Bildsensor

 

Für den lichttechnischen Abgleich von Bildsensoren, Digital- und Hyperspektralkameras sowie optoelektronische Sensoren werden Flächenstrahler mit einer hohen Homogenität der Leuchtdichteverteilung benötigt. Gigahertz-Optik GmbH produziert ein weit gefächertes Produktspektrum an homogenen Lichtquellen mit Ulbrichtkugeln und LED-Panels, mit denen die Homogenität und Dynamik von Bildsensoren und Industrie-Kameras geprüft und abgeglichen werden kann. Auf dieser Seite werden Anwendungsbeispiele vorgestellt.

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App. 029

Ulbrichtkugel-Lichtquellen mit kontinuierlichen Emissionsspektrum

Für die Messung der Empfindlichkeit, Linearität und Ungleichförmigkeit von bildgebenden Sensoren wird ein Messaufbau mit einer Referenzlichtquelle benötigt, die den Prüfling homogen bestrahlt. Die EMVA 1288 empfiehlt Ulbrichtkugel-Lichtquellen mit quasi monochromatischen Emissionsspektren für die Qualifizierung von Graustufen- und Farbkameras und deren Sensoren. Zum Abgleich von bildgebenden Sensoren und Systemen für photometrische und spektralradiometrische Messaufgaben sind dagegen Lichtquellen mit einem kontinuierlichen Emissionsspektrum erforderlich. Das Standardleuchtmittel für diesen Einsatz ist die Quarz-Halogenlampe.

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Das einzige Leuchtmittel mit einem breitbandigen kontinuierlichen Emissionsspektrum von Ultraviolett bis Infrarot ist die Quarz-Halogenlampe. Ihr spektraler Emissionsverlauf entspricht im Wellenlängenbereich von 250 nm bis 2500 nm angenähert dem eines schwarzen Strahlers [1]. Mit der Farbtemperatur wird die Betriebstemperatur der Lampenwendel definiert [1].

Quarz-Halogenlampen werden als Kalibrierlampen für die spektrale Bestrahlungsstärke und den spektralen Strahlungsfluss genutzt. Zur Verwendung als Kalibrierlampe für die spektrale Strahldichte lassen sich Quarz-Halogenlampen mit einer Ulbrichtkugel kombinieren. Solche Ulbrichtkugel-Lichtquellen bieten ein Leuchtfeld mit homogener Intensitätsverteilung und quasi hemisphärischer Abstrahlung.

Zur Dimensionierung der Ulbrichtkugel gilt die Faustformel, die Gesamtfläche sämtlicher Öffnungen in einer Ulbrichtkugel-Lichtquelle (Leuchtfeld, Leuchtmittel, Monitordetektor) solle nicht mehr als 5% der Kugeloberfläche betragen, um die gleichmäßige Lichtverteilung in der Kugel sicherzustellen. Entscheidend für die Lichtausbreitung in der Kugel sind neben dem Flächenverhältnis auch die Ausführung der Kugelbeschichtung und der Baffel. Diese Baffel sind erforderlich, um eine direkten Sichtkontakt vom Leuchtfeld zum Leuchtmittel zu vermeiden.

Der Pegel der spektralen Strahldichte am Leuchtfeld ist von verschiedenen Parametern abhängig:

  1. Durchmesser der Ulbrichtkugel und ihrer Öffnungen (je größer der Durchmesser und der Öffnungen desto höher die Dämpfung).
  2. Reflexionsgrad der Kugelbeschichtung (je höher der Reflexionsgrad desto höher der Lichtdurchsatz). Dabei muss der wellenlängenspezifische Reflexionsgrad berücksichtigt werden.
  3. Flächengröße der Baffel.
  4. Der in der Ulbrichtschen Kugel eingespeiste Strahlungsfluss
    1. Der Strahlungsfluss von Quarz-Halogenlampen ist abhängig von der Lampenleistung.
    2. Der Strahlungsfluss von Quarz-Halogenlampen steigt mit ihrer Farbtemperatur.
    3. Der gesamte Strahlungsfluss der Quarz-Halogenlampe kann von der Ulbrichtschen Kugel nur erfasst werden, wenn das Leuchtmittel im Inneren der Kugel angeordnet ist.

Für die Messung der Linearität von bildgebenden Sensoren werden diese mit unterschiedlichen Intensitäten beleuchtet. Eine wichtige Voraussetzung für die Linearitätsmessung ist, dass sich das Emissionsspektrum und die Homogenität der Referenzlichtquelle bei allen Intensitäten nicht verändert. Bei Ulbrichtkugel-Lichtquellen mit interner Anordnung der Leuchtmittel kann eine Änderung der Intensität nur durch Ein- und Ausschalten erreicht werden. Eine Veränderung der elektrischen Lampenleistung bewirkt eine Änderung der Farbtemperatur und ist damit unzulässig. Für eine variable Intensitätseinstellung kann die Quarz-Halogenlampe außerhalb der Kugel angeordnet werden. Der Lichtstrom in die Kugel wird durch eine Blende mit einstellbarer Öffnung kontrolliert. Besonders wichtig für eine farbtemperaturneutrale Intensitätseinstellung durch die mechanische Blende ist deren möglichst homogene Ausleuchtung durch die Quarz-Halogenlampe. Hierfür hat sich die Verwendung von Reflektoren mit diffuser Oberfläche bewährt.

Die Verwendung von optischen Korrekturfiltern vor den außerhalb der Ulbrichtkugeln angebrachten Quarz-Halogenlampen ist wegen der sehr hohen Temperaturstrahlung (Infrarot) nur dann möglich, wenn diese Filter eine geringe Infrarotabsorption aufweisen.

Zur Messung der Empfindlichkeit der bildgebenden Sensoren und Kameras kann die Intensität des Leuchtfeldes in der Messgröße der W/m² sr nm der spektralen Strahldichte kalibriert werden. Dies kann bei unterschiedlichen Intensitäten der Strahldichte erfolgen. Zudem bietet sich die Möglichkeit eines auf die Leuchtdichte abgeglichenen Monitordetektors, der dem Anwender eine Skalierung der spektralen Strahldichte ermöglicht.

Gigahertz-Optik GmbH fertigt Ulbrichtkugel-Lichtquellen mit Kugeldurchmessern von 50 mm bis 1000 mm. Unsere Standardmodelle ISS-17-VA und ISS-30-VA haben ihre Anwendungen in der Kalibrierung der spektralen Strahldichte von Spektralradiometern aber auch der Homogenität von bildgebenden Leuchtdichtemessgeräten und multispektralen sowie hyperspektralen Sensoren. Neben dem Bau von Standardversionen ist Gigahertz-Optik GmbH auf applikationsspezifisch konfigurierte Ulbrichtkugel Lichtquellen ausgerichtet.


Referenzen

[1] Theorie und Anwendungen von Ulbrichtkugeln

App. 030

Referenzlichtquelle für den EMVA 1288 Test von bildgebenden Sensoren und Kameras

Die Auswahl einer geeigneten Kamera ist ein wichtiger Schritt im Rahmen der Konzipierung eines Bildverarbeitungssystems. Für den Anwender ist die Auswahl allerdings nicht immer einfach, da die unterschiedlichen Informationen der Kamerahersteller einen direkten Vergleich der Produkte oft nicht unterstützen. Dieses Problem hat die European Machine Vision Association zur Generierung des EMVA-Standards 1288 [1] motiviert. Die darin aufgeführten Parameter und die Beschreibung der Messverfahren bieten dem Anwender die erforderliche Vergleichsmöglichkeit bei der Auswahl bildgebender Sensoren und Kameras

Zur Messung der Empfindlichkeit, Linearität und Ungleichförmigkeit empfiehlt die EMVA 1288 als Referenzlichtquelle eine Ulbrichtkugel-Lichtquelle [2]. Als besonderes Merkmal gibt die EMVA 1288 vor, dass diese mit LED-Leuchtmitteln konfiguriert sein muss.

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Zur Messung der Empfindlichkeit der Bildsensoren können Lichtquellen mit quasi monochromatischen Emissionsspektren verwendet werden. Dazu muss deren Intensität und Emissionsspektrum durch Kalibrierung in einer absoluten Messgröße bekannt sein. Die Empfindlichkeitsmessung ist nicht identisch mit der wesentlich aufwendigeren Messung der spektralen Empfindlichkeit der bildgebenden Sensoren. Diese Messung ist in der EMVA 1288 nur als Option aufgeführt. Für monochrome Sensoren empfiehlt sich eine Wellenlänge nahe der Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit des Sensors. Werden LED-Leuchtmittel eingesetzt, so sind dies typischerweise NIR-LEDs mit einer Spitzenwellenlänge bei 850 nm. Für Farbsensoren werden zur Messung der Empfindlichkeit drei Lichtquellen benötigt. Deren Wellenlänge entspricht jeweils der Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit eines Farbsensors. Typische Leuchtmittel sind monochrome LEDs mit 455 nm, 532 nm und 630 nm im Bereich des sichtbaren Spektrums.

Zur Messung der Linearität der bildgebenden Sensoren wird die Intensität der Referenzlichtquelle variiert und mit der entsprechenden Antwort des Sensors bzw. der Kamera verglichen. Grundsätzlich erscheint hierfür der Einsatz von LEDs als Leuchtmittel ideal, da deren Lichtstrom bzw. Strahlungsfluss nahezu proportional zum Betriebsstrom ist. In der Praxis muss allerdings der eingeschränkte Dynamikbereich des Betriebsstroms und die sorgfältige Ausführung des Temperatur Managements berücksichtigt werden.

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Die Messung der Ungleichförmigkeit bildgebender Sensoren erfolgt durch einen Vergleich der Pixelsignale bei einer homogenen Ausleuchtung sämtlicher Pixel. Entsprechend der Vorgaben in der EMVA 1288 muss das Leuchtfeld der Ulbrichtkugel-Lichtquelle größer sein als die beleuchtete Sensorfläche. Mit einer geschickten Anordnung der Leuchtmittel an der Ulbrichtschen Kugel und einer diffusen Beleuchtung der Hohlkugel sind Leuchtfelder mit einer Flächenhomogenität der Leuchtdichteverteilung von besser als den geforderten 97 % möglich.


Referenzen

[1] EMVA 1288 Standard for Measurement and Presentation of Specifications for Machine Vision Sensors and Cameras. 

[2] Theorie und Anwendungen von Ulbrichtkugeln

App. 031

Kompakte Ulbrichtkugel-Kalibrierlampe für die spektrale Strahldichte

Der Bedarf für kompakte Kalibrierstandards für die spektrale Strahldichte ergibt sich aus dem verfügbaren Platz in oder an dem zu kalibrierenden Messgerät oder aber aus dem Wunsch heraus, den Standard als Transferstandard oder für Servicezwecke mobil einsetzen zu können. In Abhängigkeit der Applikation können zusätzlich zur kompakten Ausführung der Ulbrichtkugel weitere Anforderungen entstehen.

Ein Beispiel ist die Kalibrierung der spektralen Strahldichte-Empfindlichkeit von Fluoreszenz Spektralphotometern. Diese dient der Qualifizierung von Fluoreszenz-Spektralphotometer hinsichtlich ihrer spektralen Empfindlichkeit. Die Entwicklung und Charakterisierung des dafür erforderlichen Transfernormals für die spektrale Strahldichte erfolgte durch die Gigahertz-Optik GmbH und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB).

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Wenn die Ergebnisse der Lumineszenz-Messungen von Fluoreszenz-Spektralphotometern unterschiedlicher Bauart und von unterschiedlichen Herstellern vergleichbar sein sollen, dann müssen die instrumentenspezifischen Eigenschaften kompensiert werden. Unter diesem Aspekt wurde bereits im Jahr 2013 ein Gemeinschaftsprojekt in Richtung quantitativer Fluorometrie gestartet. Teilnehmer waren das Bundesamt für Materialprüfung (BAM, Berlin), die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB, Berlin), Fluka GmbH (Schweiz) und Gigahertz-Optik GmbH (Deutschland). Aufgabe der Gigahertz-Optik GmbH waren die Konstruktion, der Aufbau und die Qualifizierung eines kompakten Ulbrichtkugel-Strahlers zur Verwendung als Transferstandard für die spektrale Strahldichte.

Um den Anforderungen eines Transferstandards zu entsprechen, wurde die Ulbrichtkugel mit nur 5 cm Durchmesser aus dem neutral und diffuse reflektierenden Kunststoff ODM98 der Gigahertz-Optik GmbH gefertigt. Dieser bietet gegenüber einer Bariumsulfat-Beschichtung eine höhere Robustheit. Der In-Line Baffel zwischen der 5 W Quarz-Halogenlampe und dem Leuchtfeld wurde gleichzeitig zur Einstellung der Strahldichte-Intensität verwendet. Diese sollte möglichst gering sein, um innerhalb des oft geringen Linearitätsbereiches von Photomultiplier-Detektoren zu liegen. Kalibriert wurde der Transferstandard für die spektrale Strahldichte im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 1700 nm.


Referenzen

[1] Traceable characterization of fluorescence measuring systems with spectral fluorescence standards 

App. 032

Referenzlichtquelle zum Abgleich von kombinierten Regen- und Umgebungslichtsensoren

Ulbrichtkugel-Lichtquellen werden erfolgreich beim Abgleich bildgebender Sensoren und Kameras genutzt. In dieser Anwendung gilt es die vielen lichtempfindlichen Detektoren (Pixel) hinsichtlich ihrer Lichtempfindlichkeit abzugleichen. Die Ulbrichtkugel-Lichtquelle dient als Referenzlichtquelle zur gleichmäßigen Ausleuchtung sämtlicher Pixel.

Das homogene Leuchtfeld mit hemisphärischer Abstrahlcharakteristik der Ulbrichtkugel-Lichtquellen wird aber auch zum Abgleich optoelektronischer Sensoren für unterschiedlichste Anwendungen genutzt. Eins der vielen Anwendungsbeispiele ist der Abgleich von kombinierten Regen- und Umgebungslichtsensoren.

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Unter Komfort- und Sicherheitsaspekten werden optoelektronische Sensoren als kombinierte Regen- und Umgebungslichtsensoren in Fahrzeugen eingesetzt. Diese schalten bei einsetzendem Regen die Scheibenwischer ein und steuern die Wischergeschwindigkeit. Zusätzlich schalten sie bei einsetzender Dämmerung oder Einfahrt in einen Tunnel das Fahrlicht ein.

Der Regensensor basiert auf einer monochromatischen Strahlungsquelle im nahen Infrarot (NIR) und einem NIR-Sensor, die innerhalb eines Ausschnitts der Windschutzscheibe eine auf Totalreflexion basierende Messstrecke aufbauen. Regentropfen, die auf diese Messstrecke fallen, reduzieren die übertragende Strahlungsmenge. Die Veränderung der Strahlung am Ende der Messstrecke wird zur Kontrolle der Scheibenwischer genutzt.

Der Umgebungslichtsensor misst die Helligkeit vor dem Fahrzeug und schaltet bei Erreichen eines Grenzwertes automatisch das Fahrlicht ein und aus. Ein zusätzlicher Sensor kann die präzisere Erkennung von Tunneln unterstützen. Umgebungslichtsensoren sind im sichtbaren Spektralbereich empfindlich, ähneln also angenähert der Empfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges.

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Die Toleranzen der verwendeten Detektoren, Leuchtmittel und der umgesetzten Messgeometrien erfordern einen Abgleich des Sensors. Als Referenzlichtquelle für den Abgleich dient eine Ulbrichtkugel-Lichtquelle mit einer Halogenlampe als Leuchtmittel. Da der Sensor zum Abgleich direkt am Kugelausgang positioniert wird, bietet sich sämtlichen Sensoren innerhalb ihres individuellen Blickfeldes ein homogenes Leuchtfeld mit diffuser Abstrahlcharakteristik. Dies ist das Resultat der homogenen Lichtausbreitung innerhalb der Ulbrichtkugel. Die Leuchtdichteintensität als Maß für den Abgleich der photometrischen Sensoren wird durch einen Monitordetektor mit photometrischer Empfindlichkeit erfasst. Als Referenz für die Strahldichteintensität zum Abgleich des Regensensors dient ein NIR-empfindlicher Monitordetektor. Die Halogenlichtquelle ist außerhalb der Kugel angeordnet. Ihre Intensität kann durch eine variable Blende auf das geforderte Niveau eingestellt werden. Die Ulbrichtkugel-Lichtquelle wird in Leucht- und Strahldichte kalibriert.


Referenzen

[1] Theorie und Anwendungen von Ulbrichtkugeln

App. 033

Quantifizierung der Schleierblendung bildgebender Systeme

Ein begrenzender Faktor für den Dynamikumfang von Kameras ist die Schleierblendung, im üblichen Sprachgebrauch als Veiling Glare bezeichnet. Die Ursache für Veiling Glare ist unerwünschtes Streulicht, das durch gestreutes und reflektiertes Licht von den bilderzeugenden Lichtstrahlen innerhalb des Kamerasystems erzeugt wird und auf der Bildebene auftrifft. Das Streulicht erzeugt kein Bild, sondern ist eher gleichmäßig verteilt und führt dadurch zu einer Bildschleierbildung. Diese wiederum führt zu einer Reduzierung des Bildkontrastes. Es gibt zahlreiche Ursachen für die Schleierbildung. Dazu gehören Mehrfachreflexionen zwischen den Oberflächen von Linsen; Streuung von Verunreinigungen und Einschlüssen der Linse; Streuung und Reflexionen von Komponenten und den inneren Oberflächen des Kameragehäuses; Fluoreszenz. Durch die Schleierblendung erzeugen helle Lichtpunkte oder Szenen im gesamten Sichtfeld der Kamera einen Lichtschleier, der zu der erwähnten Kontrastreduzierung führt.

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Durch die Quantifizierung der Schleierblendung kann der nutzbare Dynamikbereich einer Kamera erhöht werden. Dies erfordert eine Lichtquelle, die einen ausreichend hohen Hell-Dunkel-Kontrast bereitstellen kann.

Der Veiling Glare Index (VGI) definiert das "Verhältnis der gemessenen Dunkel zu Hell Bestrahlungsstärke im Zentrum eines Bildsensors. Die Messung der Bestrahlungsstärke erfolgt gemäß ISO 9358 [1] wie folgt:

  • Die Dunkel-Bestrahlungsstärke wird durch die Abbildung einer kleinen, kreisförmigen und perfekt schwarzen Fläche erzeugt, die umgeben ist von einem ausgedehnten Feld intensiver gleichmäßiger Strahldichte.
  • Die Hell-Bestrahlungsstärke ist die Bestrahlungsstärke gemessen am gleichen Punkt der Bildebene ohne das schwarze Feld.

Der VGI wird normalerweise als Prozentsatz angegeben.

Veiling Glare 3

Bild: Prinzip Darstellung der Veiling Glare Index Ermittlung

Eine bewährte Methode zur Quantifizierung von Veiling Glare beruht auf der Verwendung einer Ulbrichtkugel-Lichtquelle. Diese erzeugt an ihrer Lichtaustrittsöffnung ein gleichmäßiges Lichtfeld mit diffuser, quasi-Lambertscher Abstrahlcharakteristik. Da das Lichtfeld größer ist als der Linsendurchmesser der Kamera, werden die gesamte Optik und damit der gesamte Kamerasensor gleichmäßig ausgeleuchtet.

Um einen Kontrast zu erzeugen, ist auf der der Kamera gegenüberliegenden Seite der Kugel eine Lichtfalle positioniert, die vom Kamerasensor als schwarzer Bereich abgebildet wird. Idealerweise ist das Signal von dem "schwarzen Feld" Null. Dies ist jedoch aus zwei Gründen nicht möglich:

  1. Aufgrund von Schleierblendung fällt Streulicht auf das auf dem Sensor abgebildete schwarze Feld (Abbildung der Lichtfalle)
  2. Die Lichtfalle ist nicht perfekt, d.h. sie absorbiert nicht das gesamte auf ihr einfallende Licht

Die Qualität einer Lichtfalle wird durch die Komplexität ihrer Konstruktion bestimmt. In der einfachsten Ausführung besteht sie aus einer mattschwarz beschichteten Fläche. In diesem Fall bestimmt die Lichtabsorption der Farbe den Grad der Schwärze. Eine Verbesserung hinsichtlich der Rückreflexion sind Lichtfallen, die als mattschwarz beschichteter Tunnel mit konisch geformten Innenflächen gestaltet sind. Ein noch höherer Absorptionsgrad kann mit einer innen mattschwarz beschichteten Ulbrichtkugel erreicht werden.

Das Modulare Ulbrichtkugel-System der Gigahertz-Optik GmbH ermöglicht die Konfiguration individueller Lösungen für die unterschiedlichsten Messaufgaben. Beispielsweise wurde ein System zur Quantifizierung der Schleierblendung von Weltraumteleskopen mit einer Ulbrichtkugel-Lichtquelle mit einem Durchmesser von 100 cm und einer passenden Ulbrichtkugel-Lichtfalle mit einem Durchmesser von 50 cm entworfen und konfiguriert, um die Anwendungsanforderungen unter Verwendung von Standard- und Spezialmodulen zu erfüllen.


Referenzen

[1] ISO 9358 (1994): Optics and optical instruments– Veiling glare of image forming systems – Definitions and methods of measurement