusätzlicher Mechanik, um die Ausrichtung der Filter zu variieren. Beides ist aufwendig, teuer und erfordert die Überlagerung mehrerer Bilder, um die Polarisationsdaten für verschiedene Winkel zu erhalten. Die Phoenix Polarisationskamera liefert diese Daten mit jedem einzelnen Bild. Das macht es günstiger und reduziert die Komplexität.

Aufbau der Kamera

Die Kamera basiert auf dem Sony 5MP Global Shutter Sensor IMX250MZR Pregius CMOS, der um eine Polarisationsschicht auf dem Chip erweitert wurde. Dazu werden, ähnlich wie beim Bayer-Pattern, Viererblöcke mit 2×2 Pixeln gebildet. Auf diese werden nun statt Farbfilter verschiedene Polarisationsfilter (0°, 90°, 45° und 135°) aufgetragen. Durch die Verhältnisse der in verschiedenen Richtungen polarisierten Messwerte, lässt sich sowohl der Anteil an polarisiertem Licht, als auch die Hauptrichtung der Polarisation berechnen. Sonys Polarisationsschicht ist zusätzlich mit einer Antireflexschicht überzogen, um Streulicht und Geisterbilder zu dämpfen. Das Polarisationsgitter befindet sich auf dem Chip und nicht auf dem Glas. Dadurch ist es näher an den Fotodioden, was eine bessere Unterdrückung unerwünschter Polarisationsrichtungen erzeugt und Crosstalk auf benachbarte Pixel weitestgehend verhindert. Mit Hilfe der Rohdaten des Sensors können mehrere Polarisationseigenschaften berechnet werden, wie der Anteil der linearen Polarisation (DoLP) und der Winkel der linearen Polarisation (AoLP). Zur Visualisierung können Falschfarbenbilder erzeugt werden. Polarisierungsbilder können verwendet werden, um die Flächennormalen zu schätzen oder um die Krümmung bzw. Planheit eines Objektes zu bestimmen. Die Kamera misst lediglich 24x24mm und ist damit aktuell die kleinste GigE-PoE-Industriekamera. Das stapelbare Board-Layout kann z.B. bei beengten Platzverhältnissen, in unterschiedlichster Art und Weise gefaltet und verschraubt werden.

Bild 2 | Mithilfe des Sensors können mehrere Polarisationseigenschaften berechnet werden, wie z.B. der Grad der linearen
Polarisation (DoLP) oder der Winkel der linearen Polarisation (AoLP). (Bilder: Lucid Vision Labs Inc.)

Neue Anwendungen

Die Phoenix Polarisationskamera senkt den Einstiegspreis in die polarisierte Bildgebung und eröffnet neue Anwendungsgebiete. In industriellen Anwendungen, in denen die visuelle Inspektion aufgrund von kontrastarmen oder stark reflektierenden Bildbedingungen schwierig ist, können polarisierte Sensoren dazu beitragen, versteckte Materialeigenschaften aufzudecken. So können z.B. Polarisationskameras verwendet werden, um transparente Materialien wie Glas oder Kunststoff zu untersuchen. Die Verwendung eines falschen Farbbildes zur Visualisierung des polarisierten Winkels des Bildes kann dazu beitragen, Kratzer auf Oberflächen klarer Kunststoffe zu erkennen. Die gleiche Methode kann verwendet werden, um auf birefringentes Material zu schauen, um dort innere Spannung zu bewerten. Polarisierte Bilddaten können auch Bilder mit hohem Kontrast erzeugen, die zur Objektidentifizierung/-segmentierung verwendet werden. Polarisation ist auch für Branchen wie die chemische Industrie, Pharmazie, Lebensmittel- und Getränkeindustrie interessant. Viele chemische Verbindungen wie Zucker oder arzneilich wirksame Bestandteile sind optisch aktiv, bewirken also eine Änderung des Polarisationswinkels abhängig von der Konzentration des Stoffes. Mit einer Polarisationskamera lässt sich dieser Winkel und somit indirekt auch die Konzentration eines Stoffes messen.

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