הלוויין כולל 4 פאנלים סולאריים הפרושים בתצורת כוכב ובעלי זווית נטייה פנימית של °01. הזווית גורמת לכך שבכל רגע נתון קיימים הבדלים בצפיפות שטף הקרינה מהשמש על כל אחד מהפאנלים. מדידת הפרשים אלה תאפשר ללוויין לאתר תמיד את כיוון השמש, בלא צורך בציוד ייעודי יקר. בדיקת עמידות חומרים בתנאי חלל: הלוויין יבצע ניסויי נדיפות של חומרים לתעשיית החלל שפותחו על-ידי ממ”ג. החומרים נצבעו על-גבי חלק מהתאים הסולאריים. קצב ועוצמת הנידוף שלהם ישפיעו על כמות האנרגיה הנקלטת בפאנלים הסולריים. למעשה, Inlkajn-1 הוא הלוויין הראשון שיפיק יותר אנרגיה מהשמש ככל ששהותו בחלל תתארך. בדיקת מצבר חללי חדש: הלוויין יבדוק את תיפקודו ומאפייניו של מצבר חדש המבוסס על 4 סוללות ליתיום-יון מתוצרת חברת ABSL. בדיקת ציוד ניווט GPS: הלוויין יבדוק את תיפקודו ועמידתו בתנאי חלל של מקלט GPS שפותח בארץ על-ידי חברת Rokar-BEA. בדיקת שעון אטומי: הלוויין יבדוק את תיפקודו בתנאי חלל של שעון אטומי חדש אשר פותח על-ידי חברת Accubeat הישראלית, המתכננת להיכנס באמצעותו לשוק החלל העולמי. ניסוי בשיטות אפנון: הלוויין יבדוק, בשיתוף פעולה עם אגוד חובבי הרדיו בישראל, את היתרונות והחסרונות של שיטות האפנון הדיגיטלי FSK ו-BPSK למערכות טלמטריה בחלל.
P.P. Merken, D. De Gaspari,
K. Jacobs and B. Grietens
(Xenics, Leuven, Belgium)
עיבוד תמונות תעשייתי בספקטרום הקרוב לתת-אדום (near infrared – NIR) צובר חשיבות בתור כלי ניתוח בר-קיימא, לא-הרסני בקווי ייצור, המיועד לביקורת איכות, תפוקה גבוהה יותר ואחריות סביבתית. במובן רחב זה, פלטפורמת מצלמת NIR חדשה המבוססת על חיישנים ליניאריים בעלי רזולוציה גבוהה והניתנת לתכנות חוזר תוך כדי פעולה מאפשרת פריסה גמישה. המצלמה מהווה פריצת דרך בפישוט וצמצום עלויות עבור טכנולוגיית ה-NIR, הפותחת יישומים רבים בעולם הייצור התעשייתי.
בקרת ה-NIR מאפשרת מידע מפורט
ספקטרוסקופיה ועיבוד תמונה בתחום הקרוב לתת-אדום מוכיחים את עצמם ככלי ייצור אמיניים עבור בקרה מובנית וסיווג מגוון רחב של מוצרים. מאחר שמצלמות הפועלות בספקטרום הנראה מספקות רק מידע על הבדלי צבעים ב-RGB, הן לא יכולות להבדיל בין עצמים בעלי צבעים קרובים אך הבנויים מחומרים שונים. דבר זה מגביל את השימושיות שלהן עבור עיבוד תמונות תעשייתי. בעוד הספקטרום הנראה מאפשר ניתוח של השכבות החיצוניות של עצם, קרינה בקרוב לתת-אדום יכולה לחדור עמוק יותר בתוך העצם ולספק מידע תקף אודות המבנה המולקולרי שלו.
במובן זה, כל פרודה מזהה את עצמה בעזרת “טביעת האצבע” הספקטראלית שלה. לכן, כלי ניתוח NIR יכולים להבחין בבטחה בין חומרים שונים המציגים רק הבדלים זעירים במבנה המולקולרי שלהם על-ידי הסתכלות כיצד הם בולעים קרינה באורכי-גל ספציפיים.
כתוצאה, חיישני InGaAS איכותיים בעלי מערך שטח וליניאריים יכולים לספק מידע חשוב לצורכי בקרה יעילה של תהליכי ייצור, ולהשיג על-ידי כך תשואות ויעילויות גבוהות יותר. אחת המצלמות InGaAs החדשות ביותר, ה-Lynx 2048, מעלה את הטכנולוגיה לשיאים חדשים. מצלמת ה-Lynx, בעלת מערך ליניארי של 2048 פיקסלים המוסדרים בתסדיר של 12.5 ממ’, מספקת אותות עשירים בפרטים, אשר עד כה ניתן היה להשיג רק בעזרת פתרונות מרובי-מצלמות מורכבים. Lynx לא רק מקטינה את מורכבות המערכת; היא גם מפחיתה משמעותית את עלות המערכת.
מצלמת ה-NIR Lynx ממוקמת היטב בתחום הקרוב לתת-אדום.
חיישן קו NIR בעל רזולוציה גבוהה
עיבוד תמונה תעשייתי בספקטרום ה-NIR תובע דרישות גבוהות ממצלמות הקו. הן דורשות תדרי קו גבוהים ורזולוציה גבוהה כמו גם רעש נמוך המשולב עם תחום דינמי רחב. דבר זה מתייחס בעיקר לחיישן – אם החיישן מחמיץ משהו באות המקורי דבר זה לא ניתן לשחזור על-ידי שרשרת עיבוד האותות.
לכן, המצלמה החדשה של Lynx מבוססת על מערך חיישני קו שנבנה על-ידי Xenics בטכנולוגיית InGaAs. מוצא האות של המצלמה עובר עיבוד מוקדם במעגל משולב לתצוגה CMOS (ROIC – read-out integrated circuit) המתוכנן במיוחד. שילוב זה של חיישן קו ו-ROIC מנצל את היתרונות של שתי הטכנולוגיות. ראשית, רגישותו של חיישן InGaAs משתרעת יפה לתוך תחום אורכי הגל המכסים את התת-אדום בין 0.9 ו-1.7µm – הרבה מעבר לתחום ה-CMOS וה-CCD (איור 1). שנית, ROIC בטכנולוגיית CMOS ממטבת את העיבוד המוקדם של אות החישן האנלוגי על-ידי השלמתו בפונקציונליות דיגיטלית משולבת היטב.
גרסה ראשונה של חיישן הקו Lynx (Xlin-1.7-1024) בעל 1,024 פיקסלים הוצגה בתצוגת Vision 2009. בינתיים הופיעו שתי גרסאות המציעות רזולוציות של 1,024 ו-2,048 פיקסלים, כמו גם ארבעה מבני פיקסלים מ-12.5 או 25 µm רוחב ו-12.5 או 250µm גובה. תצורות הפיקסלים הקטנות יותר מיועדות ליישומי סריקת קו ברזולוציות גבוהות. בשל רגישותם והיעילות הקואנטית הגבוהות הם פועלים ברמות תאורה מאוד נמוכות. חיישני קו בעלי תצורת פיקסלים גבוהה משמשים בעיקר ביישומי ספקטרוסקופיה.
קצב המסגרות הגבוה של עד 40 קילו-הרץ (בגרסת 1,024 פיקסלים) ו-10 קילו-הרץ (בגרסת 2,048 פיקסלים) מאפשר רזולוציה גבוהה בממד הזמן. במקרים רבים, הדבר מותיר די משאבי זמן עבור דגימה מרובה, בהגדילו בזאת את התחום הדינמי באמצעות מסגור-על (superframing).
בתצורה תקנית החיישן מצויד בקירור תרמו-אלקטרי חד-שלבי. אם דרוש יחס אות לרעש גבוה במיוחד, כגון ביישומי ספקטרוסקופיה בתנאי תאורה קריטיים, ניתן לשדרג את המצלמה לקירור תרמו-אלקטרי תלת-שלבי.
מעגל התצוגה CMOS עבור פיקסל אחד של חיישן הקו InGaAs.
מבט על המבנה ופרטים על החיישן.
מעגל משולב לתצוגה גמיש
ה-ROIC המשמש במצלמת Lynx מבוסס על ממשק חיישן ממוטב. הוא כולל פונקציונליות דיגיטלית כדי להתאים לפרמטרים התפעוליים הרבים. לכן, מתכנן המצלמה יכול לטפל בממדי פיקסלים שונים. אולם, הרבה יותר חשוב למשתמש, הוא בנוי להתאים למגוון רחב של יישומים שונים.
הדיאגראמה המלבנית המפושטת של ROIC באיור 2 מראה את חמשת השלבים של קדם-עיבוד של אות החיישן:
1. הפוטו-דיודה InGaAs עם גדלי פיקסל של 12.5×12.5 um עד 25x250um (יחס שטחים של 1:40) פועל יפה עם יכולות n-well של 7×105 עד 2×107 אלקטרונים (יחס קיבולים של 1:28).
2. ממיר המתח/זרם CVC, השומר את הפוטו-דיודה במטען קבוע במהלך שלב השילוב, מצויד בחמושה קיבולים שונים בתור משלבי מטען. אלה יכולים להיבחר כזמן-ריצה, יחידים או בצירוף כלשהו, היוצרים ערכים של 5fF, 25fF, 100fF, 500fF ו-2pF. כך נוצר מגוון רחב של מאפייני המרה לשם התאמה של גודל הפיקסלים לדרישות היישום.
3. השלב המבצע סריקה כפולה קשורה הדדית (correlated double scan – CDS) מפצה עבור שינויי היסט בממיר הזרם/מתח ומבטל את רעש האיפוס (reset noise). מאחר שרעש kTC שולט במיוחד בקיבולי שילוב נמוכים, כגון 5fF, CDS הוא חיוני. בקיבולי שילוב גדולים יותר, רעש התצוגה מדאיג יותר.
4. דרגת הדגום-ושמור מנתקת את השילוב והתצוגה, כך שהמטען של המסגרת האמיתית משולב בעוד שהמסגרת אשר שולבה לפני כן מוצגת.
5. מרבב אנלוגי ו-pad driver מזינים את כל ערכי הפיקסלים בצורה עוקבת למוצא ובהמשך לממיר אנלוגי לדיגיטלי חיצוני.
איור 3 מציע מבט על הפנים של המארז הסגור הרמטית בדרך כלל, המצויד בחלון בהיר. בצד הימני נמצא מבט מפורט של הקשר בין קו החיישן לשני ה-ROICs. שני מעגלי התצוגה מותקנים מעל ומתחת לקו החיישן, ומתחברים לפוטו-דיודות זוגיות ואי-זוגיות בהתאמה. לכן, מטריצת חיבורי ה-ROIC עשויה להיות גסה יותר מזו של החיישן.
מצלמת קו NIR רב-תכליתית
עם תסדירי חיישנים ו-ROIC גמיש, המצלמה החדשה של Lynx מתאימה היטב למגוון רחב ביותר של יישומים מדעיים, תעשייתיים ורפואיים, בהציעה הדמיה ישירה וספקטרוסקופיה. תהליכי הייצור התעשייתי המורכבים של היום דורשים שיטות בחינה לא-הרסניות. מטלות ספקטרוסקופיה והדמיה המתאפשרות על-ידי מצלמות הקו מאפשרות פיקוח רציף ועקבי בזמן-אמת של תהליכי ייצור מורכבים. המטרה היא ניהול התהליך תוך השגת תשואות ייצור ממוטבות.
לשם שילוב נוח בסביבת היישום, פלטפורמת המצלמה מציעה ממשק משתמש גמיש מאוד. בצד אותות וידאו אנלוגיים, היא מספקת גם נתוני הדמיה דיגיטליים ברוחב 16-ביט דרך חיבור CameraLink כמו גם Gigabit Ethernetמהיר, אשר תואם את ה-GigE Vision. כיוונון הפרמטרים ובקרת המצלמה מבוצעים דרך ממשק טורי. סנכרון התמונות עם אירועים חיצוניים מבוצע על-ידי מבוא התיחול, המציע פונקציות תיחול אחדות. מוצא תיחול מספק מידע אודות נקודות ההתחלה והסיום של מסגרת או/ו מצב האינטגרטור (משלב).
בין יכולות תרום-התהליך של המצלמה הוא מוד העל-מסגרת, המגדיל את התחום הדינמי היעיל. אם פיקסל אחד או אחדים בתוך מסגרת נוטים לגלוש לתוך רוויה, ברור שרמת ההארה עשויה להיות עדיין גדולה יותר ויהיה זה הגיוני ללכוד ולנתח גם תחום זה. במקרה זה, דגימה מחודשת ברגישות מופחתת (על-ידי מחזור אינטגרציה מקוצר) יניב נתונים מדויקים יותר. עד ארבע תת-מסגרות כאלה אפשריות, ומקובלות בהרבה יישומים, בשל תדר דגימת הקו הגבוה.
בית המצלמה (איור 4) מתאים למגוון שימושים מעשיים. ניתן להתאימו לספקטרומטר דרך תותב מתברג. ניתן להתאימו גם לעדשות תואמות שונות בעלות התקן הרכבה מסוג C.
החיצוניות הלא-בולטת של מצלמת ה-Lynx מסתירה את הרב-תכליתיות שלה.
תמיכה בתוכנה
מצלמת ה-Lynx שייכת לסוג מוצרים שניתן להשתמש בהם בהרבה דרכים גמישות והמצטיינים על-ידי הפתיחות המערכתית שלהם. כדי לתמוך במתכנני המערכות ומשתמשים סופיים כאחד, Xenics פיתחה מספר מוצרי תוכנה עבור המצלמה. ממשק המשתמש הגראפי Xeneth מבצע בקרת מצלמה ולכידת תמונות קלה. הוא מאחסן תמונות נייחות ווידאו בתצורות נתונים שונות. הוא גם מחשב היסטוגראמים, פרופילי קו וזמן ומאפשר הספקת צבעים מלאכותיים בעלי פרופילי צבע שונים.
ניתן לקבל את ה-Xeneth-SDK (System Development Kit) בתור כלי פיתוח יישומים עבור פלטפורמות Windows (פועל עם C, C++, C#, Visual Studio, Visual Basic ו-Delphi) כמו גם Linux (C ו-C++). קודי דגימה ותרשימי Labview םעצבים פונקציונליות ידידותית למשתמש זו. כתוצאה, פעולות המצלמה ניתנות להתאמה מדויקת מאוד לדרישות היישום.
יישום לדוגמה: בחינת NIR של תאי שמש מסוג Thinfilm
ייצור חשמל תוך שימוש בתאי שמש thinfilm CGIS (copper-gallium-diselenide) נהנה מיתרונות משמעותיים כגון מודולים בעלי משקל מופחת וגמישים. הם חוסכים אנרגיה וחומרים בתהליך הייצור ומניבים יעילויות טובות בתחום ספקטראלי רחב, אף בתנאי מזג-אוויר קשים.
ניתן לבחון מודולי שמש על-ידי ניתוח הקרינה האלקטרו-לומינסנטית הקרובה לתת-אדומה באמצעות השימוש במצלמות InGaAs רגישות במיוחד. דבר זה מקצר את משך פיתוח המודולים. ייצור המודולים ייהנה מהקניית אחידות הרכיבים, תוך שאיפה למערכות פוטו-וולטאיות אמינות, יעילות וארוכות-חיים ביותר.
המשמעות של בחינת הקרינה האלקטרולומינסנטית בתחום הקרוב לתת-אדום מוצגת בבירור באיור 5. בתחילת בדיקת קורוזיה (משמאל) מודול השמש מקרין דרך כל המשטח שלו. לאחר טיפול ממושך בקיטור חם במשך מעל 1000 שעות, המוצר הנבדק – אשר ברור שלא הותקן בצורה מיטבית – מראה קורוזיה חמורה (בצד ימין), במיוחד לאורך השפה שלו. דבר זה מקצר מעשית את מוצא האנרגיה למחצית.
סיכום
בזכות הרזולוציה הגבוהה והגמישות בשימוש שלהן, מצלמות הקו Lynx 1024 NIR ו-Lynx 2048 יכולות לשמש תחליף לפתרונות מרובי-מצלמות יקרים. חשוב יותר, הן מאפשרות פרויקטי חיישנים חדשים רבים, אשר עד כה נאלצו להידחות בשל העלות הגבוהה שלהם. מתכנני מערכות יכולים עתה ליהנות מהבחינה האמינה בתת-אדום בתהליכי ייצור תעשייתי רבים.
