Bildsensorik
Mikrokosmos im Blick
Bildsensoren und spezielle Optiken haben eine wachsende Bedeutung für Mikrotechnologie und Medizin. Diese Entwicklung wurde unter anderem durch den Vormarsch der digitalen optischen Dokumentation in hoher Qualität gefördert, wobei die Einführung der CMOS-Sensoren viele neue Möglichkeiten eröffneten.
Bis vor einigen Jahren wurden überwiegend CCD-Sensoren verbaut, die heute weitgehend von der CMOS-Technik abgelöst wurden. Jede Sensorarchitektur birgt Vor- und Nachteile, doch verschiedene Anwendungen verhalfen dem CMOS-Sensor zum Durchbruch. Dabei war nicht unbedingt der subjektive Bildeindruck maßgeblich, sondern die konkrete Aufgabenstellung: Kann der Sensor das Objekt darstellen beziehungsweise die Problemstellung lösen, und wie lassen sich Produktentwicklung und Zyklus positiv beeinflussen?
Bei Panasonic arbeiten die CMOS-Bildsensoren nach dem APS-Prinzip (Active Pixel Sensor, jedes Bildelement verfügt über eine eigene Verstärkerschaltung). Sie bestehen aus einer Pixelmatrix, die Fotodioden und Transistoren für die Realisierung der Shutterfunktion sowie zur Selektion der Pixel zum Auslesen der Informationen umfasst. So lassen sich nicht nur Informationen auslesen, vielmehr sind auch spezielle Anwendungen und Prozesse möglich. Das Auslesen der gesamten Bildinformationen ist in einigen Anwendungen nicht erwünscht, was sich mit CMOS-Sensoren recht flexibel handhaben lässt. Ob nur bestimmte Teilbereiche etwa über eine Unterabtastung ausgelesen werden oder Binning zum Einsatz kommt, kann je nach Anwendung unterschiedlich sein. So lassen sich etwa Bildraten erhöhen und auf diese Weise Hochgeschwindigkeitsaufnahmen realisieren.
Die Empfindlichkeit der 1-Chip- aber auch 3-Chip-Sensoren (Bild 2) wird einerseits durch das verwendete Halbleitermaterial und anderseits durch die Effizienz der Konvertierung der Fotoladungen zu Fotospannungen beeinflusst. Dabei spielt Erfahrung im Herstellungsverfahren eine große Rolle. In dedizierten Reinräumen prüfen Spezialisten die Optiken per Hand; nicht nur bei Panasonic sind diese Produktionsprozesse geheim, ständig fließen Erfahrungen aus extremen Anwendungen wie der Raumfahrt (Hochenergiephysik) oder der Medizin (mikroskopische Operationstechniken) ein. So lassen sich die Optiken stetig an die Ansprüche der Medizin- oder Industriekunden anpassen.
Das bei Mikroskopen vor der Tubuslinse erzeugte reelle Bild wird über Spiegel direkt auf einen 3-Chip-Sensor der angeschlossenen oder integrierten Kamera projiziert; dies ist eine gängige Möglichkeit zur digitalen Dokumentation und Diagnostik, die durch Produktentwicklung stetig verbessert wird. Hierbei ist nicht nur eine originalgetreue und unverfälschte Darstellung notwendig, vielmehr lassen sich auch Bereiche darstellen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind.
Innovation für die Medizin
Durch Innovation im Bereich der Optik entstehen unter anderem neuartige Therapiemöglichkeiten, außerdem ermöglichen sie die bessere Bewertung der Ergebnisse. Ein Beispiel hierfür, ist die Produktion von Kameraköpfen ohne IR-Cut-Filter (Bild 3). Solch modifizierte Optiken können Bereiche sichtbar machen, die im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der längerwelligen Terahertzstrahlung liegen. Entsprechend ergeben sich Möglichkeiten, um zum Beispiel im mittleren IR-Bereich (MIR) die Krebsfrüherkennung zu verbessern. In diesem sogenannten Fingerprint-Bereich lassen sich viele grundlegende Biomoleküle wie Fette, Eiweiße und Kohlenhydrate bestimmen. Diese Verbindungen liefern wichtige neue Informationen, die sich unter anderem zur Diagnose von Krankheiten anbieten.
Hierbei handelt es sich um eine Weiterentwicklung der bis dato gängigen mikroskopischen Analyse, bei der das menschliche Urteilsvermögen ein wesentlicher Faktor ist. Die menschliche Analyse der Ergebnisse ist naturgemäß fehlerbehaftet, außerdem werden die Ergebnisse erst mit Fortschreiten der Krankheiten zuverlässiger und eindeutiger. Darunter leidet die Effektivität, da Behandlungsmöglichkeiten oder medikamentöse Therapien erst mit Zeitverlust beginnen können. Durch die Weiterentwicklung der Optik und die Verwendung der Informationen aus nicht sichtbaren Bereichen können schnellere Diagnosen gestellt und Krebserkrankungen früher behandelt werden.
Bei der 3-Chip-Sensorik (vergleiche Bild 5) handelt es sich um eine Weiterentwicklung der 1-Chip-Ausführung (Bild 4). Ein Prisma spaltet weißes Licht in rote, grüne und blaue Bestandteile auf und bildet diese auf verschiedene Sensoren ab. Dies ermöglicht eine exakte Farbmessung, außerdem steht auf jedem Farbkanal die volle Ortsauflösung bereit. Diese Technik wird nicht nur im mikroinvasiven Operationsbereich eingesetzt, sondern auch bei neuartigen Chirurgie- und Mikrorobotern. Es können nicht nur Kameraköpfe mit einem oder drei Chips verbaut werden, sondern es lassen sich individuelle Anpassungen projektbezogen umsetzen.
Panasonic definiert mit dem Kunden eine genaue Spezifikation der benötigten Optik und tritt als OEM-Zulieferer und langjähriger Partner auf. Dieses »Forward Sourcing« für die Beschaffung von zukünftigem Serienmaterial für die eigenen Produkte wird mit professionellem Projektmanagement gekoppelt. Panasonic wird hierbei bereits in der Produktplanung eingebunden. Der Kunde nutzt technische und prozessbezogene Optimierungs¬potenziale durch Erfahrungswerte des Zulieferers. Somit kann er Fehler im Produktentwicklungsprozess vermeiden und für eine hohe Qualität mit geringer Fehlerwahrscheinlichkeit im optischen Entwicklungsbereich sorgen.
Systemintegratoren
Systemintegratoren in der Medizin und der Industrie nutzen digitale Kameraköpfe dazu, ihre bereits bestehenden analogen Systeme kostengünstig zu digitalisieren. Dabei ist Kreativität im Spiel, die Optik wird nicht nur an C-Mount-Anschlüssen angeschraubt (Bild 4), sondern je nach Anforderung auch an Stativen oder anderen Befestigungsmöglichkeiten. Die Detailerkennung in diesem erzeugten Bild eines 1-Chip- oder 3-Chip-Kamerakopfes ist dabei recht gut; es kann nun auch 4K-Technik zum Einsatz kommen.
Eine weitere Möglichkeit in diesem Zusammenhang ist der Einsatz von Recording-Lösungen, um Livebilder im H.264-Standard ins Netz zu streamen und im eigenen Netzwerk aufzurufen oder auf einem Speichermedium zu sichern. Dies ermöglicht beispielsweise die Konsultation mit einem Spezialisten für eine Zweitmeinung, etwa bei der Untersuchung von Biokulturen.
Über den Autor:
Patrick Linder ist European Product Manager für den Bereich Industrial Medical Vision bei Panasonic Marketing Europe.
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