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Infrarotbeleuchtung (IR)

Industrielle Bildverarbeitungsstation mit Nahinfrarot-LED-Balkenbeleuchtung bei 850 nm, die eine dunkle Kunststoffverpackung aufnimmt, mit Bandpassfilter an der Kamera zur Umgebungslichtunterdrückung

Nahinfrarot-Bildaufnahme bei 850/940 nm für Kunststoffdurchdringung und Umgebungslichtunterdrückung

  • Wellenlängen 850 nm und 940 nm kompatibel mit Standard-CMOS/CCD-Siliziumsensoren bei reduzierter Quanteneffizienz.
  • Durchdringt viele Kunststoffe und liefert eine farbinvariante Bildaufnahme auf Produktionslinien mit gemischten Farben.
  • Bandpassfilter an der Kamera unterdrückt sichtbares Umgebungslicht und ermöglicht Installationen im Freien und bei unkontrollierter Beleuchtung.
  • 850 nm schwach sichtbar als rotes Glimmen; 940 nm vollständig unsichtbar für Umgebungen ohne Ablenkung des Bedienpersonals.
  • Visible-NIR-Objektive (400–1000 nm) empfohlen für die leistungsfähige NIR-Bildaufnahme, um den Fokus über das gesamte Band zu halten.
  • Durchlichtmodus durch transluzente Behälter und Verpackungen, bereitgestellt von der Familie der LED-Durchlichtbeleuchtungen.

Nahinfrarot-LED-Beleuchtung im Bereich von 850 bis 940 nm ist eine der am weitesten verbreiteten spektralen Konfigurationen in der industriellen Bildverarbeitung. Ihre wesentlichen Vorteile sind die Durchdringung vieler Kunststoffe, eine robuste Unempfindlichkeit gegenüber Farbschwankungen des Prüfobjekts und die wirksame Unterdrückung sichtbaren Umgebungslichts durch kostengünstige Bandpassfilter an der Kamera. Nahinfrarot-Beleuchtung ist für das menschliche Auge unsichtbar, was auch in Umgebungen von praktischem Vorteil ist, in denen eine Ablenkung des Bedienpersonals durch helle sichtbare Beleuchtung vermieden werden muss.

Funktionsprinzip von Nahinfrarot-LED-Quellen

Nahinfrarot-LEDs basieren auf Galliumarsenid und verwandten Halbleiterzusammensetzungen, die bei Wellenlängen knapp oberhalb des sichtbaren Bereichs emittieren. Die gebräuchlichsten industriellen Wellenlängen sind 850 nm und 940 nm, gewählt wegen der Verfügbarkeit von Hochleistungs-LED-Chips, der Kompatibilität mit Standard-CMOS- und CCD-Siliziumsensoren und der moderaten atmosphärischen Absorption, die eine effiziente Übertragung über kurze Distanzen erlaubt.

Standard-Siliziumsensoren behalten eine nutzbare Quanteneffizienz bis etwa 1000 nm, wobei die Empfindlichkeit oberhalb von 900 nm deutlich abnimmt. Bei 850 nm beträgt die Sensorempfindlichkeit typischerweise 30 bis 50 Prozent des Maximums im sichtbaren Bereich. Bei 940 nm sinkt die Empfindlichkeit auf 10 bis 20 Prozent, was zum Ausgleich eine längere Belichtung oder eine höhere Beleuchtungsintensität erfordert. Spezialisierte NIR-verstärkte Sensoren mit dickerem Silizium oder alternativen Pixelarchitekturen erweitern die nutzbare Empfindlichkeit bis in den Bereich von 1000 nm.

Optisches Verhalten von Materialien unter NIR

Viele Materialien, die unter sichtbarem Licht undurchsichtig oder stark gefärbt erscheinen, werden unter Nahinfrarot-Beleuchtung halbtransparent oder farbneutral. Das gilt insbesondere für Polymere, bei denen Additive und Farbstoffe, die im sichtbaren Bereich absorbieren, im Nahinfrarot häufig durchlässig sind. NIR-Beleuchtung liefert dadurch eine invariante Bildaufnahme von Kunststoffprodukten unterschiedlicher Farbe und vereinfacht die Inspektion von Produktionslinien mit gemischten Farben.

Typische industrielle Anwendungen

Nahinfrarot-LED-Beleuchtung wird häufig eingesetzt für die Inspektion dunkler oder farbiger Kunststoffprodukte auf Produktionslinien, auf denen Farbschwankungen den Algorithmus sonst erschweren würden; für das Lesen von Codes und Etiketten durch transparente oder transluzente Verpackungen, die die Bildaufnahme im sichtbaren Licht behindern; für die Inspektion des Inhalts halbtransparenter Behälter wie gefüllter Flaschen und Blisterpackungen; für die Prüfung von Siegeln und Klebeverbindungen an verpackten Produkten; für die Qualitätskontrolle in Umgebungen mit starkem, unkontrolliertem Umgebungslicht, in denen NIR mit Bandpassfilterung sichtbare Störungen unterdrückt; für die Inspektion in Umgebungen, in denen sichtbare LEDs das Bedienpersonal ablenken oder andere Bildverarbeitungssysteme stören würden; und für jede Anwendung, die eine Durchdringung von Kunststoffen oder eine starke Unterdrückung des Umgebungslichts erfordert. NIR-Varianten sind in den Familien der LED-Ringbeleuchtungen, LED-Balkenbeleuchtungen und LED-Flächenbeleuchtungen verfügbar.

Auswahlkriterien und Auslegungsaspekte

Die Wahl zwischen 850 nm und 940 nm hängt in erster Linie von der Sensorempfindlichkeit und den Umgebungslichtbedingungen ab. Bei 850 nm erlaubt die höhere Sensorempfindlichkeit kürzere Belichtungszeiten und eine geringere LED-Leistung, vom LED-Chip selbst kann jedoch ein schwaches rotes Glimmen sichtbar sein, das das Bedienpersonal stören kann. Bei 940 nm ist die LED-Emission vollständig unsichtbar, die geringere Sensorempfindlichkeit erfordert jedoch mehr LED-Leistung oder eine längere Belichtung für eine gleichwertige Bildqualität.

Der Bandpassfilter an der Kamera sollte auf die LED-Wellenlänge abgestimmt sein, mit einem Durchlassbereich von typischerweise 10 bis 30 nm Breite um die Mittenwellenlänge. Schmalere Filter bieten eine bessere Umgebungslichtunterdrückung, um den Preis einer kritischeren Abstimmung und etwas höherer Kosten. Die Kombination aus Bandpassfilter und monochromatischer NIR-LED-Beleuchtung ermöglicht die Bildverarbeitungsinspektion in Umgebungen mit sehr starkem Umgebungslicht, einschließlich Installationen im Freien.

Objektivkompatibilität für NIR-Beleuchtung

Standardobjektive der industriellen Bildverarbeitung, die für den sichtbaren Bereich korrigiert sind, zeigen im Nahinfrarot häufig eine leichte Fokusverschiebung, sodass beim Wechsel von der sichtbaren zur NIR-Bildaufnahme nachfokussiert werden muss. Für den Bereich von 400 bis 1000 nm optimierte Visible-NIR-Objektive sind so ausgelegt, dass sie über dieses gesamte Band einen konstanten Fokus halten, und werden für kritische NIR-Anwendungen empfohlen.

Integration und Grenzen

Nahinfrarot-LED-Beleuchtungen lassen sich in allen mechanischen Standardkonfigurationen genauso integrieren wie die sichtbaren Versionen, mit denselben Diffusoren, Polarisatoren und Strahlteilern. Leistungsaufnahme und Wärmeabgabe sind bei gleichem Lichtstrom mit sichtbaren LEDs vergleichbar. Nicht standardmäßige NIR-Wellenlängen oder NIR-Durchlichtbeleuchtungen hoher Leistung werden in der Regel innerhalb des Portfolios der kundenspezifischen LED-Beleuchtungen entwickelt, während die NIR-Inspektion im Durchlicht von der Familie der LED-Durchlichtbeleuchtungen abgedeckt wird.

Die wesentliche Einschränkung der NIR-Beleuchtung ist der Verlust der Farbinformation, der sie für Anwendungen mit Farbunterscheidung ungeeignet macht. NIR unterliegt zudem bei gleicher Bildhelligkeit einem etwas höheren Photonenrauschen als sichtbare Beleuchtung, da die reduzierte Quanteneffizienz des Sensors einen höheren Photonenfluss für dasselbe digitale Signal erfordert. Für Anwendungen, bei denen die Farbinformation wesentlich ist, sollte stattdessen weiße oder RGB-umschaltbare Beleuchtung verwendet werden. Für Anwendungen, die Invarianz gegenüber der Objektfarbe, Umgebungslichtunterdrückung oder Kunststoffdurchdringung erfordern, ist NIR die wirksamste und wirtschaftlichste Wahl.

Nahinfrarot-LED-Beleuchtungen von RODER Vision

RODER Vision fertigt Nahinfrarot-LED-Beleuchtungen bei 850 nm und 940 nm über das gesamte Geometrieportfolio für industrielle Bildverarbeitungsanwendungen, die Kunststoffdurchdringung, Farbinvarianz und Umgebungslichtunterdrückung erfordern.

Für schnelle NIR-Inspektionslinien im Blitzbetrieb umfasst der RODER-Katalog spezielle LED-Treiber und elektronische Controller, die mit industriellen Bildverarbeitungscontrollern und SPS kompatibel sind.