Was ist Lichtfeld-Bildgebung?
Eine herkömmliche fotografische Kamera erfasst die Strahlungsintensität des Lichts in einer Ebene. Eine Lichtfeldkamera hingegen erfasst das gesamte Lichtfeld in einer Ebene. Das Lichtfeld besteht aus der Strahlungsintensität und der Richtung des Lichts. Wenn Sie also die Strahlungsintensität und die Richtung des Lichts in einer Ebene kennen, können Sie auch die Intensität und Richtung dieses Lichts in anderen Ebenen berechnen.
Dieses Prinzip ermöglicht es Lichtfeldkameras, die 3D-Informationen einer Szene zu rekonstruieren oder das Bild auf andere Ebenen zu fokussieren. Diese Vorteile haben jedoch einen Nachteil: Das resultierende Bild von einem Lichtfeldsensor hat eine geringere Auflösung im Vergleich zur Auflösung eines herkömmlichen Foto-Bildsensors.
Rechts: Das Funktionsprinzip einer gewöhnlichen Lichtfeldkamera wird dargestellt. Ein Kamerarray erfasst eine Szene aus verschiedenen Winkeln, wodurch die Intensität, Position und Richtung des Lichts aufgezeichnet werden.
Warum Light Field HSI eine geniale Idee ist
Eine typische Lichtfeldkamera nutzt ein Mikrolinsenarray vor einem herkömmlichen Bildsensor. Das Mikrolinsenarray erzeugt eine Vielzahl ähnlicher Bilder auf dem Sensor (nach dem gleichen Prinzip wie das Auge eines Insekts). Aus den leichten Winkeldifferenzen zwischen den einzelnen Bildern kann die Richtung des Lichts berechnet werden. Da jedes Bild teilweise redundant ist, verringert dieser Schritt die Auflösung des Systems.
Im hyperspektralen Lichtfeldbildgebungsverfahren wird dieser Schritt jedoch genutzt, um eine weitere Messdimension in die Kamera einzuführen: die Wellenlänge. In unseren Systemen zeichnet jedes einzelne Bild eine leicht unterschiedliche Wellenlänge der Szene auf, während alle anderen positiven Aspekte des Lichtfelds erhalten bleiben.
Jeder Sensorauslesevorgang enthält den folgenden multidimensionalen Datensatz:
Der vollständige Datensatz wird innerhalb von Millisekunden erfasst und kann mit Video-Bildraten ausgelesen werden. Anstatt wie bei herkömmlichen Lichtfeldkameras Sensorpixel zu verlieren, transformieren wir diese Sensordaten in die Wellenlängendimension. Dadurch verlieren die Kameras nicht die Auflösung des zugrunde liegenden Sensors. Die Auflösung jedes Kanals kann einfach durch die folgende Formel bestimmt werden:
Räumliche Auflösung = Chip-Auflösung / Anzahl der Kanäle.
Dieses Setup ist hochgradig anpassbar, und neben unseren Standardprodukten bieten wir Lösungen mit individuell anpassbaren Spezifikationen, um Ihre Anforderungen zu erfüllen.
Links: Hyperspektrale Lichtfeldkameras sind hochgradig anpassbar, und die Auflösung jedes Kanals kann bestimmt werden, indem die Sensorauflösung durch die Anzahl der gewünschten Kanäle geteilt wird.
Warum Lichtfeld HSI überlegene Qualität bietet
Das Kernarbeitsprinzip jedes Spektrometers ist seine Wellenlängenspezifität. Die Qualität und die Eigenschaften des gesamten Systems werden maßgeblich von diesem Element bestimmt. Für eine gute spektrale Trennung sollte dieses Element von höchstmöglicher Qualität sein.
Bei einigen Snapshot-Spektralbildgebungstechnologien muss dieses Element jedoch eingeschränkt werden, um andere Ziele zu erreichen. Filter-on-Chip-Technologien können beispielsweise nur einfache Spektralfilter verwenden, um das Ziel der maximalen Miniaturisierung zu erreichen.
Der Lichtfeld-Ansatz hingegen ermöglicht den Einsatz von Filtern höchster Qualität in Bezug auf Transmission, Blockierung und Reduzierung von Übersprechen. Dies liegt hauptsächlich daran, dass wir im Vergleich zu Filter-on-Chip-Ansätzen hochzuverlässige optische Dünnschichtfilter verwenden können, die diese überlegenen Spezifikationen durch die Anwendung von 50-150 Beschichtungsschichten erreichen.
Rechts: Filterspezifikationen der ULTRIS X20. Die Filter haben eine Transmission von >90% und eine Blockierung von OD4*. Die resultierenden Spektren sind für jede Wellenlänge äquidistant und gleich breit. *(OD4 entspricht 0,01% Transmission bei unerwünschten Wellenlängen.)
Warum Lichtfeld HSI bessere Reproduzierbarkeit bietet
Die Reproduzierbarkeit hyperspektraler Messungen spielt eine entscheidende Rolle für die Zuverlässigkeit der Datenanalyse, insbesondere wenn eine Anwendung auf mehreren Systemen gleichzeitig arbeiten muss.
Die Reproduzierbarkeit eines Systems wird hauptsächlich durch seine mechanische und thermische Stabilität sowie durch die Intrasystem-Reproduzierbarkeit eines gegebenen Filtersatzes bestimmt. Für hyperspektrale Systeme, die elektrisch abstimmbare Filter verwenden, spielt auch die elektrische Stabilität eine wichtige Rolle.
Hyperspektrale Lichtfeldkameras bieten aufgrund ihrer Konstruktion einige wesentliche Vorteile ihren Vorgängern gegenüber. Die Geräte sind monolithisch, ohne bewegliche Teile, und bieten daher eine extrem hohe mechanische Stabilität. Aufgrund der geringen Bauhöhe und der physikalischen Eigenschaften des Filtersatzes ist die thermische Stabilität ausgezeichnet.
Die Intrasystem-Stabilität wurde für eine Testreihe von 100 Systemen gemessen. Der typische Wellenlängenfehler liegt im Bereich von +/- 0,8 nm. Für spezielle Anwendungen können die Filtersätze vorab ausgewählt werden, um noch höhere Genauigkeit zu erzielen.
Rechts: Wellenlängengenauigkeit einer Testreihe von 100 Systemen. Der zentrale Wellenlängenfehler liegt zwischen -0,8 und +0,8 nm.
Zusammenfassung: Lichtfeld HSI
Zusammenfassend bietet die Lichtfeld-Hyperspektralbildgebung einige bemerkenswerte Vorteile. Diese Geräte ermöglichen die Erfassung eines hyperspektralen Snapshot-Datenwürfels mit hoher räumlicher Auflösung. Der Lichtdurchsatz ist sehr hoch, und die Filterqualität ist überlegen. Aufgrund der physikalischen und mechanischen Eigenschaften bieten die Geräte eine sehr hohe Reproduzierbarkeit. Mit weitergehender Datenanalyse ist sogar eine 3D-Rekonstruktion mit diesen Geräten möglich.
Vorteile der Lichtfeld-Hyperspektralbildgebung:
Über den Autor
Dr. René Heine ist Mitgründer und CEO der Cubert GmbH, einem führenden Unternehmen im Bereich der Echtzeit-Spektralbildgebung. Seit der Gründung im Jahr 2012 prägt René maßgeblich die technologische Ausrichtung und das Wachstum von Cubert. Er promovierte in Physik an der Universität Ulm mit Auszeichnung und arbeitete während seiner Studienzeit auch an der Harvard Medical School. Mit seinem fundierten Wissen in Physik und seiner Vision für innovative Bildgebungstechnologien treibt René die Entwicklung bahnbrechender Lösungen bei Cubert voran.
