Die Bildgebung im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR) hat sich zu einer zunehmend wichtigen Technologie in der industriellen Bildverarbeitung entwickelt. SWIR-Kameras arbeiten im Wellenlängenbereich zwischen etwa 900 nm und 1700 nm und zeigen Materialeigenschaften und Details, die für Standardkameras unsichtbar sind. Diese einzigartige Fähigkeit macht die SWIR-Bildgebung zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Inspektion, Sortierung und Analyse in einer Vielzahl von Branchen.
Fertigungsprozesse werden immer komplexer und Qualitätsanforderungen immer strenger. Vor diesem Hintergrund eröffnen SWIR-Kameras neue Inspektionsmöglichkeiten, die mit herkömmlichen Bildgebungstechnologien bisher nur schwer oder gar nicht zu realisieren waren.
Was macht die SWIR-Bildgebung so besonders?
Verschiedene Materialien [PS1.1]sind bei unterschiedlichen Wellenlängen transparent. Fleisch ist für Röntgenstrahlen transparent, Knochen hingegen nicht. Wasser ist für sichtbares Licht transparent, für SWIR jedoch nicht. Während Silizium sichtbares Licht absorbiert, für SWIR jedoch transparent ist. Objekte, die im sichtbaren Licht ähnlich aussehen, können in SWIR sehr unterschiedlich sein.
Beispielsweise lassen sich Kunststoffe, die für das menschliche Auge gleichfarbig erscheinen, in SWIR leicht unterscheiden, und die Absorptionswellenlängen von Wasser machen den Feuchtigkeitsgehalt deutlich sichtbar – Bereiche erscheinen umso dunkler, je mehr Feuchtigkeit sie enthalten. Dank dieser Eigenschaften können SWIR-Kameras Merkmale und Defekte erkennen, die für RGB- oder Monochrom-Sensoren verborgen bleiben.
Wichtige Vorteile von SWIR-Kameras
1. Materialunterscheidung
Da SWIR anders als sichtbares Licht interagiert, kann es zur Unterscheidung von Objekten verwendet werden. Dadurch eignen sich SWIR-Kameras besonders gut zur Unterscheidung von ähnlich aussehenden Substanzen wie:
- Verschiedene Arten von Kunststoffen
- Organische vs. anorganische Materialien
- Gute Produkte vs. Fremdkörper
2. Verbesserte Bildgebung durch Trübungen
SWIR-Licht durchdringt Rauch, Dunst, Staub und einige Verpackungsmaterialien aufgrund seiner längeren Wellenlänge besser als sichtbares Licht. Dadurch eignet sich die SWIR-Bildgebung für schwierige Umgebungen, in denen Standardkameras Probleme haben.
3. Feuchtigkeits- und Kontaminationserkennung
Wasser absorbiert SWIR-Wellenlängen stark, was eine präzise Erkennung von Feuchtigkeit, nassen Stellen und Verunreinigungen ermöglicht. Durch Hinzufügen eines optischen Filters zur Kamera, der den Absorptionslinien von Wasser entspricht, kann Feuchtigkeit klar erkannt und der Feuchtigkeitsgehalt in Objekten gemessen werden. Dies ist besonders wertvoll bei der Lebensmittelverarbeitung und bei Trocknungsprozessen.
Gängige SWIR-Kameratechnologien
Die meisten industriellen SWIR-Kameras verwenden InGaAs-Sensoren (Indiumgalliumarsenid), da Silizium für SWIR-Licht transparent ist. Diese bieten:
- Hohe Empfindlichkeit im SWIR-Bereich
- Geringes Rauschen
- Hoher Dynamikbereich
- Schnelle Auslesegeschwindigkeiten
SWIR-Kameras sind als Flächen- und Zeilenkameras erhältlich, sodass sie sowohl für statische Inspektionen als auch für schnelle kontinuierliche Prozesse wie Bahninspektionen oder Freifallsortierungen eingesetzt werden können.
Anwendungen für SWIR-Kameras
Lebensmittelinspektion und -sortierung
Die SWIR-Bildgebung spielt eine entscheidende Rolle bei der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln, da sie Eigenschaften sichtbar macht, die im sichtbaren Licht nicht erkennbar sind.
Typische Anwendungen in der Lebensmittelinspektion sind:
- Die Erkennung von Fremdkörpern wie Kunststoff, Glas oder Steinen
- Die Identifizierung von Feuchtigkeitsschwankungen in Backwaren, Obst oder Gemüse
- Die Unterscheidung zwischen guten und fehlerhaften Produkten (z. B. Schimmelerkennung)
- Die Sortierung von Produkten nach Reifegrad oder innerem Zustand (z. B. Bräunung bei Äpfeln unter der Oberfläche)
Halbleiter- und Elektronikinspektion
In der Halbleiterfertigung werden SWIR-Kameras zur Inspektion von Silizium verwendet, das in diesem Bereich teilweise transparent ist.
Zu den Anwendungsbereichen gehören:
- Die Erkennung von Fehlern unter der Oberfläche in Wafern
- Die Überprüfung von Ausrichtungen und Verbindungen
- Die Inspektion von Solarzellen
SWIR-Wellenlängen ermöglichen die Inspektion durch Silizium, Klebstoffe und einige Verkapselungsschichten hindurch und sind daher für die Herstellung moderner Elektronik von großem Wert.
Recycling und Materialsortierung
Die Materialidentifizierung ist ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich für die SWIR-Bildgebung.
SWIR-Kameras ermöglichen:
- Die Sortierung von Kunststoffen nach Polymertyp
- Die Erkennung von Verunreinigungen in Recyclingströmen
Durch die Verbesserung der Sortiergenauigkeit tragen SWIR-basierte Systeme dazu bei, die Materialrückgewinnungsraten zu erhöhen und die Nachhaltigkeit zu verbessern.
Pharmazeutische und chemische Inspektion
In der pharmazeutischen Produktion unterstützen SWIR-Kameras:
- Die Inspektion von Tablettenbeschichtungen
- Die Erkennung von Verunreinigungen oder Unregelmäßigkeiten
- Die Überprüfung korrekter Verpackungen und Füllstände
- Die Identifizierung von feuchtigkeitsbedingten Mängeln
Die SWIR-Bildgebung ermöglicht eine berührungslose Echtzeitinspektion, die strenge regulatorische und qualitative Anforderungen erfüllt.
Web-, Folien- und Beschichtungsinspektion
In kontinuierlichen Produktionsprozessen wie der Papier-, Folien- oder Textilherstellung werden SWIR-Zeilenkameras zur Inspektion folgender Aspekte eingesetzt:
- Gleichmäßigkeit der Beschichtung
- Klebstoffauftrag
- Feuchtigkeitsverteilung
- Einschlüsse von Fremdstoffen
Die SWIR-Bildgebung liefert selbst in anspruchsvollen Industrieumgebungen konsistente Ergebnisse bei hohen Geschwindigkeiten.
Auswahl der richtigen SWIR-Kamera für Ihre Anwendung
Bei der Auswahl einer SWIR-Kamera sind folgende Punkte zu berücksichtigen:
- Für die Zielmaterialien erforderlicher Wellenlängenbereich
- Sensorauflösung und -geschwindigkeit
- Gekühlte oder ungekühlte Sensoren
- Flächen- oder Zeilenkamera-Konfiguration
- Integration in bestehende Bildverarbeitungssysteme
- Umgebungs- und Industrietauglichkeit
Die enge Zusammenarbeit mit einem Kamerahersteller, der über Erfahrungen mit industriellen SWIR-Anwendungen verfügt, trägt dazu bei, eine optimale Leistung und langfristige Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Die Zukunft der SWIR-Bildgebung in der industriellen Bildverarbeitung
Mit der Weiterentwicklung der Sensortechnologie werden SWIR-Kameras immer zugänglicher, bieten eine höhere Auflösung und lassen sich leichter in industrielle Systeme integrieren. Gleichzeitig verbessern Fortschritte in der SWIR-Beleuchtung – insbesondere leistungsstärkere, stabilere und kostengünstigere LED-Lichtquellen – die Bildqualität und ermöglichen eine zuverlässigere Inspektion in Produktionsumgebungen. Verbesserungen in der Optik und Datenverarbeitung erweitern das Anwendungsspektrum, in dem die SWIR-Bildgebung einen messbaren Mehrwert bietet, weiter.
Parallel dazu erweitern neue Sensortechnologien wie organische photoleitende Sensoren, kolloidale Quantenpunkt-Sensoren (CQD) und modifizierte CMOS-basierte SWIR-Sensoren die technologische Landschaft. Diese Entwicklungen versprechen niedrigere Preise, eine erweiterte Wellenlängenabdeckung und skalierbarere Fertigungsansätze, was die Einführung in verschiedenen Branchen beschleunigt.
Von Lebensmittelsicherheit und Nachhaltigkeit über die Halbleiterfertigung bis hin zur Prüfung fortschrittlicher Materialien und zum Recycling verändern SWIR-Kameras die Art und Weise, wie Hersteller ihre Produkte sehen und verstehen.
Fazit
SWIR-Kameras eröffnen eine neue Dimension in der industriellen Bildverarbeitung, indem sie Materialeigenschaften sichtbar machen, die mit herkömmlichen Bildgebungssystemen nicht erkannt werden können. Dank ihrer Fähigkeit, Feuchtigkeit zu erkennen, Materialien zu unterscheiden und unter die Oberfläche zu blicken, sind sie aus vielen modernen industriellen Anwendungen nicht mehr wegzudenken.
Angesichts immer komplexerer Inspektionsaufgaben bietet die SWIR-Bildgebung Herstellern ein weiteres wertvolles Instrument zur Verbesserung von Qualität, Effizienz und Prozesssteuerung und wird damit zu einer Schlüsseltechnologie für die Zukunft industrieller Bildverarbeitungssysteme.