Standard-Bildverarbeitungssysteme arbeiten im sichtbaren Spektrum. Eine Monochromkamera misst die Intensität. Eine Farbkamera misst die Intensität in drei breiten Spektralbändern. Beide Ansätze eignen sich zur Erfassung von Form, Maß, Oberflächenstruktur und Druckqualität. Keiner von beiden ist darauf ausgelegt, Werkstoffzusammensetzung, chemische Verunreinigung oder Eigenschaften unterhalb der Oberfläche zu erfassen.
Hyperspektrale und multispektrale Bildgebung erweitert den Spektralbereich eines Bildverarbeitungssystems über das Sichtbare hinaus. Sie erfasst, wie ein Werkstoff bei vielen Wellenlängen gleichzeitig mit Licht wechselwirkt. Diese Information kann Eigenschaften offenlegen, die herkömmlichen Kameras völlig verborgen bleiben, und eröffnet Prüfmöglichkeiten, die bislang analytischen Laborgeräten vorbehalten waren.
Was hyperspektrale Bildgebung ist und worin sie sich von RGB unterscheidet
Eine Standard-Farbkamera erfasst drei breite Spektralbänder: Rot, Grün und Blau. Jedes Bildpixel speichert drei Werte. Das genügt, um Farben zu unterscheiden, die das menschliche Auge als verschieden wahrnimmt, liefert aber nur eine sehr begrenzte spektrale Auflösung.
Eine hyperspektrale Kamera erfasst Hunderte schmaler Spektralbänder über einen weiten Wellenlängenbereich. Jedes Pixel speichert eine vollständige spektrale Signatur — eine Kurve, die beschreibt, wie viel Licht dieser Oberflächenpunkt bei jeder Wellenlänge reflektiert oder durchlässt. Diese spektrale Signatur ist kennzeichnend für den Werkstoff an dieser Stelle. Unterschiedliche Werkstoffe tragen in der Regel unterschiedliche spektrale Signaturen, selbst wenn sie für das Auge identisch aussehen.
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Das Ergebnis ist ein dreidimensionaler Datenwürfel: zwei räumliche Dimensionen und eine spektrale. Die Verarbeitung dieses Datenwürfels erlaubt es dem Bildverarbeitungssystem, Werkstoffe zu klassifizieren, Verunreinigungen zu identifizieren, chemische Veränderungen zu erkennen und die Zusammensetzung zu messen — Aufgaben, die mit herkömmlichen Bilddaten unmöglich sind.
Multispektral und hyperspektral: praktische Unterschiede
Die multispektrale Bildgebung nutzt eine geringere Zahl von Spektralbändern — typischerweise vier bis zwanzig —, ausgewählt nach ihrem Informationsgehalt für eine bestimmte Anwendung. Je nach Prüfaufgabe können die Bänder den sichtbaren Bereich, das nahe Infrarot (NIR), das kurzwellige Infrarot (SWIR) oder den Ultraviolettbereich (UV) abdecken.
Die hyperspektrale Bildgebung nutzt Hunderte schmaler, zusammenhängender Bänder über einen weiten kontinuierlichen Spektralbereich. Sie erfasst mehr Information, erzeugt jedoch weit größere Datenmengen und erfordert mehr Rechenleistung.
In der industriellen Qualitätskontrolle ist die multispektrale Bildgebung in Produktionsumgebungen weiter verbreitet. Die geringere Bänderzahl macht sie besser mit der Echtzeitverarbeitung an der Linie vereinbar. Die hyperspektrale Bildgebung findet häufiger in Forschung und Entwicklung, in der Offline-Qualitätsanalyse und dort Anwendung, wo maximale spektrale Auflösung gefordert ist.
Die Wahl zwischen multispektral und hyperspektral
Die Wahl zwischen multispektral und hyperspektral richtet sich nach den Anforderungen der Anwendung. Ist die spektrale Signatur des Zielwerkstoffs bereits bekannt und lässt sich ein kleiner Satz aussagekräftiger Wellenlängen bestimmen, ist die multispektrale Bildgebung mit festem Bändersatz praktischer und wirtschaftlicher. Sind die spektralen Eigenschaften des Ziels unbekannt oder stark schwankend, liefert die hyperspektrale Bildgebung die vollständigen Spektraldaten, die zur Entwicklung eines zuverlässigen Erkennungsalgorithmus nötig sind.
Beleuchtungsanforderungen an spektrale Bildgebungssysteme
Die Lichtquelle ist eine kritische Komponente jedes spektralen Bildgebungssystems. Die Kamera kann nur Wellenlängen messen, die in der Beleuchtung vorhanden sind. Emittiert die Lichtquelle nicht im interessierenden Spektralbereich, empfängt die Kamera bei diesen Wellenlängen kein Signal.
In industriellen spektralen Bildgebungssystemen kommen drei Beleuchtungsansätze zum Einsatz.
Breitbandbeleuchtung
Die Breitbandbeleuchtung deckt mit einer einzigen Quelle einen weiten Spektralbereich ab. Wolfram-Halogenlampen sind die klassische Breitbandquelle und liefern eine kontinuierliche Emission von UV bis NIR. Moderne Hochleistungs-LED-Quellen können sich einer Breitbandabdeckung annähern, indem sie mehrere Emitter unterschiedlicher Wellenlänge in einem Gehäuse vereinen. Breitbandbeleuchtung eignet sich für hyperspektrale Systeme, die eine vollständige spektrale Abdeckung benötigen.
Spektral abgestimmte LED-Beleuchtung
Für multispektrale Systeme mit einem festen Satz bekannter Wellenlängen ist eine darauf abgestimmte LED-Beleuchtung der bevorzugte Ansatz. LEDs bieten schmale spektrale Emissionsmaxima, hohe Intensität und lange Lebensdauer. Eine multispektrale Beleuchtung lässt sich aufbauen, indem LEDs unterschiedlicher Wellenlänge in einem Gehäuse kombiniert werden, wobei jede Wellenlänge einzeln schaltbar ist.
RODER Vision fertigt LED-Beleuchtungen in Wellenlängen von 365 nm im UV über die sichtbaren Farben bis zu 850 nm und 940 nm im nahen Infrarot. Multi-Wellenlängen-Konfigurationen lassen sich mit Kombinationen mehrerer Wellenlängen im selben Gehäuse spezifizieren. So können Ingenieure kompakte multispektrale Beleuchtungssysteme aus Standard-Produktfamilien aufbauen, ohne Sonderoptiken.
Abstimmbare und sequenzielle Beleuchtung
Abstimmbare Beleuchtungssysteme schalten die Wellenlängen nacheinander und nehmen bei jeder ein Bild auf. Die Kamera erfasst eine Bildfolge, jedes Bild mit einer anderen Wellenlänge beleuchtet, und die spektrale Information wird aus der Folge zusammengesetzt. Dieser Ansatz erfordert, dass das Bauteil während der Aufnahmefolge stillsteht oder dass die Schaltgeschwindigkeit hoch genug ist, um die Bewegung an einer laufenden Linie einzufrieren.
RODER Vision-Beleuchtungen unterstützen das unabhängige Schalten der Kanäle über digitale Eingänge. Damit sind sie mit sequenziellen multispektralen Aufbauten kompatibel, bei denen die Beleuchtungswellenlänge zwischen den Einzelbildern gewechselt und mit dem Kameratrigger synchronisiert wird.
Industrielle Anwendungen der spektralen Bildgebung
Lebensmittelqualität und Erkennung von Verunreinigungen
Die spektrale NIR-Bildgebung wird in der Lebensmittelverarbeitung breit eingesetzt, um Fremdkörper zu erkennen, den Feuchtegehalt zu bestimmen und Ware außerhalb der Spezifikation auszuschleusen. Knochensplitter in Geflügel, Kunststoffverunreinigungen in Getreide und Druckstellen an Obst sind Beispiele für Fehler, die Standardkameras verborgen bleiben, mit multispektraler NIR-Bildgebung jedoch erkennbar sind.
Pharmazeutische Prüfung
Die pharmazeutische Fertigung nutzt die spektrale Bildgebung, um die Zusammensetzung von Tabletten zu prüfen, Mischfehler in Pulvermischungen aufzudecken und falsche oder degradierte Wirkstoffe zu melden. Am häufigsten kommen NIR- und SWIR-Wellenlängen zum Einsatz. Da die spektrale Signatur jedes Wirkstoffs bekannt ist, lässt sich der Tabletteninhalt in Echtzeit und ohne zerstörende Probenahme verifizieren.
Recycling und Materialsortierung
Die spektrale NIR-Bildgebung ist die Schlüsseltechnologie der automatisierten Sortierung im Kunststoffrecycling. Unterschiedliche Polymertypen — PET, HDPE, PP, PVC — besitzen eigene NIR-Signaturen. Eine hyperspektrale Sortieranlage kann Kunststoffteile in Echtzeit nach Polymertyp klassifizieren und in den richtigen Recyclingstrom lenken. Diese Anwendung wächst rasch, da die Anforderungen an Rezyklatanteile in der Verpackungsgesetzgebung strenger werden.
Landwirtschaft und Sortierung von Erzeugnissen
Die multispektrale Bildgebung kommt in landwirtschaftlichen Sortierlinien zum Einsatz, um Erzeugnisse nach Reifegrad zu sortieren, Krankheiten zu erkennen und Pestizidrückstände zu melden. Chlorophyllgehalt, Wasserstress und Zuckerkonzentration besitzen spektrale Signaturen im sichtbaren und im NIR-Bereich. Sortiersysteme auf Basis spektraler Bildgebung liefern genauere und gleichmäßigere Ergebnisse als die visuelle Prüfung durch Menschen.
Herausforderungen der industriellen spektralen Bildgebung
Spektrale Bildgebungssysteme erzeugen große Datenmengen. Ein hyperspektrales Bild eines kleinen Bereichs kann pro Einzelbild Hunderte Megabyte umfassen. Diese Daten in Echtzeit zu verarbeiten erfordert erhebliche Rechenressourcen und effizient ausgelegte Algorithmen.
Die Kosten sind ein wesentlicher Faktor. Hyperspektrale Kameras sind deutlich teurer als Standard-Monochrom- oder Farbkameras. Das Beleuchtungssystem muss den geforderten Spektralbereich mit ausreichender Intensität und Gleichmäßigkeit abdecken. Die Systemintegration ist aufwendiger als bei einer Standard-Bildverarbeitungszelle.
Aus diesen Gründen wird die spektrale Bildgebung in der Regel dort eingesetzt, wo sich die Prüfaufgabe mit Standardverfahren nicht lösen lässt und der Wert der gewonnenen Information die Mehrkosten rechtfertigt. Mit sinkenden Kamerakosten und einer effizienteren KI-gestützten Verarbeitung sinkt die wirtschaftliche Einstiegsschwelle für die spektrale Bildgebung weiter.
Wohin sich die hyperspektrale Bildgebung in der industriellen Bildverarbeitung entwickelt
Der Trend der industriellen spektralen Bildgebung geht zu kleineren, schnelleren und günstigeren Systemen. Zeilenkameras für hyperspektrale Aufnahmen, ausgelegt für die Integration am Förderband, sind zu Preisen erhältlich, die vor fünf Jahren undenkbar waren. SWIR-Kameras mit InGaAs-Sensoren, einst teuren Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsanwendungen vorbehalten, erschließen jetzt die Märkte der industriellen Qualitätskontrolle.
Abstimmbare LED-Beleuchtung ist eine Schlüsseltechnologie für diese Marktentwicklung. Mit steigender LED-Effizienz und ausgereifteren Konstruktionen für Multi-Wellenlängen-Beleuchtungen sinken die Kosten des Beleuchtungs-Subsystems multispektraler Anlagen weiter. Die Multi-Wellenlängen-Kompetenz von RODER Vision positioniert die Produktpalette für diese entstehenden Anwendungen, während sie in die industrielle Prüfung des Alltags vordringen.
Produkte und Technologien
RODER Vision-Beleuchtungsfamilien mit mehreren Wellenlängen
Die folgenden RODER Vision-Familien sind in mehreren Wellenlängenoptionen erhältlich, darunter UV, sichtbares Licht und NIR. Sie eignen sich für multispektrale Aufbauten in der industriellen Qualitätskontrolle.
DL6 — LED-Matrix mit hoher Dichte
Erhältlich von 365 nm im UV bis 940 nm im NIR. Dichte Matrix für hochintensive multispektrale Beleuchtung. HTTM-Temperaturstabilität für eine gleichbleibende spektrale Ausgangsleistung.
DC6 — LED-Ring mit hoher Dichte
Ringbeleuchtung mit mehreren Wellenlängen für kompakte spektrale Aufbauten. Geeignet für runde Bauteile und Anwendungen mit sequenziellem Wellenlängenwechsel.
BL3 — LED-Durchlichtbeleuchtungen
Erhältlich in NIR-Wellenlängen für die spektrale Bildgebung im Transmissionsbetrieb. Hohe Gleichmäßigkeit für quantitative spektrale Messungen, die eine konstante Hintergrundausleuchtung erfordern.
FD2 — LED-Flachdombeleuchtungen
Schattenfreie diffuse Beleuchtung in mehreren Wellenlängen. Ideal für die spektrale Reflexionsbildgebung ebener oder gewölbter Oberflächen ohne spiegelnde Störungen.
Häufig gestellte Fragen
Die hyperspektrale Bildgebung erfasst Hunderte schmaler, zusammenhängender Spektralbänder über einen weiten Wellenlängenbereich und erzeugt für jedes Pixel eine vollständige spektrale Signatur. Die multispektrale Bildgebung nutzt eine geringere Zahl ausgewählter Bänder, typischerweise vier bis zwanzig, ausgewählt nach ihrem Informationsgehalt für eine bestimmte Anwendung. Multispektrale Systeme sind in industriellen Produktionsumgebungen verbreiteter, da sie geringere Datenmengen und schnellere Verarbeitung erfordern.
Die multispektrale Nahinfrarot-Bildgebung nutzt typischerweise Wellenlängen zwischen 700 nm und 1700 nm. Gängige LED-Wellenlängen für die industrielle NIR-Beleuchtung sind 780 nm, 850 nm und 940 nm. Die SWIR-Bildgebung im Bereich von 1000 nm bis 1700 nm erfordert InGaAs-Sensoren und wird in Pharma- und Recyclinganwendungen eingesetzt, in denen die interessierenden spektralen Signaturen in diesem Bereich liegen.
Ja, sofern die LED-Wellenlänge dem von der Anwendung benötigten Spektralband entspricht. Für multispektrale Systeme mit sequenzieller Aufnahme bei mehreren Wellenlängen lassen sich LED-Beleuchtungen mit unabhängig schaltbaren Wellenlängenkanälen einsetzen. Der Kanal wird synchron zum Kameratrigger geschaltet, sodass je Wellenlänge ein Bild entsteht. RODER Vision-Beleuchtungen unterstützen die dafür geeignete Triggerung über digitale Eingänge.
UV-Beleuchtung bei 365 nm dient dazu, fluoreszierende Verunreinigungen, Klebstoffreste, Schmierstoffspuren und biologische Verunreinigungen auf Oberflächen zu erkennen. Viele organische Stoffe fluoreszieren unter UV und machen damit Verunreinigungen sichtbar, die unter weißem Licht verborgen bleiben. UV-Beleuchtung wird zudem in Pharma- und Lebensmittelsicherheitsanwendungen zur Erkennung von Oberflächenrückständen eingesetzt.
Hyperspektrale Zeilenkameras lassen sich in förderbandgestützte Produktionslinien integrieren, wobei die Bandbewegung die räumliche Abtastrichtung liefert. Die Hauptbeschränkung ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit. Hyperspektrale Echtzeitverarbeitung bei Linientakt erfordert dedizierte Rechenhardware. Die multispektrale Bildgebung mit weniger Bändern ist für schnelle Linien praktikabler, bei denen die Verarbeitungslatenz gering bleiben muss.
Kontakte & Informationen
Kontakt für allgemeine Informationen : info@roder.it
Partner für System- und Sensorintegration : www.roder.it
RODER Bildverarbeitungs-Abteilung : www.rodervision.com
RODER Abteilung Messinstrumente : www.innovacheck.com
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