Was ist multispektrale Bildgebung?
Die multispektrale Bildgebung offenbart Informationen, die dem menschlichen Auge verborgen bleiben. Aber was bedeutet multispektral genau? Und welche Auswirkungen hat diese Technologie auf die industrielle Bildverarbeitung? Wir zeigen Ihnen, wie Ihre Vision-Anwendung von Multispektralkameras profitieren kann.
Letzte Aktualisierung: 01.06.2023
Lesedauer: ca. 6 Minuten
Anwendungsbeispiele für multispektrale Bildgebung
In unserem Webinar beantworten wir die wichtigsten Fragen zur Multispektralbildgebung:
Was ist Multispektraltechnologie?
Wofür kann sie eingesetzt werden?
Best-Practice-Beispiele
Was sind Multispektralkameras?
Multispektralkameras sind hochspezialisierte Geräte in der industriellen Bildverarbeitung, die weit mehr als „nur“ Farben sehen. Sie messen Bilddaten in spezifischen Wellenlängenbereichen des elektromagnetischen Spektrums, weit über das hinaus, was das menschliche Auge wahrnehmen kann (380-780 Nanometer). Typischerweise decken sie 3 bis 15 Spektralbänder ab, doch es gibt auch Kameras, die Hunderte von Spektralbändern erfassen können, was als hyperspektrale Bildgebung bezeichnet wird.
Diese Kameras eröffnen völlig neue Möglichkeiten, indem sie elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereichs, wie z. B. Infrarot, sichtbar machen. Diese präzise Aufnahme von spektralen Informationen trägt dabei maßgeblich zur Effizienzsteigerung und Qualitätssicherung in verschiedenen Branchen bei.
SWIR und UV in der multispektralen Bildgebung
Multispektrale Bildgebung erweitert die klassische Bildverarbeitung beispielsweise um SWIR- und UV-Spektralbereiche. SWIR-Kameras erfassen Strahlung im kurzwelligen Infrarotbereich, UV-Kameras im ultravioletten Spektrum. So werden Materialeigenschaften, Oberflächenstrukturen und mit Standardkameras unsichtbare Details sichtbar.
SWIR-Kameras in Multispektralsystemen
SWIR-Kameras (Short Wave Infrared) erfassen elektromagnetische Strahlung im kurzwelligen Infrarotbereich, typischerweise zwischen etwa 900 und 1700 Nanometern. Über den enthaltenen SWIR-Sensor machen sie Informationen sichtbar, die mit herkömmlichen RGB-Kameras verborgen bleiben. Materialien wie Kunststoffe, Silizium, Wasser oder organische Stoffe reflektieren SWIR-Strahlung unterschiedlich. Dadurch liefern solche Kameras bei der Inspektion von Lebensmitteln, Feuchtigkeitsanalyse, Füllstandkontrolle, Materialsortierung und Erkennung von Materialfehlern präzise Messergebnisse. Wichtige Anwendungsfelder sind Industrie, Landwirtschaft, Qualitätskontrolle und Sicherheits-Überwachung.
UV-Kameras in Multispektralsystemen
UV-Kameras arbeiten im ultravioletten Spektralbereich und erfassen Informationen außerhalb des sichtbaren Lichts, meist zwischen etwa 200 und 400 Nanometern. Über den enthaltenen UV-Sensor machen sie Oberflächenstrukturen, Beschichtungen oder fluoreszierende Materialien sichtbar. Auch kleinste Verunreinigungen, Materialspannungen oder unsichtbare Markierungen lassen sich mit UV-basierten Multispektralsystemen zuverlässig erkennen. Dadurch eignen sich UV-Kameras besonders für Anwendungen in der Forensik, Halbleiterindustrie, Medizintechnik und für wissenschaftliche Analysen.
Möglichkeiten der spektralen Bildgewinnung
Es gibt drei Möglichkeiten, spektrale Bildinformationen zu gewinnen: eine Kamera mit optischen Elementen, ein kontinuierlicher Filter wie das Filterrad oder ein CMOS-Sensor mit Filter.
Multispektralkameras mit optischen Elementen
Multispektralkameras mit optischen Elementen bestehen aus vier Hauptkomponenten:
Prisma: Spaltet das einfallende Licht in verschiedene Wellenlängen.
Sensor: Wandelt das Licht in elektronische Signale um.
Gitter: Isolieren spezifische Wellenbereiche.
Linsen: Fokussieren das Licht für die Weiterverarbeitung.
Diese Komponenten erzeugen zusammen ein hochauflösendes multispektrales Bild. Die Leistung hängt stark von der präzisen Ausrichtung und Kalibrierung der optischen Elemente ab, was jedoch kostenintensiv sein kann.
Filterradkameras
Mit Filterradkameras erfasste Objekte werden sequentiell gescannt, da die Kamera einzelne Wellenlängen erfasst. Für zusätzliche Wellenlängen muss das Filterrad zum gewünschten Filter bewegt werden. Allerdings hat diese Methode ihre Grenzen, insbesondere bei bewegten Zielen. Die langsamere Abtastgeschwindigkeit kann zu unscharfen oder unvollständigen Bildern führen.
CMOS-Sensor mit Filter
Inzwischen gibt es auch CMOS-Sensoren, bei denen die Bandfilter in das Sensorlayout integriert sind. Im Gegensatz zu den anderen Scantechniken erfordern Kameras mit Spektralfiltern auf CMOS-Sensoren keine zusätzlichen optischen Komponenten, die ausgerichtet werden müssen. Sie erfassen Objekte mit unterschiedlichen Wellenlängen in einer einzigen Aufnahme. Diese Sensoren sind nicht nur kostengünstiger, sondern auch einfacher in bestehende Bildgebungssysteme zu integrieren.
Multispektralkameras Anwendungen im Überblick
Multispektralkameras haben sich in den letzten Jahren von ihrem ursprünglichen Einsatzbereich in der Luft- und Raumfahrt, den Biowissenschaften und Laboren weiterentwickelt und finden nun auch in anderen Bereichen breite Anwendung, z. B.:
Leiterplatten: Inspektion zur Erkennung von Fehlern und Defekten
Bankwesen: Fälschungserkennung bei Banknoten
Dermatologie: Charakterisierung von Hautveränderungen und Diagnose von Hautkrankheiten.
Multispektrale Bildgebung im Fokus: Lebensmittelindustrie & Landwirtschaft
Die hauptsächliche Anwendung für Multispektralkameras liegt in der Lebensmittelindustrie und der Landwirtschaft.
Landwirtschaft
In der Landwirtschaft können die Landwirte den Zustand ihrer Ernten beurteilen. Mit Multispektralkameras ausgestattete Drohnen fliegen über das Feld und nehmen hochauflösende Bilder auf, die drahtlos an einen Computer am Boden übertragen werden. Durch die Auswertung der Daten in verschiedenen Farben, z. B. rot und grün, können die Landwirte kranke Pflanzen erkennen und sie gezielt mit Pestiziden behandeln. Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung der Ressourcen und schont die Umwelt.
Lebensmittelproduktion
Auch in der Lebensmittelproduktion spielt die multispektrale Bildgebung eine wichtige Rolle und ermöglicht eine noch genauere Qualitätskontrolle. Automatisierte Prozesse wie das Sortieren von Lebensmitteln profitieren von der präzisen Erkennung von Fremdkörpern. Während herkömmliche Industriekameras nur schwer zwischen Schutt, Steinen und Schmutz unterscheiden können, sind Multispektralkameras in der Lage, selbst kleinste Abweichungen zu erkennen.
Die Zukunft multispektraler Bildgebung
Mit fortschreitender Technologieentwicklung und zunehmender Integration von Multispektralkameras können wir in Zukunft noch genauere und zuverlässigere Analysen erwarten, die Industrieprozesse kontinuierlich optimieren.
