Bildverarbeitung CMOS-Integration von Bildsensor und Fabry-Pérot-Filter

Die Technologie des Hyperspectral Imaging (HSI) ist heute mehr oder weniger auf den Laboreinsatz beschränkt. Doch das kann sich rasch ändern, sobald praktikable Lösungen für schnelle, kompakte, nutzerfreundliche und kostengünstige Kameras verfügbar sind. Ein Beispiel dafür ist eine bei Imec entwickelte HSI-Kamera im Mikroformat. Die gesamte Hardware zur HSI-Bilderfassung und -verarbeitung ist monolithisch als Einchip-Lösung integriert.

Mit dieser Zielvorstellung praktikabler Hyperspectral-Imaging-Applikationen haben Forscher bei Imec, ein führendes europäisches Forschungszentrum für Nanotechnologie, die Technologie des Mikro-HSI entwickelt. Ein kürzlich vorgestellter Prototyp hat eine Baugröße von nur 1 cm³. Er lässt sich zur Klassifizierung von biologischem Material einsetzen – mit der Genauigkeit der gegenwärtigen State-of-the-Art-Laborausstattung. Die Technologie steht nun zur Integration für deren medizintechnische Instrumentation und für die ärztliche Praxis zur Verfügung.

Hyperspectral Imaging nur fürs Labor?

Das von allen Objekten und auch von lebendem Gewebe reflektierte Licht enthält eine Vielzahl von Informationen – weitaus mehr, als mit bloßem Auge erkennbar oder mit einer normalen Digitalkamera erfassbar ist. Komplexe optische Systeme können diese Information erkennen und verarbeiten und dabei die Bilderfassung mit spektroskopischen Untersuchungen kombinieren. Ein Beispiel ist das Entdecken von Ölfeldern per Luftaufklärung.

Derartige bildgebende Systeme zerlegen das optische Spektrum in viele schmale benachbarte Bänder, die sie separat erfassen und verarbeiten. Dabei speichern sie für jedes Pixel des Bildes einer Szene eine spektrale Signatur. Mit der passenden Bildbearbeitung lässt sich diese spektrale Signatur zur Bestimmung der Materialien nutzen, aus denen das erfasste Objekt besteht. So lassen sich u.a. Kontaminationen in medizinischen Materialien oder krebsartige Zellen identifizieren, der Fortschritt von Wundheilungen überprüfen oder die für eine Pflanzenkultur benötigte Wassermenge ermitteln.

Allerdings sind die heute verfügbaren hyperspektralen Kameras recht groß, langsam und sie sind kostspielig. Fast alle verwenden diskrete optische Komponenten wie Objektive und eine komplexe Mechanik, außerdem – neben dem eigentlichen Bildsensor – eine Art von Beugungsgitter oder -prisma. Diese separaten Komponenten, insbesondere die Beugungsgitter und -prismen, machen die Systeme klobig und komplex im Aufbau und kompliziert im Betrieb (Bild 1).

Man stelle sich eine Box von der Größe einiger Kubikdezimeter vor, die ständig eine Bedienperson erfordert. Außerdem können solche Kameras – wegen ihrer spezifischen Auslegung – eine Szene nur zeilenweise abtasten und auch die spektrale Information jeweils nur als einzelne Zeile des Bildsensors speichern. Deshalb sind sie für zeitkritische Applikationen und solche mit hohem Datendurchsatz nicht geeignet.

Obwohl es eine Reihe attraktiver Einsatzmöglichkeiten gibt, sind HSI-Systeme auf hochspezialisierte Anwenderumgebungen beschränkt. Da es bislang keinen erkennbaren Entwicklungspfad für ein Verkleinern der HSI-Technologie gab, haben die Hersteller ihre Integration in Massenprodukte für medizintechnische oder Endverbraucher-Märkte gar nicht erst in Angriff genommen. Doch das könnte sich mit der Entwicklung von mikro-miniaturisierten HSI-Systemen ändern.