Pixelshift - Pixel und Piezo

Piezo-Stages für Pixelshift-Verfahren in industriellen Kameras und Mikroskopen sorgen für schärfere Bilder und präzisere Ergebnisse.

Die Inspektions- und Prüftechnik stellt hohe Anforderungen an Mikroskop-Kameras. Je höher die Auflösung eines Bildes, desto detailreicher kann die zu prüfende Fläche abgebildet werden. Geschwindigkeit spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle, Prüfverfahren sollen schließlich in einem adäquaten Zeitrahmen stattfinden. Auch hier ist Zeit Geld.

Die Hersteller von Mikroskopen und den dazugehörigen Kameras bringen in regelmäßigen Abständen verbesserte Produkte auf den Markt. Lediglich leistungsfähigere Bildsensoren einzusetzen, ist dabei aber nicht alles. Immer mehr derzeit erhältliche Mikroskop-Kameras verfügen daher auch über eine sogenannte Pixelshift-Funktion. Mit ihr lassen sich die Standardauflösungen der Bildsensoren (z.B. CCD, CMOS oder FPA) um ein Vielfaches erhöhen und die Farbgebung optimieren. Piezo-Stages spielen in diesem Verfahren eine elementare Rolle.

Wie funktioniert Pixelshift?

Pixelshift bedeutet, dass ein Bild mehrere Male aufgenommen wird, zum Beispiel die zu untersuchende Probe unter dem Mikroskop. Bei jeder Aufnahme wird die Linse oder der Bildsensor dabei jeweils um einen halben oder ein Drittel Pixel verschoben. Die so gewonnen Aufnahmen werden dann im Computer rechnerisch zusammengeführt. Das Ergebnis: ein um ein Vielfaches höher aufgelöstes Bild. Die Auflösung hängt dabei von der Anzahl der zusammengesetzten Einzelbilder ab – sie steigt um das Vierfache bei der Verschiebung um je einen halben Pixel, um das Neunfache bei der Verschiebung um jeweils ein Drittel Pixel. Die Farbechtheit bleibt trotz dieser hohen Auflösungen erhalten. Auch Pixeldefekte werden korrigiert. Insgesamt wird durch das Pixelshift-Verfahren der Wirkungsgrad des Bildsensors erhöht.

Piezo-Aktoren eignen sich ideal für Pixelshift-Verfahren in industriellen Kameras

Grafik: Funktionsweise des Pixelshift-Verfahrens

The XY-L Scanner is a customized piezo stage for Pixelshift applications

XY-L Scanner von piezosystem jena für Pixelshift-Anwendungen

Die optimale technologische Grundlage des Pixelshift-Verfahrens ist eine Piezo-Stage, die den Bildsensor oder die Linse auf der X- und Y-Achse versetzt – also einen „Shift“ macht – und so die versetzte Mehrfachaufnahme erst ermöglicht. Nur Piezo-Systeme liefern hier die benötigten Auflösungen für die notwendige Verschiebung im µm-Bereich.

Ein Bildpixel hat zwar an sich keine standardisierte Größe, jedoch werden in industriellen Kameras meist größere Bildsensoren mit Pixeln um die 5 µm verwendet. Diese größeren Sensoren bieten größere lichtaktive Flächen, was deutlich schärfere Bilder und damit detailliertere Untersuchungsergebnisse produziert. Consumer-Produkte hingegen setzen in der Regel auf kleinere Sensoren, liefern aber auch ein wesentlich höheres Bildrauschen.

Die Auflösung einer Piezo-Stage ist theoretisch unbegrenzt und die Schrittweiten der Piezo-Tische sind nahezu unendlich verkleinerbar. Somit sind auch wesentlich feinere Pixelshifts – im Nanometerbereich - realisierbar. Vielfach limitieren jedoch die Rechenleistung aktueller PCs und die Kapazität derzeitiger Displays das Arbeiten mit derartig hohen Auflösungen. Mit leistungsfähigeren Computern werden in Zukunft immer kleinere Pixelshifts in Kamera- und Mikroskop-Systemen möglich sein. Die Piezo-Elemente sind jetzt schon dafür bereit.

Piezo-Tische haben noch weitere entscheidende Vorteile für das Pixelshift-Verfahren: Sie bieten schnelle Reaktionszeiten in Milli- und Mikrosekundenbereich, können eine sehr hohe Wiederholbarkeit der auszuführenden Mikro- oder Nano-Schritte gewährleisten und sind nicht zuletzt sehr langlebig. 

Welche Piezo-Systeme eignen sich für Pixelshift?

Der „Shift“ kann auf unterschiedliche Weise mit einer Piezo-Stage realisiert werden. Piezo-Tische, wie etwa die Modelle der PXY-Serie von piezosystem jena, ermöglichen präzise, wiederholbare Bewegungen entlang eines XY-Koordinatensystems. Aber auch Piezo-Kippsysteme der PSH-Reihe sind hierfür einsetzbar. Sie realisieren den „Shift“ der Linse oder des Bildsensors mithilfe der Veränderung des Kippwinkels. Je nach Konstruktion und Intention eines Mikroskops oder einer Kamera können allerdings auch andere Piezo-Tische wie etwa der ScanXY 40 oder Systeme der NanoX®-Serie in Frage kommen.

Um die hohen Auflösungen der Piezo-Tische auch abzurufen, spielt die Elektronik zur Ansteuerung eine wichtige Rolle. Hier gilt: Je geringer das elektronische Rauschen, umso kleiner die Schrittweiten, die erreicht werden können. Das ist natürlich nicht nur für Pixelshift-Verfahren von Bedeutung, sondern auch für jede Anwendung die Schrittweiten im Mikro-, Nano- oder sub-Nanometerbreich benötigt. piezosystem jena hat dafür eine Reihe von besonders rauscharmen Piezo-Controllern entwickelt. Beim Digitalverstärker d-Drivepro beispielsweise, liegt der Rauschwert unter 0,15 mV.

Sie entwickeln gerade ein Mikroskop oder Kamerasystem und suchen die optimale Stage für die Pixelshift-Integration? Wir beraten Sie gerne. Kontaktieren Sie uns einfach unter info(at)piezojena.com, nutzen Sie unser Kontaktformular oder rufen Sie uns unter +49(0)364166880 an. Einen Überblick über unsere Produkte finden Sie hier.

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