Le telecamere multispettrali e iperspettrali ampliano l'ambito dell'imaging industriale

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Mentre le telecamere multispettrali e iperspettrali sono utilizzate in molte applicazioni e settori industriali, un'area migliorata dall'emergere di queste tecnologie è l'ispezione industriale. L'ispezione della qualità dei prodotti alimentari e delle bevande, l'ispezione e lo smistamento dei prodotti farmaceutici, l'ispezione del colore e il monitoraggio dei processi sono solo alcuni esempi di come i componenti di imaging non visibili siano oggi parte integrante dei sistemi di visione industriale.

Due metodi per catturare immagini al di là delle lunghezze d'onda visibili sono l'imaging multispettrale e iperspettrale. L'imaging iperspettrale coinvolge bande spettrali strette, di solito contigue, che coinvolgono forse centinaia o migliaia di spettri, mentre l'imaging multispettrale coinvolge bande spettrali di larghezza di banda variabile, non necessariamente contigue, ma con un massimo di 10 bande strategicamente selezionate.

Entrambi i metodi si riferiscono essenzialmente allo stesso concetto di imaging, con il multispettrale che copre meno bande spettrali discrete. Le telecamere multispettrali di solito acquisiscono diverse lunghezze d'onda in una singola immagine e le tecniche variano dall'uso di filtri pixel standard a larga larghezza di banda all'uso di filtri sintonizzabili a banda stretta nello spazio dei pixel. Impiegate in applicazioni industriali che comprendono l'ispezione dei materiali, l'ispezione di semiconduttori ed elettronica e l'ispezione della qualità degli alimenti, le telecamere multispettrali sono disponibili nei formati area scan e line scan.

Teledyne DALSA (Waterloo, ON, Canada; www.teledynedalsa.com), ad esempio, offre le sue telecamere Linea ML, premiate nel 2018 con il programma Innovators Award, utilizzando sensori CMOS 8k x 4 e 16k x 4 quadrilineare con tre canali RGB nativi più un canale NIR (near-infrared channel) separato. Le telecamere sono sensibili nelle lunghezze d'onda del visibile (da 400 a 700 nm) e del vicino infrarosso (da 700 a 1000 nm) con filtri dicroici di livello wafer e catturano immagini RGB+NIR indipendenti in un'unica scansione. Le telecamere Linea ML offrono una velocità di linea di 75 kHz x 4 o 5 GB/sec attraverso l'interfaccia in fibra ottica Camera Link HS. Le telecamere offrono una velocità di linea di 70 kHz tramite Camera Link e sono dotate di filtri a livello wafer per una chiara separazione dei canali spettrali.

Disponibili con uscita a 8, 10 o 12 bit e modalità a più regioni di interesse, le telecamere sono destinate all'ispezione della stampa, all'ispezione elettronica, alla classificazione dei materiali, all'ispezione della bobina, alla selezione dei colori e alle applicazioni di ispezione alimentare, a seconda dell'azienda.

Basato sulla tecnologia dei prismi che consente la cattura simultanea lungo un unico percorso ottico senza ruote filtranti o altre parti in movimento, JAI offre diverse telecamere multispettrali (Figura 1) (San Jose, CA, USA, www.jai.com). Per gli utenti di telecamere a scansione area, JAI offre tre telecamere multispettrali della serie Fusion. Questi modelli di sensori a 2 CCD si differenziano solo per la risoluzione e le interfacce dati: AD-080CL (0,8 MPixel, interfaccia Camera Link, 30 fps), AD-080GE (0,8 MPixel, interfaccia GigE Vision, 30 fps) e AD-130GE (1,3 MPixel, interfaccia GigE Vision, 31 fps.) Ogni telecamera si basa sullo stesso aspetto multispettrale, in quanto un CCD Bayer cattura immagini a colori visibili (da 400 a 700 nm) in un canale, mentre un sensore monocromatico cattura dati vicino all'infrarosso (da 750 a 900 nm) in un secondo canale.

Per gli utenti di fotocamere a scansione lineare, JAI offre tre fotocamere multispettrali della serie Sweep+. Queste telecamere prismatiche quad-lineari forniscono canali separati per i dati R, G, B e NIR. Il modello SW-2001Q-CL è basato su un array di pixel CCD 4 x 2048 e dispone di un'interfaccia Camera Link con frequenza di linea a 19 kHz, mentre il modello LQ-401CL, anch'esso con interfaccia Camera Link, utilizza un array CMOS 4 x 4096 con frequenza di linea a 18 kHz. Dotato di un'interfaccia 10GigE, il modello SW-4000Q-10GE utilizza un array CMOS 4 x 4096 con frequenza di linea di 72 kHz.

Infine, l'azienda offre anche un'opzione di scansione multispettrale della serie Wave, con il WA-1000D-CL, che dispone di due sensori di linea InGaAs montati su prisma (2 x 1024 pixel, interfaccia Camera Link, frequenza di linea 39 kHz). Un canale copre lo spettro NIR superiore e la banda SWIR inferiore (da 900 a 1400 nm), mentre il secondo canale cade nella parte superiore della banda SWIR da 1400 a 1700 nm.

"Utilizzando diverse sorgenti luminose a banda stretta della gamma NIR e SWIR, insieme alle tecniche di fusione delle immagini, questa telecamera può essere utilizzata per rilevare e selezionare sostanze difficili da differenziare, in particolare in applicazioni come l'ispezione degli alimenti e il riciclaggio delle materie plastiche", afferma Rich Dickerson, Manager, Marketing Communications, JAI.

Salvo Technologies (in precedenza PIXELTEQ; Seminole, FL, USA; www.opticalfiltershop.com), che sviluppa anche telecamere multispettrali producendo filtri e collegando filtri micro fantasia direttamente ai sensori di immagine attraverso un sistema di allineamento attivo, offre una gamma di immagini multispettrali e polarimetriche. Le telecamere della serie SpectroCam, disponibili nelle versioni ultravioletta, VIS e SWIR, si basano su una ruota filtrante rotante continua composta da sei a otto filtri ottici intercambiabili. Le versioni UV e VIS - che coprono rispettivamente da 200 a 900 nm e da 400 a 1000 nm - sono basate su sensori di immagine CCD, mentre le versioni SWIR utilizzano sensori InGaAs.

Le telecamere multispettrali PixelCam offrono capacità di imaging multispettrale da tre a nove bande spettrali, fino a 30 fps. Tutti e tre i modelli sono basati su sensori CCD (4 o 8 MPixel) con filtri dicroici personalizzati integrati nella matrice sul piano focale a livello di wafer che estraggono informazioni spettrali ad alto contrasto a specifiche lunghezze d'onda visibili e infrarosse, secondo l'azienda. Queste telecamere sono sensibili nella gamma da 400 a 1000 nm e sono disponibili nelle versioni GigE o CoaXPress con frame rate fino a 15 fps.

Spectral Devices (Londra, ON, Canada; www.spectraldevices.com) offre due tipi di telecamere multispettrali, snapshot e line scan. Le telecamere a scansione di linea dell'azienda sono basate sul sensore d'immagine CMV2000 con otturatore globale CMOS da 2 MPixel di ams (Premstaetten, Austria; www.ams.com) e sono disponibili in tre telecamere standard a quattro bande, così come modelli di telecamere personalizzate che vanno da 2 a 16 bande diverse. Queste telecamere sono destinate ad applicazioni quali l'assicurazione e l'ispezione della qualità degli alimenti e l'ispezione dei wafer.

Le fotocamere istantanee si basano sul sensore di immagine CMV4000 CMOS da 4 MPixel, anch'esso sviluppato da ams, e sono progettate per la cattura simultanea di una scena a bande multiple. Disponibili in sei modelli standard, oltre che personalizzati, le telecamere catturano da 2 a 16 bande a velocità fino a 94 fps a pieno frame rate. Queste telecamere multispettrali, secondo l'azienda, sono adatte per l'uso in applicazioni come la robotica, la lavorazione alimentare e la misurazione del colore.

Per quanto riguarda i sensori, imec (Leuven, Belgio; www.imec-int.com) ha sviluppato un sensore di immagine multispettrale per l'integrazione del ritardo temporale (TDI) chiamato Argus, basato sulla tecnologia CCD-in-CMOS. I sensori utilizzano un formato con 4096 colonne e 256 stadi per matrice (o banda) CCD, con una dimensione pixel di 5,4 µm. Inoltre, è disponibile una versione a sette bande, che consente agli utenti di aggiungere sette filtri spettrali.

Questi prototipi integrano driver CMOS e circuiti di lettura e raggiungono un line rate fino a 300 kHz. In combinazione con i filtri spettrali, è possibile ottenere immagini TDI multispettrali e con un numero personalizzato di bande e stadi TDI. I filtri colorati o spettrali possono essere post-lavorati sulla cialda o sul coperchio in vetro di copertura.

Per abilitare l'imaging iperspettrale, imec ha anche creato sensori di immagine iperspettrale basati su wafer applicati direttamente sui pixel (Figura 2) sul sensore di immagine CMV2000 CMOS CMOS di ams. Questi sensori di immagine sono disponibili nei formati a mosaico, snapshot tiled, line scan wedge e line scan CCD time delay integration (TDI) e offrono opzioni con 4, 7, 16, 16, 25, 32, 100+ e 150+ bande. I sensori di immagine sono integrati in diversi modelli di telecamere per la visione industriale, tutti adatti all'uso in diverse applicazioni di ispezione industriale.

XIMEA (Münster, Germania; www.ximea.com) offre quattro modelli basati su sensori imec, tra cui due sensori a mosaico con 16 e 25 bande e due modelli a scansione lineare con 100 e 150 bande. Queste telecamere sono dotate di interfaccia USB3 con velocità di 170 fps o PCIe con velocità fino a 340 fps e intervalli spettrali di RGB+NIR, da 470 a 630 nm, da 600 a 950 nm, da 600 a 975 nm e da 470 a 900 nm, a seconda del modello.

"Applicando filtri spettrali a banda stretta a livello di pixel utilizzando l'elaborazione a film sottile a semiconduttore, la tecnologia di imec consente alle soluzioni di sensori di immagini iperspettrali di ridurre il fattore di forma, ridurre il peso ed essere adatte ai sistemi di visione embedded", afferma Ivan Klimkovic, Key Account Manager di XIMEA. "XIMEA ha accoppiato i sensori iperspettrali di imec con la sua piattaforma di telecamere xiQ, che completa l'importante fattore di dimensione offrendo 26,4 x 26,4 x 31 mm di dimensione e solo 31 grammi di peso

Photonfocus (Lachen, Svizzera; www.photonfocus.com) offre anche tre telecamere iperspettrali con sensori imec. Disponibili in formato mosaico, queste fotocamere offrono opzioni con 16 o 25 bande. Con un'interfaccia GigE, le telecamere offrono velocità fino a 50 fps e intervalli spettrali da 470 a 630 nm, da 470 a 900 nm, da 595 a 860 nm, da 600 a 975 nm e da 665 a 975 nm, a seconda del modello.

Inoltre, imec ha collaborato con Adimec (Eindhoven, Paesi Bassi; www.adimec.com) per sviluppare il sistema iperspettrale imec VNIR, basato su una macchina fotografica di visione al quarzo Adimec con sensore di immagine CMOS da 2 MPixel. Dotato di un formato di scansione lineare con oltre 150 bande e interfaccia Camera Link, questo sistema presenta una gamma spettrale da 470 a 900 nm o da 600 a 1000 nm.

Imec ha anche i propri prodotti iperspettrali, tra cui i sistemi SNAPSCAN NIR, SNAPSCAN VNIR e SNAPSCAN SWIR, che dispongono di un'interfaccia USB 3.0 e offrono formati snapshot e line scan con bande 100+ e 150+, così come 470 - 900 nm, 600 - 1000 nm, e 1100 - 1700 nm gamme spettrali, a seconda del modello.

Numerose aziende di visione industriale sviluppano telecamere iperspettrali anche al di fuori del regno imec, tra cui Specim (Oulu, Finlandia; www.specim.fi), che offre la serie di telecamere FX. Queste telecamere iperspettrali funzionano in modalità di scansione lineare, sono disponibili in GigE, Camera Link o Ethernet personalizzato e sono progettate specificamente per applicazioni di visione industriale.

La telecamera FX50 (Figura 3) è basata su un rivelatore InSb raffreddato e presenta una risoluzione spaziale di 640 pixel, una gamma spettrale da 2,7 a 5,3 µm, una velocità di acquisizione delle immagini di 380 fps e una selezione libera delle lunghezze d'onda da 154 bande all'interno della copertura della telecamera. Questa telecamera, secondo l'azienda, è adatta per l'uso nella selezione della plastica nera e per il rilevamento di contaminazioni su superfici metalliche.

"I rifiuti di plastica è un problema enorme: si stima che entro il 2050 ci sarà più plastica negli oceani che nei pesci. La maggior parte delle plastiche non riciclabili è costituita da plastiche miste che non possono essere riutilizzate perché le tecnologie tradizionali di selezione della plastica non soddisfano i requisiti industriali per separarle in modo sufficientemente affidabile ed efficiente", afferma Hannu Mäki-Marttunen, responsabile vendite e marketing di Specim. "E' qui che entrano in gioco le telecamere iperspettrali della serie Specim FX. Con l'FX17 e il nuovissimo FX50, ora possiamo identificare e ordinare diverse materie plastiche, anche plastiche nere, con una precisione fino al 99%"

Il modello FX17 è una telecamera basata su InGaAs con una gamma spettrale da 900 a 1700 nm, velocità di acquisizione delle immagini di 670 fps e selezione libera della lunghezza d'onda da 224 bande all'interno della copertura della telecamera. Le applicazioni target includono la qualità di alimenti e mangimi, la selezione dei rifiuti, il riciclaggio e la misurazione dell'umidità. Il modello FX10 è una fotocamera basata su sensori di immagine CMOS con una gamma spettrale da 400 a 1000 nm, velocità di acquisizione delle immagini di 330 fps e selezione libera della lunghezza d'onda da 224 bande all'interno della copertura della telecamera. Questa telecamera, secondo l'azienda, è destinata ad applicazioni di visione artificiale come l'ispezione della qualità degli alimenti e il rilevamento di colore/densità nelle applicazioni di stampa.

HinaLea Imaging (Kapolei, HI, USA; www.hinaleaimaging.com) produce anche telecamere iperspettrali, tra cui la telecamera wide field Model 4200, che ha una risoluzione spaziale del sensore da 2,3 MPixel, sensibilità nell'intervallo da 400 a 1000 nm e accesso fino a 600 bande spettrali. L'azienda offre anche il palmare Model 4100H, che secondo quanto riferito fornisce cubi di dati da 2,3 MPixel fino a 550 bande spettrali nelle lunghezze d'onda visibili e nel vicino infrarosso (da 400 a 1000 nm). Il dispositivo ha anche un processore incorporato e un'illuminazione integrata.

"Stiamo riscuotendo un enorme e crescente interesse per le nostre telecamere per l'ispezione della sicurezza alimentare e la lavorazione dei semiconduttori", afferma Alexandre Fong, Vice Presidente, Engineering. "Con l'introduzione di soluzioni spettrali economiche, c'è il potenziale per trasformare le applicazioni di ispezione automatizzata con questa profondità di nuove informazioni"

Headwall Photonics (Bolton, MA, USA; www.headwallphotonics.com) è un'altra azienda che sviluppa telecamere spettrali. Per la sua telecamera Micro-Hyperspec, ad esempio, l'azienda elenca la visione artificiale come applicazione di destinazione. Questa telecamera è disponibile nelle versioni VNIR, NIR, NIR, NIR estesa e SWIR, tutte dotate di interfaccia Camera Link: Serie A VNIR (da 400 a 1000 nm, sensore CCD al silicio, 324 bande spettrali selezionabili, 90 fps); Serie E VNIR (da 400 a 1000 nm, sensore sCMOS, 369 bande spettrali selezionabili, 250 fps); NIR 640 (da 900 a 1700 nm, rivelatore InGaAs, 134 bande spettrali selezionabili, 120 fps); NIR 320 (900-1 1700 nm, rivelatore InGaAs, 67 bande spettrali selezionabili, 346 fps); Extended VNIR 640 (600-1 1700 nm, rivelatore InGaAs, 267 bande spettrali selezionabili, 120 fps); SWIR 384 (900-2500 nm, rivelatore MCT, 166 bande spettrali selezionabili, 450 fps); e SWIR 640 (900-2500 nm, rivelatore MCT, 267 bande spettrali selezionabili, >200 fps).

Mentre BaySpec (San Jose, CA, USA; www.bayspec.com), è un'azienda che sviluppa strumenti spettrali per industrie che includono ricerca e sviluppo, biomedicale e telecomunicazioni ottiche, l'azienda dispone anche di telecamere iperspettrali adatte all'ispezione industriale. Una di queste fotocamere è la fotocamera OCI-OEM basata su USB 3.0, che funge da motore ottico degli imager iperspettrali OCI-1000 (push-broom, fino a 120 fps) e OCI-2000 (snapshot, fino a 120 fps) dell'azienda, che coprono l'intervallo da 600 a 1000 nm con bande spettrali selezionabili fino a 100 (OCI-1000) o 25 (OCI-2000).

Allo stesso modo, Resononon (Bozeman, MT, USA; www.resonon.com) è un'azienda che sviluppa telecamere iperspettrali per applicazioni di laboratorio, outdoor e telerilevamento, tenendo d'occhio anche il mercato della visione artificiale. Adatte per l'uso in applicazioni di imaging industriale sono le seguenti telecamere, secondo l'azienda: Pika L (Figura 4; range spettrale da 400 a 1000 nm, 281 bande spettrali selezionabili, 249 fps, interfaccia USB 3.0), Pika XC2 (range spettrale da 400 a 1000 nm, 447 bande spettrali selezionabili, 165 fps, USB 3).0), Pika NIR-320 (gamma spettrale da 900 a 1700 nm, 164 bande spettrali selezionabili, 520 fps, interfaccia GigE), e Pika NIR-640 (900 a 1700 nm, 328 bande spettrali selezionabili, 249 fps, interfaccia GigE.)

Infine, Norsk Elektro Optikkk (NEO; Skedsmokorset, Norvegia; www.hyspex.no) offre due telecamere iperspettrali per applicazioni di imaging industriale nella sua linea HySpex. La telecamera HySpex SWIR-384 è basata su un sensore MCT e offre una gamma spettrale da 950 a 2500 nm con 288 bande spettrali selezionabili e un frame rate di 400 fps a piena gamma spettrale (scalabile riducendo la gamma), mentre l'HySpex VNIR-1024 è basato su un sensore di immagine CMOS e offre una gamma spettrale da 400 a 1000 nm con 108 bande spettrali selezionabili e un frame rate di 700 fps a piena risoluzione spettrale.