Klein und extrem lichtstark
Die Hyperspektralkameras der FX-Serie basieren auf der Push Broom-Technologie, bei der ein Spektrometersystem zur Zeilenerfassung und eine Matrixkamera im Kameragehäuse integriert sind. Somit werden auf einer Achse des Sensors die räumliche Position registriert und auf der zweiten Achse der komplette Spektralbereich für jeden Pixel aufgezeichnet. Damit ist sichergestellt, dass die Messergebnisse perfekt aufeinander abgestimmt sind und alle Spektralbereiche gleichzeitig und von genau derselben Position aus gemessen werden.
Bild 1: Recyclinganwendungen, wie das Sortieren von Plastik, zählen zu den typischen Anwendungsgebieten der HSI-Kameras FX10 und FX17, die beide echte Multi-ROI-Eigenschaften besitzen. (Bild: digitalstock/Fotolia.com; Stemmer Imaging GmbH)
Hyperspectral Imaging (HSI) vereint alle Vorteile, die auch herkömmliche Bildverarbeitungstechnologien bieten: Sie ist berührungslos, zerstörungsfrei, sicher in der Anwendung, schnell und für die verschiedensten Stichprobengrößen und Entfernungen geeignet. Die Akzeptanz seitens der Anwender ist dank der Ähnlichkeit mit anderen Bildverarbeitungskameras und der visuellen Ergebnisse groß. Mittlerweile hat sich HSI auch in industriellen Anwendungen etabliert. Das Anwendungsspektrum reicht von der Lebensmittelsortierung, über die Druck- und Recyclingindustrie bis hin zur Bestimmung von Vegetationszuständen, um nur einige Beispiele zu nennen. Die Industrie verlangt aber hohe Geschwindigkeiten, zuverlässige Geräte, eine einfache Integration sowie einen vernünftigen Return-of-Investment. Diese Anforderungen waren die treibende Kraft hinter der Entwicklung der HSI-Kameraserie FX.
15.000fps bei vier Wellenlängen
Die ersten beiden Spektralkameras der Serie sind für einen Wellenlängenbereich von 400 und 1.000nm (FX10) bzw. den NIR-Bereich zwischen 900 und 1.700nm (FX17) ausgelegt. Beide Kameras weisen eine kompakte Baugröße von 150x81x71mm³ (FX10) bzw. 150x85x71mm³ (FX17) auf. Anwender der FX10 haben die Möglichkeit, aus 220 Wellenlängenbänder diejenigen auszuwählen, die aufgrund der Materialeigenschaften des Prüfobjektes optimal geeignet sind. Die Anzahl der Wellenlängen hat einen direkten Einfluss auf die Geschwindigkeit der Lösung: Je weniger Wellenlängen für die Überprüfung ausgewählt sind, desto schneller erfolgt die Auswertung. Nutzt der Anwender alle 220 Wellenlängen, so liegt die maximale Aufnahmegeschwindigkeit bei 330fps. Ist nur die Aufnahme von 20 Wellenlängen erforderlich, sind 2.830fps möglich, und bei Auswahl von fünf Wellenlängen in drei verschiedenen Bereichen lassen sich bis zu 6.510fps erzielen. Die FX17 ist dagegen die erste InGaAs-basierte Spektralkamera für den nahen Infrarotbereich, die echte Multi-ROI-Eigenschaften besitzt. Sie bietet bei 230 Wellenlängenbänder 670fps, bei vier Wellenlängenbändern sind mehr als 15.000fps möglich.
Extrem lichtstark
Eine Besonderheit ist der hervorragende Signal/Rausch-Abstand mit 600:1 (FX10) bzw. 1000:1 (FX17). Dank der optischen Eigenschaften mit F/1.7 durch Objektive und Spektrographen mit integrierten Gittern überzeugt die Kameraserie auch bezüglich ihrer Lichtstärke. Einstellbare oder linear-variable filterbasierte Kameras benötigen im Vergleich die mehr als zehnfache Lichtmenge, um dasselbe Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Zudem muss für die Zeilenkameras für die Bildaufnahme nur eine geringe Fläche mit gleichmäßigem Licht ausgeleuchtet werden. Die FX-Kameras sind die ersten kommerziellen HSI-Produkte mit vorinstallierter Kalibrierung, sodass die Systeme ohne Neukalibrierung installiert oder ausgetauscht werden können. Bildkorrekturen sind in Echtzeit möglich und der Datenausgang immer für den Algorithmus zur Nachbearbeitung optimiert. Das spart Zeit und vermeidet Fehler, die sonst durch Aberrationen oder falsche Kalibrierung entstehen. Für Anwendungen, die Informationen zur emittierten Strahlung verlangen, wie z.B. in der LED- oder Display-Messtechnik, gibt es auch die Möglichkeit der absoluten radiometrische Kalibrierung. Das beste ist der Preis: so kostet die FX10 knapp unter 10.000€, die FX17 ist allerdings teurer.
Einsatzgebiete
Bild 2: Die HSI-Kamera FX10 erreicht bei 220 Wellenlängenbänder 330fps (oben), bei 20 Bändern 2.820fps (Mitte) und bei fünf Wellenlängen in drei verschiedenen Bereichen lassen sich bis zu 6.510fps erzielen (unten). (Bild: Stemmer Imaging GmbH)
Typische Anwendungsgebiete für die FX10 sind Sortieranwendungen in der Lebensmittelindustrie, wenn z.B. der Reifegrad von Obst oder eventuelle Schadstellen nicht mit einer RGB-Farbkamera erkannt werden können. Ebenso sind auch Messungen von Vegetationsindizes auf Feldern oder in Gewächshäusern bzw. hochpräzise Farb- und Dichtemessungen in der Druckindustrie möglich. Die Anwendungsgebiete der FX17 liegen im Sortieren von Plastik oder das Gewichten von Lebensmitteln. Ein typischer Anwendungsfall ist das Messen des Fett-, Eiweiß- oder Wassergehaltes in Fleisch- und Wurstwaren. Die Kamera eignet sich auch hervorragend, um Verunreinigungen oder Fremdkörper wie z.B. Glas, Steine oder Insekten zu erkennen und vor dem Verpacken auszusortieren.
