Multiwellenlängen-Bildgebung für die Materialunterscheidung und die chemisch-physikalische Analyse
- 4 bis 16 diskrete Wellenlängen (multispektral) oder über 50 zusammenhängende Bänder (hyperspektral), sequenziell je Pixel erfasst.
- Spektrale Signaturen je Pixel ermöglichen Materialklassifizierung, Fehlercharakterisierung und quantitative Zusammensetzungsanalyse.
- Ideal für die Sortierung landwirtschaftlicher Erzeugnisse, die Pharmaprüfung, die Unterscheidung von Recyclingkunststoffen, die Fremdkörpererkennung.
- Unabhängige Kanalsteuerung mit präziser Kamerasynchronisation, erforderlich für quantitative spektrale Messungen.
- Wellenlängenauswahl per Hauptkomponentenanalyse auf Basis einer hochauflösenden spektralen Charakterisierung ermittelt den minimalen unterscheidenden Satz.
- Die sequenzielle Aufnahme skaliert linear mit der Bandanzahl — die simultane Aufnahme über dichroitische Strahlteiler verkürzt die Zykluszeit bei höheren Kosten.
Multispektrale und hyperspektrale LED-Beleuchtung stellt mehrere diskrete Wellenlängen in einer einzigen Leuchte bereit und ermöglicht die sequenzielle oder simultane Bildaufnahme in verschiedenen Spektralbändern. Der resultierende Mehrband-Bilddatensatz enthält an jedem Pixel spektrale Information, die für Materialunterscheidung, Fehlercharakterisierung, chemisch-physikalische Analyse und andere Prüfaufgaben genutzt werden kann, die die Möglichkeiten der Einband-Bildgebung übersteigen. Das Verfahren schlägt die Brücke zwischen klassischer Bildverarbeitung und analytischer Spektroskopie und bringt spektrale Analyse auf Laborniveau in die industrielle Prüfung.
Funktionsprinzip der multispektralen Beleuchtung
Eine multispektrale Beleuchtung kombiniert mehrere LED-Arrays unterschiedlicher Wellenlängen in derselben Leuchte, typischerweise mit unabhängiger elektrischer Ansteuerung jeder Wellenlänge. Das Prüfobjekt wird nacheinander unter jeder Wellenlänge aufgenommen, wodurch ein Bildstapel entsteht, dessen Bilder dieselben räumlichen Koordinaten teilen, sich aber in ihrem spektralen Inhalt unterscheiden. Die Intensität jedes Pixels über den Stapel hinweg definiert eine spektrale Signatur, die analysiert werden kann, um die lokale Materialzusammensetzung zu bestimmen oder den Kontrast bestimmter Merkmale zu verstärken.
Der Unterschied zwischen multispektral und hyperspektral liegt in erster Linie in der spektralen Auflösung. Multispektrale Systeme verwenden eine kleine Anzahl (typischerweise 4 bis 16) diskreter, für bestimmte Anwendungen gewählter Wellenlängen. Hyperspektrale Systeme verwenden eine große Anzahl (typischerweise 50 bis mehrere hundert) zusammenhängender Wellenlängenbänder, die an jedem Pixel ein kontinuierliches Spektrum annähern. In der industriellen Bildverarbeitung dominieren multispektrale Konfigurationen aufgrund ihrer geringeren Kosten, kürzeren Aufnahmezeit und ausreichenden Leistung für die meisten Unterscheidungsaufgaben.
Sequenzielle und simultane Aufnahme
Bei der sequenziellen multispektralen Aufnahme wird das Prüfobjekt nacheinander unter jeder Wellenlänge aufgenommen, typischerweise synchronisiert mit der Kamerabelichtung, sodass ein Bild je Wellenlänge entsteht. Die gesamte Aufnahmezeit skaliert linear mit der Anzahl der Wellenlängen, weshalb die sequenzielle Aufnahme für sehr schnelle Prüflinien ungeeignet ist. Die simultane multispektrale Aufnahme verwendet dichroitische Strahlteiler und mehrere Kameras, um mehrere Wellenlängen in einer einzigen Belichtung zu erfassen – auf Kosten komplexerer Hardware und geringerer Flexibilität bei der Wellenlängenwahl.
Typische industrielle Anwendungen
Multispektrale und hyperspektrale Beleuchtung ist unverzichtbar für die Sortierung und Klassifizierung landwirtschaftlicher Erzeugnisse, bei denen Reife, Defekte und Kontamination wellenlängenspezifische Signaturen erzeugen; für die Pharmaprüfung, bei der Wirkstoffgehalt, Beschichtungsdicke und Kontamination aus spektralen Messungen quantifiziert werden können; für die Prüfung von Lebensmitteln auf Fremdkörper, Frische und Verfälschung; für die Qualitätskontrolle von Recyclingkunststoffen durch Identifizierung des Polymertyps; für die Erkennung getarnter Defekte auf beschichteten und bedruckten Oberflächen; für die Prüfung von Halbleitergehäusen auf die Zusammensetzung innerer Schichten; und für jede Anwendung, die eine Materialunterscheidung über die Möglichkeiten der sichtbaren Bildgebung hinaus erfordert. Multiwellenlängen-Geometrien werden im Rahmen des Portfolios kundenspezifischer LED-Beleuchtungen entwickelt.
Auswahlkriterien und Konstruktionsüberlegungen
Die Wellenlängenauswahl ist die entscheidende Konstruktionsentscheidung und erfordert eine sorgfältige spektrale Charakterisierung der Zielmaterialien. Der minimale Satz an Wellenlängen, der zur Unterscheidung der Zielklassen erforderlich ist, lässt sich häufig durch eine Hauptkomponentenanalyse hochauflösender spektraler Messungen ermitteln. Typische industrielle multispektrale Systeme verwenden 4 bis 8 Wellenlängen im sichtbaren und nahinfraroten Bereich, wobei jede Wellenlänge für die maximale Unterscheidung eines bestimmten Merkmals gewählt wird.
Die Intensitätsgleichmäßigkeit über die Wellenlängen hinweg muss kontrolliert werden, um eine quantitative spektrale Analyse zu ermöglichen. Verschiedene LED-Wellenlängen weisen unterschiedliche Emissionswirkungsgrade, Strahldivergenzen und Alterungseigenschaften auf, die alle die scheinbare Intensität des jeweiligen Bildes beeinflussen. Kalibrierverfahren mit Referenztargets sind für jede multispektrale Anwendung, die absolute spektrale Messungen erfordert, unerlässlich.
Synchronisation und Bildverarbeitung
Die sequenzielle multispektrale Aufnahme erfordert eine präzise Synchronisation zwischen Beleuchtungssteuerung und Kamerabelichtung, damit jedes Bild unter einer einzigen, klar definierten Wellenlänge erfasst wird. Moderne multispektrale Controller integrieren LED-Umschaltung und Kameratrigger in einer Einheit und vereinfachen so die Integration. Der resultierende Bildstapel wird mit kalibrierten Algorithmen verarbeitet, um spektrale Signaturen zu extrahieren, Klassifizierungen durchzuführen oder quantitative Messungen zu berechnen. Dedizierte Mehrkanaltreiber, die mit industriellen Bildverarbeitungssteuerungen kompatibel sind, sind im RODER-Katalog für LED-Treiber und elektronische Controller verfügbar.
Integration und Grenzen
Multispektrale Systeme sind komplexer als Systeme mit einer einzigen Wellenlänge und erfordern tiefere Fachkenntnis in spektraler Analyse, Kalibrierung und Bildverarbeitung. Die Hardwarekosten sind aufgrund der mehreren LED-Arrays und der Steuerelektronik höher. Die Integrationszeit ist länger, da der Prüfalgorithmus anhand einer repräsentativen Probe von Zielmaterialien entwickelt und validiert werden muss.
Die wesentliche Einschränkung der multispektralen Beleuchtung ist die längere Aufnahmezeit, die die sequenzielle Bildgebung erfordert und die die maximale Produktionsgeschwindigkeit begrenzt. Die simultane multispektrale Aufnahme löst dieses Problem teilweise, jedoch zu höheren Kosten und mit geringerer Flexibilität. Für Hochgeschwindigkeitslinien, die eine spektrale Analyse erfordern, ist eine Hardwareoptimierung sowohl der Beleuchtung als auch der Aufnahme unerlässlich und kann eine kundenspezifische Entwicklung statt Standardkomponenten erfordern. Trotz dieser Komplexität bleibt die multispektrale und hyperspektrale Beleuchtung die einzige praktikable Option für Prüfaufgaben, die eine quantitative Materialunterscheidung bei industriellen Durchsatzraten erfordern.
Multispektrale LED-Beleuchtungen von RODER Vision
RODER Vision entwickelt anwendungsspezifische multispektrale und mehrkanalige LED-Beleuchtungen mit unabhängiger Wellenlängensteuerung für industrielle Bildverarbeitungsanwendungen, die Materialunterscheidung, Klassifizierung und quantitative spektrale Analyse erfordern.
- Anwendungsspezifische Multiwellenlängen-Baugruppen mit unabhängiger Kanalsteuerung — Kundenspezifische LED-Beleuchtungen
- Kompakte gerichtete mehrkanalige Spotquellen — LED-Spotbeleuchtungen
Die multispektrale Prüfung erfordert eine präzise Synchronisation von Kamera und Beleuchtung — der RODER-Katalog für LED-Treiber und elektronische Controller umfasst mehrkanalige programmierbare Treiber, die mit industriellen Bildverarbeitungssteuerungen und SPS kompatibel sind.