Bildgebende Spektroskopie Hyperspectral Imaging – neue Möglichkeiten in der optischen Spektroskopie

Redakteur: Kristin Rinortner

Hyperspectral Imaging (HSI) ist eine Art Zeilenkamera, mit der sowohl im sichtbaren als auch im nahen Infrarotbereich durch Bewegung des Objektes oder der Kamera vollständig spektral aufgelöste Bilder erzeugt werden können. Neben den Informationen zu Farbe, Fluoreszenz und Absorption lassen sich Erkenntnisse zur chemischen Zusammensetzung aber auch zur Topologie des Untersuchungsobjektes gewinnen.

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Hyperspectral Imaging von weißen Polymeren (farblich kodiertes Spektralbild)
Hyperspectral Imaging von weißen Polymeren (farblich kodiertes Spektralbild)
(Bild: Fraunhofer IWS Dresden)

Was haben Gewebeuntersuchung, Schichtdickenbestimmung, Papierherstellung und Müllsortierung gemein? Dass die für den Anwender relevanten Informationen im vom Objekt reflektierten Licht bereits enthalten sind! Man muss diese Informationen „nur noch“ ortsaufgelöst dekodieren, schon weiß der Mediziner, ob und wo sich bei der Gewebeprobe ein Tumor befindet, der Forstwirt, in welchem Jagen wie viel Schädlingsmittel versprüht werden muss, der Ingenieur, welche Qualität die Schicht bzw. die Papierbahn aufweist. Wird darüber hinaus diese Erkennungsleistung in eine Maschinensteuerung integriert, ist z.B. der Betrieb hocheffizienter vollautomatischer Recyclinganlagen möglich. Der Schlüssel dazu ist immer wieder die ortsaufgelöste Dechiffrierung der im Licht enthaltenen Informationen.

Diese für die Spektroskopie neuen, innovativen Einsatzgebiete werden durch die Technik des „Hyperspectral Imaging“ (HSI) eröffnet, eine Art Zeilenkamera, mit der sowohl im sichtbaren als auch im nahen Infrarotbereich durch Bewegung des Objektes oder der Kamera vollständig spektral aufgelöste Bilder erzeugt werden können. Je nach Arbeitsabstand und verwendetem Objektiv können km2 oder aber µm2 große Bereiche untersucht werden.

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Diese neue bildgebende spektroskopische Technik ist seit kurzem am Dresdner Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS sowohl für einen Spektralbereich von 400 bis 1000 nm (VIS) als auch für den Bereich von 1000 bis 2500 nm (NIR) verfügbar. Neben den Informationen zu Farbe, Fluoreszenz und Absorption im Bereich des sichtbaren Lichts können aus dem Bereich des nahen Infrarots Informationen zur chemischen Zusammensetzung aber auch zur Topologie des Untersuchungsobjektes gewonnen werden.

Beide Systeme können mit einer Aufnahmefrequenz bis zu 200 Hz betrieben werden, so dass sich neben einer hohen Ortsauflösung auch eine hohe zeitliche Abfolge in der Aufnahme der Spektren ergibt. Optional kann der VIS-Bereich auch mit einer Faserkopplung (35 Fasern) betrieben werden.

„Die Herausforderung besteht darin, aus der gigantischen Menge der erfassten Daten die für die jeweilige Aufgabe wichtige Information zu extrahieren. Aber hier können wir mit Hilfe sogenannter chemometrisch-statistischer Modelle und Tools unser Knowhow maßgeschneidert anbieten“, erklärt Dr. Wulf Grählert, Leiter der Gruppe Prozess-Monitoring.

Im Gegensatz zu bisherigen Monitoring-Lösungen in industriellen Prozessen kann mit Hilfe eines HSI-Systems die Überwachung nicht nur punktuell erfolgen, sondern es lässt sich der gesamte Prozess erfassen und auswerten. Einige erste Beispiele gibt es bereits in der automatisierten Sortierung (Gesteine, Polymere, Glas), der Geländeexploration (Vegetation) oder auch der Lebensmittelkontrolle. Die Forscher des Fraunhofer IWS planen bereits weitere Projekte zur flächigen Erfassung von Verunreinigungen oder Qualifizierung von Beschichtungen (z.B. auf Stahl) sowie zur Gasdetektion und Anlagenüberwachung (z.B. Lecksuche). //

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