Sehe Das Unsichtbare – CCD SWIR CMOS & CO.

Im Zeitalter der Digitalisierung erleben wir auch in der Bildverarbeitung einen raschen Wandel.
Wir geben Ihnen im folgenden Beitrag einen komprimierten Überblick und Vergleich der unterschiedlichen Technologien im Bezug auf die entsprechenden Wellenlängen sowie deren Einsatzschwerpunkt (ohne quantenphysikalische Grundlagen).

1. Die Wellenlängen des Lichtes

Das folgende Schaubild zeigt die Wellenlängen im Bezug zu der jeweiligen Technologie, die es ermöglicht diese Strahlen zu detektieren.

Wellenlänge-des-Lichtes_web

2. Beschreibung der Graphik von links nach rechts:

2.1 Die für uns Menschen sichtbaren Wellenlängen (blauer Bereich)
Strahlen im Bereich von ca. 380 bis 780 nm (0,38 bis 0,78µm) sind mit unseren Augen sichtbar.
Rotwild und Füchse im Vergleich sind in der Lage Wellenlängen oberhalb von 800nm zu erkennen.

2.2 CMOS (CCD) Detektoren (violette Kurve)
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
CCD: (Charged Coupled Device)
Strahlendetektion: ca. 400 – 1.080nm
Trägermaterial: Silizium
Vorteile:
– Erkennen von Laserstrahlen
– Sicht durch Glas bei sehr geringen Lichtvershältnissen (0.005 Lux).
– Farbdarstellung

Funktionsweise:
Nach dem photoelektrischer Effekt, d.h. Atome im Silizium werden durch die Photonen des Lichtes angeregt, dabei werden Elektronen freigesetzt , a) sofort verarbeitet (CMOS) oder  b) gesammelt und dann verarbeitet (CCD) man spricht bei der Verarbeitung vom “Eimerkettenprinzip” s. Film unten. Der grundsätzliche Unterschied beider Technologien liegt also in der Art der Weiterleitung/Verarbeitung der Elektronen.

humaneye_vs_CCD

CCD_vs_eye

CMOS und CCD Sensoren im Vergleich haben Vor- und Nachteile. Genannt sei hier die höhere Lichtempfindlichkeit sowie das geringere Bildrauschen der CCD Sensoren. CMOS Sensoren können kompakter gebaut werden und verbrauchen weniger Strom. Mittlerweile werden in fast allen Smartphones CMOS Sensoren als Kamerachip verbaut. CMOS Detektoren werden schrittweise herkömmliche Restlichtverstärkeroptiken (die Fotokathoden verwenden) ablösen.
Einen anschaulichen Vergleich beider Technologien zeigt der folgende Film:

CMOS-vs.-CCD

2.2 Restlichtverstärkende Optiken (NVG) = grüne Linie
Strahlendetektion:
ca. 600 – 900nm
Vorteile:
Gesichtserkennung, wenig Stromverbrauch
Nachteile:
– Zur optimalen Verwendung wird ein IR Aufheller benötigt
– Begrenzte Lebensdauer der Röhre, ca. 5.000 Std.
– Verwendung nur bei Nacht sinnig

Restlichtverstärker arbeiten nach dem Prinzip der Elektronenbeschleunigung. Photonen treffen auf eine Fotokathode, lösen Elektronen aus, diese werden durch Spannung im Vakuum beschleunigt und auf einem Leuchtschirm durch Fluoreszens (meist grün) dargestellt.

NSG-Prinzip
NVG coyote
Sicht durch einen NVG mit Aufheller

 

2.3 SWIR Detektoren (roter Bereich)
SWIR (Short Wave Infrared)
Strahlendetektion: 900 – 1.700nm
Trägermaterial: meist Indiumgalliumarsenid (InGaAs)
Vorteile:
– Erkennen von Laserstrahlen
– Sicht durch Glas
– Nutzen die Objektstrahlenreflektion aus der Atmosphäre (Airglow)
– Sicht durch Nebel
Nachteile:
– Teuer, keine Farbdarstellung möglich

Funktionsweise:
SWIR Sensoren arbeiten vergleichbar wie CCD/CMOS Detektoren, d.h. verwandeln Photonen in Elektronen, daher auch Quantum Detektoren genannt. Anstelle von Silizium verwenden SWIR Detektoren als “Photonenabsorbtionsschicht” InGaAs oder Mercury Cadmium Telluride (HgCdTe). Bedingt durch die chemische Struktur dieser Materialien vergrößert sich der Wellenlängendetektionsbereich sowie die Empfindlichkeit.
SWIR Detektoren sind aufwendig in der Herstellung, verwenden z.T. Kühleinheiten, werden in einem komplexen Herstellprozeß mit unterschiedlichen Materialien hergestellt und verfügen über eine CMOS Ausleseeinheit, dies macht die Herstellung dieser Detektoren teuer.
Im Vergleich zu MWIR / LWIR Optiken (die abstrahlende Lichtstrahlen vom Betrachtungsobjekt detektieren) erkennen SWIR Optiken die vom Objekt reflektierten sowie absorbierten Lichtstrahlen (Photonen).
SWIR Detektoren ermöglichen das Erkennen von Laserstrahlen, Sicht durch Nebel, Rauch und Glas bei sehr geringen Lichtverhältnissen. Durch den breiten Wellenbereich können NIR Laserpointer (1.06μm), Laser-Zielmarkierer sowie augensichere Laser-Entfernungsmesser (1,55μm) erkannt werden. Eine verdeckte Aufhellung durch 1.55μm Laseraufheller oder LEDs ist möglich und garantiert somit eine Eigendetektierbarkeit NUR mit einer SWIR Kamera oder selbigen Aufhellungsprinzip.
SWIR Detektoren nutzen das “Nachthimmelsleuchten” airglow oder auch sky radiance genannt.
Dies ist ein schwaches Leuchten in höhren Atmosphärenschichten entstanden durch Prozesse in der Ionosphäre, dies ist 5x “heller” als das Reflexionslicht der Sterne.
SWIR Optik können diese Strahlen detektieren, verwenden und nutzen diese als “künstliche Restlichtverstärkung”. Im Gegensatz zu mittelwelliger (MWIR) und langwelliger (LWIR) Infrarotstrahlung, bei denen die Strahlung vom Gegenstand selbt abgestrahl wird (aktiv), ähnelt die kurzwellige Infrarotstrahlung (SWIR) dem sichtbaren Licht, d.h. von dem Gegenstand werden Photonen reflektiert oder absorbiert (passiv).

SWIR Detektoren finden vornehmlich im militärischen und industriellen Einsatz Verwendung (Qualitätskontrolle).
SWIR Derivatapplikationen sind bzw. das “active imaging” Konzept der Firma AIM,
oder laser gated imaging. (s. Fußnote)

SWIR Detektor
SWIR InGaAs Detektor Größe: 45x45x55mm

Swir Detector
Schematischer SWIR Sensor Aufbau

CMOS_SWIR-vgl

SWIR_Nebel
Vgl. Sicht ohne und mit SWIR im Nebel

SWIR_Nacht
  Vgl. Sicht ohne und mit SWIR im Dunkeln

SWIR_Glas
  Vgl. LWIR und SWIR durch Glas

SWIR-vs-visible
Youtube Film: SWIR vs. sichtbares Licht

2.4 MWIR (oranger Bereich)
MWIR (mittelwelliges Infrarot)
Strahlendetektion: 3,7 – 4,8µm
Trägermaterial: Indiumgalliumarsenid (InGaAs) / HgCdTe (Quecksilber-Cadmium-Tellurid)
Vorteile:
– hohe Temperatursensibilität (< 20 mk)
– hohe Reichweite
– hohe Bildschärfe
Nachteile:
– teuer
– Betriebsgeräusch
– “größere” Bauform

Funktionsweise
MWIR Detektoren verwandeln ebenfalls Photonen in Elektronen und arbeiten nach dem inneren Photoeffekt. Hierbei wird ein Elektron aus einer Bindung gelöst indem es ein Photon absorbiert.  Als Absorbtionssubtrat kommt meist InGaAs zum Einsatz.
Diese Detektoren sind aktiv gekühlt, d.h. verfügen über einen Kühlmotor, meist ein Sterlingmotor (in der Startphase deutlich hörbares Geräusch) hierbei wird der Detektor bis zu 120K (-153 C°) gekühlt um die Temperatursensibilität zu erhöhen.
Ein kleinerer Pixel Pitch im Vgl. zu LWIR Detektoren (meist <12 µm) liefert somit ein schärferes und kontrastreicheres Bild.
Bauartbedingt sind diese Optiken sehr teuer und finden Ihre Verwendung meist im militärischen Bereich, Forschung und in Gebäudethermographie.

MWIR-Detector
MWIR Detector mit Sterling Kühlmotor

MWIR Detector
Schematischer Aufbau

MWIR Image
Bild einer MWIR Kamera

2.5 LWIR (pinker Bereich)
LWIR (langwelliges Infrarot)
Strahlendetektion: ca. 8 – 13µm
Trägermaterial: ASi (Amorphes Silizium oder VOx (Vanadiumoxide)
Vorteile:
– preiswert
– kompakte Bauform

Funktionsweise
LWIR Detektoren verwandeln ebenfalls Photonen in Elektronen. Sie arbeiten nach dem Prinzip der Änderung von Widerstand, Spannung oder Stromstärke.
Die Detektorzelle eines Mikrobolometerarrays besteht aus einer nur wenige Mikrometer dicken, strahlungsempfindlichen Scheibe, welche durch zwei gebogene Kontakte über dem eigentlichen Detektor gehalten wird (so genannte Mikrobridges). Die Scheiben bestehen aus einem Material mit einem stark temperaturabhängigen Widerstand (zum Beispiel Vanadiumoxid). Die einfallende Infrarotstrahlung wird absorbiert und führt zu einer Temperaturerhöhung des Scheibchens, was wiederum den Widerstand ändert. Der gemessene Spannungsabfall wird als Messsignal ausgegeben.

ASi-Detektorzelle
Schematischer ASi LWIR Detektor Aufbau

12-micron-BOSON-vs.-17-micron-ULIS
Größenverhältnis von LWIR Detektoren

640x480-pixel-resolution
Sicht durch eine LWIR Optik mit 12µm Pitch

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Fazit:
Je nach der gewünschten Wellenlängendetektion benötigt man (noch) unterschiedliche Detektoren.
Jede der Technologien hat Ihre Vor- und Nachteile und muss für den jeweiligen Einsatzzweck ausgewählt werden.

CMOS-und-CO-Vergleich

Derzeit laufen Forschungsprojekte bei denen versucht wird kurzwellige UV bis langwellige IR Detektion auf einem Sensorchip zu vereinen (Multispektral / Hyperspektral Detektoren) .

Multispektral-Detektoren

Problematisch wird die Verwendung von nur einer Linse sein, da LWIR/MWIR Strahlen nicht wie z.B. SWIR durch herkömmliches Silikon basierendes Glas emittieren können.
Stichwort Planar Detektoren.
Nach Aussagen des US Herstellers UTC Aerospace Systems / Sensors Unlimited wurde dies bereits umgesetzt, jedoch zu Kosten und Größenverhältnissen, die eine feldtaugliche Lösung nicht ermöglichen.
Warten wir auf den Lösungsansatz der IOSB in Ettlingen.

 

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Active Imaging:
Das ist wie eine Stroboskop-Beleuchtung, nur
– sehr kurze Laser-Lichtblitze in Abständen so, dass das Auge nichts wahrnehmen kann
und nur da beleuchtet wo man auch wirklich hinschaut mit der Kamera (ausgerichteter Laser)
– Kamera-Belichtung damit synchronisiert, d.h. Kamera sammelt nur dann Licht wann Laser an (und schaut genau dahin wo der Laser beleuchtet)

Laser gated imaging:
Hierbei wird mit Hilfe von Laseraufhellern die Reichweite sowie die Bildqualität einer SWIR Kamera optimiert. Entscheidend hierbei ist die Frequenz mit dem der Laseraufheller gepulst ist.
Die eine optimale Abstimmung kann hierbei die Reflextion von Wasserstropfen (Nebel, Dunst) umgangen werden (Berücksichtigung der Wasserstropfen-Eigenschwingung) und somit die Reichweite der SWIR Optik vergrößert werden. Stichwort destruktive Interferenz, hierbei werden die Amplituden der beiden Wellen voneinander subtrahiert. Sind sie gleich, so löschen sie sich gegenseitig aus, vgl. BOSE active noise cancelling.

“To be or not to be seen” ist stets ein Wettlauf zwischen den Anbietern, nutzt aber wenig wenn im Felde der Strom ausgeht..