Bildgebung mit kurzwelligem Infrarot
SWIR-Bildverarbeitung auf dem Vormarsch
Eines der am schnellsten wachsenden Segmente der Vision-Industrie ist die SWIR-Bildverarbeitung. Im Vergleich zur Bildgebung im sichtbaren oder NIR-Bereich liefern SWIR-Wellenlängen eine zusätzliche Informationsebene und ermöglichen Lösungen, die allein mit sichtbarem Licht nicht realisierbar sind.
David Persson, Produktmanager bei JAI, gibt Einblicke in die Technologie, ihre besonderen Eigenschaften und ihre potenziellen Anwendungen.
Elektronik: Was macht die SWIR-Bildgebung (Short Wave Infrared, kurzwelliges Infrarot) derzeit besonders relevant für Bildverarbeitungs-Anwender?
David Persson: Die Bildverarbeitung ist eine erwachsen gewordene Technologie, in der viele einfache Anwendungen bereits mit traditionellen Bildverarbeitungssystemen im sichtbaren oder NIR-Bereich gelöst wurden. Auf Basis dieses Erfolgs richtet sich der Fokus nun auf komplexere Inspektionsaufgaben – etwa das Erkennen von Merkmalen durch Materialien hindurch, die Erkennung von Feuchtigkeit oder die Unterscheidung ähnlich aussehender Stoffe. SWIR-Bildgebung erweitert die Möglichkeiten in diesen Bereichen und ermöglicht Lösungen, die allein mit sichtbarem Licht nicht umsetzbar sind.
Bei welchen Anwendungen sehen Sie den größten Leistungszuwachs durch die Nutzung von SWIR-Kameras?
Es gibt zwei zentrale Bereiche, in denen sich SWIR-Bildgebung deutlich von sichtbarer oder NIR-Bildgebung abhebt: Silizium-Transparenz und Wasserabsorption. Silizium wird im SWIR-Bereich transparent, wodurch man in Wafer hineinschauen und Defekte erkennen kann, die sonst unsichtbar bleiben – etwas, das mit sichtbarer oder herkömmlicher NIR-Bildgebung nicht möglich ist. Deshalb zählt die Halbleiterinspektion definitiv zu den Bereichen mit dem größten Leistungszuwachs.
Die SWIR-Bildgebung ergänzt die Bildgebung im sichtbaren und im nahen Infrarotbereich, indem sie bei Bedarf eine weitere Informationsebene hinzufügt.
Der zweite Bereich beruht darauf, dass Wasser im SWIR-Bereich eine starke Absorption aufweist. Dadurch eignet sich SWIR hervorragend zur Erkennung von Feuchtigkeit und Verunreinigungen, etwa in der Lebensmittelinspektion oder Landwirtschaft. Darüber hinaus sehen wir große Vorteile im Recycling, wo SWIR-Kameras Materialien besser unterscheiden und die Sortiergenauigkeit erhöhen. Deshalb betrachten wir Recycling als einen spannenden Wachstumsmarkt. Auch bei der Inspektion von Bahnmaterial kann SWIR-Technologie einen echten Mehrwert liefern. Insgesamt sind wir überzeugt, dass SWIR inzwischen ein Niveau erreicht hat, auf dem kosteneffiziente Lösungen für solche Aufgaben möglich sind.
Warum ist die Halbleiterinspektion ein besonders vielversprechendes Einsatzgebiet für die SWIR-Bildverarbeitung?
Bei der Produktion von SWIR-Sensoren kann man nicht wie bei herkömmlichen Kamerasensoren auf Silizium setzen, weil Silizium für SWIR-Wellenlängen teilweise transparent ist. Ein Sensor muss das Licht absorbieren, das er erfassen soll, daher verwenden wir für SWIR-Sensoren andere Materialien. Das eröffnet neue Möglichkeiten in der Halbleiterinspektion, weil wir unter die Oberfläche von Chips und Wafern sehen und Defekte wie Hohlräume, Risse oder Verunreinigungen erkennen können, die mittels Standardbildgebung unsichtbar bleiben. SWIR-Bildgebung eignet sich außerdem zur Überprüfung von Alignments in gebondeten Strukturen.
Die SWIR-Bildgebung ermöglicht Lösungen, die mit sichtbarem Licht allein nicht realisierbar sind, etwa den Blick durch Materialien hindurch zur Prüfung verpackter Oliven.
Zusätzlich gibt es Trends in der Halbleiterfertigung, die die Nachfrage nach SWIR-basierter Inspektion vorantreiben. Mit kleineren Strukturgrößen und komplexeren Designs sinkt die Fehlertoleranz drastisch. Gleichzeitig erschweren neue Technologien wie Advanced Packaging und mehrschichtige Strukturen die Inspektion. Wegen der hohen Auslastung in der Chipherstellung und langer Produktionszyklen ist es entscheidend, Defekte möglichst früh zu erkennen, um Zeit und Ressourcen nicht zu verschwenden. Genau hier gewinnen fortschrittliche Inspektionsmethoden wie SWIR zunehmend an Bedeutung.
Warum bietet sich SWIR für die Sortierung und Qualitätsbewertung in der Lebensmittelindustrie an?
Die Qualitätsanforderungen an Lebensmittelproduzenten steigen stetig, weshalb auch Sortiersysteme immer leistungsfähiger werden müssen. SWIR ist für diese Branche besonders wertvoll, weil sich damit Dinge sichtbar machen lassen, die mit Standard-RGB-Bildgebung nicht erkennbar sind – etwa Druckstellen, Feuchtigkeitsunterschiede oder Verunreinigungen. Die SWIR-Bildgebung hilft Lebensmittelherstellern daher, die Konsistenz zu verbessern und Ausschuss zu reduzieren. Beim Sortieren geht es beispielsweise darum, sicherzustellen, dass Produkte der Klasse A tatsächlich A-Qualität besitzen und keine minderwertigen Produkte durchrutschen. Werden zu viele minderwertige Produkte an einen Supermarkt geliefert, kann dieser die gesamte Charge zurückweisen – und der Umsatz geht verloren. Werden dagegen zu viele Produkte unnötig niedriger eingestuft, entstehen ebenfalls Verluste. Deshalb ist es wichtig, möglichst nahe an der Qualitätsgrenze zu arbeiten, ohne sie zu überschreiten. Mit den zusätzlichen Informationen aus der SWIR-Bildgebung lassen sich die Sortierkriterien präziser einstellen, Abfälle reduzieren und zugleich hohe Qualitätsstandards aufrechterhalten.
Warum gewinnt SWIR bei der Inspektion von Bahnmaterial zunehmend an Aufmerksamkeit?
Bahnmaterial-Inspektionen konzentrierten sich traditionell auf Materialien wie Papier, Textilien und Kunststoffe. In diesen Anwendungen ist SWIR-Bildgebung sehr wertvoll, um Feuchtigkeitsunterschiede, Beschichtungsfehler oder Probleme bei Heißsiegelungen zu erkennen. Gleichzeitig sehen wir eine steigende Nachfrage in neueren Bereichen wie bei der Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge und in der Medizintechnik, wo Materialien komplexer und Fehlertoleranzen deutlich geringer sind. Dadurch wird SWIR zur Qualitätssicherung immer wichtiger.
Was würden Sie Unternehmen raten, die SWIR gerade erst für ihre Inspektionsaufgaben entdecken?
Ich würde ihnen empfehlen, zunächst das konkrete Problem zu analysieren und zu prüfen, ob sichtbare oder NIR-Bildgebung dabei an Grenzen stößt. SWIR kann einen enormen Mehrwert bieten, ist aber besonders effektiv bei den passenden Herausforderungen. Ebenso wichtig ist ein strukturierter Ansatz – man sollte unterschiedliche Wellenlängen testen und verstehen, wie sich die zu prüfenden Materialien verhalten. Genau hier kann die Zusammenarbeit mit einem Partner wie JAI sehr hilfreich sein, sowohl bei der Bewertung der Machbarkeit als auch bei der schnelleren Entwicklung einer zuverlässigen Lösung.
Welche Missverständnisse bestehen Ihrer Meinung nach noch immer bei der Frage, was SWIR kann und was nicht?
Ein häufiges Missverständnis ist die Annahme, SWIR sei zu teuer. Das war früher oft der Fall, aber neue Entwicklungen verändern diese Situation. Ein weiteres Missverständnis ist die Vorstellung, SWIR sei einfach eine bessere Version von Bildverarbeitung im sichtbaren Bereich. Tatsächlich liefert SWIR aber eine völlig andere Art von Informationen. In den richtigen Anwendungen ist die Technologie extrem leistungsfähig, aber sie ist nicht immer das passende Werkzeug. Außerdem glauben manche, man könne SWIR einfach anschließen und sofort Ergebnisse erhalten. SWIR bedeutet jedoch nicht nur eine einzelne Wellenlänge, sondern umfasst ein ganzes Spektrum verschiedener Wellenbänder, und unterschiedliche Anwendungen profitieren von unterschiedlichen Bereichen dieses Spektrums. Um einen echten Nutzen zu erzielen, muss man die Materialien verstehen und die richtigen Wellenlängen auswählen. Auch hier kommt die Erfahrung von JAI ins Spiel – wir helfen Kunden dabei, den richtigen Ansatz zu finden und das Maximum aus der Technologie herauszuholen.
Worauf hat sich das Team bei der Entwicklung der neuen SWIR-Kameras konzentriert?
Wasser weist im SWIR-Bereich eine hohe Absorption auf, wodurch sich SWIR hervorragend zur Erkennung von Feuchtigkeit und Verunreinigungen in Bereichen wie der Lebensmittelindustrie und der Landwirtschaft eignet.
Bei der Entwicklung einer neuen Kamera ist es wichtig, dass sie in unser Gesamtportfolio passt und für die Märkte, die wir bedienen, einen echten Mehrwert bietet. Das bedeutet, dass wir gezielt für bestimmte Anwendungen entwickeln. In diesem Fall haben wir Produkte speziell für die Halbleiterinspektion entwickelt, bei denen sehr hohe Bildqualität erforderlich ist, um geringfügige Defekte zu erkennen, sowie andere Lösungen für Lebensmittel- und Verpackungsanwendungen, bei denen Kosteneffizienz wichtiger ist. Manchmal eignet sich eine Kamera für mehrere Anwendungen, in anderen Fällen braucht man stärker spezialisierte Lösungen. Mit einem umfassenden Portfolio aus RGB-, NIR- und SWIR-Kameras ist JAI für seine Kunden ein zuverlässiger Partner und deckt sämtliche Anforderungen der Bildverarbeitung ab. Die neuen SWIR-Kameras werden sich nahtlos in unser bestehendes Ecosystem hochwertiger Bildgebungslösungen einfügen. Unser Ziel ist es, weiterhin der bevorzugte Kameraanbieter für die vier Branchen zu bleiben, in denen wir besonders stark sind.
Ohne Details zu verraten: Was begeistert Sie an den kommenden SWIR-Kameras am meisten?
Da gibt es zwei Punkte: Erstens die Erweiterung unseres Portfolios. Wir decken bereits ein breites Spektrum von Inspektionsanforderungen ab, weil wir sowohl Flächen- als auch Zeilenkameras anbieten und in beiden Bereichen Single-Sensor- sowie multispektrale, prismabasierte Kameras im Portfolio haben. Dadurch sind wir für die meisten Inspektionsaufgaben relevant geworden. Die Ergänzung durch Single-Sensor-SWIR stärkt unser Gesamtangebot nun zusätzlich. Der zweite Punkt sind die neuen Möglichkeiten, die sich daraus ergeben. Unsere bisherigen Multi-Band-SWIR-Lösungen waren eher im High-End-Bereich angesiedelt. Jetzt können wir kosteneffizientere Optionen für ein breiteres Anwendungsspektrum anbieten, was die Verbreitung der Technologie beschleunigen wird.
Wann ist ein Single-Sensor-SWIR-Ansatz sinnvoller als multispektrale Systeme?
Ein Dual-Sensor-Ansatz ist ideal, wenn große Unterschiede in Reflektivität oder Farbe der zu prüfenden Objekte bestehen. Möchte man beispielsweise Feuchtigkeit in Rohmaterialien mit unterschiedlicher Zusammensetzung erkennen, kann eine Dual-Line-Kamera sowohl innerhalb als auch außerhalb des Wasserabsorptionsbands aufnehmen und anschließend die beiden Signale vergleichen. Bei Anwendungen mit geringer Variation werden diese zusätzlichen Informationen nicht benötigt. Dann ist eine Single-Sensor-Lösung sinnvoller und kostengünstiger.
Wie fügt sich SWIR-Bildgebung in bestehende Vision-Ecosystems ein?
Im Vergleich zur RGB-Bildgebung (Bild links) ermöglicht die SWIR-Bildgebung (Bild rechts) eine zuverlässige Unterscheidung zwischen roten Bohnen oder anderen Naturprodukten und unerwünschten Objekten.
SWIR-Bildgebung lässt sich problemlos in bestehende Bildverarbeitungs-Ecosystems integrieren. Sie ersetzt sichtbare oder NIR-Bildgebung nicht, sondern ergänzt sie durch eine zusätzliche Informationsebene dort, wo sie benötigt wird. Aus Systemsicht lassen sich SWIR-Kameras typischerweise über dieselben Schnittstellen, Softwarelösungen und Workflows integrieren, wodurch die Einführung vergleichsweise unkompliziert ist. Es geht also eher darum, bestehende Lösungen zu erweitern, statt etwas völlig Neues aufzubauen.
Welche Objektive sollten bei der Auswahl einer industriellen SWIR-Kamera berücksichtigt werden?
Bei der Auswahl eines Objektivs für eine SWIR-Kamera gibt es zwei entscheidende Punkte, die man beachten muss. Erstens die Transmission: Manche Materialien werden im SWIR-Bereich weniger transparent. Deshalb benötigt man ein Objektiv, das die gewünschten Wellenlängen ausreichend durchlässt. Zweitens der gesamte Wellenlängenbereich, mit dem gearbeitet wird. Das Objektiv sollte über den gesamten benötigten Bereich hinweg geringe Verzerrungen aufweisen, um eine präzise Bildgebung sicherzustellen.
Welche zukünftigen Entwicklungen in der SWIR-Technologie begeistern Sie besonders?
Am meisten begeistert mich die Entwicklung neuer Sensortechniken. Der Markt wurde lange von InGaAs-Sensoren dominiert – sie bieten eine hohe Qualität, sind jedoch teuer und benötigen oft eine Kühlung, um ihre Leistung aufrechtzuerhalten. Nun treiben einige führende Innovationszentren Fortschritte bei organischen Sensoren voran, die kostengünstiger und weniger hitzeempfindlich sind. Das könnte ein echter Wendepunkt werden, besonders bei Anwendungen wie der Lebensmittel-Sortierung und im Recycling, und SWIR branchenübergreifend zugänglicher und praktikabler machen. Dank unserer Partnerschaften bleiben wir an vorderster Front dieser Entwicklung.
Die Fragen stellte Andreas Knoll.
Das Unternehmen JAI
JAI ist ein Hersteller hochwertiger Industriekameras für verschiedene Märkte, darunter Bildverarbeitung, Transportwesen, Lebensmittel- und Getränkeindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizin sowie Wissenschaft. Mit über 60 Jahren Erfahrung in der Bildverarbeitungsbranche hat JAI weltweit mehr als 1 Million Kameras verkauft und bedient zahlreiche Anwendungen und Branchen, in denen Bildverarbeitungstechnik für Prozesse, Produkte oder Dienstleistungen von großer Bedeutung ist. Das umfangreiche Produktportfolio von JAI umfasst Progressive-Scan-CMOS-Kameras, darunter NIR-, SWIR- und UV-Modelle. Dazu gehören auch Multisensor-Prismenkameras, die sowohl als Flächen- als auch als Zeilenkameras erhältlich sind. Zu den von JAI-Kameras unterstützten physikalischen Schnittstellen zählen die digitalen Standards CameraLink, GigE Vision, CoaXPress und USB3 Vision sowie die SFP+-Glasfaserübertragung.
