{"id":875,"date":"2019-03-05T23:00:00","date_gmt":"2019-03-05T23:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/framos.com\/articles\/case-study-4d-technology-on-chip-polarisation-macht-unmoegliche-messungen-moeglich\/"},"modified":"2024-04-24T21:20:34","modified_gmt":"2024-04-24T21:20:34","slug":"case-study-4d-technology-on-chip-polarisation-macht-unmoegliche-messungen-moeglich","status":"publish","type":"articles","link":"https:\/\/framos.com\/de\/fachartikel\/case-study-4d-technology-on-chip-polarisation-macht-unmoegliche-messungen-moeglich\/","title":{"rendered":"Case Study 4D Technology – On-Chip-Polarisation macht unm\u00f6gliche Messungen m\u00f6glich"},"content":{"rendered":"

Interferometrische Messungen mit On-Chip Polarisationssensoren erm\u00f6glichen die pr\u00e4zise Qualit\u00e4tskontrolle und Inspektion von transparenten Materialien und Beobachtungen in der Astronomie.
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Die Firma 4D Technology aus dem amerikanischen Arizona entwickelt und produziert Interferometer, tragbare 3D-Profiler zur Oberfl\u00e4cheninspektion und Polarisationskameras. F\u00fcr die Sub-Nanometer-Messung von optischen Systemen und Oberfl\u00e4chen hatte 4D einen speziellen Sensor mit Mikro-Polarisations-Array entwickelt, welcher auch unter Vibration und Bewegung exakte Daten lieferte. Damit waren die Kameras allerdings sehr teuer. Jetzt bezieht 4D \u00fcber den Vision-Spezialisten FRAMOS den Sony CMOS-Sensor IMX250 mit On-Chip-Polarisation und ist begeistert vom geringen Preis und der sehr guten Leistung. Die Applikationen der 4D Technology-Kunden zeigen, wie On-Chip-Polarisation bessere und schnellere Bildergebnisse unter vereinfachten Bedingungen liefert.<\/p>\n

Die Herausforderungen interferometrischer Messungen<\/strong><\/h3>\n

Die Phase-Shifting-Interferometrie in ihrer herk\u00f6mmlichen Form ist eine Technik, um Oberfl\u00e4chenprofile bis zum Bruchteil einer Wellenl\u00e4nge (Sub-Nanometer) zu messen. Ziel ist es, die Doppelbrechung als Qualit\u00e4tskriterium f\u00fcr transparente Materialien zu erhalten. Die traditionelle Messung ist jedoch sehr empfindlich gegen\u00fcber Bewegung und Vibration, es m\u00fcssen mindestens 3 Videobilder, vorzugsweise sogar 5 – 11, aufgenommen werden. Kleinste Vibrationen im Sub-Mikrometerbereich beeintr\u00e4chtigen oder vernichten die Messung. Typischerweise werden pneumatisch-isolierte Tische zur D\u00e4mpfung der Schwingungen eingesetzt. Die extreme Empfindlichkeit gegen\u00fcber Vibrationen beschr\u00e4nkte den Einsatz der Interferometrie auf kontrollierte Laborumgebungen und verhinderte ihren Einsatz direkt in der Produktion. Die Interferometer von 4D Technology setzen jetzt auf Kameras mit On-Chip-Polarisationssensoren, um die Phasen unmittelbar und ohne Verz\u00f6gerung zu messen.<\/p>\n

\"Polarizers\"<\/p>\n

Die Verwendung eines Mikro-Polarisator-Arrays direkt auf dem Sensor erfasst alle interferometrischen Daten mit nur einer Aufnahme. Bewegungen werden dadurch buchst\u00e4blich eingefroren. Dies beseitigt nicht nur die bisherigen Einschr\u00e4nkungen, sondern erm\u00f6glicht auch pr\u00e4zisere Messungen. Mit dieser dynamischen Interferometrie lassen sich mit nur einer Aufnahme pr\u00e4zise Echtzeit-Ergebnisse erzielen. Da es sich bei jedem Einzelbild um eine quantitative Messung handelt, ist es m\u00f6glich, Filme von optischen Strukturen zu erstellen, die ihre Form im Laufe der Zeit ver\u00e4ndern. Auch die Messung von sehr gro\u00dfen Objekten ist mit Hilfe dieses hochsensiblen Sensors m\u00f6glich.<\/p>\n

Die On-Chip-Polarisation unterst\u00fctzt Produktinnovationen<\/strong><\/h3>\n

Die visuelle Inspektion ist in den letzten Jahren deutlich gewachsen, viele industrielle Prozesse und Materialien werden mit Bildverarbeitung \u00fcberwacht und auf ihre Qualit\u00e4t gepr\u00fcft. Dies f\u00fchrte dazu, dass immer mehr Firmen 4D Technology anfragten. Die Firma beschloss daraufhin, seine Mikro-Polarisationskameras auch au\u00dferhalb seiner Interferometer anzubieten und auf Basis der Expertise in der Berechnung und Kalibrierung von Pixel-Daten ein eigenes GUI- und SDK-Softwarepaket auf den Markt zu bringen.<\/p>\n

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Die Polarisation bringt der Bildverarbeitung immense Vorteile: Sie liefert so viele zus\u00e4tzliche Informationen, die das Unsichtbare sichtbar machen, bei einem gleichzeitig nur sehr geringen Verlust an sichtbarem Licht.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/blockquote>\n<\/div>\n

Mit dem zunehmenden Einsatz von Polarisation in der Bildverarbeitung beschloss Sony Semiconductors einen Industriesensor mit On-Chip-Polarisation zu entwickeln. Der Marktf\u00fchrer f\u00fcr Bildsensoren produziert in sehr hohen St\u00fcckzahlen und mit exzellenter Qualit\u00e4t – au\u00dferdem kosteng\u00fcnstiger, mit h\u00f6herer Aussch\u00f6pfung, besseren und pr\u00e4ziseren Filtern und insgesamt qualitativ hochwertiger.\"nealbrock_round\"<\/p>\n

„In vielen unserer Produkte, die auf eigenentwickelten Sensoren basieren, setzen wir jetzt den Sony Polarsense\u2122 IMX250 ein, da er deutlich weniger Cross-Talk in den Aufnahmen produziert und wesentlich kosteng\u00fcnstiger ist“, sagt Neal Brock, Entwicklungsleiter f\u00fcr Neue Technologien bei 4D Technology.<\/p>\n

Der Polarisationsfilter der Sensoren ist direkt auf den Pixeln angebracht und filtert das einfallende Licht aus allen vier Richtungen: 0, 45, 90 und 135 Grad. Der Sensor nimmt polarisiertes Licht gleichzeitig aus in jedem dieser Winkel im Bild auf, dadurch treten keine zeitbedingten Artefakte auf. \u00c4hnlich wie bei der Extraktion von Farbinformationen \u00fcber Bayer-Pattern bei Farbsensoren wird die Polarisation des Lichts \u00fcber alle vier Winkel der gefilterten Pixel erfasst. Daten \u00fcber den Polarisationswinkel und die Intensit\u00e4t des Lichts, welches auf den Sensor trifft, k\u00f6nnen damit interpoliert und genau identifiziert werden. Off-The-Shelf-Sensoren wie der SONY Polarsense\u2122 IMX250 decken derzeit einen Wellenl\u00e4ngenbereich von 400 bis 850 Nanometer ab, sie sind sehr zuverl\u00e4ssig, einfach zu integrieren und haben eine sehr lange Lebensdauer. Standard-Sensoren, die nachtr\u00e4glich auf das Glas aufgebrachte Polarisationsfilter verwenden haben deutlich k\u00fcrzere Lebenszyklen. Die Hauptvorteile des neuen IMX250 sind die geringeren Kosten und eine h\u00f6here Leistung durch weniger Cross-Talk zwischen den polarisierten Pixeln. „Wir haben den SONY IMX250 Sensor in unser Softwarepaket integriert und empfehlen ihn f\u00fcr alle Anwendungen, die mit sichtbarem Licht auskommen m\u00fcssen“, sagt Brock.<\/p>\n

Doppelbrechung macht Spannungsstress in transparenten Materialien sichtbar<\/strong><\/h3>\n
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Die Doppelbrechung ist eine optische Eigenschaft transparenter Materialien, bei welcher der Brechungsindex von der Ausbreitungsrichtung und der Polarisation des Lichts abh\u00e4ngt.<\/p>\n<\/div>\n<\/blockquote>\n

Eine der h\u00e4ufigsten Anwendungen f\u00fcr Polarisationskameras ist die Messung von mechanischer Spannung und Doppelbrechung, die bildverarbeitungsbasierte Inspektion kann hier in vielen Anwendungen helfen. Etwa um die Qualit\u00e4t von transparenten Materialien wie Kristallen, Glas, Salz und vielen Polymeren zu bewerten, indem man die Doppelbrechung als intrinsische Eigenschaft des Materials misst. „Es geht um mechanische Spannungen in diesen Materialien auf Makroebene. Die Doppelbrechung ist eine Materialeigenschaft, welche aus einer Asymmetrie im Kristallgitter des Materials entsteht. Licht, das sich durch das Material bewegt, bekommt aufgrund seines Winkels innerhalb des Mediums unterschiedliche Brechungsindizes, die mit Hilfe von Polarisation erkannt werden k\u00f6nnen“, erkl\u00e4rt Brock. Viele Materialien weisen eine so genannte spannungsinduzierte Doppelbrechung auf. Wenn beispielsweise ein Kunststoff oder Glas zusammengedr\u00fcckt oder gestreckt wird, kann es aufgrund der im Material entstehenden Spannungen doppelbrechend werden. Da dieser Effekt vom Einfallswinkel des einfallenden Lichts abh\u00e4ngt, eignen sich Polarisationskameras hervorragend zur Messung der Materialqualit\u00e4t w\u00e4hrend der Fertigung.<\/p>\n<\/div>\n

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Die Qualit\u00e4t von Objektiven wird stark durch Doppelbrechung in den verwendeten Glas- oder Kunststoffoptiken beeinflusst. Vor allem bei leistungsf\u00e4higen, hochpr\u00e4zisen Objektiven kann der geringste Druck ausgehend von den Objektivfassungen, Polarisationsaberrationen hervorrufen, die dann in den aufgenommenen Bildern zu sehen sind. Diese Spannungspunkte ver\u00e4ndern den lokalen Brechungsindex, der die Wellenfront des durch das Objektiv flie\u00dfenden Lichts verzerrt und Artefakte in den Bildern verursacht. Daher sind Doppelbrechungsmessungen ein wichtiger Bestandteil der Qualit\u00e4tssicherung f\u00fcr Objektivhersteller.<\/p>\n

Bild 3: Doppelbrechung macht die Struktur von Seifenblasen sichtbar\n<\/p>\n

Virtual und Augmented Reality Ger\u00e4te setzen oft auf polarisiertes Licht – jede Doppelbrechung in diesen optischen Systemen kann daher das Licht verzerren und die Bildqualit\u00e4t beeintr\u00e4chtigen. „Optik und Gl\u00e4ser, das gesamte optische System zur Projektion der Videodaten besteht meist aus geformten Kunststoffen oder Glas“, sagt Neal Brock. „Da die Hersteller Optiken zukaufen und diese in ihren Ger\u00e4ten verbauen, m\u00fcssen sie die Qualit\u00e4t vor und nach dem Herstellungsprozess sehr sorgf\u00e4ltig pr\u00fcfen. Die Messung der Doppelbrechung ist bei weitem die beste Methode f\u00fcr diese Inspektion.“<\/p>\n

Polarisation wird in der industriellen Bildverarbeitung h\u00e4ufig eingesetzt, um den Glanz oder das Blenden zu reduzieren, welches durch die Lichtreflektion an glatten Oberfl\u00e4chen entsteht, die zur Beleuchtung des zu pr\u00fcfenden Objektes verwendet wird. Da die meisten Objekte mehrere Oberfl\u00e4chenwinkel haben, reicht ein einziger Polarisationswinkel nicht aus, um die Reflektionen zu reduzieren. Durch die Reduktion der Blendung aus allen Polarisationswinkeln k\u00f6nnen Defekte und Strukturen aufgedeckt werden, die mit anderen Methoden unsichtbar blieben.<\/p>\n

Polarisationskameras helfen in der Astronomie<\/strong><\/strong><\/h3>\n

Astronomen nutzen polarisierte Sensoren zur genaueren Beobachtung von Exoplaneten au\u00dferhalb unseres Sonnensystems. Mit Hilfe von Bildverarbeitung, k\u00f6nnen die Signale aus dem All immens verbessert werden. Das direkt auf die Erde treffende Sternenlicht und das Licht von Exoplaneten sind exakt \u00fcberlagert und erscheinen als ein Lichtpunkt. Das Sternenlicht \u00fcberlagert das Licht der Exoplaneten vollst\u00e4ndig. Doch das von den Exoplaneten kommende Licht wird von ihnen reflektiert, es ist im Gegensatz zum Sternenlicht polarisiert. Ein Polarisationssensor verbessert somit den Kontrast zwischen den Signalen und erleichtert die Beobachtung.<\/p>\n

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Die derzeit wichtigste Anwendung von Polarisationskameras in der Astronomie ist die Beobachtung der Sonne und ihrer Eruptionen. Das Ziel ist, diese besser zu verstehen und Sonnenst\u00fcrme vorhersagen zu k\u00f6nnen, denn das Magnetfeld der Erde wird durch die von Sonnenst\u00fcrmen hervorgerufenen Interferenzen stark beeinflusst. Unter anderem verursachen sie Funkst\u00f6rungen, sodass Flugrouten ge\u00e4ndert werden m\u00fcssen und sie k\u00f6nnen auch schwere, gro\u00dffl\u00e4chige Stromausf\u00e4lle verursachen. Ein solcher Sonnensturm legte 1989 das Stromnetz in Kanada \u00fcber mehrere Tage lahm, \u00fcber 6 Millionen Menschen waren betroffen. Die Erforschung und bestenfalls Vorhersage dieser St\u00fcrme ist daher wichtig f\u00fcr den Schutz des Stromnetzes und der Menschen auf der Erde. Die Sonnenst\u00fcrme werden durch Masseneruptionen in der Korona der Sonne (CME) ausgel\u00f6st, wodurch eine hohe Menge Sonnenplasma freigesetzt wird. Die CMEs setzen gro\u00dfe Mengen an Materie und elektromagnetischer Strahlung frei, wobei letztere die massiven St\u00f6rungen auf der Erde verursacht.<\/p>\n

Bild 4: Eruptionen der Sonnenkorona f\u00fchren zu Solarst\u00fcrmen, welche die Stromversorgung auf der Erde st\u00f6ren k\u00f6nnen<\/p>\n

F\u00fcr Wissenschaftler ist es ein gro\u00dfes Mysterium, dass die Korona der Sonne viel hei\u00dfer ist als ihr Kern. Astronomen versuchen, den Grund daf\u00fcr herauszufinden. Erst k\u00fcrzlich hat die NASA ein Programm gestartet, um mit Messaufnahmen die Korona zu untersuchen. Interessanterweise ist die Korona stark polarisiert. Durch die Beobachtung der Korona mit Polarisationskameras in Satelliten hoffen die Solarphysiker, ein Vorhersage-System zu schaffen, das Stromanbietern und Kraftwerken Solarst\u00fcrme vorhersagen kann. Damit k\u00f6nnten die Stromnetze rechtzeitig abgeschaltet werden, um Sch\u00e4den durch Solarst\u00fcrme und damit Stromausf\u00e4lle zu vermeiden. Leider ist das noch Science-Fiction, aber dank dem Einsatz von Polarisationskameras k\u00f6nnen Astronomen die Masseneruptionen der Korona besser verstehen und an Vorhersage-Modellen arbeiten.<\/p>\n

Grundlegend verbesserte Inspektion durch Polarisation
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Die Polarisation ist eine einfache, schnelle, kosteng\u00fcnstige und vor allem zuverl\u00e4ssige Methode, um hochpr\u00e4zise Bilddaten in besserer Qualit\u00e4t zu erhalten und um ansonsten unsichtbare Informationen anzureichern. In der Inspektion eliminiert sie Reflektionen und Blendungen auf Oberfl\u00e4chen wie Glas, Kunststoff und Metall. Mit on-chip Polarisationsfiltern k\u00f6nnen in der industriellen Qualit\u00e4tssicherung, in Verkehrs- und Infrastrukturanwendungen sowie in der Medizin die Inspektionsergebnisse deutlich verbessert werden. Wie am obigen Beispiel der Doppelbrechung beschrieben, hilft polarisiertes Licht bei der Analyse der Spannungsverteilung in transparenten Kunststoffen. Materialstress und damit zusammenh\u00e4ngende Probleme k\u00f6nnen durch die Messung der inneren Spannungen schneller identifiziert werden. Dies gilt auch f\u00fcr Luftblasen in Kunststoffflaschen, Defekte in Folien oder in gegossenen oder geformten Kunststoffen.<\/p>\n

F\u00fcr die intelligente Verkehrs\u00fcberwachung kann Polarisation eine Person hinter den Lichtreflektionen einer Windschutzscheibe identifizieren. Autonome Autos profitieren von einer deutlich verbesserten Stra\u00dfenerkennung bei verschiedensten Lichtverh\u00e4ltnissen, indem sie die Fahrbahnoberfl\u00e4che mit Polarisationsfiltern erfassen. Informationen \u00fcber die Lichtrichtung k\u00f6nnen helfen, diverse Lichtquelle in der Dunkelheit oder D\u00e4mmerung zu identifizieren, zu unterscheiden und Reflektionen zu eliminieren, um so falsche Zuordnungen zu vermeiden. Drohnen, und im Prinzip alle Infrastruktur- und Agraranwendungen, setzen auf Polarisationsfilter, um Objekte unter Wasser zu erkennen, indem sie die Reflektionen der Wasseroberfl\u00e4che beseitigen.<\/p>\n

Polarisation k\u00f6nnen die Analyse und Erkennung von Objekten in jeder Hinsicht verbessern, indem sie den Bildkontrast verbessern und zus\u00e4tzliche Bilddaten sichtbar machen. In den meisten Polarisationsanwendungen kann es einfacher, schneller, kosteng\u00fcnstiger und zuverl\u00e4ssiger sein, einen Sensor mit On-Chip-Polarisation zu verwenden. Die gleichzeitige Aufnahme des Lichts aus allen vier Polarisationswinkeln erm\u00f6glicht die Nutzung der Vorteile von polarisiertem Licht ohne Bewegungsartefakte und in deutlich kompakteren Embedded Vision-Systemen.<\/p>\n

\"PolarisationKtI1iVa8CGNVu\"<\/p>\n

Bild 5: Bild mit und ohne Einsatz eines Polarisationsfilters (c) Siriu Deutschland GmbH
\nBilder 1 and 2: (C) 4D Technology<\/p>\n

Polarization Image Sensor Technology „Polarsens“ – Introduction Part<\/h2>\n