Hyperspektrale 20-MP-Videokamera mit bahnbrechendem neuen Ansatz
Die neue hyperspektrale Videokamera ULTRIS basiert auf der Lichtfeldtechnologie und bietet eine hohe Datenqualität, Flexibilität und Geschwindigkeit.
Als die FireflEYE Q285 auf den Markt kam, war sie die erste hyperspektrale Kamera, die einen vollständigen hyperspektralen Datenwürfel (x, y, λ) mit einer einzigen Aufnahme erfassen konnte. Die prismabasierte Sensortechnologie bot eine Lichteffizienz von bis zu 70 %. Mit 125 Spektralkanälen (450 nm bis 950 nm) und einer Bildgröße von 50×50 Pixeln wurden gleichzeitig 2.500 Spektren aufgezeichnet. Allerdings war es bei einer Auflösung von nur 50×50 Pixeln schwierig, räumliche Strukturen im Bild zu erkennen. Daher wurde ein zweiter Bildsensor mit nur einem Kanal (panchromatisch) in die Kamera integriert, der denselben Blickwinkel mit 1000×1000 Pixeln erfasste. Mit diesen zusätzlichen Informationen konnten die Benutzer eine Panschärfung der Spektraldaten durchführen, wodurch die endgültigen Datenwürfel auf eine maximale Größe von 1000×1000×125 transformiert wurden.
Auf die Nachfrage der Kunden nach noch höherer, nicht interpolierter Auflösung reagierte Cubert, indem es sein Portfolio um die multispektrale ButterflEYE-Kamera erweiterte, die auf der Filter-on-Chip-Technologie basierte. Das kombinierte Modell ButterflEYE X2 bietet eine Bildauflösung von 512×272 Pixeln. Allerdings verringerte sich die Anzahl der Spektralkanäle auf 16 oder 25, je nach Sensortyp.
Während eines EPIC-Webinars (European Photonics Industry Consortium) über hyperspektrale Bildgebung gab der CEO von Cubert, Dr. René Heine, Einblicke in die neue hyperspektrale Lichtfeldkamera ULTRIS 20, die zugrunde liegende Technologie und ihre verschiedenen Anwendungsfelder.
Fundamental neue Snapshot-Technologie
Heute betritt die neue Cubert ULTRIS als erste HSI-Kamera, die auf Lichtfeldtechnologie basiert, Neuland. Die Kamera verfügt über einen Ultra-HD-CMOS-Sensor mit 20 MP und ist damit das weltweit höchstauflösende Bildspektrometer. Während der Bildaufnahme wird das Objekt mit einer Vielzahl von Bildern erfasst, von denen jedes seinen eigenen optischen Bandpassfilter mit einer anderen Zentralwellenlänge hat. Dies wird durch die Kombination eines kontinuierlich variablen Bandpassfilters mit einem Linsenarray ermöglicht. Die Kamera bietet eine native Bildauflösung von 400×400 Pixeln mit 100 Spektralkanälen und deckt kontinuierlich den Wellenlängenbereich von 450 nm bis 850 nm ab. Dies bedeutet, dass die bisher unerreichte Anzahl von 160.000 Spektren gleichzeitig erfasst wird. Der 12-Bit-Sensor der Kamera ermöglicht es, kleinste Intensitätsunterschiede im Spektralinhalt zu erkennen, während das Rauschniveau sehr niedrig bleibt. Die duale GigE-Kameraschnittstelle garantiert eine Bildfrequenz von 6 Hz.
Wenn man die Verteilung der Spektralkanäle über ihre jeweiligen Wellenlängenbereiche bei den drei Kameras betrachtet, werden die Verbesserungen deutlich. Aufgrund ihrer prismabasierten Optik hat die Q285 eine kontinuierliche, aber nichtlineare Verteilung der Kanäle. Die X2-Kamera leidet zusätzlich unter dem Umstand, dass der Abstand und die Position der Spektralkanäle aufgrund des komplizierten Produktionsprozesses der Filter-on-Chips nicht genau bestimmt werden können. Die Kanäle der ULTRIS hingegen sind gleichmäßig verteilt, mit einer Bandbreite (FWHM) von zwei Prozent der Zentralwellenlänge.
Kameras im Vergleich
Bildvergleich der drei hyperspektralen Kameras FireflEYE Q285, ButterflEYE X2 (Dual-Filter-on-Chip) und ULTRIS Q20
Für den Vergleich wurden die drei Kameras (ButterflEYE X2, FireflEYE Q285 und ULTRIS Q20) im selben Set-up installiert. Die Belichtungszeit wurde mithilfe einer Weißreferenz optimiert, um die maximale Dynamik zu erzielen. Zur Beleuchtung wurde eine stabilisierte Wolfram-Lichtquelle (50 W) verwendet, mit Belichtungszeiten von 10 ms (FireflEYE Q285), 16 ms (ULTRIS Q20) und 120 ms (ButterflEYE X2). Die Reflexionseigenschaften der Testproben wurden berechnet, indem das Dunkelstrombild vom Messbild subtrahiert und anschließend durch das Bild einer kalibrierten 95% Weißreferenz (Zenith Lite) geteilt wurde. Die Dunkelstrommessung und die Weißreferenz wurden 20-mal gemittelt, um eine gute Rauschreduzierung zu erreichen.
Die Messungen wurden jedoch ohne jegliche Mittelung oder Nachbearbeitung durchgeführt, um das inhärente Rauschen getreu darzustellen. Die Daten werden in ihrer ursprünglichen Form präsentiert, ohne Mittelung, Schärfung oder Glättung, um die tatsächliche spektrale Qualität jedes Sensors zu zeigen. Bild 1 zeigt Mengen, die aus den hyperspektralen Datenwürfeln abgeleitet wurden. Die erste Zeile zeigt typische RGB-Darstellungen (Echtfarbe), und die beiden unteren Zeilen zeigen typische Indizes, die für die Vegetationsanalyse verwendet werden. Jedes Pixel der verschiedenen Bilder repräsentiert eine spektrale Kurve der jeweiligen Sensoren.
Bei der FireflEYE Q285 ist die geringe räumliche Auflösung offensichtlich. Die Farbdarstellung hingegen ist sehr klar, was auch durch die rauschfreien Bilder der Vegetationsindizes bestätigt wird. Die auf Filter-on-Chip-Technologie basierende Kamera X2 hat eine höhere räumliche Auflösung, weist jedoch das typischerweise hohe Rauschniveau dieses Sensors auf. Insbesondere die Vegetationsindizes können nur nach intensiver Nachbearbeitung verwendet werden. Die neue ULTRIS kombiniert eine hohe räumliche Auflösung mit niedrigen Rauschpegeln. Sowohl die Bildqualität als auch die spektrale Qualität sind ausgezeichnet. Das Bildrauschen ist auf einem vergleichbaren Niveau wie bei der FireflEYE Q285.
Vergleich der spektralen Qualität der drei hyperspektralen Kameras
Für jede Kamera werden die Spektren der roten, grünen und gelben Proben zusammen mit der jeweiligen Rauschanzeige in Form der Standardabweichung gezeigt. Die Diagramme zeigen die spektrale Signatur von drei unterschiedlich farbigen Papierproben für jede Kamera. Die Spektren aller Pixel in einem vordefinierten Bereich mit homogener Farbe wurden gemittelt. Da die Standardabweichung das Rauschäquivalent der Sensoren darstellt, wird sie als Fehlerbalken für jeden Kanal verwendet.
Das Ergebnis zeigt deutlich, dass die neue ULTRIS die spektrale Qualität der FireflEYE problemlos erreichen kann, obwohl die ULTRIS eine erheblich höhere räumliche Auflösung bietet.
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.
