تصویربرداری فراطیفی روی یک تراشه یکپارچه

دوربین های فراطیفی نور منعکس شده توسط یک جسم را به نوارهای طیفی باریک زیادی تقسیم می کنند که آنها را جداگانه گرفته و پردازش می کنند. به این ترتیب، آنها یک امضای طیفی برای هر پیکسل در یک صحنه ثبت می کنند. این امضا بسیار غنی تر از تصویر قرمز-سبز-آبی است که چشمان ما می گیرند. حتی ممکن است به طور منحصر به فرد ماده موجود در تصویر را شناسایی کند، زیرا هر مولکول به روشی خاص با نور تعامل دارد و در نتیجه اثر انگشت طیفی ایجاد می شود. این اثر انگشت های منحصر به فرد برای شناسایی و طبقه بندی انواع مواد و اشیاء ارزش بسیار خوبی دارند و برای اتوماسیون بیشتر در فرآیندهای صنعتی حیاتی هستند. به ما این امکان را می دهد که، به عنوان مثال، خوردگی روی عناصر ساختاری یک پل را آشکار کنیم.

رایج ترین اجرای این دوربین ها «فشار جارو» نام دارد که یک صحنه را خط به خط اسکن می کند و چند ثانیه یا حتی چند دقیقه طول می کشد. علاوه بر این، این دوربین ها با دست از بسیاری از اجزای مجزا، از جمله اپتیک های دقیق و گران قیمت در شیشه، مونتاژ می شوند. این نیاز به تراز و کالیبراسیون دقیق دارد. این عوامل پیاده‌سازی به این معناست که تنها متخصصان تصویربرداری فراطیفی می‌توانند داده‌های ابرطیفی را کالیبره، تصحیح و به راه‌حل‌های صنعتی واقعی تفسیر کنند.

جاروهای فشاری در موقعیت تسمه نقاله کار بسیار خوبی انجام می دهند اما در حرکت آزاد با دوربین یا صحنه مشکل دارند. به یک دوربین بازرسی در یک ربات کاوشگر یا یک پهپاد آزادانه فکر کنید. برای این موارد، باید کل فریم‌ها را، ترجیحاً با سرعت ویدیو، اسکن کنید تا تغییرات زمان واقعی را مشاهده کنید. به عنوان مثال، هنگامی که یک ربات موارد تصادفی را از سطل زباله خارج می کند، باید به طور دائم عکس بگیرد تا پس از هر اقدام تصمیمات جدیدی بگیرد. هنگامی که تصویر با نرخی مانند 30 فریم در ثانیه به روز می شود، منجر به یک ویدیوی فراطیفی می شود. امروزه، ویدئوهای فراطیفی آماده استفاده در زمینه‌های مختلف صنعتی هستند: بازرسی کیفیت، مرتب‌سازی، و تشخیص مواد. پس چگونه به آنجا رسیدیم؟ پاسخ کوتاه: فناوری تراشه است.

با استفاده از زیرساخت‌های مبتنی بر CMOS و فناوری فرآیند در اتاق تمیز، imec تراشه‌ای با عملکرد فراطیفی یکپارچه با ساخت فیلترهای نوری مبتنی بر تداخل در سطح ویفر، رسوب‌گذاری و الگوبرداری مستقیم روی پیکسل‌های حسگر تصویر ایجاد کرد. این رویکرد مزایای رقابتی مهمی را به همراه داشت: تصویرسازهای یکپارچه را می توان با هزینه ای قابل مقایسه با تراشه های کامپیوتری کالا به صورت انبوه تولید کرد. علاوه بر این، آنها کوچک هستند به طوری که می توان آنها را در یک دوربین معمولی با لنزهای استاندارد قرار داد. چنین دوربینی برای نصب پهپاد یا ربات کوچک مناسب است.

تراشه فراطیفی دقت فناوری اسکن سنتی را با افزایش راحتی ترکیب می کند و نرخ تازه سازی سریع صحنه را ارائه می دهد. ممکن است تا 2880 خط در ثانیه را اسکن کند و میدان دید را با 2048×1088 پیکسل با سرعتی در حدود 30 فریم در ثانیه در شرایط نور روز و تا 340 فریم در ثانیه در سطوح روشنایی بالاتر پوشش دهد، همانطور که معمولاً در برنامه های بینایی ماشین استفاده می شود. توانایی ساخت عملکردهای فراطیفی بسیار فشرده، قابل اعتماد و مقرون به صرفه بر روی یک تراشه، کلید ورود این نوع تصویربرداری به بازارهای جدید است.

تکنولوژی الگوسازی موزاییک

فناوری الگوسازی موزاییک برای دستیابی به تصویربرداری ابرطیفی حالت ویدیویی استفاده می شود. پیکسل ها در آرایه های 3×3، 4×4 یا 5×5 گروه بندی می شوند. در بالای هر گروه از این قبیل، به عنوان مثال، 16 پیکسل در الگوی موزاییک 4×4، 16 فیلتر باند باریک پردازش می شود، که به طور موثر فیلترهایی را به اندازه یک پیکسل تصویرگر می سازد. با این طرح موزاییکی، دیگر نیازی به دستگاه تکثیر یا جداکننده پرتو مجزا نیست.

برای کاربردهای صنعتی، سطح علمی حجم داده ضروری نیست. به دست آوردن باندهای طیفی مناسب مورد نیاز برای برنامه کلیدی است. مشخصات برنامه را می توان با انتخاب سنسور تصویر مناسب با سرعت، حساسیت یا تعداد پیکسل های خاص برآورده کرد.

بهبود در کل اکوسیستم

علاوه بر ادغام تراشه، همکاری در کل زنجیره ارزش برای کمک به بستن شکاف بین یک فناوری امیدوارکننده و کاربرد آن در صنعت مورد نیاز بود: از تولیدکنندگان سخت‌افزار دوربین گرفته تا کاربران نهایی. در این زمینه، محققان imec با Photonfocus برای ساخت دوربین‌های سبک وزن و جمع‌وجور در اطراف تراشه‌های یکپارچه همکاری کردند. علاوه بر این، محققان imec عملکرد طیفی هر دوربین را تأیید می کنند و کاربران نهایی پشتیبانی مستقیم و دسترسی نرم افزاری دریافت می کنند. نتیجه؟ عملکرد بی سابقه سیستم در حالی که به طور قابل توجهی مانع پذیرش را کاهش می دهد.

صحبت از سخت افزار: ما باید به نور نگاه کنیم. یک تصویر چند طیفی خوب با نور مناسب شروع می شود. پس از بررسی کامل منابع مختلف نور، به عنوان مثال، LED، هالوژن، و لامپ، محققان imec شروع به نوآوری مشترک با Effilux کردند. بازخورد مداوم در محدوده طیفی، قدرت و پایداری، تطابق کاملی را با حسگرهای یکپارچه به همراه داشت.

در انتهای دیگر زنجیره ارزش، چالش اصلی برای کاربر نهایی این بود که بتواند داده‌های فراطیفی را تفسیر کند، بدون اینکه نیازی به متخصص در یادگیری ماشین یا تصویربرداری فراطیفی باشد. دو شرکت نرم‌افزاری، perClass و Luxflux، یک مجموعه نرم‌افزاری برای آن ساخته‌اند که بر روی API‌های imec، نرم‌افزار و الگوریتم‌های پردازش داده‌های پشت آن توضیح می‌دهد و مانع ورودی برای بینش‌های فراطیفی را کاهش می‌دهد.

میانبر از مشکل به راه حل تصویربرداری فراطیفی

این پیشرفت‌ها در سراسر زنجیره ارزش تقریباً فاز تحقیق و توسعه را برای مشتریان در صنعت قطع کرده است و شکاف بین یک مشکل و راه‌حل تصویربرداری فراطیفی آن را کاهش داده است.

گردآوری دانش از کاربران نهایی به سخت افزار برای بلوغ بازار ضروری بود. برنامه های کاربردی فراطیفی جدید و شرکت های نرم افزاری مجاور در کشاورزی دقیق، حفاظت از اکوسیستم، تشخیص و درمان خوردگی، استخراج معادن، بازرسی مواد غذایی، و تشخیص نشت گاز و غیره در حال ظهور هستند. یک فناوری امیدوارکننده به کار گرفته شده است.