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Welterste Streak-Kamera mit Halbleitersensor

| Redakteur: Gerd Kucera

Das Ergebnis einer Zusammenarbeit von SATT Conectus und Optronis ist eine industriell nutzbare Streak-Kamera, ein Kameratyp, der bisweilen in Wissenschaft & Forschung verwandt wurde.

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Die Streak-Kamera S3C-1 ist ein Präzisionsinstrument, mit dem für das menschliche Auge unsichtbare Phänomene analysiert und optimiert werden können.
Die Streak-Kamera S3C-1 ist ein Präzisionsinstrument, mit dem für das menschliche Auge unsichtbare Phänomene analysiert und optimiert werden können.
(Bild: Optronis)

Maschinelles Sehen ist fundamental für das Gelingen von Industrie 4.0. Kameras liefern immer höhere Bildraten für High-End Automationstechniken mit enormen Produktionsgeschwindigkeiten oder bei technisch anspruchsvollen Prüfvorgängen. Noch höhere Geschwindigkeiten erreichen Zeilenkameras, die dann auf eine zweidimensionale Darstellung verzichten. Die Spitze dieser Technik bilden Streak-Kameras. Heute kommen hier immer noch Vakuumröhren zum Einsatz, um eindimensionale Signale mit Zeitauflösungen im Pikosekundenbereich zu erfassen. Komplexität, Fragilität und Kosten stehen dem Einsatz dieser Technologie im industriellen Bereich entgegen. Mit einer halbleiterbasierten und damit robusten und kostengünstigen Lösung wird diese Lücke geschlossen.

Der Machine-Vision-Experte Optronis, bekannt beispielsweise für Highspeed-Kameras mit Bildraten bis zu 300.000 fps, hat seine Kameraserie zur Messung ultraschneller optischer Signale erweitert. Die als OptoScope angebotenen Streak-Systeme ermöglichen Messungen mit einer zeitlichen Auflösung bis in den Pikosekundenbereich. Gleichzeitig bieten solche OptoScope-Systeme hohe Empfindlichkeit, um auch einzelne Photonen detektieren zu können. Das Messprinzip ermöglicht das zeitliche Verhalten multipler optischer Vorgänge gleichzeitig zu messen. In Kombination mit einem Spektrometer erlaubt dies die Erfassung zeitaufgelöster Spektren.

Die Bilderfassung mit Streak-Kamera

Eine Streak-Kamera liefert die verbesserte zeitliche Auflösung eines Ereignisses um den Faktor 100 bis 1000. Diese Art von Bilderfassung wurde in den 50er Jahren eingeführt, um eine bessere zeitliche Auflösung zu erreichen. Solche konventionellen Systeme besitzen beispielsweise Hochgeschwindigkeitsdrehspiegel, rotierende Trommeln oder Vakuumröhren (etwa die SC-10- und SC-20-Serie von Optronis). Zur superschnellen Erfassung optischer Ereignisse in Forschungsanwendungen erfasst eine solche Streak-Kamera optische Pulse mit ultrahoher zeitlicher Auflösung (SC-10: <2 ps und SC-20 <600 ps).

Die weltweit erste kommerziell erhältliche Streak-Kamera ist laut Anbieter Optronis die S3C-1 mit Halbleitersensor. Abtastintervalle von 500 ps bis 50 μs können so gewählt werden, dass Zeitfenster von 100 ns bis 10 ms möglich sind. Die Zeitauflösung liegt nahe bei 1 ns.

Highspeed und Machine Vision seit 1986

Viele Vorgänge sind so schnell oder schwach sichtbar, die das menschliche Auge nicht erfassen kann. Diesem Thema widmet sich die Optronis seit 1986, um solche Prozesse in der Industrie als auch ultraschnelle Vorgänge in Wissenschaft und Forschung sichtbar zu machen. Die Wurzeln des Unternehmens liegen im 1986 in Frankreich gegründeten Unternehmen ARP (Applications of Research in Photonics). In Kooperation mit dem CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) in Straßburg wurden Streak-Kamera-Prototypen entwickelt, die ARP zur Produktreife brachte. Parallel entstanden Hochgeschwindigkeitskameras der CamRecord-Serie und leistungsstarke Machine-Vision-Kameras der CamPerform-Serie.

In einem exklusiven Lizenzvertrag haben die Unternehmen nun die weltweite Nutzung der CMOS-Streak-Kameratechnik des elsässischen Labors ICube vereinbart. Hohe Anschaffungskosten von durchschnittlich 100.000 € für eine Streak-Kamera verhinderten bisher ihren industriellen Einsatz. Auch waren für viele Anwendungen solche Kameras nicht robust genug und zu unhandlich. Das wurde mit der jetzt erhältlichen S3C-1 geändert: der 12 cm3 große Kamerawürfel wiegt 2 kg und ist resistent gegen Stöße oder intensives Licht, was den Einsatz unter rauen Bedingungen erleichtert. Ein besonderes Kameramerkmal ist auch die kontinuierliche Aufzeichnung, die es ermöglicht, Aufnahmen auch nach dem Eintreten eines Ereignisses zu machen. Das sei nützlich für Ereignisse, bei denen der genaue Zeitpunkt der Auslösung nicht bekannt ist, etwa in Forschungs- und Testexperimenten. Die Bilddatenrate liege im Bereich von 1 Terabyte/s.

Die S3C-1 ist das Ergebnis der wissenschaftlichen Exzellenz des ICube-Labors und eines seiner Teams unter der Leitung von Prof. Wilfried Uhring. Dieses Labor arbeitet seit vielen Jahren mit dem deutschen Unternehmen Optronis zusammen, um diese Technologie zu verfeinern und weiter zu entwickeln. Im Jahr 2011 hat das Institut INSIS des CNRS die Forschungsergebnisse anerkannt. Von da an wurden immer rascher Fortschritte erarbeitet bis zum entscheidenden Prototypstadium. Dann startete die Zusammenarbeit mit SATT Conectus.

Caroline Dreyer ist Präsidentin von SATT Conectus und erinnert sich an die Herausforderung: „Nach einer Untersuchung des wirtschaftlichen Potenzials dieser aufstrebenden Technologie beschloss Conectus im Jahr 2017, den fehlenden Impuls zu geben: finanzielle Investitionen zur Herstellung eines funktionierenden Prototyps des Sensors, des Herzstücks der Kamera S3C-1, um so einen großen Schritt in Richtung Industrialisierung zu machen. Optronis konzentrierte sich auf Elektronik-, Software- und Design-Entwicklungen, um die komplette Kamera zu konzipieren. Heute schließt sich der Kreis: Wir haben gemeinsam eine Erfindung, die aus der akademischen Forschungsarbeit hervorgegangen ist, in ein konkretes Produkt für den Markt verwandelt.“

Michel de Mathelin ist Direktor des ICube-Labors, er konstatiert: „Das Team für heterogene Systeme und Mikrosysteme, kurz HSM, des ICube-Labors entwickelt seit über 30 Jahren ultraschnelle Bildgebungssysteme und ist auf die Streak-Kameras spezialisiert, eine Technik, die 100 bis 1000 Mal schneller ist als die herkömmliche optische Bildgebung. Die Leistungsfähigkeit dieser Systeme wurde sehr oft für die Forschung im Bereich der medizinischen Bildgebung im Labor genutzt. Die ursprüngliche Idee, diese Bildtechnik in die CMOS-Technologie zu übertragen, entstand 1999 im ICube-Labor. Dieser neue Ansatz ermöglicht es, praktisch alle Funktionen der Streak-Kamera in einen integrierten Schaltkreis-Chip zu integrieren, der mit einer Technologie hergestellt wird, die der der Fotosensoren von Smartphones ähnelt. Dies macht sie zu einer kompakten, zuverlässigen, leicht zu produzierenden und potenziell kostengünstigen Kamera, die gleichzeitig zusätzliche Funktionen wie Blendschutz und Nachauslösung bietet. 20 Jahre Forschung waren nötig, um ein Industrieprodukt mit solch einer Leistung zu entwickeln.

Der Geschäftsführer von Optronis, Dr. Patrick Summ, sagt: „Optronis ist ein Hauptakteur im Bereich der Streak-Kameras und hat es sich zur Aufgabe gemacht, die S3C-Technologie zu entwickeln und zu industrialisieren. Dank SATT Conectus konnten wir diese neue Kamera gemeinsam marktreif machen und Optronis konzentrierte sich auf den Erwerb einer exklusiven weltweiten Lizenz. Wir stehen auf einem soliden Fundament, weil die Technologie von Conectus bereits erprobt ist. Diese Kamera bringt eine Innovation für alle, die sich mit der Erforschung schneller physikalischer Phänomene beschäftigen. Unser Ziel ist es, diese globale Innovation zu attraktiven Kosten anbieten zu können.“

Mikrofluidik und Mikrobewegungen in MEMS analysieren

Der Preis steht noch nicht fest, soll sich aber im Bereich von 30.00 bis 40.000 € bewegen. S3C-1-Kameras erfassen Lichtveränderungen entlang einer einzigen Linie. Das ist eine typische Anwendung in der Detonik und der zeitaufgelösten Spektroskopie. Andere Anwendungen, bei denen Streak-Kameras auf dem neuesten Stand der Technik zum Einsatz kommen, werden ebenfalls abgedeckt. Diese Anwendungen liegen im Bereich der schnellen zeitlichen Analyse von Mikrofluidik oder Mikrobewegungen (MEMS).

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