A hagyományos InGaAs szenzorok képminősége jelentősen romlik, ha hosszabb az expozíciós idő vagy nő a szenzor hőmérséklete. Ezért a SWIR szenzorokat gyakran ellátják beépített termoelektromos hűtéssel (TEC). Ez viszont nagyobb méretű és drágább kameraházat igényel. A Sony az új SenSWIR szenzoraival viszont komoly technológiai előrelépést ért el: ezek bizonyos expozíciós idők mellett hűtés nélkül is kiváló képminőséget biztosítanak.
TEC és TECless SWIR kamerák közötti különbségek
A képminőségen túl több szempontból is eltér egymástól a két megoldás. A TECless kamerák számos előnyt nyújtanak:
- A kameraház kisebb lehet, mert nincs szükség belső hűtésre
- Jelentősen alacsonyabb ár
- Nincs ventilátor, amely légáramlást kelt – különösen előnyös tiszta terekben
- Nincsenek ventilátor okozta rezgések, így nincsenek mérési pontatlanságok
- Alacsonyabb energiafogyasztás, mivel sem thermoelektromos modulokra, sem ventilátorokra nincs szükség
- Egyetlen kábellel is üzemeltethető (USB esetén is)
Hogyan hat a szenzor hőmérséklete a képminőségre?
A jel–zaj arányt (SNR), és így a képminőséget, alapvetően három zajforrás befolyásolja: read noise, photon shot noise és dark current noise. Ezek közül csak a dark current hőmérsékletfüggő.
Mivel a SenSWIR szenzoroknál a pixelek felépítése és a kiolvasó elektronika azonos a TEC-es és a TECless változatnál, hosszabb expozícióknál a képminőségbeli különbség csak a dark current zajból adódik.
Szenzorhőmérsékletek és jel–zaj arány
Az, hogy a képminőség melyik tényezője a legfontosabb, mindig az adott alkalmazástól függ: van, ahol a legkisebb zaj számít, máshol a legnagyobb dinamikatartomány, vagy épp az apró részletek felismerése. Ezért nincs egyetlen paraméter, amely önmagában kifejezné a képminőséget. Ebben az esetben a hőmérséklet hatása – tehát a dark current zaj – miatt az SNR jó mutató a változások számszerűsítésére.
Kamera setupok jellemző szenzorhőmérsékletekkel
Nem hűtött, rögzítetlen kamera: kb. 60 °C
Passzívan hűtött kamera: kb. 45 °C
Sűrített levegős aktív hűtéssel: kb. 33 °C
TEC-es szenzor: kb. 15 °C
Kamera setupok jellemző szenzorhőmérsékletekkel
Expozíciós idő hatása a SenSWIR szenzorok képminőségére
Képminőség összehasonlítása különböző expozíciós idők és szenzorhőmérsékletek mellett, IMX992 szenzorral
10 ms alatti expozíciók
Mérések szerint a TEC szenzorok nem adnak jobb képminőséget 10 ms alatti expozíciós időknél Ez az expozíciós idő 100 fps képkockasebességnek felel meg folyamatos képfelvétel mellett. A SenSWIR technológia már itt is minimalizálja a hagyományos InGaAs érzékelők tipikus problémáit.
Még akkor is, ha nagyon különböző érzékelőhőmérsékleteket (15 °C és 60 °C) hasonlítunk össze 10 ms expozíciós idővel, nem lehet különösebb eltérést megállapítani a TEC és a nem hűtött SenSWIR érzékelők képminőségében. Az SNR nem mutat jelentős különbséget. Ugyanez az eredmény látható a struktúrák vagy az élek megjelenítésében is.
Ezért a hűtés nem jelent előnyt ebben a tartományban – a dark current hatása elhanyagolható. Az összes SWIR alkalmazás kb. 80%-a ilyen rövid expozíciós időt használ.
SNR és a hotspotok előfordulása az érzékelő hőmérsékletének függvényében 200 ms expozíciós idő mellett
10 ms feletti expozíciók
Hosszabb expozíciónál a magasabb szenzorhőmérséklet növeli a dark current-et, csökkenti az SNR-t, így romlik a képminőség. Ilyenkor megjelennek a hibás pixelek, az ún. hotspotok (Fixed Pattern Noise – FPN). Emellett nő a dark current shot noise is, ami random zajként jelentkezik.
A TEC-es szenzor ilyenkor általában javítja a képminőséget. Ugyanakkor a TECless hátrányai kompenzálhatók külső hűtéssel és célzott firmware-megoldásokkal, így sok esetben ezek is elegendőek lehetnek.
„Az általános feltételezés, miszerint a SWIR képalkotásban mindig szükséges a hűtés a megfelelő képminőséghez, nem igaz a SenSWIR szenzorokra.”
– Dr. Melanie Gräsel, Basler termékmenedzser
Képoptimalizálás a kamerában
A képminőség utófeldolgozással tovább javítható. Az ace 2 X visSWIR kamerák a standard statikus pixelhiba-korrekción túl további, szabadalmaztatott funkciókat kínálnak. Ilyen például a Pixel Correction Beyond, amely az egyes hibákat megszünteti, valamint a zajcsökkentés és az élesítés funkciók (PGI Feature Set).
Pixel Correction Beyond a pixelhibák csökkentésére
Egyedülálló Pixel Correction Beyond algoritmusunkat az ipari SWIR képalkotásban gyakran előforduló pixelhibák kiküszöbölésére fejlesztettük ki. A kép tartalmának figyelembevételével és a korrekció erősségének rugalmas beállításával jelentősen jobb SWIR képminőség érhető el.
A Pixel Correction Beyond valós időben csökkenti a fixed pattern noise-t, amelyet a hibás pixelek (hotspotok és villogó hotspotok) jellemeznek, miközben megőrzi a legkisebb struktúrákat is.
Hatásai az SNR-re
A Pixel Correction Beyond mérsékli a zavaró hibás pixelek – például hotspotok, villogó hotspotok vagy dead pixelek – hatását. Ez jelentősen növeli az SNR-t, és elérhetővé tesz egy olyan szintet, ami a TEC kamerákéhoz hasonló.
Az élprofil kisimul
Hatásai az edge profile-ra
Az adott szenzorhőmérsékleten és 200 ms expozíciós időnél a Pixel Correction Beyond eltávolítja a legnagyobb hotspotokat és magasabb hőmérsékleten javítja az élgörbét. A random noise ezzel szemben hűtéssel, vagyis alacsonyabb szenzorhőmérséklettel csökkenthető – ilyenkor az élgörbe simábbá válik. Ha összehasonlítjuk a 33 °C-on, Pixel Correction Beyond-dal mért élgörbét a 15 °C-on mért görbével, alig látszik különbség – még relatíve hosszú, 200 ms expozíciós idő mellett is.
Blooming hotspotok csökkentése
A blooming effect csökkentése
Extrém körülmények között, például 60 °C-os szenzorhőmérséklet és 100 ms feletti expozíció esetén úgynevezett blooming hotspotok jelenhetnek meg. Ezek olyan hotspot-csoportok, amelyek akkor keletkeznek, amikor egy hotspot a szomszédos pixelekre is átsugárzik. Ilyenkor használható a Sony SenSWIR-specifikus funkciója, a Blooming Reduction. Ez minimalizálja a blooming hotspotok megjelenését, bár körülbelül az esetek felében hoz csak eredményt. Hogy a blooming hotspot probléma-e, azt minden alkalmazásnál külön kell eldönteni.
PGI a zajcsökkentéshez és a kép élességéhez
A jól bevált PGI funkciókészlet egy másik lehetőséget kínál a képminőség javítására. A Denoising csökkenti a random noise-t anélkül, hogy az éleket elmosná. A kép enyhe elmosódását a Sharpening kompenzálja, amely kiemeli az éleket és tovább javítja az élességet. Így a képminőség pontosan az adott vizsgálati feladathoz igazítható.
A zajcsökkentés jelentősen mérsékli a kép egyes területein megjelenő zajt, és a beállítás különböző paraméterekkel szinte tetszőleges mértékben szabályozható
A képélesség optimalizálása finom és éles szélű struktúrákhoz, például betűkhöz, számokhoz és vonalkódokhoz
Pixel Correction Beyond és Denoising
Milyen hatása van a Pixel Correction Beyond és a Denoising kombinációjának az edge profile-ra? A zaj csökken, miközben a képen lévő struktúrák megmaradnak. Ellentétben az egyszerű zajcsökkentő algoritmusokkal, itt a magas és alacsony intenzitású értékszintek közti gradiens és amplitúdó is megőrződik. Erősebb zajcsökkentés esetén viszont számolni kell a kép elmosódásának növekedésével. Fontos tehát a zajcsökkentés és az élesítés paramétereinek gondos kiegyensúlyozása.
A Pixel Correction Beyond és a zajcsökkentés utófeldolgozó algoritmusok hatása az élprofilra 45 °C szenzorhőmérsékleten és 200 ms expozíciós időnél – a gradiens és a szürkeségi szintek változatlanok maradnak
Külső, ventilátor nélküli hűtés, mint alternatíva a TEC-érzékelők alternatívájaként
Már a szenzorhőmérséklet mérsékelt csökkentése is – például 60 °C-ról 45 °C-ra vagy akár 33 °C-ra – pozitív hatással van a SenSWIR szenzorok képminőségére. Ennek a hőmérséklet-stabilizációnak az elérésére a Basler kétféle hűtési megoldást kínál. Ezek ventilátor nélkül működnek, így az összes előny, amit egy hűtetlen kamera nyújt a beépített hűtéssel szemben, megmarad – még 10 ms feletti hosszabb expozíciós idők esetén is.
Passzív hűtőbordák
- Egyszerű használat, különösen az első tesztelésekhez alkalmas
- Nincsenek mozgó alkatrészek
- Stabilizálja a szenzorhőmérsékletet 45 °C alá (a légáramlástól és a környezeti feltételektől függően)
Aktív sűrített levegős hűtő
- Kiváló hűtési teljesítmény, kis helyigény mellett
- Nincsenek mozgó alkatrészek
- Stabilizálja a szenzorhőmérsékletet 33 °C alá (a légáramlástól és a környezeti feltételektől függően)
A TECless kamerák előnyei
Az általános feltételezés, hogy a TEC szenzorok mindig jobb képminőséget biztosítanak SWIR képalkotásnál, nem igaz. Valójában az adott alkalmazástól függ. Például 10 ms alatti expozíciós idők esetén a TEC-SenSWIR szenzorok semmilyen képminőségi előnyt nem adnak a hűtetlen SenSWIR szenzorokhoz képest. Ugyanakkor a TEC szenzoros kamerák számos hátránnyal járnak. Hosszabb expozíciós idők esetén a hűtőtartozékok és kamera-funkciók kombinációja költséghatékony alternatívát kínál a drága TEC szenzoros kamerák helyett. Ez a megoldás az adott alkalmazástól függően elérheti a TEC szenzoros kamerák képminőségét. Érdemes tehát alaposan megvizsgálni, mi a legjobb megoldás az egyéni igényekhez.
