Beleuchtung / Sensoren

• Lebensdauer ca. 1000h

• Intensität nicht konstant

• 15 bis 20 lm/W

• Hoher Infrarot (Wärme) im Spektrum

  ->Nachteil, da sehr ineffizient (nur 9% der Energieabgabe im sichtbaren Bereich)

• Kontinuierliches Spektrum (ggf. mit elementspezifischen Peaks)

• hohe Einsatztemperaturen möglich (Backofen-Lampen)

LED - Light Emitting Diode

• Aufbau wie bei pn-Halbleiterdiode jedoch als direkter Halbleiter

• Bei Spannung in Durchlassrichtung: Elektronen wandern von n-dotierten Seite zum pn-Übergang und “fallen” in das energetisch niedrigere Valenzband (Rekombination)

• Lichtfarbe entspricht frei werdenen Energie und sit vom Halbleiter und Dotierung abhängig

• LED sind nahezu monochrom (einfarbig)

• kein kontinuierliches Spektrum (punktuelles Spektrum: strahlt nur bestimmte Wellenlängen des elektromagn. Spektrums ab)

• Lebensdauer ca. 30.000 bis 100.000 Stunden

• Lichstrom ist (in etwa) proportional zum Betriebsstrom, abhängig von der Temperatur

LASER = light amplification by stimulated emission of radiation

• ähnlich wie eine LED: Lichtemission am pn-Übergang beim Anlegen eines Stromes

wichtiger Unterschied:

• Emittiertes “LED”-Licht wird in einen optischen Resonator geleitet, wo sich eine stehende Welle ausbreitet

• Aufrechterhaltung des Prozesses durch ständige Energiezufuhr

Laser-Speckle:

• Laser-Licht hat hohe Kohärenz(länge)

  -> Maximale Weglängedifferenz den zwei Lichtstrahlen aus derselben Quelle haben dürfen um noch zu interferieren

• Beleuchtet man mit einem Laser eine matte Oberfläche, so erscheint das Blatt nicht gleichmäßig beleuchtet, sondern fleckig, “granuliert” (Speckle):

  • Aufgrund der rauen Oberfläche kommt es zu Interferenzen im Auge / Kamera

BILD FEHLT

BILD FEHLT

BILD FEHLT

• senkrechte, homogene Ausleuchtung spiegelnder, planarer Oberflächen

• homogene Intensität

BILD FEHLT

BILD FEHLT

• IR-Sperrfilter (auf fast jedem Sensor)

  • Infrarot-Sperrfilter: blockiert einen großen Teil des Infrarotlichtbereichs, während es das sichtbare Licht durchlässt, was zu klareren und genaueren Farbbildern führt für z.B. Landschaftaufnahmen

• Farbfilter

  • Notch-Filter (Bandsperre, filtert bestimmte Frequenzen heraus)

  • Bandpass-Filter (Bestimmte Frequenzen durchlassen

    -> Rest unterdrücken

• Unschärfe-Filter

  • Tiefpass (z.B. für Portraits)

• Graufilter

  • Zur Reduktion bzw. Angleichung der Helligkeit

  • Centerfilter (gegen cos^4-Vignettierung)

• Polarisationsfilter

  • Reflexion vermeiden

• Polarisation

  • Schwingungsrichtung der Transversalwelle

• Polarisationsfilter

  • lassen Schwingung des Lichts in einer bestimmten Richtung durch und blockieren Schwingungen in anderer Richtung

  • z.B. gegen Spiegelungen an nichtmetallischen Oberflächen (Glas, Plastik, Wasser etc.)

  • bei metallischen Oberflächen: Kombination mit Kunstlicht (oft zu teuer)

Bildsensoren bestehen aus einer räumlich definierten Anordnung photosensitiver Elemente.

• Punktsensoren

  • Lichtschranken

  • Synchronisation (zeitlich)

  • Scanning-Anwendungen

• Zeilensensoren

  • Spektroskopie

  • Inspektion von Endlos-Materialien

  • Flachbett-Scanner / Kopierer

  • Laser-Entfernungsmessung

• Flächensensoren

  • Werkstück-Inspektion

  • Fotodokumentation

  • QR-Code-Erfassung

  • großes Datenvolumen

• Matrix aus lichtempfindlichen Pixeln

• Funktionsweise:

  • Mittels “Reset” die Sperrschichtkapazität der Photodiode aufladen

  • Belichtung: Durch Photostrom entlädt die Sperrschicht

  • Auslesen der Restspannung per ADC

• Jeder Pixel in einem CMOS-Sensor hat einen eigenen Photodetektor und Verstärker, was es vermöglicht, dass die Signalverarbeitung und die Datenerfassung parallel stattfinden können.

• Bei der Aufnahme eines Bildes wird Licht von einer Szene auf den Photodetektor in jedem Pixel fokussiert. Dieses Licht erzeugt Ladungsträger (Elektronen und Löcher), die dann vom Photodetektor erfasst und von dem dazugehörigen Verstärker verstärkt werden. Die resultierenden Signale werden dann digitalisiert und weiterverarbeitet, um ein Bild zu erzeugen.

• Hardware-Binning (Zusammenfassen von NxM Nachbarpixeln)

  Oft: höhere Bildrate bei reduzierter Auflösung

• Neigung zu Blooming (Übersprechen auf Nachbarn)

• i.A. hohes Rauschniveau bei wenig Licht

• teilweise Mikrolinsen auf Chip (teuer)

• Intensitätsauflösung

  • vertikale Auflösung

  • Farbtiefe

  • Auflösung des Helligkeits/Farbbereichs

• Ortsauflösung

  • Bildauflösung

BILD FEHLT

Nyquist-Shannon Abtast Theorem:

• Abtastfrequenz sollte min. doppelt so hoch sein wie die größte im Signal enthaltene Frequenz um eine verlustfreie Signalkonstruktion zu ermöglichen

• bei Unterabtastung entstehen Aliasing-Artefakte (“neue” Strukturen

• gilt für rümliche und zeitliche Rekonstruktion

• Multidimensional

• Wenn unerwünscht:

  • Vorfilterung (Defokussierung, Filterplatte), “analoger Tiefpass”

  • Digitale Bildverarbeitung (Downsampling), “digitaler Tiefpass”

BILD FEHLT

Rolling Shutter:

• Bild wird nicht im Ganzen, sondern Zeile für Zeile erfasst

• scannt z.B. von oben nach unten

• oberer Bildbereich wird früher erfasst als der untere

Global Shutter:

• scharfe Bilder von sich schnell bewegenden Objekten, da alle Pixel gleichzeitig belichtet werden

• Farbraum: Polygonhafte (möglichst große) Annäherung and die CIE Normfarbtafel durch additive/subtraktive Überlagerung von Elementarfarben

• CIE Normfarbtafel: repräsentiert alle vom Menschen wahrnehmbaren und differenzierbaren Farben/Farbreize

Beispiele für Farbräume:

• RGB (Rot-Grün-Blau, additiv)

• CYMK (Cyan-Yellow-Magenta-Key(Schwarz), subtraktiv)

• HSV (Hue-Saturation-Value, Farbwert-Sättigung-Helligkeit) -> in Polarkoordinaten

• Filter-Array, das in den meisten digitalen Farbfotokameras verwendet wird

• teilt den sensorischen Bereich jeder 4er Pixelgruppe in drei Farben auf: 2xgrün, rot und blau. Dies ist notwendig, da der menschliche Augensinn empfindlicher für Grün ist als für die anderen Farben

• Durch die Verwendung des Bayer-Mosaikes kann die Kamera mehr Helligkeitsinformationen aufnehmen und somit ein besseres Farbbild erzeugen

• Aber: Farbartefakte an starken Kanten (Intensitätssprüngen) möglich

BILD FEHLT

• Konzept für Farbkamera

• Lichtaufteilung per dichromatischer Spiegel

Vorteile:

• Volle Farbinformation pro Pixel, keine Kantenartefakte

Nachteile:

• 3 Sensoren

• Mehr Bauraum

• Teuer

BILD AUFBAU FEHLT

Vorteile:

• Volle Farbinformation pro Pixel, keine Kantenartefakte

• 1 Sensor notwendig

• viele Farben und sehr enge Spektralbereiche möglich

Nachteile:

• Mehr Bauraum

• Bewegliche Teile

• teuer

• zeitl. Versatz (->Artefakte bei dynamischen Szenen)

BILD FEHLT

• Wellenlängenabhängige Eindringtiefe von Licht in Silizium