Support Center
Sonys Polarisierter Sensor: Fortschrittliche Polarisationsbildgebung für industrielle Anwendungen
Polarisation: Eine Eigenschaft des Lichts
Applikationsingenieure nutzen Polarisationskameras, um unerwünschte Reflexe und Blendeffekte zu filtern und den Kontrast zu erhöhen, etwa durch Farbcodierung unterschiedlicher Polarisationswinkel. Verschiedene Materialien verändern die Eigenschaften des Lichts. Während Standard-Farb- und Monosensoren Intensität und Wellenlänge detektieren, erfassen spezielle polarisationssensitive Sensoren auch den Polarisationswinkel von reflektiertem, gebrochenem oder gestreutem Licht. Bevor wir die Vorteile unserer Phoenix und Triton Polarized Kameras mit Sonys Polarsens™-Technologie erläutern, klären wir kurz, was polarisiertes Licht ist.
Inhaltsverzeichnis
Polarisation: Eine Eigenschaft des Lichts
Gute Schwingungen: vom unpolarisierten zum polarisierten Licht
Polarisation durch Polarisationsfilter
Polarisation durch Reflexion
Polarisation durch Brechung
Vorteile der Polarisation nutzen
Bestehende Polarisationslösungen
Polarsens: Funktionsweise von Sonys polarisiertem Sensor
Extinktionsverhältnisse
Phoenix & Triton mit IMX250MZR/MYR CMOS
Video-Präsentation: Eine neue Perspektive für die industrielle Bildverarbeitung
Weitere Ressourcen zur Polarisation
Gute Schwingungen: vom unpolarisierten zum polarisierten Licht
Polarisation beschreibt die Richtung, in der das elektrische Feld eines Lichtstrahls schwingt. Die meisten Lichtquellen wie die Sonne emittieren unpolarisiertes Licht. Dessen Schwingungen verlaufen zufällig und stehen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Damit Licht polarisiert wird, müssen diese zufälligen Schwingungen entfernt oder in lineare, zirkulare oder elliptische Wellen überführt werden. Im Folgenden betrachten wir die lineare Polarisation.
Hinweis
Eintreffendes Licht mit einem Polarisationswinkel, der senkrecht zur Ebene des Polarisators steht, wird blockiert. Andere Winkel werden nicht vollständig blockiert, sondern in Licht geringerer Intensität transformiert. Im Beispiel unten wird schräg einfallendes Licht in linear polarisiertes Licht geringerer Intensität umgewandelt.
Polarisation durch Polarisationsfilter
Trifft Licht auf einen linearen Polarisator, zum Beispiel einen vertikalen oder horizontalen, werden alle anderen Schwingungsrichtungen herausgefiltert. Es passieren nur die Schwingungen in der jeweiligen Ebene. Ist die Schwingung auf eine Ebene beschränkt, spricht man von linear polarisiertem Licht. Übliche Polarisator-Typen sind kristalline, dichroitische, Folien- und Drahtgitterpolarisatoren.
Oben: Beispiel für vertikale und horizontale Polarisatoren
Hinweis: Die Linien auf den Folienpolarisatoren zeigen die Polarisationsrichtungen, nicht tatsächliche Drahtgitter.
Polarisation durch Reflexion
Unpolarisiertes Licht wird an nichtmetallischen Oberflächen teilweise polarisiert. Metallische Oberflächen reflektieren die Polarisation des einfallenden Lichts, polarisieren jedoch selbst kaum. Halbtransparente Materialien wie Glas, Kunststoffe oder Wasser reflektieren Licht in die Umgebung zurück und polarisieren dabei einen Anteil. Dieses reflektierte Licht verursacht je nach Position von Anwender oder Kamera störende Blendeffekte. Da das reflektierte Licht senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist, lässt es sich mit einem Polarisator entfernen, der parallel zur Einfallsebene ausgerichtet ist.
Polarisation durch Brechung
Beim Übergang von Licht zwischen zwei Medien, also bei der Brechung, kann ein Teil des unpolarisierten Lichts polarisiert werden. Der Anteil hängt von der Nähe zum Brewster-Winkel ab, bei dem reflektierter und gebrochener Strahl einen 90°-Winkel zueinander bilden. Transparente Materialien wie Glas, Kunststoffe und Wasser können den gebrochenen Strahl teilweise in der Einfallsebene polarisieren.
Oben: Unpolarisiertes Licht wird durch Reflexion polarisiert
Hinweis
Trifft ein unpolarisierter Strahl (a) so auf die Oberfläche, dass reflektierter (b) und gebrochener Strahl (c) einen 90°-Winkel bilden, ist der reflektierte Strahl linear polarisiert. Der gebrochene Strahl ist teilweise polarisiert. Der Einfallswinkel, bei dem beide Strahlen senkrecht zueinander stehen, heißt Brewster-Winkel.
Vorteile der Polarisation nutzen
Polarisation wird in der industriellen Bildverarbeitung seit Langem eingesetzt, um Spannungen sichtbar zu machen, Objekte zu prüfen und Reflexe auf transparenten Materialien zu reduzieren. Klassisch kommen externe Polarisationsfolien zwischen Objekt, Beleuchtung und Kamera zum Einsatz. Unterschiedliche Setups ermöglichen die Messung von Materialspannungen, die Kontraststeigerung und die Analyse von Oberflächen auf Dellen oder Kratzer.
Spannungsanalyse
Durchläuft polarisiertes Licht transparente Materialien, verändern lokale Spannungen den Polarisationswinkel. Weist man bestimmten Winkeln Farben zu, werden Fehlstellen und Spannungszonen sichtbar. Das Beispiel zeigt ein farbkodiertes Bild eines klaren Acrylblocks.
Reflexion reduzieren
Reflexe erschweren die Oberflächenprüfung, etwa in der Lebensmittelinspektion. Polarisatoren reduzieren Spiegelungen und Blendeffekte. Im Beispiel wurde polarisiertes Reflexionslicht von der Paprika entfernt.
Kontrast verbessern
Bei wenig Licht lässt sich der Kontrast steigern, indem man den Polarisationswinkel des von Objekten ausgehenden Lichts auswertet. Das Beispiel zeigt den Kontrastgewinn gegenüber einer normalen Aufnahme bei geringer Beleuchtung.
Kratzerprüfung
Ähnlich wie bei der Spannungsanalyse sind manche Defekte und Kratzer mit konventioneller Bildgebung schwer erkennbar. Polarisationsaufnahmen helfen, Oberflächenfehler auf transparenten Materialien zu detektieren.
Objekterkennung
Objekte lassen sich mitunter schwer vom Hintergrund trennen. Polarisationsbildgebung lokalisiert Objekte über ihren charakteristischen Polarisationswinkel des reflektierten Lichts.
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 erster polarisierter Sensor: So funktioniert er
Sony erweitert seine Sensorführerschaft über die sichtbare Bildgebung hinaus mit dem ersten polarisierten Sensor auf Basis der Polarsens™-Technologie. Grundlage ist der 5,0 MP IMX250 Pregius CMOS-Sensor. Der neue IMX250MZR (Mono) integriert eine Polarisator-Schicht direkt über den Photodioden. Die nanostrukturierte Drahtgitter-Schicht liegt als luftspaltbasierte On-Chip-Lösung unter einer Antireflexbeschichtung, was Flares und Ghosting reduziert. Die On-Chip-Platzierung verringert Polarisations-Crosstalk und verbessert das Extinktionsverhältnis.
Das Polarisator-Array besteht aus vier Ausrichtungen (90°, 45°, 135° und 0°), die jeweils auf einem Pixel liegen. Jeweils vier Pixel bilden eine Recheneinheit. Durch die Beziehung der Richtungen innerhalb dieses 4-Pixel-Blocks lassen sich sowohl Grad als auch Richtung der Polarisation bestimmen.
Hinweis
Drahtgitter-Polarisatoren polarisieren Licht senkrecht zu den Gitterlinien. Parallel polarisierte Anteile werden an den Drähten reflektiert oder absorbiert, senkrecht polarisierte passieren den Filter.
Oben: Sonys Polarsens 4-Pixel-Block-Design
Die 4-Pixel-Recheneinheit des IMX250MZR ermöglicht die Detektion aller linearen Polarisationswinkel, nicht nur 90°, 45°, 135° und 0°. Grundlage ist der Vergleich der Intensitäten zwischen den vier Pixeln.
Oben: Die Pixel mit 90°, 45°, 135° und 0° messen polarisiertes Licht (rotierende rote Linie) relativ zu ihrer Drahtgitter-Achse. Die Prozentwerte zeigen die Zu- und Abnahme der Transmission. Durch den Vergleich aller vier Pixel werden alle linearen Polarisationswinkel erfasst.
Das Polarisator-Array sitzt on-chip und nicht on-glass. Durch die Lage unterhalb der Mikrolinse reduziert Sonys Sensor die Wahrscheinlichkeit, dass ein falscher Pixel den Polarisationswinkel misst, also Crosstalk.
Oben: 0°-polarisiertes Licht trifft auf das für 90° vorgesehene Pixel und wird fälschlich als 90° detektiert. Dieser Fehler entsteht, wenn das Array über der Mikrolinse liegt.
</blockquote]
Oben: Sonys Polarsens reduziert Crosstalk dank On-Chip-Platzierung. 0°-polarisiertes Licht gelangt nicht in das Pixel, das ausschließlich 90° detektieren soll.
Extinktionsverhältnisse
Das Extinktionsverhältnis beschreibt das Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Transmission von polarisiertem Licht durch einen Polarisator. Beim linearen Drahtgitter-Polarisator tritt die maximale Transmission senkrecht zur Gitterachse auf. Rotiert der Polarisationswinkel um 90°, erreicht man das Minimum parallel zur Gitterachse. Kein Polarisator ist perfekt. Auch beim Maximum gibt es Verluste, beim Minimum gelangen unerwünschte Anteile hindurch. Hohe Extinktionsverhältnisse ermöglichen die präzisere Detektion des gewünschten Polarisationswinkels ohne Vermischung mit anderen Winkeln.
Oben: Aus maximaler Transmission (T max) und minimaler Transmission (T min) wird das Extinktionsverhältnis berechnet
Phoenix und Triton mit Sony IMX250MZR CMOS (Mono) und IMX250MYR CMOS (Farbe) mit Polarsens-Technologie
Mit Polarisationskameras lassen sich viele Materialeigenschaften erfassen, die mit herkömmlichen RGB-Sensoren verborgen bleiben. Der 5 MP Global-Shutter-Sensor mit 3,45 µm Pixelgröße basiert auf dem beliebten Sony IMX250 Pregius CMOS und ergänzt ihn um eine On-Chip-Nanodraht-Polarisationsschicht. Diese Kombination heißt bei Sony Polarsens und liefert sehr gute Bildqualität, präzise Polarisationsdaten und hohe Extinktionsverhältnisse. LUCIDs Phoenix und Triton Kameras mit IMX250MZR und IMX250MYR bieten kamerainterne Verarbeitung der vier Richtungsfilter und geben pro Pixel sowohl Intensität als auch Polarisationswinkel aus. In Summe entsteht eine kompakte und wirtschaftliche Lösung, die Prüfaufgaben erleichtert und verborgene Materialeigenschaften für Inspektion und Klassifikation nutzbar macht.
Video-Präsentation: Going Polarized – eine neue Perspektive für die industrielle Bildverarbeitung
PDF-Präsentation herunterladen Going-Polarized-Presentation.pdf (4 MB)
