Erweiterte Tiefenschärfe: Entwicklung einer plenoptischen High-Speed-Kamera

Game Changer für die industrielle Schadensanalytik: Die plenoptische High-Speed-Kamera vom Fraunhofer IZM.
Quelle: Fraunhofer IZM
14.10.2021

Forschende am Fraunhofer IZM entwickeln gemeinsam mit TecVenture, Optrontec Inc. und KAIST eine Hochgeschwindigkeitskamera, die mit einem Multilinsenarray ausgestattet ist und Aufnahmen mit einem erweiterten Tiefenschärfebereich ermöglicht. Die miniaturisierte Elektronik eignet sich beispielsweise für den Einsatz zur effizienten Schadensanalytik in industriellen Anwendungen oder für Forschungszwecke. Um die Kamera auch in rauen industriellen Umgebungen einsetzen zu können und einen kompakten Aufbau zu gewährleisten, wurde die Elektronik am Fraunhofer IZM mittels der Embedding-Technologie miniaturisiert.

Hochgeschwindigkeitskameras für hohe Prozesskontrolle 

Mit der Beschleunigung von Produktionsprozessen in der Industrie wird in jedem Schritt eine möglichst hohe Prozesskontrolle gewünscht, weshalb zunehmend Hochgeschwindigkeitskameras zum Einsatz kommen. Wenn sich Objekte im Bildbereich bewegen, lässt sich die Fokusebene allerdings meist nicht so  schnell nachregeln. Daher sind Kameras vorteilhaft, die bei gleicher Optik einen größeren Tiefenschärfebereich aufweisen. Bei solchen Systemen können anhand der Bilddaten nachträglich die Fokusebenen angepasst werden. Forschende am Fraunhofer IZM haben sich gemeinsam mit Partnern zum Ziel gesetzt,  derartige Kamerasysteme miniaturisiert und als Hochgeschwindigkeitskamera zu entwickeln und aufzubauen.

Je nach Anwendung wird die Kamera mit einem entsprechenden Objektiv versehen und das Bild auf einen Vollformatsensor fokussiert. Zwischen Bildsensor und Objektiv wird ein von KAIST und Optrontec in Korea entwickelter Multilinsen- oder Polarisationsfilter-Array in den Strahlengang gebracht. Dies ermöglicht eine größere Tiefenschärfe bzw. einen höheren Kontrast für strukturelle Details des beobachteten Objekts. Die Aufnahmegeschwindigkeit ist mit 2.000 Bildern pro Sekunde um bis zu 10-mal höher als bei üblichen Kameras. Dadurch werden sehr schnelle und kritische Prozesse in der industriellen  Produktion oder in der Forschung für die detaillierte visuelle Analyse zugänglich.

Das Mikrolinsenarray (MLA) besteht aus einem Feld von dicht angeordneten Linsen, die einen Abstand von 150 Mikrometern zueinander haben. Die notwendigen Komponenten zur Versorgung des Bildsensors sind unterhalb des Sensors hochintegriert in einem Embedded Modul untergebracht.

Erhebliche Miniaturisierung der Elektronik 

Neben der erheblichen Miniaturisierung der Elektronik durch die Einbettung elektronischer Komponenten in die Leiterplatte und das 3D-Stacking können auch die elektrischen Verbindungen verkürzt werden. Insbesondere bei High-Speed-Systemen erhöht dies die Qualität des übertragenen Signals. Die Elektronik  ist nicht zuletzt aufgrund ihres nunmehr weitgehend verkapselten Aufbaus sehr robust. Dieses hochintegrierte Elektronikmodul wurde in der Leiterplattenfertigung am Fraunhofer IZM aufgebaut.

Bereits in den ersten Funktionsprüfungen der Kamera konnte die optimierte Performance nachgewiesen werden. In weiterführenden Arbeiten werden in den nächsten Monaten die Verfahren zur Herstellung verfeinert und in einen industriellen Prozess überführt. Nicht nur für die industrielle Prozessanalyse kann die plenoptische High-Speed-Kamera eingesetzt werden, auch für wissenschaftliche Untersuchungen biologischer, chemischer oder physikalischer Abläufe ist die Kombination aus Geschwindigkeit und Tiefenschärfe äußerst interessant.

Kontakt: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM