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Sonys Polarisierter Sensor: Jenseits der konventionellen Bildgebung
Polarisation - Eine Eigenschaft des Lichts
Anwendungstechniker können Polarisations kameras nutzen, um unerwünschte Reflexionen oder Blendungen herauszufiltern und den Kontrast zu verbessern, indem sie polarisierte Lichtwinkel einfärben. Verschiedene Materialien, die in Produkten verwendet werden, können die Eigenschaften des Lichts reflektieren und verändern. Während normale Farb- und Monosensoren die Intensität und die Wellenlänge des einfallenden Lichts erkennen, können die speziellen Polarisationssensoren, die in Polarisationskameras verwendet werden, Winkel der Polarisation von Licht erkennen und filtern, das von Oberflächen reflektiert, gebrochen oder gestreut wird. Um einige der Vorteile unserer Phoenix- und Triton-Polarisations kameras mit Sonys Polarisationstechnologie, genannt Polarsens™, zu verstehen, lassen Sie uns zunächst erläutern, was polarisiertes Licht ist.
Inhaltsverzeichnis
Polarisation – Eine Eigenschaft des Lichts
Von unpolarisiert zu polarisiert
Polarisation durch Polarisatoren
Polarisation durch Reflexion
Polarisation durch Brechung
Nutzung der Polarisation
Bestehende Polarisationslösungen
Polarsens: Wie Sonys Polarisationssensor funktioniert
Extinktionsverhältnisse
Phoenix & Triton mit IMX250MZR/MYR CMOS
Videopräsentation – Eine neue Perspektive für die industrielle Bildgebung
Weitere Polarisationsressourcen
Gute Schwingungen: Unpolarisiert zu Polarisiert
Polarisation ist eine grundlegende Eigenschaft des Lichts und beschreibt die Richtung, in der das elektrische Feld des Lichts schwingt. Die meisten Lichtquellen, wie die Sonne, emittieren unpolarisiertes Licht. Unpolarisiertes Licht hat Schwingungen in zufällig orientierten Richtungen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen. Damit Licht polarisiert wird, müssen zufällig orientierte Schwingungen entfernt oder in eine lineare, zirkulare oder elliptische elektromagnetische Welle umgewandelt werden. In den folgenden Beispielen werden wir nur besprechen, wie unpolarisiertes Licht linear polarisiert wird.
Side Note
Während einfallendes Licht mit polarisierten Winkeln, die senkrecht zur Ebene des Polarisators stehen, blockiert wird, werden andere polarisierte Winkel stattdessen in eine geringere polarisierte Wellenlänge umgewandelt. Im untenstehenden Beispiel wird schräges Licht nicht blockiert, sondern in linear polarisiertes Licht geringerer Stärke umgewandelt.
Polarisation durch Polarisatoren
Wenn dieses Licht auf einen linearen Polarisator trifft, wie die vertikalen und horizontalen Polarisatoren im untenstehenden Beispiel, werden die schrägen Schwingungen herausgefiltert, sodass nur vertikale oder horizontale Schwingungen hindurchtreten. Wenn die Lichtschwingung auf eine Ebene beschränkt ist, nennt man sie linear polarisiert. Es gibt verschiedene Arten von Polarisatoren, wobei die häufigsten kristalline, dichroitische, Folien- und Drahtgitter-Polarisatoren sind.
Oben: Beispiel für vertikale und horizontale Polarisatoren Hinweis: In dem obigen Beispiel stellen die Linienmuster auf den Folienpolarisatoren ihre Polarisationswinkel dar und nicht physische Drahtgitterlinien.
Polarisation durch Reflexion
Unpolarisiertes Licht kann durch Oberflächenreflexion von nichtmetallischen Oberflächen polarisiert werden. Metallische Oberflächen reflektieren die Polarisation des einfallenden Lichts, sei es polarisiert oder unpolarisiert, und polarisieren nicht signifikant. Andere Materialien wie halbtransparente Oberflächen aus Glas, Kunststoffen und Wasser reflektieren und polarisieren eine gewisse Menge Licht zurück in die Umgebung. Dieses reflektierte Licht verursacht je nach Position des Benutzers oder der Kamera unerwünschte Blendung. Da das reflektierte Licht jedoch senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist, kann es durch die Verwendung eines Polarisators, der parallel zur Einfallsebene ausgerichtet ist, entfernt werden.
Polarisation durch Brechung
Das Durchdringen von Licht durch ein Medium in ein anderes, bekannt als Brechung, kann auch dazu führen, dass ein Teil des unpolarisierten Lichts polarisiert wird. Die Menge des polarisierten Lichts durch Brechung hängt davon ab, wie nah oder fern es vom Brewster-Winkel ist (eine 90°-Beziehung zwischen dem reflektierten und gebrochenen Licht). Transparente Materialien wie Glas, Kunststoffe und Wasser können gebrochenes Licht teilweise zur Einfallsebene polarisieren.
Oben: Unpolarisiertes Licht wird durch Reflexion polarisiert
Side Note
Wenn ein Strahl unpolarisierten Lichts (a) auf eine Oberfläche trifft, sodass ein 90°-Winkel zwischen dem reflektierten (b) und gebrochenen Strahl (c) besteht, wird der reflektierte Strahl linear polarisiert. Der gebrochene Strahl wird teilweise polarisiert. Der Einfallswinkel, bei dem die reflektierten und gebrochenen Strahlen senkrecht zueinander stehen, wird als Brewster-Winkel bezeichnet.
Die Vorteile der Polarisation nutzen
Die Polarisations inspektion wird seit langem in der maschinellen Bildverarbeitung eingesetzt, um Spannungen zu erkennen, Objekte zu inspizieren und Blendung von transparenten Objekten zu reduzieren. Das typische Setup erfordert eine oder mehrere externe Polarisationsplatten zwischen dem Zielobjekt, der Lichtquelle und der Kamera. Verschiedene Setups können verwendet werden, um Materialspannungen zu messen, den Kontrast zu erhöhen und die Oberflächenqualität auf Dellen oder Kratzer zu analysieren.
Spannungsprüfung
Wenn polarisiertes Licht durch transparente Materialien hindurchgeht, wird der einfallende Winkel des polarisierten Lichts durch verschiedene Spannungsbereiche im Objekt in einen anderen Winkel umgewandelt. Durch die Zuordnung einer Farbe zu bestimmten Polarisationswinkeln können Defekte und Spannungsbereiche sichtbar gemacht werden. Das oben gezeigte Objekt zeigt ein farbiges Bild eines klaren Acrylblocks.
Reflexion reduzieren
Objekte können Licht reflektieren und die Oberflächeninspektion erschweren. Anwendungen zur Lebensmittelinspektion können von der Verwendung von Polarisatoren profitieren, indem Reflexionen und Blendungen reduziert werden. Im obigen Bild wird polarisiertes reflektiertes Licht von der Paprika entfernt.
Kontrastverbesserung
In Situationen mit wenig Licht kann der Kontrast verbessert werden, indem der Polarisationswinkel von Objekten erkannt wird. Das obige Beispiel zeigt, wie der Kontrast im Vergleich zur normalen Bildgebung bei wenig Licht verbessert wird.
Kratzerinspektion
Ähnlich wie bei der Spannungsprüfung können bestimmte Unvollkommenheiten und Kratzer mit herkömmlicher Bildgebung schwer zu erkennen sein. Um Oberflächenfehler zu identifizieren, kann die polarisierte Bildgebung verwendet werden, um Kratzer auf transparenten Materialien zu erkennen.
Objekterkennung
In einigen Szenarien kann es schwierig sein, Objekte von ihrer Umgebung zu unterscheiden. Mit polarisierten Bildern können Objekte durch Erkennen des einzigartigen polarisierten Winkels des vom Objekt reflektierten Lichts lokalisiert werden.
Bestehende Polarisationslösungen
3 Kameras
Netzwerk-Switch
Trigger-Quelle
PC
• Perspektivische Verzerrung
• Teuer
• Mehr Entwicklungsaufwand
• Mehr Wartungsaufwand
3 Polarisatoren
1 KCamera
• Erfordert schnelles Kippen
• Zeitverzögerung zwischen den Polarisatoren
• Vollständige lineare Polarisationsdaten
• Gesamteinsparungen bei den Systemkosten
• Geringer Entwicklungsaufwand
Sonys polarisationsempfindlicher Sensor: So funktioniert er
Sony erweitert seine Führungsposition in der Sensortechnologie über die sichtbare Bildgebung hinaus mit ihrem ersten polarisationsempfindlichen Sensor, der die Polarsens™-Technologie verwendet. Basierend auf ihrem Pregius 5,0 MP IMX250 CMOS-Sensor, integriert der neue IMX250MZR (mono) Polarsens-Sensor eine Schicht von Polarisatoren über den Fotodioden. Die Polarisatorenschicht wird auf dem Chip platziert und ist ein Luftspalt-Nanodrahtgitter, das mit einem Antireflexionsmaterial beschichtet ist, das Blenden und Geisterbilder unterdrückt. Diese Platzierung auf dem Chip reduziert Polarisationsübersprechen und verbessert die Extinktionsverhältnisse.
Das Polarisatorarray besteht aus vier unterschiedlich ausgerichteten Polarisatoren (90°, 45°, 135° und 0°), die auf jedem Pixel platziert sind. Jeder Block von vier Pixeln bildet eine Berechnungseinheit. Die Beziehung zwischen den verschiedenen Richtungs-Poarisatoren in diesem innovativen 4-Pixel-Block-Design ermöglicht die Berechnung sowohl des Grades als auch der Richtung der Polarisation.
Side Note
Drahtgitter-Polarisatoren polarisieren Licht senkrecht zu den Drahtgitterlinien. Parallel polarisiertes Licht wird von den Drähten reflektiert und absorbiert, während senkrechtes Licht hindurchgeht.
Oben: Sonys Polarsens 4-Pixel-Block-Polarisator-Design
Sonys IMX250MZR 4-Pixel-Block, bekannt als Berechnungseinheit, ermöglicht die Erkennung aller linearen Winkel des polarisierten Lichts, nicht nur 90°, 45°, 135° und 0°. Dies ist möglich durch den Vergleich der Intensitätsschwankungen, die zwischen jedem Pixel im 4-Pixel-Block übertragen werden.
Oben: Die 90°, 45°, 135° und 0° Pixel messen jeweils polarisiertes Licht (rotierende rote Linie) in Bezug auf ihre Drahtgitterachse. Der Prozentsatz stellt den Anstieg und Abfall der Lichtübertragung dar (100 % entspricht der maximalen Übertragung). Durch den Vergleich jedes Pixels miteinander kann der Sensor alle Winkel des linear polarisierten Lichts erkennen.
Das Polarisatorarray ist „on-chip“ statt „on-glass“ positioniert. Durch die Platzierung des Polarisatorarrays auf dem Chip und unterhalb der Mikrolinse kann Sonys Polarisationssensor das Übersprechen von polarisierten Winkeln, die fälschlicherweise vom falschen Pixel erkannt werden, reduzieren.
Oben: 0° polarisiertes Licht tritt in das Pixel ein, das für die Erkennung von 90° vorgesehen ist, und wird fälschlicherweise als 90° erkannt. Dieser Übersprechfehler tritt auf, weil das Polarisationsarray über der Mikrolinse platziert ist.
Oben: Sonys Polarisationssensor verringert die Wahrscheinlichkeit von Übersprechen dank des auf dem Chip platzierten Polarisatorarrays. Das 0° polarisierte Licht kann nicht in das Pixel eintreten, das nur 90° erkennen soll.
Extinktionsverhältnisse
Ein Extinktionsverhältnis stellt das Verhältnis zwischen der maximalen und minimalen Menge des durch einen Polarisator übertragenen polarisierten Lichts dar. Bei einem linearen Drahtgitter-Polarisator erfolgt die maximale Übertragung des polarisierten Lichts senkrecht zur Drahtgitterachse. Wenn sich dieser senkrechte Polarisationswinkel um 90° dreht, erreichen wir den Punkt der minimalen Übertragung, der parallel zur Drahtgitterachse auftritt. Kein Polarisator ist perfekt. Beim Winkel der maximalen Übertragung wird es einige Verluste geben, und beim Winkel der minimalen Übertragung werden einige unerwünschte Winkel durchgelassen. Hohe Extinktionsverhältnisse ermöglichen eine bessere Erkennung eines gewünschten Polarisationswinkels, ohne dass andere Polarisationswinkel sich einmischen.
Oben: Die maximale Übertragung (T max) und die minimale Übertragung (T min) werden zur Berechnung des Extinktionsverhältnisses verwendet.
Phoenix- und Triton-Kameras verwenden Sonys IMX250MZR / IMX264MZR CMOS (Mono) und IMX250MYR / IMX264MYR CMOS (Farbe) mit Polarsens-Technologie.
Mit Hilfe von Polarisationskameras können viele Materialeigenschaften, die mit herkömmlichen RGB-Sensoren nicht zu identifizieren waren, jetzt leicht erfasst werden. Der 5 MP Global Shutter Sensor mit einer Pixelgröße von 3,45 µm basiert auf dem beliebten IMX250 Sony Pregius CMOS-Monosensor mit einer zusätzlichen Nanodraht-Polarisationsschicht auf dem Chip. Diese Kombination ist Sonys Polarsens-Technologie und bietet hervorragende Bildleistung, genaue Polarisationsdaten und hohe Extinktionsverhältnisse. LUCIDs Phoenix- und Triton-Kameras mit Sonys IMX250MZR und IMX250MYR CMOS-Polarisationssensoren bieten eine On-Kamera-Verarbeitung mit den vier Richtungsfiltern und geben sowohl die Intensität als auch den Polarisationswinkel jedes Bildpixels aus. Durch die Kombination dieser innovativen Produkte kann die Polarisation nun eine kompakte und kostengünstige Lösung zur Bewältigung von Bildgebungsherausforderungen und zur Aufdeckung verborgener Materialeigenschaften sein, um Inspektionen und Klassifizierungen besser durchzuführen.
Videopräsentation - Polarisierung: Eine neue Perspektive für die industrielle Bildgebung (Englisch)
PDF-Präsentationsdatei herunterladen (Englisch) Going-Polarized-Presentation.pdf (4 MB)
