Schadensanalytik Tiefer blickt die plenoptische Mini-High-Speed-Kamera

Forschende am Fraunhofer IZM entwickeln mit Partnern eine Hochgeschwindigkeitskamera mit Multilinsen-Array. Damit seien Aufnahmen mit einem erweiterten Tiefenschärfebereich machbar.

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Das Fraunhofer IZM entwickeln mit Tecventure, Optrontec Inc. und Kaist eine plenoptische Hochgeschwindigkeitskamera, die mit einem Multilinsenarray ausgestattet ist. Plenoptisch bedeutet, dass mit einem solchen, auch Lichtfeldkamera genannten System, nicht nur Breite und Länge eines Objekts erfasst werden, sondern auch Aufnahmen mit einem erweiterten Tiefenschärfebereich klappen. Ihre miniaturisierte Elektronik eigne sich etwa zur prozesssicheren Schadensanalytik in der Industrie oder auch für Forschungszwecke, heißt es weiter. Um die Kamera auch in rauen industriellen Umgebungen einsetzen zu können und sie möglichst platzsparend zu machen, wurde die Elektronik am IZM per Embedding-Technologie miniaturisiert.

Warum eine High-Speed-Kamera dieser Art?

Produktionsprozessen in der Industrie laufen immer schneller ab. Und bei jedem Schritt wird dennoch eine möglichst hohe Prozesskontrolle gewünscht, erklären die IZM-Forscher, weshalb verstärkt Hochgeschwindigkeitskameras zum Einsatz kommen. Wenn sich Objekte im Bildbereich bewegen, lässt sich die Fokusebene allerdings meist nicht so schnell nachregeln, heißt es weiter. Deshalb brauche es Kameras, die bei gleicher Optik einen größeren Tiefenschärfebereich bieten. Dabei können anhand der Bilddaten nachträglich die Fokusebenen angepasst werden. Diese Kamerasysteme gilt es jetzt zu miniaturisieren.

Flotten Vorgängen mit 2.000 Bildern pro Sekunde auf der Spur

Je nach Anwendung wird die Kamera mit einem speziellen Objektiv versehen und das Bild auf einen Vollformatsensor fokussiert. Zwischen Bildsensor und Objektiv wird ein von Kaist und Optrontec in Korea entwickelter Multilinsen- oder Polarisationsfilter-Array in den Strahlengang platziert. Das Mikrolinsen-Array (MLA) 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 Embedded Modul untergebracht.

So kommt eine größere Tiefenschärfe respektive ein höherer Kontrast für strukturelle Details des beobachteten Objekts zustande. Die Aufnahmegeschwindigkeit liege bei 2.000 Bildern pro Sekunde und damit gut 10-mal höher als bei üblichen Kameras. Dadurch werden also auch sehr schnell ablaufende und kritische Prozesse in der industriellen Produktion oder in der Forschung für die detaillierte visuelle Analyse zugänglich, machen die Experten klar.

Es profitieren auch die Biologie, die Chemie und die Physik

Außer dem Vorteil der starken Miniaturisierung der Elektronik durch die Einbettung elektronischer Komponenten in die Leiterplatte und das 3D-Stacking könnten auch die elektrischen Verbindungen verkürzt werden. Insbesondere bei High-Speed-Systemen erhöhe das die Qualität bei der Signalübertragung, wie die Forschenden sagen. Die Elektronik, deren Modul am IZM aufgebaut wurde, sei nicht zuletzt aufgrund ihres nunmehr weitgehend verkapselten Aufbaus auch noch sehr robust.

Bereits in den ersten Funktionsprüfungen der Kamera konnte die optimierte Performance nachgewiesen werden, wie die Forschenden betonen. In weiterführenden Arbeiten werden in den nächsten Monaten die Verfahren zur Herstellung verfeinert und industrietauglich gemacht, heißt es weiter.

Nicht nur für die industrielle Prozessanalyse könne so eine plenoptische High-Speed-Kamera eingesetzt werden. Sie punkte, wie schon angedeutet, auch bei wissenschaftlichen Untersuchungen von biologischen, chemischen oder physikalischen Abläufen, bei denen die Kombination aus Geschwindigkeit und Tiefenschärfe mehr zeigt, als andere Methoden.

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