Rappe sensor voor de komkommertijd

Dat biedt niet alleen perspectief voor de fruittelers.

Elk jaar produceert agrarisch Nederland dik vier miljard gulden aan groente en fruit. Ondanks de vergevorderde mechanisering blijven mensenhanden onontbeerlijk bij de productie. Het volledig automatisch sorteren van de pokdalige knollen en vruchten wil bijvoorbeeld nog steeds niet goed lukken. Aan het begin van de productielijn staan daarom vaak mensen de rotte piepers van de superbintjes te scheiden.

Ook in andere industrietakken vergt de controle van massaproducten menselijke tussenkomst. De inspectie van onderdelen en halffabrikaten gebeurt vrijwel altijd steekproefsgewijs. Een procedure die de kans op een misbaksel nooit helemaal uitsluit, en bovendien een commercieel risico vormt in een wereld vol mondige consumenten. Falende producten kunnen tegenwoordig onverwacht hard kan terugslaan op de fabrikant.

Het is dus wenselijk de inspectie in de productielijn te integreren. Zo kan immers elke product op een defect gescand worden. Maar de menselijke waarneming laat zich niet zomaar vervangen. De visuele controle van een goudrenet vergt een ervaren blik, een handigheidje die zich moeilijk in een elektronisch brein laat stoppen.

Eigenlijk kan een computer maar op één manier zien of een product het ok-stempel verdient: nauwkeurig meten en kijken of de gevonden waarden binnen de gewenste tolerantiegrenzen vallen. Maar nauwkeurig meten kost tijd, en die is er niet aan de lopende band. Bovendien hebben fysieke producten drie dimensies, een gegeven waarmee camera’s en andere kunstmatige ogen maar moeilijk uit de voeten kunnen.

Voor dit probleem ligt uiteraard al tijden een oplossing in de kast. ,,Halverwege de jaren zeventig werd in Japan een systeem bedacht dat een voorwerp heel snel kan scannen: sheet-of-light range imaging”, vertelt Michiel de Bakker, die 27 maart promoveert bij de sectie patroonherkenning van Technische Natuurkunde. ,,Hierbij scan je het object met een lichtvlak in plaats van de gebruikelijke lichtbundel. Zo kun je in principe heel snel ruimtelijke metingen uitvoeren.”

Plakjes

De lichtvlakmethode maakt een soort omtrektekening van een voorwerp. Op de plek waar het lichtvlak het meetobject snijdt, verschijnt een heldere contourlijn. Een stelsel van spiegels en lenzen projecteert deze lichtstreep op een lichtgevoelige sensor. Terwijl het voorwerp door het lichtvlak beweegt, tekent zich op de sensor een reeks contourlijnen af die het object nauwkeurig definieert. Optische plakjes cake waarmee zelfs een computer kan uitvogelen hoe het ding eruit ziet.

Dat is althans de theorie. Het idee bleef echter lange tijd een hersenspinsel. Er waren domweg geen bruikbare sensoren. De beeldchips die in camcorders zitten zijn veel te traag: een ruimtelijk plaatje van voortsnellende appels of peren vereist aanzienlijk meer reactievermogen dan de jaarlijkse familiereünie.

Door de jaren heen braken vele onderzoekers zich het hoofd over zo’n sensor. Hoe het ding er ongeveer uit zou moeten zien is nu langzamerhand wel bekend. Restte er nog maar een ding: een werkend prototype. Een ontwerpklus waar De Bakker in 1995 zijn tanden in besloot te zetten.

,,Tja, erg fundamenteel is dit onderzoek niet”, erkent hij. ,,Het concept van de sensor, een ontwerp van mijn begeleider Piet Verbeek, stond tenslotte al vast. Het is daardoor meer een development klus geworden.”

De Bakkers sensor is een zogenaamde position sensitive detector array (psd). In plaats van een raster van losse beeldpunten, een gebruikelijk ontwerp bij beeldchips, bestaat het hart van zijn sensor uit een rij lichtgevoelige strookjes. Een soort miniatuurharpje dat wordt aangetokkeld door een lichtbundel, en als melodie een rij spanningsverschillen oplevert. Door deze spanningspiekjes te meten, is precies te achterhalen waar de lichtbundel het strookje raakte. Alle strookjes bij elkaar kunnen dus een rij lichtpuntjes detecteren. Een lijn kortom. Dat maakt de psd-sensor een uitstekende kandidaat voor de sheet-of-light methode. Het ding is namelijk razendsnel. ,,De meetsnelheid ligt een factor honderd hoger dan die van reguliere beeldchips. Dat betekent dat je een ruimtelijke meting kunt uitvoeren aan producten die zich met pakweg tien meter per seconde voortbewegen.”

De chip heeft zijn reactievermogen vooral te danken aan de hogere uitleessnelheid. Bij een doorsnee videochip moet elk beeldpunt apart worden bemonsterd, een betrekkelijk tijdrovend klusje. De strookjes van De Bakkers sensor worden daarentegen gewoon doorgemeten. Daardoor haalt zijn chip een sample rate van twee megahertz, terwijl een camerachip op zestien kilohertz blijft steken.

Maar de snelheid heeft wel een prijs. ,,Het signaal van psd-sensor bevat vrij veel ruis. Dat moet je dus compenseren in de signaalverwerking. De chip bevat behalve de meetstrookjes daarom ook wat versterkingselektronica.”

Maakbaar

Dat De Bakkers onderzoeksdoel van te voren vaststond, betekent niet dat hij geen problemen tegenkwam. Achter het uitlezen van de sensor bleek een complex theoretisch verhaal te zitten. De grootste drempel was evenwel dat hij totaal niets van chipsproductie afwist. ,,Ik kom oorspronkelijk uit de opticahoek, dus ik ben letterlijk vanaf nul begonnen. Maar ik kreeg gelukkig wel hulp van onder meer Dimes en de Technisch Physische Dienst. Aan die ondersteuning heb ik veel gehad. En zo kom je uiteindelijk toch tot een ontwerp. Dat verstuur je naar Dimes, en dan krijg je na een aantal maanden een chip terug.”

Ook daar geen al te grote verrassingen: de sensor voldeed redelijk aan de verwachtingen. Een mooi moment, vindt de promovendus. ,,Dan heb je toch weer even het gevoel dat de wereld maakbaar is. Maar een chip ontwerpen kan ook heel frustrerend zijn. Vooral het debuggenvan zo’n ding is lastig werk. Het kan tenslotte enkele maanden duren voor het herontwerp klaar is. Dat maakt een goed werkend exemplaar alleen maar mooier.”

Vorig jaar heeft De Bakker met kompaan Hans Netten het bedrijf ‘In3D’ opgericht, waarmee ze de 3D-chip aan de man gaan brengen. Hiervoor is met technologiestichting STW, die het onderzoek financierde, een regeling getroffen voor het overnemen van de onderzoeksresultaten. In de zomer denkt De Bakker de commerciële versie van de sensor af te hebben. ,,We leveren straks een compleet product, maar wij zullen ons vooral bekommeren om de chip en de software. De rest van de technologie kopen we in.” Er is inmiddels al voorzichtige belangstelling uit de voedselindustrie. ,,Daarbij moet je denken aan sorteermachines voor komkommers of zaadjes. Maar we werken ook aan een systeem dat auto-onderdelen kan controleren.”

De stap van onderzoeker naar ondernemer viel hem in elk geval niet zwaar. De Bakker: ,,Die ommezwaai is eigenlijk heel geleidelijk gegaan. Op een gegeven moment sloeg de balans naar de ondernemerskant over. Maar ondernemen is vooral veel regelwerk, en ik heb voor dit onderzoek ook behoorlijk moeten rondshoppen. Wat dat betreft is er niet zo’n groot verschil.”

Behalve dan dat hij als ondernemer niet meer het achterste van zijn tong kan laten zien. ,,Over mijn mooiste aha-erlebnis in dit onderzoek kan ik helaas niet veel vertellen”, verontschuldigt hij zich dan ook. ,,Daarover loopt namelijk nog een patentaanvraag.”

Kader

een contourlijn op het productoppervlak. Deze snijlijn wordt vervolgens op de psd-sensor geprojecteerd. Door een reeks contourlijnen te bemonsteren, kunnen de dimensies van een product worden gemeten.

strookjes. Waar het licht de strookjes raakt, treedt een spanningspiek in het materiaal op. De plaats van de lichtbundel wordt bepaalt door het spanningsverloop over elk strookje te meten. Zo kan de geprojecteerde contourlijn snel gereconstrueerd worden, een procedure die twee miljoen keer per seconde wordt uitgevoerd.

De ene appel is de andere niet, maar voor computers is dat verschil niet altijd even duidelijk. Michiel de Bakker ontwikkelde echter een chip die diepte ziet en wil daarmee de boer op. Dat biedt niet alleen perspectief voor de fruittelers.

Elk jaar produceert agrarisch Nederland dik vier miljard gulden aan groente en fruit. Ondanks de vergevorderde mechanisering blijven mensenhanden onontbeerlijk bij de productie. Het volledig automatisch sorteren van de pokdalige knollen en vruchten wil bijvoorbeeld nog steeds niet goed lukken. Aan het begin van de productielijn staan daarom vaak mensen de rotte piepers van de superbintjes te scheiden.

Ook in andere industrietakken vergt de controle van massaproducten menselijke tussenkomst. De inspectie van onderdelen en halffabrikaten gebeurt vrijwel altijd steekproefsgewijs. Een procedure die de kans op een misbaksel nooit helemaal uitsluit, en bovendien een commercieel risico vormt in een wereld vol mondige consumenten. Falende producten kunnen tegenwoordig onverwacht hard kan terugslaan op de fabrikant.

Het is dus wenselijk de inspectie in de productielijn te integreren. Zo kan immers elke product op een defect gescand worden. Maar de menselijke waarneming laat zich niet zomaar vervangen. De visuele controle van een goudrenet vergt een ervaren blik, een handigheidje die zich moeilijk in een elektronisch brein laat stoppen.

Eigenlijk kan een computer maar op één manier zien of een product het ok-stempel verdient: nauwkeurig meten en kijken of de gevonden waarden binnen de gewenste tolerantiegrenzen vallen. Maar nauwkeurig meten kost tijd, en die is er niet aan de lopende band. Bovendien hebben fysieke producten drie dimensies, een gegeven waarmee camera’s en andere kunstmatige ogen maar moeilijk uit de voeten kunnen.

Voor dit probleem ligt uiteraard al tijden een oplossing in de kast. ,,Halverwege de jaren zeventig werd in Japan een systeem bedacht dat een voorwerp heel snel kan scannen: sheet-of-light range imaging”, vertelt Michiel de Bakker, die 27 maart promoveert bij de sectie patroonherkenning van Technische Natuurkunde. ,,Hierbij scan je het object met een lichtvlak in plaats van de gebruikelijke lichtbundel. Zo kun je in principe heel snel ruimtelijke metingen uitvoeren.”

Plakjes

De lichtvlakmethode maakt een soort omtrektekening van een voorwerp. Op de plek waar het lichtvlak het meetobject snijdt, verschijnt een heldere contourlijn. Een stelsel van spiegels en lenzen projecteert deze lichtstreep op een lichtgevoelige sensor. Terwijl het voorwerp door het lichtvlak beweegt, tekent zich op de sensor een reeks contourlijnen af die het object nauwkeurig definieert. Optische plakjes cake waarmee zelfs een computer kan uitvogelen hoe het ding eruit ziet.

Dat is althans de theorie. Het idee bleef echter lange tijd een hersenspinsel. Er waren domweg geen bruikbare sensoren. De beeldchips die in camcorders zitten zijn veel te traag: een ruimtelijk plaatje van voortsnellende appels of peren vereist aanzienlijk meer reactievermogen dan de jaarlijkse familiereünie.

Door de jaren heen braken vele onderzoekers zich het hoofd over zo’n sensor. Hoe het ding er ongeveer uit zou moeten zien is nu langzamerhand wel bekend. Restte er nog maar een ding: een werkend prototype. Een ontwerpklus waar De Bakker in 1995 zijn tanden in besloot te zetten.

,,Tja, erg fundamenteel is dit onderzoek niet”, erkent hij. ,,Het concept van de sensor, een ontwerp van mijn begeleider Piet Verbeek, stond tenslotte al vast. Het is daardoor meer een development klus geworden.”

De Bakkers sensor is een zogenaamde position sensitive detector array (psd). In plaats van een raster van losse beeldpunten, een gebruikelijk ontwerp bij beeldchips, bestaat het hart van zijn sensor uit een rij lichtgevoelige strookjes. Een soort miniatuurharpje dat wordt aangetokkeld door een lichtbundel, en als melodie een rij spanningsverschillen oplevert. Door deze spanningspiekjes te meten, is precies te achterhalen waar de lichtbundel het strookje raakte. Alle strookjes bij elkaar kunnen dus een rij lichtpuntjes detecteren. Een lijn kortom. Dat maakt de psd-sensor een uitstekende kandidaat voor de sheet-of-light methode. Het ding is namelijk razendsnel. ,,De meetsnelheid ligt een factor honderd hoger dan die van reguliere beeldchips. Dat betekent dat je een ruimtelijke meting kunt uitvoeren aan producten die zich met pakweg tien meter per seconde voortbewegen.”

De chip heeft zijn reactievermogen vooral te danken aan de hogere uitleessnelheid. Bij een doorsnee videochip moet elk beeldpunt apart worden bemonsterd, een betrekkelijk tijdrovend klusje. De strookjes van De Bakkers sensor worden daarentegen gewoon doorgemeten. Daardoor haalt zijn chip een sample rate van twee megahertz, terwijl een camerachip op zestien kilohertz blijft steken.

Maar de snelheid heeft wel een prijs. ,,Het signaal van psd-sensor bevat vrij veel ruis. Dat moet je dus compenseren in de signaalverwerking. De chip bevat behalve de meetstrookjes daarom ook wat versterkingselektronica.”

Maakbaar

Dat De Bakkers onderzoeksdoel van te voren vaststond, betekent niet dat hij geen problemen tegenkwam. Achter het uitlezen van de sensor bleek een complex theoretisch verhaal te zitten. De grootste drempel was evenwel dat hij totaal niets van chipsproductie afwist. ,,Ik kom oorspronkelijk uit de opticahoek, dus ik ben letterlijk vanaf nul begonnen. Maar ik kreeg gelukkig wel hulp van onder meer Dimes en de Technisch Physische Dienst. Aan die ondersteuning heb ik veel gehad. En zo kom je uiteindelijk toch tot een ontwerp. Dat verstuur je naar Dimes, en dan krijg je na een aantal maanden een chip terug.”

Ook daar geen al te grote verrassingen: de sensor voldeed redelijk aan de verwachtingen. Een mooi moment, vindt de promovendus. ,,Dan heb je toch weer even het gevoel dat de wereld maakbaar is. Maar een chip ontwerpen kan ook heel frustrerend zijn. Vooral het debuggenvan zo’n ding is lastig werk. Het kan tenslotte enkele maanden duren voor het herontwerp klaar is. Dat maakt een goed werkend exemplaar alleen maar mooier.”

Vorig jaar heeft De Bakker met kompaan Hans Netten het bedrijf ‘In3D’ opgericht, waarmee ze de 3D-chip aan de man gaan brengen. Hiervoor is met technologiestichting STW, die het onderzoek financierde, een regeling getroffen voor het overnemen van de onderzoeksresultaten. In de zomer denkt De Bakker de commerciële versie van de sensor af te hebben. ,,We leveren straks een compleet product, maar wij zullen ons vooral bekommeren om de chip en de software. De rest van de technologie kopen we in.” Er is inmiddels al voorzichtige belangstelling uit de voedselindustrie. ,,Daarbij moet je denken aan sorteermachines voor komkommers of zaadjes. Maar we werken ook aan een systeem dat auto-onderdelen kan controleren.”

De stap van onderzoeker naar ondernemer viel hem in elk geval niet zwaar. De Bakker: ,,Die ommezwaai is eigenlijk heel geleidelijk gegaan. Op een gegeven moment sloeg de balans naar de ondernemerskant over. Maar ondernemen is vooral veel regelwerk, en ik heb voor dit onderzoek ook behoorlijk moeten rondshoppen. Wat dat betreft is er niet zo’n groot verschil.”

Behalve dan dat hij als ondernemer niet meer het achterste van zijn tong kan laten zien. ,,Over mijn mooiste aha-erlebnis in dit onderzoek kan ik helaas niet veel vertellen”, verontschuldigt hij zich dan ook. ,,Daarover loopt namelijk nog een patentaanvraag.”

Kader

een contourlijn op het productoppervlak. Deze snijlijn wordt vervolgens op de psd-sensor geprojecteerd. Door een reeks contourlijnen te bemonsteren, kunnen de dimensies van een product worden gemeten.

strookjes. Waar het licht de strookjes raakt, treedt een spanningspiek in het materiaal op. De plaats van de lichtbundel wordt bepaalt door het spanningsverloop over elk strookje te meten. Zo kan de geprojecteerde contourlijn snel gereconstrueerd worden, een procedure die twee miljoen keer per seconde wordt uitgevoerd.