- TU Ilmenau

Mikrosystemtechnik Kongress 2013 · 14. – 16. Oktober 2013 in Aachen
Opto-mechanische Mikrosysteme zur hyperspektralen Bildgebung
Opto-mechanical microsystems for hyperspectral imaging
A. Grewe1, C. Endrödy2, R. Fütterer3, P.-H. Cu-Nguyen4, S.Steiner5, M. Hillenbrand1, M. Correns3, M. Hoffmann2, G.
Linß3, H.Zappe4, A.Seifert4, E. B. Kley5 und S. Sinzinger1
1
Technische Universität Ilmenau, Institut für Mikro- und Nanotechnologien (IMN MacroNano®), FG Technische Optik,
POB 100565, 98684 Ilmenau, [email protected]
2
Technische Universität Ilmenau, Institut für Mikro- und Nanotechnologien (IMN MacroNano®), FG Micromechanische Systeme
3
Technische Universität Ilmenau, FG Qualitätssicherung und Industrielle Bildverarbeitung
4
University of Freiburg, Department of Microsystems Engineering – IMTEK, Germany
5
Institut für Angewandte Physik, Abbe-Center of Photonics, Friedrich-Schiller-Universität
Kurzfassung
Wir präsentieren neuartige Verfahren und Systeme für die spektrale Bildgebung. Der erste Ansatz basiert auf resonanten Spektralfiltern (resonant waveguide gratings). Zwei weitere Systeme verwenden einen konfokal hyperchromatischen Ansatz zur spektralen Filterung. Das notwendige zeitliche Multiplexen wird durch verstimmbare Optiken realisiert. Dabei werden sowohl fluidische Mikrolinsen sowie diffraktive Alvarez-Lohmann-Linsen verwendet. Zu Erhöhung
der räumlichen Auflösung eines solchen Systems kommen mikromechanische Stepperaktoren mit großen Stellwegen
zum Einsatz.
Abstract
We present approaches and systems for hyperspectral imaging devices. The first approach is based on resonant waveguide gratings. Another two systems employ a hyperchromatic confocal approach for the spectral separation of light.
The necessary multiplexing in time is realized by tuneable optics. Here we use fluidic micro lenses as well as diffractive
Alvarez-Lohmann Lenses. To increase the resolution of such systems micromechanical stepper actuators with large
travel range are designed.
1
Motivation – Hyperspectral
Imaging
Die parallele Erfassung der spektralen Signaturen mehrerer Objektpunkte wird als hyperspektrale Bildgebung
bzw. bildgebende Spektroskopie bezeichnet. In Anwendungen wie der bio-medizinischen Forschung, Prozesskontrollen oder der Qualitätssicherung ist die Auswertung
spektraler Messdaten ein vielseitiges Analyseverfahren.
Eine Erweiterung zu einer Mehrpunktmessung ermöglicht
eine deutliche Zeitersparnis gegenüber der sequentiellen
Abtastung von Proben und eröffnet so neue Anwendungsfelder. In diesem Beitrag werden Systemansätze zur hyperspektralen Bildgebung vorgestellt, welche ein hohes
Potential zur Miniaturisierung durch den Einsatz mikroopto-mechanischer Baugruppen aufweisen. Beide Systeme unterscheiden sich grundlegend im Prinzip der Aufspaltung des spektralen Signals. Während in einem System nanostukturierte Filterverwendet werden eine laterale
Orts-Wellenlängen Beziehung ähnlich einer Bayermatrix
zu erzeugen, wird im zweiten Ansatz die axiale OrtsWellenlängen Beziehung hyperchromatischer Optiken mit
der spatialen Filterung konfokaler Systeme kombiniert.
ISBN 978-3-8007-3555-6
2
2.1
Filterbasiertes Hyperspektralsystem
Funktionsweise der nanostrukturierten Filter
Die verwendeten Filter basieren auf dem Prinzip der resonanten Gitterwellenleiter (resonant waveguide gratings).
Diese bestehen im Allgemeinen aus einer modulierten
hochbrechenden Schicht, die von Materialien mit geringeren Brechzahlen umgeben ist. Im einfachsten Fall wird
dazu ein binäres Gitter auf einem niedrigbrechenden Substrat verwendet. Durch die Struktur des Gitters kann Licht
mit passender Wellenläge und Einfallsrichtung in die
hochbrechende Schicht eingekoppelt werden und in diesem Wellenleiter propagieren. Aufgrund der periodischen
Störung des Wellenleiters durch die eingebrachte Gitterstruktur werden Anteile des geführten Lichts wieder
ausgekoppelt und interferieren. Nun kann durch geeignete
Anpassung der Gitterparameter entweder konstruktive
oder destruktive Interferenz erreicht werden, was zu maximaler Transmission bzw. Reflexion führt. Somit ist es
möglich, bei festen Gittergeometrien das gesamte Licht
für ein Wellenlängen-Einfallswinkel Paar an der Struktur
zu reflektieren [1]. Je nach Größenordnung der Störung
139
© VDE VERLAG GMBH ∙ Berlin ∙ Offenbach
Mikrosystemtechnik Kongress 2013 · 14. – 16. Oktober 2013 in Aachen
des Wellenleiters ist sowohl eine schmal- als auch eine
breitbandige Funktion realisierbar. Aus diesem Grund
bieten sich resonante Gitterwellenleiter als besonders selektive Spektralfilter mit variabler Bandbreite an. Ihre besonderen Eigenschaften eines festgelegten Einfallswinkelbereichs, einem bevorzugten Polarisationszustand des
einfallenden Lichts und der Funktion in Reflexion müssen
im Optikdesign berücksichtigt werden Das konkrete Filterdesign der zu verwendenden Elemente sieht eine spektrale Breite von. 23 nm (im VIS) bis 185 nm (im NIR) bei
einem Einfallswinkelbereich zwischen 5° und 15° vor.
2.2
3.1
Abb. 1 Zusammenhang zwischen NA, Farblängsfehler und
beleuchteter Fläche
𝐴
0
𝑃𝑟 (𝜆) = 𝐴(𝜆)
=
Anwendung und Charakterisierung
der Filterarrays
Die Nutzung von Filterarrays zur Farbanalyse ist aus modernen RGB-Kameras bekannt. Hier werden drei verschiedene Filter periodisch, z.B. in einer Bayermatrix, angeordnet wodurch jedem Detektorpixel ein bestimmter
Spektralbereich zugeordnet wird. Für die hyperspektrale
Umsetzung dieses Ansatzes werden Filter mit 10 und
mehr verschiedenen Transmissionskurven in einem Array
realisiert. Die Funktion der Filterelemente wird an Testfeldern mit einer Fläche von 2x2mm² getestet. Diese können sich aber gegeben durch das Funktionsprinzip der Filter in ihren Eigenschaften von den 20x20 µm² großen einzelfiltern im Array unterscheiden. Daher werden verschiedene Versuchsanordnungen getestet um die Charakteristik der Filterarrays zu bestimmen. Das Filterarray
kann dabei in einer Zwischenbildebene oder direkt vor der
Bildebene eingesetzt werden. Interessant ist das Filterverhalten besonders in den Übergangsbereichen zwischen
den Einzelfiltern.
3
und deren Farblängsfehler sowie dem Blendendurchmesser abhängig.
Konfokales Hyperspektralsystem
Hyperchromatisch-Konfokales Filterprinzip
Konfokale hyperchromatische Messsysteme sind vor allem als Abstandssensoren bekannt. Basis solcher Systeme
ist ein optisches System mit vergrößertem Farblängsfehler. Die Brennweite dieser Optiken ist stark abhängig von
der Wellenlänge des Lichtes, d.h. jede Wellenlänge wird
in einem anderen Abstand von der Optik fokussiert. Wird
in eine dieser Brennebenen eine Lochblende wie in Abb.
1 positioniert, so gelangt nur Licht durch die Blende, welches in dieser Ebene fokussiert ist. Ideal ist dies nur für
eine Wellenlänge der Fall. Das Licht anderer Wellenlängen ist in der Blendenebene defokussiert und ein Großteil
der Energie dieser Spektrallinie wird durch die Blende
abgeschattet.
Die
Effizienz
dieser
konfokalhyperchromatischen Filter ist durch das Verhältnis von
beleuchteter Fläche und Blendenfläche bestimmt. Je stärker das Licht in der Blendenebene defokussiert ist, desto
größer ist die beleuchtete Fläche und umso weniger Intensität der entsprechenden Wellenlänge gelangt durch die
Blende. Die Intensität hinter der Blende ist, wie in Formel
1 [2] ersichtlich, von der numerischen Apertur der Optik
ISBN 978-3-8007-3555-6
𝜋𝑟0 ′2
′2
𝜋𝑟(𝜆)
𝑟 ′2
0
≈ 𝑁𝐴′2 ⋅𝛥𝑠′(𝜆)
2
(1)
Wird die Blende entlang der optischen Achse bewegt, so
befindet sich nacheinander Licht unterschiedlicher Wellenlänge im Fokus und das Spektrum der Lichtquelle kann
analysiert werden. Für die Abbildung eines Feldes wird
an die Stelle der einzelnen Blende ein Blendenarray gesetzt, wodurch das Spektrum mehrerer Objektpunkte
gleichzeitig untersucht werden kann. Des Weiteren soll
statt der Verschiebung des Blendenarrays eine mikrotechnische Variation der Fokuslänge des optischen Systems
genutzt werden die Wellenlänge zu variieren. Das Prinzip
eines solchen Sensors ist in Abb. 2 dargestellt.
Abb. 2 Layout eines konfokal hyperchromatischen Abbildungssystems
3.2
Umsetzung der Blendenarrays
Der Blendendurchmesser beeinflusst die spektrale und
spatiale Auflösung des Systems. Sinnvolle Durchmesser
für das entworfene System liegen zwischen 10 und
50 µm. Neben der spatialen Filterung sollen die Blenden
den Strahlengang nicht beeinflussen, daher ist es notwendig möglichst dünne Blenden zu realisieren. Aus diesem
Grund wurde mit Dünnschichttechnologie auf einem Siliziumsubstrat 500 nm Aluminiumnitride (AlN) und 100
nm Aluminium (Al) abgeschieden, an der Stelle der Blenden durchgeätzt und von der Rückseite großflächig (3x3
mm) freigestellt, siehe Abb. 3. AlN wird wegen seiner
Stabilität und Transparenz als Trägermaterial gewählt,
währen Al die Funktion der optischen Blende realisiert.
Die geringe Membranmasse des Blendenarrays erlaubt
zudem deren spätere dynamische Aktuierung.
Abb. 3 Schematische Darstellung eines Blendenchips
140
© VDE VERLAG GMBH ∙ Berlin ∙ Offenbach
Mikrosystemtechnik Kongress 2013 · 14. – 16. Oktober 2013 in Aachen
3.3
Aktuierung der Blendenarrays
Die räumliche Segmentierung des Objektfeldes durch die
Blendenarrays führt zu einer verringerten spatialen Auflösung des Systems. Durch eine zweidimensionale laterale
Bewegung des Blendenarrays kann über das Objekt gescannt werden wodurch die räumliche Auflösung vervielfacht wird. Für die schnelle und hochgenaue Positionierung der Blendenarrays wird ein neuartiger Mikroaktor
eingesetzt. Basierend auf der Silicon On Glass (SOI)
Technologiewurde ein elektrostatischer Schrittaktor entworfen. Ein Aktorchip besteht aus vier Hauptkomponenten: Zwei Seitenaktoren, die in zwei senkrechten Richtungen angeregt werden können, eine Rahmenstruktur mit
großem Verfahrweg (200 µm), und das optische Element,
das auf Chiplevel in die Aktorik montiert wird. Ein Schritt
des Aktors besteht aus vier Teilschritten, die die Seitenaktoren durchführen (Abb. 4): (a) Greifen des Rahmens, (b)
Schieben mit den Seitenaktoren, (c) Fixieren des Rahmens, (d) neu Greifen mit den Seitenaktoren.
Abb. 4 Teilschritte des Aktors (a) - (d). Die Farben rot und
blau symbolisieren die elektrischen Potenziale, die angesetzt
werden.
3.4
3.4.1 Systemvariante mit Fluidiklinsen
Das Grundprinzip dieser fluidisch aktuierten Linsen besteht aus einer mit Flüssigkeit gefüllten Kavität, die mit
einer dünnen Membran verschlossen wird. Durch Variation des Drucks innerhalb des geschlossenen Volumens
kann die Membran verformt werden. Bei Unterdruck wird
eine konkave Linse geformt und bei Überdruck eine konvexe Linse. Zur Erzeugung des Drucks dient ein in das
Bauteil integrierter elektromagnetischer Aktor.
Abb. 5 Querschnitt durch die Fluidikbaugruppe
Eine Spule wird mit elektrischem Strom durchflossen
wodurch diese einen Magneten anzieht bzw. abstößt. Der
Magnet ist an einer Membran befestigt, mit deren Bewegung das Volumen der mit Flüssigkeit gefüllten Kavität
variiert wird. Die Baugruppe aus Aktor und Linse ist
schematisch in Abb. 5 dargestellt [3].Der für die chromatisch konfokale Filterung notwendige Farblängsfehler
wird durch eine diffraktive Linse (DOE) erzeugt, die direkt auf der planen Seite der Fluidiklinse aufgebracht
wird. Wie in Formel 1 ersichtlich, hat der Farblängsfehler
einen großen Einfluss auf die Filtereffizienz des Systems.
Dieser wird durch die Verwendung eines sammelnden
DOEs in Verbindung mit einer zerstreuenden Fluidiklinse
maximiert. Erste experimentelle Ergebnisse zur Abbildung eines Achspunktes wurden mit einem Spektrometer
ausgewertet und sind in Abb. 6 dargestellt. Dabei wurde
das gefilterte Spektrum mit dem Gesamtspektrum der
Quelle normiert.
Optische Systeme mit variabler
Fokuslänge
Optisch Systeme mit variabler Fokuslänge sind in der Fotografie als Zoomoptiken bekannt. Diese lassen sich mikrooptisch, auf Grund der großen Anzahl verbauter Elemente und deren axialer Verschiebung zueinander, nur
mit großem Aufwand realisieren. In diesem Beitrag werden zwei Varianten optischer Systeme mit variabler Fokuslänge präsentiert, die ein hohes Miniaturisierungspotential aufweisen. Beide Systeme unterscheiden sich stark
hinsichtlich ihrer Funktionsweisen. Im ersten System
werden Fluidiklinsen verwendet, deren Form und damit
optischen Eigenschaften durch den Innendruck der Linse
verändert werden können. Dagegen wird die Fokuslänge
im zweiten System durch Alvarez-Lohmann-Linsen variiert. Diese Freiformelemente weisen je nach ihrer Orientierung zueinander unterschiedliche Brechkräfte auf.
ISBN 978-3-8007-3555-6
Abb. 6 Messpunkte im Spektrum einer Punktlichtquelle bei
verschiedener Spulenbestromung
3.4.2 Systemvariante mit Alvarez-Lohmann-Linsen
Alvarez-Lohmann-Linsen bestehen aus zwei optischen
Elementen mit kubischem Oberflächenprofil. Werden
beide Elementen unmittelbar nacheinander vom Licht
durchlaufen, so addieren sich deren Wirkungen und es
resultiert eine quadratische Phasenänderung der Lichtwel-
141
© VDE VERLAG GMBH ∙ Berlin ∙ Offenbach
Mikrosystemtechnik Kongress 2013 · 14. – 16. Oktober 2013 in Aachen
le. Durch laterales Verschieben der Elemente zueinander
kann die Krümmung der quadratischen Phase variiert
werden. Es ergeben sich Linsen mit unterschiedlicher
Brennweite. Die theoretische Betrachtung solcher Elemente bezieht sich im Allgemeinen auf die Abbildung eines einzelnen Achspunktes und es wird von unendlich
dünnen Elementen ausgegangen. Für die Anwendung in
einem konfokalen Hyperspektralsystem wurde die Linsenbeschreibung deutlich erweitert um die aberrationskorrigierte Abbildung eines Bildfeldes mit Elementen endlicher Dicke zu ermöglichen [4]. Die Elemente wurden diffraktiv umgesetzt, da so zum einen die Dicke deutlich reduziert werden konnte und zum anderen eine deutlich
stärkere Wellenlängenabhängigkeit der Fokuslänge erreicht wurde. Abb. 7 zeigt das Optikdesign des Systems.
In der Mitte sind die planen diffraktiven AlvarezLohmann-Linsen dargestellt. Durch eine Verschiebung
der Elemente zueinander um 2mm kann ein Spektrum von
400 bis 800 nm analysiert werden. Eine experimentelle
Punktmessung ist in Abb. 8 dargestellt.
Abb. 7 Optikdesign eines hyperchromatischen Systems mit
diffrativen Alvarez-Lohmann-Linsen
Mit der Erweiterung um die Dimension Wellenlänge ist es
nicht möglich, auf fertige Kamerasysteme zurückzugreifen. Das Lösungskonzept für die Bildaufnahmebaugruppe
sieht ein adaptives Kamerainterface vor, das an verschiedene optische Konzepte angepasst werden kann. Zusätzlich zu den Pixelkoordinaten wird die entsprechende Wellenlänge/Scanposition für jedes Einzelbild festgehalten,
um eine eindeutige Zuordnung jedes spektralen Bildes bei
der Fusion zum hyperspektralen Datenwürfel sicherzustellen. Die Wellenlänge wird direkt während der Bildaufnahme im Bildrand als Intensitätswert kodiert. Weiterhin ist eine frei programmierbare Schnittstelle zur Steuerung, der je nach optischem Prinzip verwendeten Aktorik,
notwendig. Zur Synchronisierung der Aktorik mit der
Bildaufnahme werden zusätzliche Synchronisierungsschnittstellen verwendet. In Abb. 9 ist das Kamerasteuerungskonzept mit Aktorikanbindung dargestellt. Das zentrale Element der Kameraelektronik ist der FPGA. Dieser
übernimmt den Bildeinzug vom Sensormodul, die Kommunikation mit der externen Aktorik (UART Schnittstelle), die Vorverarbeitung und Indizierung der Bildinformationen sowie die Übertragung zum PC über Gigabit
Ethernet. Für die Übertragung der hyperspektralen Bilddaten wurde die standardisierte GeniCam-Schnittstelle um
entsprechende Eigenschaften erweitert um in industriellen
und wissenschaftlichen Anwendungen eine hohe Kompatibilität und schnelle Integration zu gewährleisten.
Abb. 9 Konzept der Kameraelektronik mit Achsensteuerung
Abb. 8 Spektrum einer Weißlicht-LED (Einhüllende) mit
dem Alvarez-Lohmann-System abgetastet
4
Aufzeichnung und Auswertung
der Messergebnisse
Das Ziel des Teilprojektes hyperspektrale Bilderfassung
ist es, hyperspektrale Bilder nach den beschriebenen optischen Prinzipien zu akquirieren. Es handelt sich hierbei
um das Teilsystem, das an die optischen Elemente angegliedert wird und vom Sensorinterface über die Spektraldatenvorverarbeitung bis hin zur PC-Schnittstelle reicht.
Ein Matrixbildsensor nimmt Bildinformationen (Intensitätswerte) in zwei Dimensionen auf. Das Ziel der Aufnahme, der hyperspektrale Bildkubus hat jedoch eine weitere Dimension, welche bei den Vorgestellten Ansätzen
gescannt werden muss. Zur selbstständigen Abtastung des
Bildkubus muss die Kamera in der Lage sein, die Scanfunktion zu übernehmen.
ISBN 978-3-8007-3555-6
5
Literatur
[1] S.Steiner, S. Kroker, T. Käsebier, E.B. Kley, and A.
Tünnermann; „Angular bandpass filters based on dielectric resonant waveguide gratings”; Optics Express,
Vol. 20, Issue 20, 2012
[2] M. Hillenbrand, B. Mitschunas, Ch. Wenzel, A.
Grewe, X. Ma, P. Feßer, M. Bichra und S. Sinzinger;
„Hybrid hyperchromats for chromatic confocal sensor
systems“; Advanced Optical Technologies Bd.1 Heft
3 (2012)
[3] P.-H. Cu-Nguyen, A. Grewe, M. Hillenbrand, S.
Sinzinger, H. Zappe, and A. Seifert: “Tunable hyperchromatic lens system for confocal hyperspectral imaging” Optics Express eingereicht 2013
[4] A. Grewe; M. Hillenbrand, S. Sinzinger, “Bildgebende
hyperspektrale Sensorik unter Einsatz verstimmbarer
Optiken“; Photonik 1/2013
142
© VDE VERLAG GMBH ∙ Berlin ∙ Offenbach