Il futuro delle fotocamere

L’evoluzione della tecnologia delle telecamere industriali e dei sensori di immagine utilizzati per applicazioni di visione artificiale, come l’ispezione di display a schermo piatto, circuiti stampati (PCB) e semiconduttori, nonché logistica di magazzino, sistemi di trasporto intelligenti, monitoraggio delle colture e patologia digitale. ha posto nuove esigenze alle fotocamere e ai sensori di immagine. Il principale tra questi è la necessità di bilanciare la spinta verso una risoluzione e una velocità più elevate con un consumo energetico e una larghezza di banda dati inferiori. E in alcuni casi c'è anche una spinta alla miniaturizzazione.

All'esterno è alloggiata una telecamera con caratteristiche di montaggio e ottica. Anche se questo è importante per l'utente, ci sono sfide sostanziali all'interno che incidono su prestazioni, capacità e consumo energetico. L'hardware, come i sensori di immagine e il processore, nonché il software svolgono un ruolo chiave in questo caso.

Sulla base di ciò che sappiamo, quali cambiamenti vedremo nelle fotocamere, nei processori, nei sensori di immagine e nell'elaborazione nel prossimo decennio? E come influenzeranno la nostra qualità di vita?

Quando si sceglie una nuova auto, non esiste una soluzione unica che vada bene per tutti. Lo stesso si può dire dei sensori di immagine.

È vero che sensori di immagine sempre più grandi e potenti sono molto interessanti per alcune classi di applicazioni di visione ad alte prestazioni. In questi casi, le dimensioni, il consumo energetico e il prezzo dei sensori di immagine utilizzati in queste applicazioni non sono importanti quanto le prestazioni. L'ispezione dei display a schermo piatto è un buon esempio. Alcuni produttori di schermi piatti sono ora alla ricerca di difetti inferiori al micron nei display di alta qualità. È letteralmente abbastanza piccolo da rilevare i batteri sul display.

Le applicazioni astronomiche terrestri e spaziali richiedono prestazioni ancora più elevate. I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno dimostrato una soluzione di imaging da 3 Gigapixel, equivalente a centinaia di fotocamere odierne, utilizzando una serie di numerosi sensori di immagine più piccoli. Secondo SLAC, "la risoluzione delle immagini è così alta che potresti vedere una pallina da golf da circa 15 miglia di distanza". Possiamo dedurre da questo straordinario risultato che il futuro di ciò che i laboratori di ricerca di tutto il mondo possono realizzare è quasi illimitato.

I membri del team della telecamera LSST del Large Synoptic Survey Telescope si preparano per l'installazione dell'obiettivo L3 sul piano focale della telecamera, una serie circolare di sensori CCD in grado di acquisire immagini da 3,2 megapixel. Immagine tramite Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory

Ma non importa quanto sia alta la risoluzione, possiamo vedere che l’imaging 2D ben consolidato sta iniziando a esaurire le sue capacità. I sistemi avanzati di ispezione ottica in realtà non richiedono una velocità maggiore o più dati. Chiedono più e solo informazioni utili.

Stanno prendendo piede alcune tendenze relative alla quantità sempre crescente di informazioni richieste per ogni singolo pixel.

L'acquisizione di immagini 3D fornisce una dimensione aggiuntiva che offre maggiore granularità, dettaglio e capacità di rilevamento. Applicazioni come l'ispezione della batteria o, ancora una volta, la fabbricazione di schermi di TV/laptop/telefono stanno spingendo i sensori di ispezione ottica a raccogliere ancora più informazioni. In questo caso, anche trovare difetti 2D con una risoluzione inferiore al micron sta diventando insufficiente, costringendoci a capire la loro altezza e forse anche la loro forma per determinare se le immagini sono influenzate da polvere pulibile, particelle dure o aghi, oltre ad altro materiale particolato.

Gli sviluppatori di applicazioni utilizzano diligentemente colori, angoli e diverse modalità di imaging, come il 3D o la polarizzazione, che è un'altra dimensione della luce, per soddisfare le esigenze dei propri clienti. A loro volta, i produttori di fotocamere stanno lavorando duramente per fornire gli strumenti per il commercio.

L’imaging iperspettrale è un’altra tendenza in rapido rafforzamento. Come la maggior parte delle tecniche di telerilevamento, l'imaging iperspettrale si avvale del fatto che tutti gli oggetti, a causa delle loro strutture elettroniche (per lo spettro visibile) e molecolari (per lo spettro SWIR/MWIR) possiedono un'impronta spettrale unica, basata sulle lunghezze d'onda di luce visibile e invisibile che assorbono e riflettono. Ciò rivela una moltitudine di dettagli non visibili con i normali sistemi di imaging a colori (ad esempio, esseri umani o fotocamere). La capacità di "vedere" la chimica nei materiali ha ampie applicazioni nell'esplorazione di minerali, gas e petrolio, nell'astronomia e nel monitoraggio delle pianure alluvionali e delle zone umide. L'elevata risoluzione spettrale, la separazione e la velocità sono utili nell'ispezione dei wafer, nella metrologia e nelle scienze sanitarie.