Bei Anwendungen mit anspruchsvollen Lichtverhältnissen, sei es wenig Signal in starkem Rauschen oder die Präsenz eines sehr starken Hintergrund- bzw. Störlichtes, versagen konventionelle Kameras. Entweder ist früh Sättigung erreicht (Clipping) oder die Anwendung muss das schwache Signal zur Rauschreduktion mitteln, was den Maschinentakt reduziert oder das Einhalten des Taktes verunmöglicht. In beiden Szenarien ist das Nutzsignal von einem starken Störsignal dominiert. Kann das Nutzsignal moduliert und dadurch von Störern separiert werden, vermag die Kamera heliCam C4 weiterhin hochwertige Bilder aufzunehmen.
Lock-in Prinzip
Der Lock-in Verstärker wurde vor rund 80 Jahren erfunden und ist in der Messtechnik von essenzieller Bedeutung. Angewandt wird der Lock-in Verstärker für das Messen von kleinsten Signalen mit bekannter Frequenz. Dabei kann das Nutzsignal breitbandig verrauscht oder von Störsignalen überlagert sein. Der Lock-in Verstärker vergleicht das Eingangssignal mit einem bekannten Referenzsignal. Mathematisch ausgedrückt wird eine Kreuzkorrelation des Referenzsignals mit dem Eingangssignal durchgeführt. Im Wesentlichen isoliert ein Lock-in Verstärker ein schmales Frequenzband und vermag so Rauschen und Störsignale herauszufiltern. Als Messwerte liefert er wahlweise In-Phase und Quadratur (I und Q) oder Amplitude und Phase (R und ).
Integriertes IQ-Verfahren auf Pixelebene
Heliotis erweitert mit der heliCam C4 (512×542 Pixel) und der hochauflösenden heliCam C4M (1’024×1’102 Pixel) ihre Produktpalette. Das Herzstück der Kamera ist ein proprietärer CMOS-Bildsensor, der die Lock-in Technik auf Pixelebene implementiert. Für jedes Pixel wird ein digitaler 10Bit In-Phase (I) und ein 10Bit Quadratur (Q) Wert ausgegeben (Dual-phasen Demodulation). Damit erhält der Anwender sowohl die Amplitude als auch die Phase des Nutzsignals. Die heliCam C4 bietet folgende Eigenschaften:
- der Bildsensor ist mit zwei unterschiedlichen Pixelempfindlichkeiten (Full-Well Kapazitäten von 500ke- bzw. 125ke-) erhältlich. Zusammen mit der Option Mikrolinsen ermöglicht dies, die Empfindlichkeit den Lichtgegebenheiten der Anwendung optimal anzupassen.
- Demodulationsfrequenzen bis 250kHz erlauben Messungen bei Frequenzen, die robust sind bezüglich tieffrequenter Störungen (z.B. dem 1/f Rauschen).
- minimale Zeitkonstante T von 0,2ms. Das entspricht einer (externen) Bildwiederholrate von 5’000fps.
- Dynamikreserve von 1/10’000 (10-4) im zeitaufgelösten Modus und 1/100’000 (10-5) mit anschließender Mittelung.
- performantes FPGA inklusive Linux Betriebssystem ermöglicht OEM-Kunden ein weiteres Verarbeiten der Bilddaten direkt auf der Kamera.
- die mitgelieferte Viewer-Software mit grafischer Einstellungshilfe, gestattet einen einfachen Einstieg in die Benutzung der Kamera. Beispiele mit unterschiedlichen Programmiersprachen erleichtern die Anbindung und die Integration in die eigene Software.
Anwendungen in Industrie und Forschung
Das parallele bildgebende Lock-in Verfahren wird bereits seit Jahren erfolgreich von Heliotis in der 3D-Messtechnik eingesetzt (s. inVISION 5/22, S.98). Mit der Produktfamilie heliInspect vertreibt die Firma industrielle Weisslichtinterferometer (WLI). Bei einer WLI-Topologie-Messung wird der Bildsensor axial durch ein Interferenzmuster bewegt. So entsteht ein zeitlich moduliertes Signal, dessen Trägerfrequenz von der Scangeschwindigkeit abhängt. Eine Lock-in-Kamera eignet sich ideal für die schnelle Aufnahme und Verarbeitung solcher Signale, die hohe und ortsabhängig variable Hintergrundstärken aufweisen können.