Bildaufnahme bei 900–1700 nm für Silizium, dunkle Kunststoffe und Feuchtigkeitsunterscheidung
- Diskrete SWIR-LED-Wellenlängen bei 1050, 1200, 1300, 1450 und 1550 nm, abgestimmt auf spezifische Absorptionsbanden der Materialien.
- Die Transparenz von Silizium oberhalb von 1100 nm ermöglicht die Innenprüfung von Wafern und gehäusten Halbleitern.
- Die Wasserabsorption bei 1450 nm ermöglicht die Feuchtigkeitsmessung in Lebensmitteln, Pharmazeutika und Agrarprodukten.
- Die Transmission durch dunkle Kunststoffe und undurchsichtige Verpackungen deckt verborgene Fehler auf, die im sichtbaren Bereich oder im NIR unsichtbar sind.
- InGaAs-Sensoren erforderlich – in der Regel eine Größenordnung teurer als Siliziumsensoren.
- SWIR-korrigierte Objektive (900–1700 nm) erforderlich für eine leistungsfähige Bildaufnahme; Standardglas weist chromatische Aberration auf.
Die Kurzwellen-Infrarot-Beleuchtung (SWIR) erweitert die industrielle Bildverarbeitung auf den Spektralbereich zwischen etwa 900 nm und 1700 nm und eröffnet Inspektionsmöglichkeiten, die bei sichtbaren und Nahinfrarot-Wellenlängen unmöglich sind. SWIR-Strahlung durchdringt Silizium, dunkle Kunststoffe und einige Verpackungsmaterialien und ermöglicht so die Inspektion innerer Merkmale, die andernfalls zerstörende Prüfungen oder Röntgenaufnahmen erfordern würden. Die Kombination von SWIR-Beleuchtung und InGaAs-Sensoren hat die Qualitätskontrolle in der Halbleiterfertigung, der Elektronikmontage, der Landwirtschaft, der Lebensmittelsortierung und der pharmazeutischen Inspektion grundlegend verändert.
Funktionsprinzip der SWIR-Beleuchtung
SWIR-Beleuchtung wird von spezialisierten LEDs oder von Halogenlampen mit selektiver Filterung erzeugt. LED-basierte SWIR-Quellen sind bei diskreten Wellenlängen in den Banden 1050, 1200, 1300, 1450 und 1550 nm verfügbar, die jeweils für spezifische Materialwechselwirkungen gewählt werden. Halogenbasierte SWIR-Beleuchtung liefert eine breitbandige Emission über den gesamten SWIR-Bereich, ist jedoch weniger effizient und weniger für den gepulsten Betrieb geeignet.
Die wesentliche Eigenschaft der SWIR-Beleuchtung ist ihre Fähigkeit, Materialien zu durchdringen, die bei sichtbaren und Nahinfrarot-Wellenlängen undurchsichtig sind. Silizium beispielsweise wird oberhalb seiner Bandlücken-Absorptionskante bei etwa 1100 nm transparent, was die SWIR-Inspektion innerer Merkmale in Siliziumwafern und gehäusten Halbleiterbauelementen ermöglicht. Viele dunkle Kunststoffe, die sichtbares Licht stark absorbieren, lassen einen erheblichen Anteil der SWIR-Beleuchtung durch und ermöglichen so die Inspektion verborgener Komponenten und die Prüfung der Montageintegrität durch schwarze Gehäuse hindurch.
Materialwechselwirkungen im SWIR-Bereich
Wasser absorbiert stark bei 1450 nm, weshalb sich diese Wellenlänge für die Messung des Feuchtigkeitsgehalts in Lebensmitteln, Pharmazeutika und Agrarprodukten eignet. Viele Kohlenwasserstoffe absorbieren bei 1200 bis 1300 nm, was einen selektiven Kontrast auf Kunststoffen, Ölen und organischen Verunreinigungen liefert. Anorganische Materialien wie Glas und Keramik sind über den gesamten SWIR-Bereich im Allgemeinen transparent, während Metalle mit hoher Effizienz reflektieren, ähnlich ihrem Verhalten im sichtbaren Bereich.
Typische industrielle Anwendungen
SWIR-Beleuchtung ist unverzichtbar für die Inspektion von Siliziumwafern, Photovoltaikzellen und Halbleiterbauelementen, bei denen innere Fehler, Verunreinigungen und Strukturanomalien durch das Siliziumsubstrat hindurch erkannt werden müssen; für die Qualitätskontrolle von Produkten aus schwarzem oder dunklem Kunststoff, bei denen eine Bildaufnahme im sichtbaren Bereich unmöglich ist; für die Messung des Feuchtigkeitsgehalts in Lebensmitteln, Pharmazeutika und Agrarprodukten; für die Sortierung von Recyclingkunststoffen nach Polymertyp; für die Inspektion verpackter Produkte durch undurchsichtige Verpackungen; für die Qualitätskontrolle mehrschichtiger Baugruppen, deren innere Schichten ohne Demontage geprüft werden müssen; und für jede Anwendung, die eine Transparenz durch im sichtbaren Bereich undurchsichtige Materialien erfordert. SWIR-spezifische Geometrien werden innerhalb des Portfolios der kundenspezifischen LED-Beleuchtungen entwickelt.
Auswahlkriterien und Auslegungsaspekte
Die Wahl der Wellenlänge hängt vom zu prüfenden Material ab. Die Transmission durch Silizium erfordert Wellenlängen oberhalb von 1100 nm, wobei 1300 nm die Standardwahl für eine gute Transmission und eine ausreichende Sensorempfindlichkeit ist. Die Feuchtigkeitsmessung erfordert die Wasserabsorptionsbande bei 1450 nm. Die Kunststoffunterscheidung nutzt mehrere Wellenlängen im Bereich von 1200 bis 1700 nm. Eine spektrophotometrische Charakterisierung des zu prüfenden Materials ist vor der Auswahl der Inspektionswellenlänge unerlässlich.
Der Sensor muss auf die SWIR-Beleuchtung abgestimmt sein. Standard-Siliziumsensoren verlieren oberhalb von 1100 nm jegliche Empfindlichkeit. Die SWIR-Bildaufnahme erfordert InGaAs-Sensoren, die von etwa 900 bis 1700 nm empfindlich sind, jedoch eine Größenordnung mehr kosten als vergleichbare Siliziumsensoren. Die Sensorkosten sind häufig der dominierende Anteil eines SWIR-Inspektionssystems und müssen bereits in der Projektplanungsphase berücksichtigt werden.
Optische Komponenten für SWIR
Standardobjektive aus Glas absorbieren oberhalb von etwa 1700 nm deutlich und können im SWIR-Bereich chromatische Aberration aufweisen. Für eine leistungsfähige Bildaufnahme sind SWIR-korrigierte Objektive erforderlich, die für den Bereich 900-1700 nm ausgelegt sind. Auch Strahlteiler, Polarisatoren, Filter und andere optische Komponenten müssen als SWIR-kompatibel spezifiziert werden, um unerwartete Absorption oder Aberration zu vermeiden.
Integration und Grenzen
SWIR-Inspektionssysteme sind teurer und komplexer als Systeme im sichtbaren Bereich oder im NIR, vor allem aufgrund der Kosten für InGaAs-Sensoren und SWIR-spezifische Optiken. Die Wahl von SWIR ist nur dann gerechtfertigt, wenn die Inspektionsaufgabe die Durchdringung im sichtbaren Bereich undurchsichtiger Materialien, eine Empfindlichkeit gegenüber der Wasserabsorption oder eine chemisch-physikalische Unterscheidung erfordert, die bei kürzeren Wellenlängen nicht möglich ist.
Die andere Einschränkung ist die begrenzte Auflösung typischer InGaAs-Sensoren im Vergleich zu Siliziumsensoren gleicher Kostenklasse. SWIR-Kameras sind mit VGA- und SXGA-Auflösung verfügbar, was für viele industrielle Anwendungen ausreicht, für sehr kleine Merkmale oder große Sichtfelder jedoch unzureichend sein kann. Für Anwendungen, bei denen die SWIR-Durchdringung erwünscht ist, aber auch eine sehr hohe Auflösung benötigt wird, bieten Hybridsysteme, die SWIR-Bildaufnahme mit hochauflösender Bildaufnahme im sichtbaren Bereich kombinieren, einen praktikablen Kompromiss.
SWIR-LED-Beleuchtungen von RODER Vision
RODER Vision entwickelt anwendungsspezifische SWIR-LED-Beleuchtungen im Bereich 900–1700 nm für die industrielle Bildverarbeitungsinspektion, die eine Transmission durch Silizium, dunkle Kunststoffe und undurchsichtige Verpackungen oder eine selektive, absorptionsbasierte Materialunterscheidung erfordert.
- Lineare SWIR-Konfigurationen für die Inline-Inspektion von Bahnware und Wafern — LED-Balkenbeleuchtungen
- Anwendungsspezifische SWIR-Wellenlängen, Geometrien und Baugruppen — Kundenspezifische LED-Beleuchtungen
Für den gepulsten SWIR-Hochleistungsbetrieb, synchronisiert mit der Triggerung der InGaAs-Kamera, umfasst der RODER-Katalog spezielle LED-Treiber und elektronische Controller, die mit industriellen Bildverarbeitungscontrollern und SPS kompatibel sind.