SWIR Multiplexing
Zeitliches Multiplexen für günstige Multispectral Lösungen
Hyperspectral Imaging ist die Antwort auf den wachsenden Bedarf möglichst feine Materialunterschiede erfassen zu können. Die Hersteller entwickeln hierfür immer bessere Hard- und Softwarekomponenten. Hohe Kosten sowie technische Aspekte schränken allerdings den Einsatz dieser Technologie in einigen Fällen ein. Daher lohnt es sich, alternative Ansätze zu evaluieren, wie z.B. das zeitliche Multiplexen mit unterschiedlichen Beleuchtungen.
Bild 1 | Mehrkanal (oben), Foto einer Digitalkamera (l.u.), Ergebnis der pixelweisen Klassifikation in Halcon mit zeitlichem Multiplexen (r.u.). (Bild: MSTVision GmbH)
Eine Eigenschaft von hyperspektralen Kameras ist die gute Wellenlängenauflösung über einen weiten Bereich. Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Spektralbereiche zum Einsatz, am häufigsten der Bereich 900 bis 1.700nm (InGaAs Chips, SWIR), aber auch 400 bis 1.000nm (Silizium Chips: VIS/NIR). Ein typischer Ansatz ist es dabei, das Objekt breitbandig zu beleuchten und das Licht in der Kamera spektral zu zerlegen. Beim Einsatz einer Matrixkamera wird dann eine Richtung auf dem Kamerachip für die Aufteilung nach Wellenlängen benötigt. Die Kamera kann also nur wie eine Zeilenkamera benutzt werden. Dabei liegen für jede Zeile Informationen aus vielen Wellenlängenbereichen vor, weshalb eine relative Bewegung zwischen Kamera und Objekt nötig ist.
Bild 2 | Symbolische Darstellung ausgewählter LED-Spektren. (Bild: MSTVision GmbH)
Problem Bestrahlungsstärke
Typische Industriekameras (Headwall, Specim, Ximea…) bieten 150 bis 250 verschiedene Bänder und eine laterale Auflösung von 640 oder 1.024 Pixel. Je nachdem ob alle, oder nur wenige Bänder erfasst werden, liefern die Kameras Zeilenraten von einigen 100Hz bis zu mehreren kHz. Oft können aber die benötigten Auflösungen bzw. Zeilenraten nicht erreicht werden, da der begrenzende Faktor die verfügbare Bestrahlungsstärke der Beleuchtung ist. Als breitbandige Lichtquelle werden häufig Halogenlampen verwendet. Deren Nachteile sind jedoch Energieverbrauch, Wärmeentwicklung und Lebensdauer. Durch den Einsatz verschiedener LED-Typen mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen können breitbandige Linienlichter von Metaphase oder MTD zur Verfügung gestellt werden. Benötigt man nur wenige Bänder, um die relevanten Materialeigenschaften des Prüfobjekts zu erfassen, genügt der Einsatz eines weniger komplexen Multispektralsystems. So ermöglicht z.B. die Dual Wave-Serie Kamera von JAI die gleichzeitige Erfassung (bis zu 39kHz) der Bänder 900 bis 1.400nm und 1.400 bis 1.700nm.
Bild 3 | Darstellung der verwendeten Komponenten von Metaphase, MTD, Polytec, Qioptiq und Xenics. (Bild: MSTVision GmbH)
Zeitliches Multiplexen
Mit der Verwendung einer schnellen LED-Technik ist auch der Einsatz eines zeitlichen Multiplexens möglich. Statt breitbandig zu beleuchten und das Lichtspektrum in der Kamera zu zerlegen, kommt ein breitbandig empfindlicher Chip zum Einsatz und das Beleuchtungsspektrum wird durch schnelles Triggern zeitlich variiert. Für die Bilderfassung werden dann nur eine Zeilenkamera, aber mehrere Zeilenbeleuchtungen benötigt, die unterschiedliche Wellenlängenbereiche abdecken. Alternativ können auch die einzelnen Wellenlängen der alternierend bestückten Linienlichter einzeln geschaltet werden. Durch die Verwendung einer solchen Beleuchtung mit einer schnellen IR-Zeilenkamera (Sensors Unlimited/UTC Aerospace, Xenics…) und einem passenden Framegrabber mit erweitertem Funktionsumfang von Silicon Software können so mehrere Wellenlängen quasi-simultan erfasst werden. Zur Unterscheidung der Materialien ist die Software von Perception Park verfügbar. Dies bedeutet allerdings für den Systemintegartor, dass neben zusätzlichen Kosten es auch eine neue Softwareschnittstelle gibt, die es zu entwickeln und pflegen gilt. In einigen Fällen bietet die bereits vorhandene Halcon Bibliothek die nötigen Algorithmen, um ein mehrkanaliges Bild pixelweise zu klassifizieren. Bild 1 zeigt, wie mit einer Standardhardware unterschiedliche Wellenlängenbänder zu erfassen (2.048 Pixel, 3kHz, vier Bänder) sind und mit einer Standardsoftware pixelweise Materialien zugeordnet werden können. Eine weitere Vereinfachung von Sortieranlagen ermöglicht das von MSTVision angebotene Interface zu pneumatischen Ausblaseinheiten.
Um das durch die eingesetzten LEDs vorgegebene Beleuchtungsspektrum (Bild 2) auf einen schmäleren Wellenlängenbereich einzugrenzen, ist es denkbar jede LED mit einem kleinen Filter zu versehen. Da dies jedoch zusätzlichen Aufwand bei der Leuchtenherstellung bedeutet, ist es auch möglich, einen Multibandpassfilter vor dem Objektiv einzusetzen und so nur an einer Stelle die relevanten Wellenlängen zu selektieren. Solche Filter können applikationsbezogen entwickelt werden (Chroma, Alluxa, Iridian…). Für Systemintegratoren sei an dieser Stelle noch auf zwei technische Aspekte hingewiesen: (a) Durch die Verwendung des weiten Wellenlängenbereiches ist der Farbfehler des Objektives zu untersuchen. (b) Die Peakwellenlänge der LEDs kann einer Temperaturdrift unterliegen, der es durch geeignete Kühlkonzepte (z.B. Wasserkühlung) entgegen zu wirken gilt. Um festzustellen, welche Wellenlängen(-bereiche) zur Materialerkennung bei einer spezifischen Anwendung notwendig sind, ist ein Vorversuch mit einem vollständigen Hyperspectral Imaging System sinnvoll. Stellt sich heraus, dass nur wenige Wellenlängenbereiche ausreichen, ist das beschriebene Multiplexen durchaus eine schnelle und kostengünstige Implementierung.
