Een hyperspectrale beeldsensor ter grootte van een schoendoos

Ik stel u hierbij CHIEM voor, een engineeringmodel van een nieuwe, compacte hyperspectrale VNIR-beeldsensor die geschikt is voor toepassingen in de ruimte, drones, de lucht en de stratosfeer. Volg onze reis naar een hyperspectrale beeldsensor die zo klein is als een schoenendoos maar het potentieel heeft om een grote strook van 80 km te leveren en een GSD van 20 m vanaf een hoogte van 500 km.

Hyperspectrale beeldvorming op cubesat-schaal

De CHIEM-beeldsensor is het jongste, maar ook het krachtigste lid van de familie hyperspectrale beeldsensors op basis van LVF, waar ook de COSICAM- en Butterfleye LS-camera’s toe behoren. CHIEM is opgebouwd rond een grote 12 MPixel CMOS-sensor en biedt een unieke configuratie van twee panchromatische kanalen en 154 spectrale banden die een golflengtebereik van 470-900 nm hebben, wat beeldvorming met hoge ruimtelijke en spectrale resoluties mogelijk maakt. De sensorchips zijn geproduceerd en gekarakteriseerd, en we zijn momenteel bezig met de voorbereiding van een demonstratiemissie in de ruimte.

In het verleden zijn grote satellieten gebruikt voor hyperspectrale beeldvorming vanuit de ruimte. Dit zijn zeer kostbare missies waarvoor er maar een paar kunnen worden gebouwd, wat leidt tot lange periodes tussen opnames.  Door hyperspectrale instrumenten op veel kleinere schaal te bouwen die geschikt zijn voor CubeSat-platformen wordt het mogelijk om een constellatie hyperspectrale satellieten te lanceren die vrijwel dagelijks informatie leveren over bv. de gezondheid van planten, waardoor men snel actie kan ondernemen voor de land- en bosbouw. Een eerste voorbeeld is de hyperspectrale beeldsensor Hyperscout die in februari 2018 is gelanceerd en zijn eerste beelden vanuit de ruimte heeft gemaakt.

Wat zit er in de doos?

De hyperspectrale sensor CHIEM is gebaseerd op dunne-film interferentiefiltertechnologie op een 2d-detectormatrix. Normaal worden deze dunne-film filters op een glassubstraat afgezet met een lineaire diktevariatie en achteraf op de detector gemonteerd. CHIEM maakt echter gebruik van een nieuwe, door imec ontwikkelde techniek, waarbij het filtermateriaal direct op de detector op wafelniveau pixel-precies wordt afgezet, wat flexibele geometrische filterontwerpen mogelijk maakt en ook de gevoeligheid voor strooilicht vermindert.

Deze techniek is geoptimaliseerd voor gebruik op een grote sensor (de AMS CMV12000 met 6 keer zoveel pixels als de COSI-Cam en ButterflEYE LS) en heeft een spectraal bereik van 470 nm tot 900 nm met een nauwe spectrale resolutie (FWHM) van tussen de 5 en 15 nm. Unieke en innovatieve ontwikkelingen zijn:

• de depositie van de filters op van achteren verlichte (BSI) sensoren. Dit biedt een twee tot drie keer zo hoge gevoeligheid in vergelijking met traditionele van voren verlichte detectoren en beter spectraal gedrag.
• de toevoeging van twee panchromatische beelden op dezelfde sensor, één bovenaan en één onderaan de sensor, waarmee “normale” beeldvorming en een scherper hyperspectraal beeld mogelijk wordt.

Maar alleen een mooie hightechcamera is natuurlijk niet genoeg. We moeten ook in staat zijn om de ruwe gegevens naar consumeerbare informatie om te zetten, en dat is waarom er een nieuwe, innovatieve beeldverwerkingsengine is ontwikkeld om de hypercubes te construeren die de ruimtelijke en spectrale informatie leveren.

Snelle en flexibele uitlezing en compact optisch ontwerp

Om het mogelijk te maken om de enorme hoeveelheid gegevens (tot 22 Gbps) op flexibele wijze te verwerken, heeft deltatec speciale uitleeselektronica gebouwd. Hiermee wordt een herconfigureerbaar sensorsysteem (frameafhankelijk) mogelijk dat verschillende belichtingstijden gebruikt en waarmee interessante gebieden kunnen worden geselecteerd en beeldcorrecties vóór compressie kunnen worden toegepast. De maximale framesnelheid in 10/12-bitmodus is meer dan 100 beelden per seconde.

Het optisch ontwerp van AMOS is zodanig dat het instrument op een 12U CubeSat-platform past. De compacte fronttelescoop heeft een volledig reflecterend anastigmatisch telecentrisch ontwerp met drie spiegels, wat een breed beeldveld (> 9.5o x 7.2o) met een beperkte vertekening oplevert. Met inbegrip van de tussenschotten is het vereiste instrumentvolume 300 x 200 x 130 mm3.

Op weg naar een operationele constellatie hyperspectrale satellieten

De CHIEM-sensoren zijn op dit moment geproduceerd en spectraal gekarakteriseerd. We kijken uit naar de voortzetting van ons werk om een volledig prototype-vluchtmodel van het instrument te bouwen voor een demonstratie in de ruimte, waarbij het einddoel is om een constellatie satellieten te hebben.

Naast het gebruik in de ruimte kan de CHIEM-camera ook worden gebruikt voor andere aardobservatieplatformen die verschillende detailniveaus aanbieden, zoals drones, luchttoepassingen of HAPS (high-altitude platform systems), waardoor de verzamelde informatie wordt geoptimaliseerd voor de toepassing

Voor meer informatie kunt u de webpagina over de ontwikkeling van de camera en sensor bezoeken.