Spezialkamera POLKA zum Messen und Analysieren von polarisiertem Licht

Der am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, Erlangen, entwickelte Prototyp der Polarisationskamera POLKA ist eine Spezialkamera zur pixelweisen Erfassung und Messung des Polarisationszustands von Licht. Die Polarisation ist eine Qualität des Lichts, die für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Es eröffnen sich dadurch für die industrielle Qualitätssicherung und -kontrolle neue Einsatzbereiche, z.B. im Leichtbau, wo Faserverläufe bei CFK-Bauteilen erkannt werden können, oder bei Glas bzw. transparenten Kunststoffen, wo die Detektion mechanischer Spannungen möglich ist.

Die Polarisationskamera POLKA erkennt und misst mit der Polarisation eine für den Menschen unsichtbare Qualität des Lichts. Ihr Spezialsensor wird nach einem patentrechtlich geschützten Verfahren produziert, bei dem die Polarisationsfilter als Nanostrukturen direkt in die einzelnen Pixel integriert werden. Diese neuartige Technologie bietet sowohl wirtschaftliche als auch technische Vorteile. Sie ermöglicht nicht nur eine preisgünstige Fertigung des CMOS-Bildsensors in der Großserie, sondern garantiert ohne weiteren Zwischenschritt eine jeweils optimale Justage, da die Pixel und Filter eine untrennbare Einheit bilden. Dieses robuste und wartungsarme Design spielt für den Einsatz in der Industrie eine wichtige Rolle.

Der Faserwinkel von CFK-Gewebe ändert die Polarisationsinformation des reflektierten Lichts. Die Abbildung zeigt eine Falschfarbendarstellung dieser Änderung.
© Fraunhofer IIS

Der Faserwinkel von CFK-Gewebe ändert die Polarisationsinformation des reflektierten Lichts. Die Abbildung zeigt eine Falschfarbendarstellung dieser Änderung.

Die Polarisationskamera steht als industrietauglicher Prototyp mit einer optimierten Ansteuerung und einer Spezialalgorithmik zur Auswertung der Sensorsignale zur Verfügung. Die Datenübertragung erfolgt über GigE Vision. Mit einer einzigen Aufnahme können bei einer Bildwiederholrate von bis zu 100 Bildern pro Sekunde Intensität, Winkel und Grad der Polarisation erfasst werden. Die zugehörige Bediensoftware steuert die Kamera und visualisiert die Ergebnisse. Durch die Ausstattung mit einem C-Mount Objektivadapter ist die Verwendung von Standardobjektiven möglich. Für spezielle Aufgabenstellungen kann das Hardwaredesign nach Kundenwunsch modifiziert und die Software durch anwendungsspezifische Bildverarbeitungs- und Auswertealgorithmen erweitert werden.

Die Kamera erlaubt den Einsatz der Polarisationsbildgebung in Bereichen, die preisgünstige und robuste Lösungen auf der Basis von Standard-Kameratechnologie und -Optik erfordern. Damit wird eine breite Nutzung in einer Vielzahl von neuen Anwendungsgebieten möglich. Auch dort, wo bewegte Objekte zur Aufgabenstellung gehören, kann die Kamera aufgrund der Single-Shot-Erfassung der Polarisationsinformation und der hohen Bildwiederholrate eingesetzt werden. Da die Kalibrierung bereits bei der Herstellung erfolgt, ist die Kamera ohne Zusatzaufwand direkt einsetzbar.

Materialsspannungen in einem Kunststoffrohr.
© Fraunhofer IIS

Polarisiertes Kunststoffrohr. Materialspannungen in doppelbrechenden, transparenten Materialien können durch polarisiertes Licht sichtbar gemacht werden. Die Abbildung zeigt Materialsspannungen in einem Kunststoffrohr.

Die Polarisationskamera POLKA mit Blick auf den am Frauhofer IIS entwickelten Polarisationssensor.
© Fraunhofer IIS

Die Polarisationskamera POLKA mit Blick auf den am Frauhofer IIS entwickelten Polarisationssensor.

Die Einsatzgebiete der Polarisationskamera sind vielfältig und branchenübergreifend. Neue Möglichkeiten für die Qualitätssicherung eröffnen sich z.B. für die glas- und kunststoffverarbeitende Industrie, wo mechanische Spannungen in transparenten Materialien detektiert werden können. Bei Leichtbaumaterialen wie kohlefaserverstärkten Kunststoffen können Faserverläufe sichtbar gemacht werden, deren Ausrichtung für die Festigkeit des Bauteils wichtig ist. Weitere Beispiele sind die Reflexunterdrückung auf nicht metallischen Werkstücken, Gewebeanalysen in der Medizin oder generell die Unterscheidung von Materialien.

Technische Daten der Polarisationskamera:

  • Pixelweise Erfassung und Analyse von linear polarisiertem Licht
  • Größe: 55 x 55 x 75 mm
  • Gewicht: 350 g
  • Auflösung: VGA
  • Polarisationskontrast > 100:1
  • Genauigkeit des Polarisationswinkels < 0,2 Grad
  • Dynamik: 60 dB
  • Single-Shot Aufnahme der Polarisationsinformation
  • maximale Bildwiederholrate: bis zu 100 fps
  • Belichtungszeit: minimal 100 µs
  • GigE Vision Schnittstelle
  • Livedarstellung: polarisierter/unpolarisierter Anteil, Stokesparameter, DOLP, AOLP