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#Novedades de la industria
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Las cámaras multiespectrales e hiperespectrales amplían el alcance de la imagen industrial
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La inspección de calidad, la inspección de color y la monitorización de procesos son sólo un puñado de ejemplos de cómo los componentes de imagen no visibles se integran en los sistemas de visión artificial de hoy en día.
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Las técnicas de imagen más allá de la longitud de onda visible mejoran las aplicaciones de visión artificial.
Mientras que las cámaras multiespectrales e hiperespectrales se utilizan en muchas aplicaciones e industrias, un área mejorada por la aparición de estas tecnologías es la inspección industrial. La inspección de calidad de productos alimenticios y bebidas, la inspección y clasificación de productos farmacéuticos, la inspección de color y la monitorización de procesos son sólo un puñado de ejemplos de cómo los componentes de imagen no visibles se integran en los sistemas de visión artificial de hoy en día.
Imágenes multiespectrales
Dos métodos para capturar imágenes más allá de las longitudes de onda visibles son las imágenes multiespectrales e hiperespectrales. La imagen hiperespectral involucra bandas espectrales estrechas, usualmente contiguas, que involucran posiblemente cientos o miles de espectros, mientras que la imagen multiespectral involucra bandas espectrales de anchos de banda variables, no necesariamente contiguas, pero con hasta 10 bandas estratégicamente seleccionadas.
Ambos métodos se refieren esencialmente al mismo concepto de imágenes, con multiespectrales que cubren menos bandas espectrales discretas. Las cámaras multiespectrales suelen adquirir varias longitudes de onda en una sola imagen, y las técnicas varían desde el uso de la arquitectura estándar de filtros de píxeles de ancho de banda amplio hasta el uso de filtros sintonizables de banda estrecha en el espacio de píxeles. Desplegadas en aplicaciones industriales, incluyendo inspección de materiales, inspección de semiconductores y electrónica, e inspección de calidad de alimentos, las cámaras multiespectrales están disponibles en formatos de escaneo de área y de línea.
Teledyne DALSA (Waterloo, ON, Canadá; www.teledynedalsa.com), por ejemplo, ofrece sus cámaras Linea ML, galardonadas en el programa 2018 Innovators Award, utilizando sensores CMOS cuatrilineales de 8k x 4 y 16k x 4k con tres canales RGB nativos, además de un canal separado de infrarrojo cercano (NIR). Las cámaras son sensibles en las longitudes de onda visibles (400 a 700 nm) y de infrarrojo cercano (700 a 1000 nm) con filtros dicroicos de nivel de oblea y capturan imágenes RGB+NIR independientes en un solo escaneo. Las cámaras Linea ML ofrecen una velocidad de línea de 75 kHz x 4 ó 5 GB/seg a través de la interfaz de fibra de Camera Link HS. Las cámaras ofrecen una velocidad de línea de 70 kHz a través de Camera Link, y cuentan con filtros de nivel de oblea para una separación espectral clara de los canales.
Disponibles con salida de 8, 10 o 12 bits y modo de múltiples regiones de interés, las cámaras se dirigen a la inspección de impresión, inspección electrónica, clasificación de materiales, inspección de banda, clasificación de color y aplicaciones de inspección de alimentos, según la compañía.
Basado en la tecnología de prisma que proporciona captura simultánea a lo largo de un solo camino óptico sin ruedas de filtro u otras piezas móviles, JAI ofrece varias cámaras multiespectrales (Figura 1) (San José, CA, USA, www.jai.com). Para los usuarios de cámaras de exploración de área, JAI ofrece tres cámaras multiespectrales en su serie Fusion. Estos modelos de sensores 2-CCD difieren sólo en la resolución y en las interfaces de datos: AD-080CL (0,8 MPixel, interfaz Camera Link, 30 fps), AD-080GE (0,8 MPixel, interfaz GigE Vision, 30 fps) y AD-130GE (1,3 MPixel, interfaz GigE Vision, 31 fps). Cada cámara se basa en el mismo aspecto multiespectral, en el que un CCD de Bayer captura imágenes en color visibles (400 a 700 nm) en un canal, y un sensor monocromo captura datos casi infrarrojos (750 a 900+ nm) en un segundo canal.
Para los usuarios de cámaras de escaneo lineal, JAI ofrece tres cámaras multiespectrales en su serie Sweep+. Estas cámaras cuadrangulares basadas en prismas proporcionan canales separados para datos R, G, B y NIR. El SW-2001Q-CL se basa en una matriz de 4 x 2048 píxeles CCD y cuenta con una interfaz Camera Link con una frecuencia de línea de 19 kHz, mientras que el LQ-401CL -también con una interfaz Camera Link- utiliza una matriz CMOS de 4 x 4096 con una frecuencia de línea de 18 kHz. Con una interfaz 10GigE, el SW-4000Q-10GE utiliza un arreglo CMOS de 4 x 4096 con una frecuencia de línea de 72 kHz.
Por último, la compañía también ofrece una opción de escaneo multiespectral de líneas en su serie Wave, con su WA-1000D-CL, que incluye dos sensores de línea InGaAs montados en prisma (2 x 1024 píxeles, interfaz Camera Link, frecuencia de línea de 39 kHz). Un canal cubre el espectro NIR superior y la banda SWIR inferior (900 a 1400 nm), mientras que el segundo canal cae en la parte superior de la banda SWIR desde 1400 a 1700 nm.
"Al utilizar diferentes fuentes de luz de banda estrecha en el rango NIR y SWIR, junto con técnicas de fusión de imágenes, esta cámara puede ser utilizada para detectar y clasificar sustancias difíciles de diferenciar, particularmente en aplicaciones como la inspección de alimentos y el reciclaje de plásticos", dice Rich Dickerson, Gerente de Comunicaciones de Marketing de JAI.
Salvo Technologies (anteriormente PIXELTEQ; Seminole, FL, EUA; www.opticalfiltershop.com), también desarrolla cámaras multiespectrales fabricando filtros y conectando filtros de micro patrones directamente a los sensores de imagen a través de un sistema de alineación activa, ofrece una gama de generadores de imágenes multiespectrales y polarimétricas. Las cámaras de la serie SpectroCam, que están disponibles en las versiones ultravioleta, VIS y SWIR, se basan en una rueda de filtros de rotación continua compuesta de seis a ocho filtros ópticos intercambiables. Las versiones UV y VIS -que cubren respectivamente de 200 a 900 nm y 400 a 1000 nm- se basan en sensores de imagen CCD, mientras que las versiones SWIR utilizan sensores InGaAs.
Las cámaras multiespectrales PixelCam proporcionan capacidades de imágenes multiespectrales de tres a nueve bandas espectrales, a una velocidad de hasta 30 fps. Los tres modelos se basan en sensores CCD (4 u 8 MPixel) con arreglos de filtros dicroicos personalizados integrados en el arreglo de plano focal a nivel de oblea que extraen información espectral de alto contraste a longitudes de onda específicas visibles e infrarrojas, según la compañía. Estas cámaras son sensibles en el rango de 400 a 1000 nm y están disponibles en versiones GigE o CoaXPress con velocidades de imagen de hasta 15 fps.
Spectral Devices (Londres, ON, Canadá; www.spectraldevices.com) ofrece dos tipos de cámaras multiespectrales, snapshot y line scan. Las cámaras de escaneo lineal de la empresa se basan en el sensor de imagen CMOS de 2 MPixel CMV2000 con obturador global de ams (Premstaetten, Austria; www.ams.com) y se ofrecen en tres cámaras estándar de cuatro bandas, así como modelos de cámaras personalizadas que van de 2 a 16 bandas diferentes. Estas cámaras se dirigen a aplicaciones como el control de calidad e inspección de alimentos y la inspección de obleas.
Las cámaras de instantáneas se basan en el sensor de imagen CMV4000 CMOS de 4 MPixel, también desarrollado por ams, y están diseñadas para la captura simultánea de una escena en múltiples bandas. Ofrecidas en seis modelos estándar, así como modelos personalizados, las cámaras capturan entre 2 y 16 bandas a velocidades de hasta 94 fps a una velocidad de imagen máxima. Estas cámaras multiespectrales, según la empresa, son adecuadas para su uso en aplicaciones como la robótica, el procesamiento de alimentos y la medición de color.
En cuanto a los sensores, imec (Leuven, Bélgica; www.imec-int.com) desarrolló un sensor de imagen multiespectral de integración de retardo de tiempo (TDI) llamado Argus, que se basa en la tecnología CCD-in-CMOS. Los sensores utilizan un formato con 4096 columnas y 256 etapas por matriz (o banda) CCD, con un tamaño de píxel de 5,4 µm. Además, está disponible una versión con siete bandas, que permite a los usuarios añadir siete filtros espectrales.
Estos prototipos integran controladores CMOS y circuitos de lectura y alcanzan una velocidad de línea de hasta 300 kHz. Cuando se combina con filtros espectrales, es posible obtener imágenes TDI multiespectrales, y con un número personalizado de bandas y etapas TDI. Los filtros de color o espectrales pueden ser procesados posteriormente en la oblea o en la tapa de cristal.
Imágenes hiperespectrales
Para permitir la obtención de imágenes hiperespectrales, imec también creó sensores de imágenes hiperespectrales listos para usar basados en obleas aplicadas directamente en la parte superior de los píxeles (Figura 2) en el sensor de imágenes CMV2000 CMOS de ams. Estos sensores de imagen están disponibles en mosaico de instantáneas, mosaico de instantáneas, cuña de escaneado de líneas y formatos de integración de retardo de tiempo (TDI) de escaneado de líneas CCD y ofrecen opciones con 4, 7, 16, 25, 32, 100+ y 150+ bandas. Los sensores de imagen están integrados en varios modelos de cámaras de visión artificial, todos ellos adecuados para su uso en diversas aplicaciones de inspección industrial.
XIMEA (Münster, Alemania; www.ximea.com) ofrece cuatro modelos basados en sensores imec, incluyendo dos sensores de mosaico con 16 y 25 bandas, y dos modelos de exploración de línea con 100 y 150 bandas. Estas cámaras disponen de interfaz USB3 con velocidades de 170 fps o PCIe con hasta 340 fps, y rangos espectrales de RGB+NIR, 470 a 630 nm, 600 a 950 nm, 600 a 975 nm, y 470 a 900 nm, dependiendo del modelo.
"Mediante la aplicación de filtros espectrales de banda estrecha a nivel de píxel mediante el procesamiento de película delgada de semiconductores, la tecnología de imec permite que las soluciones de sensores de imagen hiperespectrales reduzcan el factor de forma, reduzcan el peso y sean adecuadas para los sistemas de visión integrados", afirma Ivan Klimkovic, Key Account Manager de XIMEA. "XIMEA acopló los sensores hiperespectrales de imec con su plataforma de cámara xiQ, que complementa el importante factor de tamaño al ofrecer 26,4 x 26,4 x 31 mm de dimensión y sólo 31 gramos de peso"
Photonfocus (Lachen, Suiza; www.photonfocus.com) ofrece también tres cámaras hiperespectrales con sensores imec. Disponibles en formatos de mosaico de instantáneas, estas cámaras ofrecen opciones con 16 ó 25 bandas. Con una interfaz GigE, las cámaras ofrecen velocidades de hasta 50 fps y rangos espectrales de 470 a 630 nm, 470 a 900 nm, 595 a 860 nm, 600 a 975 nm y 665 a 975 nm, dependiendo del modelo.
Además, imec se asoció con Adimec (Eindhoven, Países Bajos; www.adimec.com) para desarrollar el sistema hiperespectral VNIR de imec, que se basa en una cámara de visión artificial Adimec Quartz con un sensor de imagen CMOS de 2 MPixel. Ofreciendo un formato de escaneo de línea con más de 150 bandas e interfaz Camera Link, este sistema ofrece un rango espectral de 470 a 900 nm o 600 a 1000 nm.
Imec también tiene sus propios productos hiperespectrales, incluyendo los sistemas SNAPSCAN NIR, SNAPSCAN VNIR y SNAPSCAN SWIR, que cuentan con una interfaz USB 3.0 y ofrecen formatos de instantáneas y escaneado de líneas con bandas de 100+ y 150+, así como rangos espectrales de 470 a 900 nm, 600 a 1000 nm, y 1100 a 1700 nm, dependiendo del modelo.
Numerosas empresas de procesamiento de imágenes también desarrollan cámaras hiperespectrales fuera del reino del imec, incluyendo Specim (Oulu, Finlandia; www.specim.fi), que ofrece la serie de cámaras FX. Estas cámaras hiperespectrales funcionan en modo de escaneo en línea, están disponibles en GigE, Camera Link o Ethernet personalizada, y están diseñadas específicamente para aplicaciones de visión industrial.
La cámara FX50 (Figura 3) se basa en un detector InSb refrigerado y presenta una resolución espacial de 640 píxeles, un rango espectral de 2,7 a 5,3 µm, una velocidad de adquisición de imagen de 380 fps y una selección libre de longitud de onda de 154 bandas dentro de la cobertura de la cámara. Esta cámara, según la empresa, es adecuada para su uso en la clasificación de plástico negro y en la detección de contaminación en superficies metálicas.
"Los residuos plásticos son un gran problema: se estima que en 2050 habrá más plástico en los océanos que peces. La mayoría de los plásticos no reciclables consiste en tipos de plásticos mezclados que no se pueden reutilizar porque las tecnologías tradicionales de clasificación de plásticos no cumplen con los requisitos industriales para separarlos de forma fiable y eficiente", dice Hannu Mäki-Marttunen, Jefe de Ventas y Marketing de Specim. "Aquí es donde las cámaras hiperespectrales de la serie Specim FX intervienen. Con el FX17 y el nuevo FX50, ahora podemos identificar y clasificar diferentes plásticos, incluso plásticos negros, con una precisión de hasta el 99%"
Esto significa que los clientes finales de Specim pueden ahora transformar los residuos plásticos en un valioso recurso que puede ser reutilizado como materia prima para la industria del plástico"
El modelo FX17 es una cámara basada en InGaAs con un rango espectral de 900 a 1700 nm, velocidad de adquisición de imagen de 670 fps, y selección libre de longitud de onda de 224 bandas dentro de la cobertura de la cámara. Las aplicaciones a las que se dirige incluyen la calidad de los alimentos y los piensos, la clasificación de residuos, el reciclaje y la medición de la humedad. El modelo FX10 es una cámara basada en sensor de imagen CMOS con un rango espectral de 400 a 1000 nm, velocidad de adquisición de imagen de 330 fps, y selección libre de longitud de onda de 224 bandas dentro de la cobertura de la cámara. Esta cámara, según la compañía, está dirigida a aplicaciones de visión artificial como la inspección de calidad de alimentos y la detección de color/densidad en aplicaciones de impresión.
Specim ofrece una serie de otras cámaras hiperespectrales, incluyendo los modelos Fenix, PFD-65-V10E y sCMOS-50-V10E, así como la cámara portátil Specim IQ, que permite el análisis móvil de materiales y ofrece un rango espectral de 400 a 1000 nm.
HinaLea Imaging (Kapolei, HI, USA; www.hinaleaimaging.com) también fabrica cámaras hiperespectrales, incluyendo la cámara de campo ancho Modelo 4200, que tiene una resolución espacial de 2.3 MPixel, sensibilidad en el rango de 400 a 1000 nm, y acceso a hasta 600 bandas espectrales. La compañía también ofrece el modelo portátil 4100H, que según se informa proporciona cubos de datos de 2,3 MPíxeles en hasta 550 bandas espectrales en las longitudes de onda visibles y de infrarrojo cercano (400 a 1000 nm). El dispositivo también tiene un procesador integrado y una iluminación integrada.
"Estamos recibiendo un enorme y creciente interés en nuestras cámaras para la inspección de seguridad alimentaria y el procesamiento de semiconductores", dice Alexandre Fong, Vicepresidente de Ingeniería. "Con la introducción de soluciones espectrales rentables, hay potencial para transformar las aplicaciones de inspección automatizada con esta profundidad de nueva información."
Headwall Photonics (Bolton, MA, USA; www.headwallphotonics.com) es otra compañía que desarrolla cámaras espectrales. Para su cámara Micro-Hyperspec, por ejemplo, la compañía lista la visión artificial como una aplicación objetivo. Esta cámara está disponible en las versiones VNIR, NIR, NIR ampliada y SWIR, todas las cuales ofrecen una interfaz de enlace de cámara: VNIR A-Series (400 a 1000 nm, sensor CCD de silicio, 324 bandas espectrales seleccionables, 90 fps); VNIR E-Series (400 a 1000 nm, sensor sCMOS, 369 bandas espectrales seleccionables, 250 fps); NIR 640 (900 a 1700 nm, detector InGaAs, 134 bandas espectrales seleccionables, 120 fps); NIR 320 (900 a 1700 nm, detector InGaAs, 67 bandas espectrales seleccionables, 346 fps); Extended VNIR 640 (600 a 1700 nm, detector InGaAs, 267 bandas espectrales seleccionables, 120 fps); SWIR 384 (900 a 2500 nm, detector MCT, 166 bandas espectrales seleccionables, 450 fps); y SWIR 640 (900 a 2500 nm, detector MCT, 267 bandas espectrales seleccionables, >200 fps).
Diseñado exclusivamente para aplicaciones de visión artificial es la cámara Hyperspec MV de la compañía, que tiene un rango de longitud de onda de 400 a 1000 nm, 270 bandas espectrales seleccionables, una interfaz Camera Link, y una velocidad de adquisición de imagen de 485 fps.
Mientras BaySpec (San José, CA, EUA; www.bayspec.com), es una compañía que desarrolla instrumentos espectrales para industrias incluyendo investigación y desarrollo, biomédica y telecomunicaciones ópticas, la compañía también tiene cámaras hiperespectrales que son adecuadas para la inspección industrial. Una de estas cámaras es la cámara OCI-OEM basada en USB 3.0, que sirve como motor óptico de las cámaras hiperespectrales OCI-1000 (push-broom, hasta 120 fps) y OCI-2000 (snapshot, hasta 120 fps) de la compañía, que cubren el rango de 600 a 1000 nm con hasta 100 (OCI-1000) o 25 (OCI-2000) bandas espectrales seleccionables.
Otra opción es la cámara hiperespectral GoldenEye Snapshot de la compañía, que utiliza tecnología patentada FT-PI y cubre un rango extendido de 400 a 1700 nm, ofrece bandas espectrales seleccionables de 40 a 52, y una velocidad de imagen de 1 fps a 648 x 488 píxeles espaciales.
Del mismo modo, Resonon (Bozeman, MT, USA; www.resonon.com) es una empresa que desarrolla cámaras hiperespectrales para aplicaciones de laboratorio, exteriores y de teledetección, al tiempo que mantiene un ojo en el mercado de visión artificial. Según la empresa, las siguientes cámaras son adecuadas para su uso en aplicaciones de imagen industrial: Pika L (Figura 4; rango espectral de 400 a 1000 nm, 281 bandas espectrales seleccionables, 249 fps, interfaz USB 3.0), Pika XC2 (rango espectral de 400 a 1000 nm, 447 bandas espectrales seleccionables, 165 fps, USB 3.0), Pika NIR-320 (rango espectral de 900 a 1700 nm, 164 bandas espectrales seleccionables, 520 fps, interfaz GigE), y Pika NIR-640 (900 a 1700 nm, 328 bandas espectrales seleccionables, 249 fps, interfaz GigE)
Por último, Norsk Elektro Optikkk (NEO; Skedsmokorset, Noruega; www.hyspex.no) ofrece dos cámaras de imágenes hiperespectrales para aplicaciones de imágenes industriales en su línea HySpex. La cámara HySpex SWIR-384 se basa en un sensor MCT y ofrece un rango espectral de 950 a 2500 nm con 288 bandas espectrales seleccionables y una frecuencia de imagen de 400 fps en el rango espectral completo (escalable reduciendo el rango), mientras que el HySpex VNIR-1024 se basa en un sensor de imagen CMOS y ofrece un rango espectral de 400 a 1000 nm con 108 bandas espectrales seleccionables y una frecuencia de imagen de 700 nm a una resolución espectral completa.
Ambas cámaras hiperespectrales, según la empresa, son extremadamente nítidas, tanto espectral como espacialmente, con menos del 10% de errores de registro espacial y espectral (sonrisa y keystone)
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