Ultra-kompakte Multispektralkameras basierend auf Mikrooptik

Demonstrator einer kompakten Multispektralkamera mit linearem Verlaufsfilter für den SWIR-Bereich
© Fraunhofer IOF
Demonstrator einer kompakten Multispektralkamera mit linearem Verlaufsfilter für den SWIR-Bereich
Multispektrale Kamera
© Fraunhofer IOF
Demonstrator einer kompakten Multispektralkamera mit speziellem Filterarray
Zwei Demonstratoren kompakter multispektraler Kameras mit linearem Verlaufsfilter für unterschiedliche Spektralbereiche (links: kurzwelliges Infrarot, rechts: visueller Bereich und nahes Infrarot)
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Zwei Demonstratoren kompakter multispektraler Kameras mit linearem Verlaufsfilter für unterschiedliche Spektralbereiche (links: kurzwelliges Infrarot, rechts: visueller Bereich und nahes Infrarot)

Die besondere Anforderung an multispektrale Kamerasysteme besteht in der gleichzeitigen Aufnahme von hochaufgelösten spektralen und räumlichen Informationen. Klassische Lösungen basieren hierbei häufig auf scannenden Verfahren, bei denen entweder eine räumliche Dimension oder das Spektrum zeitsequentiell aufgenommen wird. Aktuell ist jedoch ein zunehmender Trend hin zu echtzeitfähigen Systemen zu beobachten. Ein weiterer Trend betrifft die fortschreitende Miniaturisierung von solchen Systemen, insbesondere für den Drohnen-gestützten Einsatz im Bereich des Precision-Farmings.

 

Eine vom Fraunhofer IOF, Jena entwickelte multispektrale Kamera kann diese Einschränkungen basierend auf einem Multi-Apertur-Systemansatz mit spezifisch angepassten Mikrolinsen-Array in Kombination mit einem schrägen linear variablen Spektralfilter überwinden und existiert bereits für den visuellen und nahen Infrarot Spektralbereich (Bild 3 rechts). Die neue multispektrale Kamera adaptiert dieses Prinzip auf den kurzwelligen Infrarotbereich basierend auf einer InGaAs-Kamera (Bild 1). Das Setup ermöglicht die Einzelbildaufnahme von 20 Spektralkanälen mit einer linearen spektralen Abtastung von ca. 25 nm über einen erweiterten Wellenlängenbereich im SWIR-Bereich von 1050 bis 1550 nm. Das kompakte System mit einer Größe von nur 55 x 55 x 83 mm³ (optische Baulänge: 10 mm) und einem Gewicht von nur 400 g bietet ein Sichtfeld von 40° und eine räumliche Abtastung von 128 x 128 Pixel pro Kanal. Weitere mögliche Anwendungsbereiche sind u. a. Umwelt- und Agrarüberwachung, industrielle Produktionskontrolle und Sortierung sowie biomedizinische Bildgebung.

 

Außerdem wurde am Fraunhofer IOF ein neuartiger Arrayfilter entwickelt, welcher in Kombination mit einem angepassten Mikrolinsen-Array die Realisierung einer weiteren ultrakompakten Multispektralkamera ermöglicht (Bild 2). Durch eine Array-Anordnung von zwölf individuellen Spektralkanälen wird eine parallelisierte Detektion in Echtzeit ermöglicht. Es handelt sich dabei sich um einen speziellen Fabry-Pérot-Filter, welcher durch eine Kombination von Grautonlithographie und eines Trockenätzprozesses lateral strukturiert wird. Mittels einer durchgehend auf Wafer-Level-Maßstab basierenden Prozesskette lässt sich eine Vielzahl von Filterarrays parallel herstellen.

 

Die auf Basis der neuartigen Filter umgesetzte Multispektralkamera besitzt eine räumliche Auflösung von 610 x 610 Pixel bei einem Gesichtsfeld von 32°. Die zwölf Spektralbänder lassen sich individuell in einem Bereich von 500 bis 950 nm auswählen und besitzen eine typische Bandbreite von 20 bis 30 nm. Eine Rekonstruktion des kompletten multispektralen Datenwürfels erfolgt anschließend durch eine Überlagerung der Einzelkanäle basierend auf einer spektralen Kalibrierung jedes Pixels sowie einer räumlichen Kalibrierung der relativen Einzelbildkoordinaten.

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Martin Hubold

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