SWIR-Kameras ohne Sensorkühlung

Vorteile von SWIR-Kameras ohne TEC-Sensoren

• Das Kameragehäuse kann kleiner ausgelegt sein, weil keine interne Kühlung benötigt wird

• Deutlich geringerer Preis

• Keine Lüfter, die Luftverwirbelungen erzeugen, was insbesondere in Reinräumen vorteilhaft ist

• Keine Vibrationen durch Lüfter, was Messungenauigkeiten vermeidet

• Geringere Leistungsaufnahme, da keine thermoelektrischen Kühlmodule und Lüfter benötigt werden

• Der Betrieb über nur ein Kabel ist möglich, auch mit USB

Sensortemperaturen und Signal-Rausch-Verhältnis

Die Relevanz der einzelnen Aspekte der Bildqualität hängt stark von den Anforderungen an die Applikation ab. Für einige Applikationen ist es essentiell, dass das Rauschen minimal ist, für andere geht es um einen möglichst großen Dynamikumfang. Und wieder andere müssen kleinste Strukturen identifizieren. Deshalb gibt es nicht nur einen Parameter, der Bildqualität repräsentiert, sondern mehrere. Da in diesem Fall nur der Einfluss der Temperatur und damit das Dunkelstromrauschen relevant sind, ist das SNR ein geeigneter Indikator, um die Veränderungen der Bildqualität zu quantifizieren. Da SNR nur homogene Flächen betrachtet, sind ebenso Strukturen und der Kantenverlauf zu berücksichtigen.

Kamerasetups mit repräsentativen Sensortemperaturen

Um die Bildqualität vergleichen zu können, verwenden wir vier verschiedene Kamerasetups mit typischen Sensortemperaturen bei maximaler Bildrate:

• Ungekühlte, unmontierte Kamera mit ca. 60 °C Sensortemperatur

• Passiv gekühlte Kamera mit ca. 45 °C Sensortemperatur

• Aktiv mit Druckluftkühler gekühlte Kamera mit ca. 33 °C Sensortemperatur

• Kamera mit TEC-Sensor mit ca. 15 °C Sensortemperatur

Belichtungszeiten unter 10 Millisekunden

Ausführliche Messreihen belegen, dass TEC-Sensoren bei Belichtungszeiten unter 10 ms keinen Vorteil bezüglich der Bildqualität bieten. Diese Belichtungszeit entspricht bei kontinuierlichem Bildeinzug einer Bildrate von 100 fps. Die SenSWIR-Technologie minimiert die typischen Probleme von konventionellen InGaAs-Sensoren hier bereits.

Selbst beim Vergleich sehr unterschiedlicher Sensortemperaturen (15 °C vs. 60 °C) bei einer Belichtungszeit von 10 ms ist keine besondere Abweichung der Bildqualität von TEC- und ungekühlten SenSWIR-Sensoren festzustellen. Das SNR zeigt keinen signifikanten Unterschied. Das gleiche Ergebnis zeigt sich beim qualitativen Blick auf die Strukturen oder den Kantenverlauf.

Eine Sensorkühlung bringt also keinen entscheidenden Vorteil – der Einfluss des Dunkelstroms ist in diesem Belichtungszeitbereich vernachlässigbar. Etwa 80 % aller SWIR-Anwendungen verwenden solche kurzen Belichtungszeiten.

Belichtungszeiten über 10 Millisekunden

Bei längeren Belichtungszeiten spielt die Sensortemperatur eine größere Rolle. Mit steigender Sensortemperatur nimmt der Einfluss des Dunkelstroms zu und das SNR sinkt, wodurch sich die Bildqualität verschlechtert. Hauptursache sind defekte Pixel, die so genannten „Hotspots“, welche als weiße Punkte im Bild zu erkennen sind. Je höher die Sensortemperatur und je länger die Belichtungszeit, desto mehr dieser Hotspots treten auf (Fixed Pattern Noise – FPN). Gleichzeitig steigt durch den höheren Dunkelstrom auch das so genannte Dunkelstromrauschen (Dark Current Shot Noise), welches sich als Zufallsrauschen (Random Noise – RN) manifestiert.

Bei Belichtungszeiten über 10 ms verbessert ein TEC-Sensor im Allgemeinen die Bildqualität. Jedoch lassen sich die Nachteile eines Sensors ohne TEC durch eine externe Kühllösung und dedizierte Firmware ausgleichen – abhängig vom jeweiligen Applikationssetup und den Anforderungen an die Bildqualität. Daher lohnt es sich zu prüfen, ob die Bildqualität eines ungekühlten SenSWIR-Sensors in der Applikation ausreicht, um von deren Vorteilen zu profitieren.

Pixel Correction Beyond zur Reduzierung von Pixelfehlern

Unser einzigartiger Algorithmus Pixel Correction Beyond wurde entwickelt, um die in der industriellen SWIR-Bildgebung üblichen Pixelfehler zu eliminieren. Durch die Einbeziehung des Bildinhalts und die flexible Anpassung der Korrekturstärke werden deutlich bessere SWIR-Bildergebnisse erzielt.

Reduzierung des Blooming-Effekts

Unter extremen Bedingungen wie einer Sensortemperatur von 60 °C und einer Belichtungszeit größer als 100 ms können so genannte „Blooming Hotspots“ auftreten. Das sind Cluster von Hotspots die entstehen, wenn ein Hotspot auf andere Pixel ausstrahlt. In diesem Fall kann die „Blooming Reduction“, ein SenSWIR-spezifisches Feature von Sony, genutzt werden. Dieses minimiert das Auftreten der „Blooming Hotspots“, was allerdings nur in ca. 50 % aller Fälle gelingt. Ob „Blooming Hotspots“ ein Problem darstellen, muss für jede Anwendung individuell entschieden werden.

PGI für Rauschunterdrückung und Bildschärfe

Eine weitere Möglichkeit die Bildqualität zu optimieren bietet unser bewährtes PGI Feature Set. Denoising reduziert das Zufallsrauschen ohne die Kanten zu beeinträchtigen. Um eine Unschärfe des Bildes zu kompensieren, lassen sich mit Sharpening die Kanten akzentuieren und die Bildschärfe zusätzlich optimieren. So ist es möglich, die Bildqualität individuell an die Inspektionsaufgabe anzupassen.

Pixel Correction Beyond und Denoising

Wie wirkt sich die Kombination aus Pixel Correction Beyond und Denoising auf den Kantenverlauf aus? Das Rauschen wird reduziert, während die Strukturen im Bild erhalten bleiben. Anders als bei einfachen Rauschunterdrückungs-Algorithmen bleiben die Steigung und der Hub zwischen dem hohen und dem niedrigen Grauwert erhalten. Bei einer stärkeren Rauschunterdrückung ist zu beachten, dass die Unschärfe im Bild zunehmen kann. Hier kommt es darauf an, die Parameter für die Rauschunterdrückung und die Nachschärfung gut auszutarieren.

TECless-Kameras bieten viele Vorteile

Die pauschale Annahme, dass in der SWIR-Bildgebung TEC-Sensoren immer eine bessere Bildqualität liefern, ist falsch. Vielmehr kommt es auf den konkreten Anwendungsbereich an. So bieten TEC-SenSWIR-Sensoren bei Belichtungszeiten unter 10 Millisekunden in Bezug auf die Bildqualität keinen Vorteil im Vergleich zu ungekühlten SenSWIR-Sensoren. Dagegen stehen die vielen Nachteile von Kameras mit TEC-Sensoren. Bei längeren Belichtungszeiten bieten wir mit unserer kombinierten Lösung aus Kühlzubehör und Kamerafeatures eine günstige Alternative zu den hochpreisigen Kameras mit TEC-Sensoren. Diese erreicht je nach Anwendung die Bildqualität von Kameras mit TEC-Sensoren. Von daher lohnt es sich, genauer hinzuschauen, um die optimale Lösung für Ihre individuelle Anwendung zu finden.