Technologie

High-Speed-Kamera mit mehr Tiefenschärfe

20.10.2021 - Plenoptische Kamera filmt mit bis zu 2000 Bildern pro Sekunde.

Mit der Beschleunigung von Produktions­prozessen in der Industrie wird in jedem Schritt eine möglichst hohe Prozess­kontrolle gewünscht, weshalb zunehmend Hochgeschwindig­keitskameras zum Einsatz kommen. Wenn sich Objekte im Bildbereich bewegen, lässt sich die Fokusebene allerdings meist nicht so schnell nachregeln. Daher sind Kameras vorteilhaft, die bei gleicher Optik einen größeren Tiefenschärfe­bereich aufweisen. Bei solchen Systemen können anhand der Bilddaten nachträglich die Fokusebenen angepasst werden. Forschende am Fraunhofer-Institut für Zuver­lässigkeit und Mikro­integration IZM haben sich gemeinsam mit weiteren Partnern zum Ziel gesetzt, derartige Kamera­systeme minia­turisiert und als Hochgeschwindig­keitskamera zu entwickeln und aufzubauen.

Je nach Anwendung wird die Kamera mit einem entsprechenden Objektiv versehen und das Bild auf einen Vollformat­sensor fokussiert. Zwischen Bildsensor und Objektiv wird ein eigens entwickeltes Multi­linsen- oder Polarisations­filter-Array in den Strahlengang gebracht. Dies ermöglicht eine größere Tiefenschärfe oder einen höheren Kontrast für strukturelle Details des beobachteten Objekts. Die Aufnahme­geschwindigkeit ist mit 2000 Bildern pro Sekunde um bis zu zehnmal höher als bei üblichen Kameras. Dadurch werden sehr schnelle und kritische Prozesse in der indus­triellen Produktion oder in der Forschung für die detaillierte visuelle Analyse zugänglich.

Das Mikrolinsen­array besteht aus einem Feld von dicht angeordneten Linsen, die einen Abstand von 150 Mikrometern zueinander haben. Die notwendigen Komponenten zur Versorgung des Bildsensors sind unterhalb des Sensors hoch­integriert in einem eingebetteten Modul untergebracht. Neben der erheblichen Minia­turisierung der Elektronik durch die Einbettung elektronischer Komponenten in die Leiter­platte und das 3D-Stacking können auch die elektrischen Verbin­dungen verkürzt werden.

Insbesondere bei High-Speed-Systemen erhöht dies die Qualität des übertragenen Signals. Die Elektronik ist nicht zuletzt aufgrund ihres nunmehr weitgehend verkapselten Aufbaus sehr robust. Bereits in den ersten Funktions­prüfungen der Kamera konnte die optimierte Performance nach­gewiesen werden. In weiter­führenden Arbeiten werden in den nächsten Monaten die Verfahren zur Herstellung verfeinert und in einen industriellen Prozess überführt. 

Nicht nur für die industrielle Prozessanalyse kann die plenoptische High-Speed-Kamera eingesetzt werden, auch für wissenschaftliche Untersuchungen biologischer, chemischer oder physikalischer Abläufe ist die Kombination aus Geschwindigkeit und Tiefenschärfe interessant. 

Fh.-IZM / JOL

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