IR-Sensor mit Spektralbereich bis 2,55µm für Plastik-Recycling

Eine neue Hyperspektralkamera eröffnet neue Möglichkeiten des Recylings von Kunststoffabfällen. Grund hierfür ist ein InGaAs-Flächenbildsensor, der in der Lage ist, im Spektralbereich bis 2,55µm zu messen.

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Die Reduzierung von Plastikmüll ist ein dringendes Problem der ganzen Menschheit. Der Schlüssel zu effektivem Plastik-Recycling ist dabei die Identifizierung der Inhaltsstoffe. Derzeit wird viel Plastikmüll klein geschreddert und anschließend in seine Bestandteile getrennt. Viel Aufmerksamkeit erregte das in diesem Prozess eingesetzte hyperspectral Imaging, welches Unterschiede in den Plastikpartikeln unter Infrarotbeleuchtung erkennt. Bei dieser Methode werden Spektralinformationen einer Zeile simultan und ortsaufgelöst aufgenommen. Wie bei normalen Zeilenkameras wird die Probe während ihrer Bewegung gescannt. Das einfallende Licht fällt durch einen Spalt, wird durch ein Gitter oder Prisma in Bewegungsrichtung gestreut und von einem Flächenbildsensor detektiert. Da verschiedene Plastiksorten im IR-Bereich Spektren mit spezieller Charakteristik aufweisen, erlaubt eine Hyperspektralkamera mit eingebautem Infrarot-Flächenbildsensor eine höchst präzise Identifizierung und Klassifizierung der Materialien. Die Integration des Sensors in eine Hyperspektralkamera vergrößert die Zahl wiederverwertbarer Stoffe, die getestet werden können und regt zur Verbesserung der Recyclingrate an.

(Bild: Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH)

Identifizierung von Plastik

Bisher hatte Hamamatsu Photonics verschiedene InGaAs-Bildsensoren, die IR-Licht im Spektralbereich von bis zu 1,9µm detektieren können. Jedoch ist in diesem Wellenlängenbereich die Identifizierung von Plastik, das einen Brandverzögerer enthält, schwierig, da sich erst bei höheren Wellenlängen Unterschiede in den Spektren je nach Anwesenheit/Abwesenheit von Brandverzögerern zeigen. So gab es Bedarf an Sensoren, die Wellenlängen bis zu 2,4µm detektieren. Deshalb wurde der G14674-0808W Bildsensor mit einer Cutoff-Wellenlänge von 2,55µm entwickelt – derzeit die langwelligste in einem InGaAs Bildsensor. Die Firma hat erfolgreich die Anzahl an Defekten, die im photosensitiven Bereich auftreten, durch Optimierung der Mengenverhältnisse von InAs und GaAs reduziert. So gelang es einen InGaAs Flächenbildsensor herzustellen, der infrarotes Licht im Spektralbereich bis zu 2,55µm detektieren kann. Die Produktreihe enthält weitere Typen mit Cutoff-Wellenlängen von 1,69, 1,85 und 2,15µm. Zudem wurde eine schmalere Transistor Gate-Länge durch Design und Herstellung von Original Optimized Circuits (ROIC) erzielt. Der elektrische Signalübertragungsweg wurde verkürzt und so die Bildrate auf max. 507fps (QVGA-Auflösung) mehr als verdoppelt. Auch ein verbesserter Schaltkreis, der den Spannungsunterschied zwischen Anode und Kathode der photosensitiven Fläche näher an Null bringt, wurde eingesetzt, um den Dunkelstrom, der in der photosensitiven Fläche auftritt, zu reduzieren.

Hyperspektralkameras mit eingebautem IR-Flächenbildsensor ermöglichen eine höchst präzise Identifizierung von Plastikabfällen beim Recyling. (Bild: Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH)

Vielseitige Applikationen

Neben dem Screening von Plastikmüll wird Hyperspectral Imaging auch in der Lebensmittel-, pharmazeutischen wie auch chemischen Analyse und weiteren Anwendungsgebieten eingesetzt. Mit der Entwicklung von Bildsensoren für den IR-Bereich steigt die Chance, dass die Technik auch in Anwendungen eingesetzt werden kann, die in der Vergangenheit schwierig waren, wie z.B. der Erosionskontrolle von Betonbauten oder zur Identifizierung von Tabletten.