SWIR-Kameras – Anwendungen und Technologie
Was verbirgt sich unter der Oberfläche?
SWIR-Kameras sind häufig mit speziellen InGaAs-Sensoren ausgestattet. Sie nutzen die Eigenschaften von kurzwelligem Infrarot (SWIR)-Licht, um Bilder zu erzeugen. So ermöglicht SWIR-Technologie ganz neue Verfahren in der Qualitätssicherung: Materialien lassen sich präzise voneinander unterscheiden, Temperaturen erkennen oder ein Blick unter Oberflächen werfen.
Multispektral- und SWIR-Technologie
In unserem Webinar beantworten wir die wichtigsten Fragen rund um die SWIR- und multispektrale Bildgebung:
Was ist Multispektraltechnik und was ist SWIR?
Wofür lassen sie sich einsetzen?
Welche gemeinsamen Lösungen gibt es mit welchen Vor- und Nachteilen?
Best Practice-Beispiele
Ein kurzer Blick in die Zukunft
Was ist SWIR?
SWIR steht für Short Wave Infrared und bezeichnet den Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung zwischen 900 nm und 2.500 nm (Nanometer). Das menschliche Auge hingegen kann Licht von ca. 400 nm bis 800 nm wahrnehmen.
Eigenschaften von Materialen im SWIR-Spektrum
SWIR-Licht hat ähnliche Eigenschaften wie sichtbares Licht: Photonen interagieren mit Objekten und erzeugen so den Kontrast bei der Bildgebung. Jedes Material reflektiert, absorbiert oder transmittiert Licht unterschiedlich je nach Wellenlänge.
Silizium zum Beispiel reflektiert im sichtbaren Bereich fast alle Strahlung, für Wellenlängen höher als 1.100 nm transmittiert es mehr Strahlung und wird dadurch transparent. Ebenso erscheinen getöntes Glas, einige Kunststoffe oder Rauch transparent. Es gibt aber auch den umgekehrten Effekt: Manche Materialien absorbieren im SWIR-Spektrum mehr Strahlung. So entsteht ein höherer Kontrast als dies mit kürzeren Wellenlängen zu erreichen wäre.
Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten in der Bildverarbeitung: So lassen sich Salz und Zucker, Wasser und Isopropanol oder auch verschiedene Plastikarten unterscheiden.
Temperatur-Erkennung mit SWIR-Kameras
Eine weitere Anwendung ist das Erfassen von Wärmeunterschieden. Objekte mit einer Temperatur ab ca. 140 °C emittieren zunehmend Infrarotstrahlung, die sich mit SWIR-Kameras detektieren lässt. Je heißer das Objekt, desto mehr Infrarotstrahlung emittiert es und desto heller erscheint das Objekt im Bild. Dadurch kann die SWIR-Technologie in der Prozessüberwachung entscheidende Vorteile bringen, da sie eine kontaktlose Temperaturüberwachung von Materialien und Produkten ermöglicht. Dies ist besonders nützlich in Umgebungen, in denen traditionelle Temperatur-Messmethoden unpraktisch oder gefährlich sind.
SWIR Vision Systeme
Für die Bildaufnahme im SWIR-Bereich sind spezielle Produkte erforderlich, die auf das kurzwellige Infrarotspektrum abgestimmt sind. Die Auswahl der richtigen Komponenten ist entscheidend für die Qualität der SWIR-Bildgebung und erfordert ein Verständnis der spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung.
visSWIR-Kameras
Für die SWIR-Bildgebung werden spezielle Sensoren benötigt, da herkömmliche Silizium-Sensoren eine obere Erkennungsgrenze von etwa 1.000 nm haben. Indium-Gallium-Arsenid-Sensoren (InGaAs) sind für diese Zwecke besonders geeignet, da sie das typische SWIR-Spektrum abbilden.
visSWIR-Kameras sind sowohl im sichtbaren (engl. visible) als auch im SWIR-Bereich empfindlich. Mit einer visSWIR-Kamera lassen sich also sowohl die Wellenlängen erfassen, die eine Kamera mit einem Silizium-Sensor erfassen würde (ca. 400-1.000 nm), als auch die des SWIR-Spektrums. Im Unterschied zu bisherigen Technologien, die nur den einen oder den anderen Wellenlängen-Bereich aufnehmen, eignen sich diese neuen Sensoren für die gesamte Spanne von 400 nm bis 1.700 nm.
SWIR-Objektive
Herkömmliche Objektive sind gewöhnlich für das sichtbare Spektrum optimiert oder filtern den Infrarot-Anteil sogar ganz heraus. Daher gibt es spezielle SWIR-Objektive, die aber ihrerseits den sichtbaren Bereich ausschließen. Um die komplette Bandbreite scharf abzubilden, gibt es spezielle visSWIR-kompatible Optiken. Diese neigen jedoch wegen der sehr großen Wellenlängen-Spanne zu einem so genannten Fokus-Shift. Jede Wellenlänge wird in dem optischen Pfad des Objektives etwas anders gebrochen, weshalb der Fokuspunkt über den Spektralbereich entlang der optischen Achse des Objektivs wandert. Um ein scharfes Bild in der Kamera zu erzeugen muss der Fokuspunkt allerdings möglichst konstant sein. Es gibt spezielle Objektive, die den Fokus-Shift korrigieren. Genügt ein begrenzter Wellenlängen-Bereich, sind kostenoptimierte Objektive ohne Korrektur jedoch meist ausreichend.
SWIR-Filter
Optische Filter spielen für viele Anwendungen eine entscheidende Rolle, da sie es ermöglichen die Lichtdurchlässigkeit je nach Wellenlängen-Bereichen zu steuern. Insbesondere bei visSWIR-Kameras ist es für einige Anwendungen entscheidend, das Umgebungslicht zu blockieren. So wird der Kontrast bei einer spezifischen Wellenlänge erhöht und einzelne Merkmale besonders hervorgehoben.
SWIR-Beleuchtung
LED-Beleuchtung in Innenräumen verfügt in der Regel über keine Wellenlängen im SWIR-Spektrum. Deshalb sind dort zusätzlich SWIR-Beleuchtungen nötig, wie z.B. Halogenlampen mit einem breitbandigen Spektrum oder spezielle LED-Lichter, die ein schmalbandiges, definiertes Spektrum liefern. Diese Beleuchtungen ermöglichen es, die Empfindlichkeit des Sensors oberhalb von 1.000 nm zu nutzen.
Soll eine spezifische Wellenlänge untersucht werden, lassen sich LEDs dank des schmalbandiges Spektrums ohne zusätzliche Filter nutzen. Das ist besonders praktisch, wenn mehrere Wellenlängen untersucht werden sollen: In diesem Fall kann mit verschiedenen LED-Spektren geblitzt werden und ein mechanischer Filterwechsel entfällt. LEDs sind im Vergleich zu Halogen-Leuchtmitteln kostenintensiver, dafür deutlich langlebiger und somit industrietauglich. Letztlich hängt es von der Anwendung ab, welches Leuchtmittel am besten geeignet ist.
Anwendungen für SWIR-Kameras
Die nachfolgenden Beispiele veranschaulichen die enorme Bandbreite möglicher Anwendungen mit SWIR-Technologie, quer durch alle Branchen. Der Einsatz von visSWIR-Sensoren erhöht die Anwendungsvielfalt zusätzlich.
Sie benötigen Unterstützung für Ihre spezielle Applikation? Wir stellen Ihnen gerne unser auf Ihren Anwendungsfall passendes SWIR-Portfolio in einer persönlichen Beratung vor.
Welche Technologie steckt dahinter?
Für Aufnahmen sowohl im sichtbaren als auch im SWIR-Lichtspektrum wurden früher zwei Kameras bzw. Sensortechnologien benötigt. Mittlerweile haben sich kombinierte, so genannte visSWIR-Sensoren am Markt durchgesetzt. Sie liefern hoch auflösende Bilder mit guter Bildqualität.
Die SenSWIR-Technologie von Sony
SWIR-Kameras nutzen anstelle von CMOS-Sensoren entweder InGaAs- (Indium Gallium Arsenid) oder CQD- (Colloidal Quantum Dot) Sensoren. InGaAs-Sensoren waren bisher auf recht große Pixelgrößen und auf den SWIR-Bereich eingeschränkt. CQD-Sensoren haben zwar kleinere Pixel und können auch im sichtbaren Bereich sensitiv sein, bieten jedoch eine deutlich niedrigere Quantenausbeute im SWIR-Bereich als InGaAs-Sensoren.
Anhand der SenSWIR-Sensoren von Sony ist visSWIR auch auf InGaAs-Basis bei einer gleichbleibend hohen Quanteneffizienz über den gesamten visSWIR-Bereich bis 1.700 nm möglich. Sie zeichnen sich durch kleinere Pixel und damit höhere Auflösungen als herkömmliche InGaAs-Sensoren für eine sehr gute Bildqualität aus. Dadurch gewährleisten sie eine größere Genauigkeit bei der Inspektion und Qualitätskontrolle in vielen Anwendungen. Dies ist den Kupfer-Kupfer-Verbindungen zu verdanken, die in der Halbleiter-Fertigung von Sony hergestellt werden. Durch die geringere Dicke der Indium-Phosphat-Schicht (InP-Layer) im Gegensatz zu herkömmlichen SWIR-Sensoren gelingt es diesem Sensor, auch im sichtbaren Spektrum sensitiv zu sein.
Die Sensoren unterscheiden sich in Bezug auf Größe und Auflösung: die erste Generation IMX990 mit 1,3 MP und IMX991 mit VGA-Auflösung bei einer jeweiligen Pixelgröße von 5 µm sowie die zweite Generation IMX992 mit 5,3 MP und IMX993 mit 3,2 MP Auflösung bei einer jeweiligen Pixelgröße von 3,45 µm. Diese werden für die Basler ace 2 X visSWIR Modelle verwendet.
