Diese Anwendung zur Füllstandskontrolle veranschaulicht die Möglichkeiten von SWIR-Objektiven in der industriellen Bildverarbeitung.
Die industrielle Bildverarbeitung nutzt heute weit mehr als nur den für den Menschen sichtbaren Teil des Lichts. Neben klassischen Kamerasystemen im sichtbaren Spektrum gewinnen insbesondere SWIR-Systeme (Short Wave Infrared) zunehmend an Bedeutung. Sie ermöglichen Anwendungen, die mit herkömmlichen Kameras nicht oder nur eingeschränkt realisierbar sind – beispielsweise die Erkennung von Feuchtigkeit, die Inspektion von Verpackungsinhalten oder die Analyse bestimmter Materialien.
SWIR wird häufig als „unsichtbares sichtbares Licht“ bezeichnet. Der Grund: Anders als Wärmebildkameras erfassen SWIR-Kameras überwiegend reflektierte Strahlung und erzeugen Bilder daher nach einem ähnlichen Prinzip wie Kameras im sichtbaren Spektrum. Obwohl das menschliche Auge diesen Wellenlängenbereich nicht wahrnehmen kann, lassen sich damit Informationen sichtbar machen, die im sichtbaren Licht verborgen bleiben.
Gerade diese Kombination aus klassischer Bildgebung und zusätzlichen Materialinformationen macht SWIR für viele industrielle Anwendungen besonders interessant. Um die Vorteile von SWIR-Systemen zu verstehen, lohnt sich zunächst ein Blick auf die Einordnung des Spektralbereichs.
Das elektromagnetische Spektrum und die Position von SWIR
Die genaue Einteilung des elektromagnetischen Spektrums ist nicht offiziell normiert, hat sich in Wissenschaft und Technik jedoch weitgehend etabliert.
Allgemeine Einteilung des elektromagnetischen Spektrums:
- Sichtbares Licht (VIS): 380–780 nm
- Nahes Infrarot (NIR): 780–1400 nm
- Short Wave Infrared (SWIR): 1400–3000 nm
- Mid Wave Infrared (MWIR): 3–8 µm
- Long Wave Infrared (LWIR): 8–15 µm
- Far Infrared (FIR): 15 µm–1 mm
Der sichtbare Bereich umfasst den Teil des Lichts, den das menschliche Auge wahrnehmen kann. Das nahe Infrarot schließt sich direkt daran an. Die Grenze zwischen NIR und SWIR wird häufig an der starken Absorptionslinie von Wasser bei etwa 1450 nm orientiert.
In der industriellen Bildverarbeitung orientiert sich die Einteilung eher an den Eigenschaften der gängigen Sensoren. Diese werden vom jeweiligen verwendeten lichtempfindlichen Sensormaterial bestimmt.
Sensorgestützte Einteilung für die industrielle Bildverarbeitung:
- Sichtbares Licht (VIS): 380–780 nm
- Nahes Infrarot (NIR): 780–900 nm
- Short Wave Infrared (SWIR): 900–1700 nm
- Extended SWIR (eSWIR): 1700–2500 nm
- Mid Wave Infrared (MWIR): 3–8 µm
- Long Wave Infrared (LWIR): 8–15 µm
- Far Infrared (FIR): 15 µm–1 mm
Dies ist die gängige Einteilung mit der auch Kameras und Objektive beworben werden.
Auswahl geeigneter Schneider-Kreuznach SWIR-Objektive für verschiedene Sensorformate
Funktionsweise und technische Grundlagen von SWIR-Kameras
Eine wichtige Besonderheit von NIR und SWIR besteht darin, dass die Strahlung überwiegend von Objekten reflektiert wird. Kameras erfassen daher – ähnlich wie im sichtbaren Bereich – reflektiertes Licht. Mit zunehmender Wellenlänge gewinnt jedoch die thermische Eigenstrahlung von Objekten an Bedeutung. Ab etwa 3 µm Wellenlänge wird sie für viele Anwendungen zunehmend relevant und dominiert schließlich in den MWIR- und insbesondere LWIR-Bereichen. Während SWIR-Kameras also hauptsächlich reflektiertes Licht auswerten, erfassen thermische Infrarotkameras vor allem die von den Objekten selbst abgestrahlte Wärmestrahlung.
Warum ist SWIR für die Industrie so interessant?
Viele Materialien sehen im sichtbaren Licht sehr ähnlich aus und lassen sich mit einer herkömmlichen Kamera nur schwer unterscheiden. Im SWIR-Bereich verändern sich jedoch die optischen Eigenschaften vieler Stoffe deutlich. Materialien reflektieren oder absorbieren die Strahlung unterschiedlich stark und erzeugen dadurch Kontraste, die im sichtbaren Spektrum nicht vorhanden sind.
Genau diese Eigenschaft macht SWIR für die industrielle Bildverarbeitung so wertvoll: Materialien, die für das menschliche Auge oder eine Standardkamera nahezu identisch erscheinen, können im SWIR-Bereich klar voneinander unterschieden werden. Gleichzeitig werden Eigenschaften wie Feuchtigkeit, Materialzusammensetzung oder verborgene Strukturen sichtbar.
SWIR-Kameras arbeiten in einem Spektralbereich, in dem viele Materialien ein völlig anderes optisches Verhalten zeigen als im sichtbaren Licht. Manche Stoffe werden transparent, andere absorbieren die Strahlung besonders stark. Besonders interessant ist das Verhalten von Wasser. Während Wasser im sichtbaren Bereich meist transparent erscheint, absorbiert es SWIR-Strahlung sehr effektiv. Wasserhaltige Bereiche erscheinen deshalb oft dunkel. Dieser Effekt wird beispielsweise bei der Lebensmittelkontrolle oder in landwirtschaftlichen Anwendungen genutzt.
Einsatzmöglichkeiten von Zubehör bei der Verwendung eines CUPRITE SWIR-Objektivs.
Datenblatt CUPRITE SWIR-Objektiv
SWIR-Sensoren: Höhere Auflösungen durch kleinere Pixel
Für die Bildaufnahme stehen heute unterschiedliche Sensortechnologien zur Verfügung. Gängige SWIR-Sensoren decken je nach Ausführung Empfindlichkeitsbereiche zwischen etwa 950 nm und 2550 nm ab. Daneben existieren Sensoren, die sowohl den sichtbaren Bereich VIS als auch SWIR erfassen und beispielsweise von 400 nm bis 1700 nm arbeiten.
Die Entwicklung der Sensoren hat in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Während frühe SWIR-Sensoren Pixelgrößen von etwa 20 µm aufwiesen, liegen moderne Sensoren mittlerweile bei rund 3,5 µm. Mit kleineren Pixeln steigen die erreichbaren Auflösungen deutlich, wodurch SWIR-Systeme zunehmend für klassische Aufgaben der industriellen Bildverarbeitung interessant werden.
Es ist zu erwarten, dass zukünftige Sensorgenerationen nochmals kleinere Pixelgrößen ermöglichen und gleichzeitig größere Spektralbereiche abdecken werden. Damit steigen jedoch auch die Anforderungen an die verwendeten Objektive.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die spektrale Abstimmung des Gesamtsystems. Die Transmission des Objektivs sollte möglichst gut zur Empfindlichkeit des Sensors passen. Gegebenenfalls werden zusätzliche Filter eingesetzt, (zB UV/IR-cut verlinken) um unerwünschte Spektralanteile – beispielsweise Restlicht aus dem sichtbaren Bereich – zu unterdrücken. Denn unabhängig von der Sensorqualität gilt auch im SWIR-Bereich: Ohne ausreichend Licht entsteht kein nutzbares Bild.
SWIR-Objektive: Warum Standard-Optiken nicht ausreichen
Obwohl Standardobjektive für sichtbares Licht zwar in der Regel durchlässig für Licht im NIR- oder SWIR-Bereich sind, heißt das nicht, dass sie außerhalb des VIS-Bereichs gute Abbildungsleistungen bringen.
Focus Shift und optische Abbildungsfehler vermeiden
Der erste Grund liegt in der wellenlängenabhängigen Brechung des Lichts. Jede Wellenlänge besitzt ihren eigenen Fokuspunkt. Dieses Phänomen wird als Focus Shift bezeichnet.
Wird ein Objektiv ursprünglich für den sichtbaren Bereich entwickelt und anschließend im SWIR eingesetzt, verschiebt sich die Schärfeebene häufig deutlich. Das Bild kann unscharf werden oder die Bildqualität nimmt sichtbar ab.
Die gravierendsten Einschränkungen sind aber bei der erreichbaren Abbildungsleistung zu erwarten. Ein Objektiv erreicht seine maximale Abbildungsleistung nur in dem Wellenlängenbereich, der bei der Entwicklung berücksichtig wurde. Wird ein VIS-Objektiv also im SWIR-Bereich verwendet ist mit deutlichem Einbruch der Abbildungsleistung und erheblichen zusätzlichen optischen Abbildungsfehlern zu rechnen wie sphärische Aberration, Astigmatismus oder Coma.
Besonders anspruchsvoll wird die Entwicklung von Objektiven, die gleichzeitig einen sehr großen Spektralbereich abdecken sollen – beispielsweise von 400 nm bis 1700 nm oder sogar darüber hinaus. Je größer der genutzte Spektralbereich ist, desto aufwendiger muss die optische Entwicklung gestaltet werden, damit die Fokuspunkte der einzelnen Wellenlängen möglichst nahe beieinander liegen.
Moderne SWIR-Objektive verwenden daher speziell ausgewählte Glassorten und Beschichtungen, die für die gewünschten Wellenlängen optimiert sind. Darüber hinaus wird das optische Design gezielt auf den SWIR-Bereich abgestimmt. Dadurch lassen sich Abbildungsfehler reduzieren und eine deutlich bessere Bildqualität erzielen als mit einem klassischen VIS-Objektiv außerhalb seines eigentlichen Einsatzbereichs.
Mit der fortschreitenden Entwicklung hochauflösender SWIR-Sensoren wird dieser Aspekt künftig noch wichtiger. Kleinere Pixelgrößen stellen höhere Anforderungen an die Auflösung und Präzision der Objektive. Erfahrene Hersteller von Präzisionsoptiken werden diese Anforderungen mit der gewohnten Sorgfalt in Marktgerechte Objektive umsetzen.
Diagramm zur Darstellung chromatischer Aberration mit Lichtstrahlen, die durch eine Linse gebrochen werden.
Typische Anwendungen von SWIR in der industriellen Bildverarbeitung
Die besonderen Materialeigenschaften im SWIR-Bereich eröffnen zahlreiche Anwendungen, die mit sichtbarem Licht nur schwer realisierbar sind. Für diese anspruchsvollen Bildverarbeitungsaufgaben bietet Schneider-Kreuznach speziell entwickelte SWIR-Objektive, die auf unterschiedliche Sensorformate, Wellenlängenbereiche und Anforderungen abgestimmt sind:
Füllstands- und Verpackungskontrolle
Viele Kunststoffe und Verpackungsmaterialien sind für SWIR-Strahlung teilweise transparent. Dadurch können Inhalte sichtbar gemacht werden, die im sichtbaren Bereich verborgen bleiben. Dies ermöglicht beispielsweise die Kontrolle von Füllständen oder die Inspektion verpackter Produkte.
Lebensmittelinspektion
Da Wasser SWIR-Strahlung stark absorbiert, lassen sich Feuchtigkeitsunterschiede sehr gut erkennen. In der Lebensmittelindustrie können dadurch Qualitätsmerkmale sichtbar gemacht werden, die mit herkömmlichen Kameras verborgen bleiben, zum Beispiel Druckstellen auf Obst und Gemüse.
Landwirtschaft und Agrartechnik
Auch in landwirtschaftlichen Anwendungen spielt der Wassergehalt eine entscheidende Rolle. SWIR-Systeme können helfen, den Feuchtigkeitszustand von Pflanzen oder Böden zu bewerten und damit wichtige Informationen für die Bewässerung oder Ertragsprognosen bereitzustellen.
Materialunterscheidung und Recycling
Viele Materialien besitzen im SWIR-Bereich charakteristische spektrale Eigenschaften. Kunststoffe, Verbundwerkstoffe oder andere Werkstoffe können dadurch besser unterschieden werden als im sichtbaren Spektrum. Dies macht SWIR zu einer wichtigen Technologie für moderne Sortier- und Recyclinganlagen.
Sicherheit und Überwachung
SWIR-Kameras bieten auch im Bereich Sicherheit und Überwachung interessante Vorteile. Aufgrund der längeren Wellenlängen können sie unter bestimmten Bedingungen Nebel, Dunst oder Rauch besser durchdringen als Kameras für sichtbares Licht. (Exkurs: Der Vorteil von SWIR bei Nebel entsteht hauptsächlich durch die geringere Streuung der längeren Wellenlängen. Die Wasserabsorption wirkt zwar entgegen, ist aber in bestimmten SWIR-Bereichen noch ausreichend gering, sodass insgesamt mehr nutzbares Signal durch den Nebel gelangt als bei sichtbarem Licht. Welche Wirkung überwiegt, hängt von der genauen Wellenlänge und der Dichte des Nebels ab.) In Kombination mit geeigneten Beleuchtungsquellen lassen sich zudem Personen, Fahrzeuge oder Objekte auch bei schwierigen Lichtverhältnissen zuverlässig erfassen. Dadurch eignen sich SWIR-Systeme beispielsweise für die Überwachung von Betriebsgeländen, kritischen Infrastrukturen oder anderen sicherheitsrelevanten Bereichen.
Kunst- und Kulturgutanalyse
Auch außerhalb der Industrie findet SWIR Anwendung. In der Analyse von Kunstwerken lassen sich unter bestimmten Bedingungen Vorzeichnungen, Übermalungen, Restaurierungen oder Materialunterschiede sichtbar machen, die mit bloßem Auge verborgen bleiben. Dadurch gewinnen Restauratoren und Kunsthistoriker zusätzliche Informationen über Entstehung und Zustand eines Werkes.
Fazit: Die Zukunft von SWIR-Systemen
SWIR schließt die Lücke zwischen klassischer Bildverarbeitung im sichtbaren Bereich und thermischer Infrarotbildgebung. Da die Strahlung in diesem Wellenlängenbereich überwiegend reflektiert wird, können Bilder ähnlich wie im sichtbaren Licht erzeugt werden – allerdings mit völlig neuen Informationsgehalten.
Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Sensoren mit kleineren Pixelgrößen und höheren Auflösungen macht SWIR zunehmend attraktiv für industrielle Anwendungen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die optischen Systeme, da Objektive über große Spektralbereiche hinweg eine hohe Bildqualität liefern müssen.
Wo Materialeigenschaften, Feuchtigkeit oder verborgene Strukturen sichtbar gemacht werden sollen, bietet SWIR bereits heute Möglichkeiten, die weit über die klassische Bildverarbeitung hinausgehen. Mit sinkenden Sensorgrößen und steigenden Auflösungen dürfte die Bedeutung dieser Technologie in den kommenden Jahren weiter zunehmen.
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