SWIR-Bildgebung für industrielle Inspektionsaufgaben

Da Fertigungsprozesse zunehmend automatisiert werden, wird von Inspektionssystemen erwartet, dass sie immer kleinere Fehler erkennen, während sie mit höheren Produktionsgeschwindigkeiten arbeiten und dabei eine außergewöhnliche Zuverlässigkeit gewährleisten. Zwar lösen herkömmliche Kameras im sichtbaren Lichtbereich nach wie vor viele Aufgaben der industriellen Bildverarbeitung, doch erfordert eine wachsende Zahl von Anwendungen Informationen, die im sichtbaren Spektrum schlichtweg nicht erfasst werden können. Hier spielt die Bildgebung im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR) eine entscheidende Rolle.

SWIR-Kameras arbeiten bei Wellenlängen von etwa 900 bis 1.700 nm und machen Materialeigenschaften sichtbar, die herkömmlichen Kameras verborgen bleiben. Feuchtigkeit, Strukturen unter der Oberfläche, die Transparenz von Silizium sowie subtile Unterschiede zwischen ansonsten identisch aussehenden Materialien werden sichtbar und eröffnen neue Möglichkeiten in Branchen wie der Halbleiterfertigung, der Lebensmittelverarbeitung, der Verpackungsindustrie, dem Recycling und der Elektronik.

Angesichts dieser wachsenden Nachfrage hat JAI seine Wave-Serie um drei SWIR-Kameras erweitert, die darauf ausgelegt sind, Infrarotbildgebung für ein breiteres Spektrum industrieller Inspektionsanwendungen zugänglich zu machen. Die Portfolioneuzugänge bestehen aus zwei Zeilenkameramodellen – die WAL-1001-GE und die WAL-2001-GE – sowie der WAA-1300-GE-TEC, einer Flächenkamera für den sichtbaren und SWIR-Bereich mit integrierter thermoelektrischer Kühlung (TEC).

Die Kameras werden im Laufe des Jahres 2026 vorgestellt und erweitern das SWIR-Angebot von JAI erheblich. Sie eignen sich für die Hochgeschwindigkeits-Bahninspektion und präzise Flächenabtastungsanwendungen.

Hochgeschwindigkeits-Zeilenabtastung im SWIR-Bereich

Die Modelle WAL-1001-GE und WAL-2001-GE verfügen über Pixel mit einer Größe von 12,5 × 12,5 μm, die eine hohe Infrarotempfindlichkeit und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis bieten. In Kombination mit einer Quanteneffizienz von bis zu 83 Prozent ermöglicht dies eine zuverlässige Bildgebung auch unter schwierigen Lichtverhältnissen oder bei hohen Förderbandgeschwindigkeiten.

Die WAL-1001-GE bietet eine Auflösung von 1 K bei Zeilenraten von bis zu 29 kHz und eignet sich damit besonders für die kontinuierliche Bahninspektion, die Lebensmittelsortierung, die Prüfung pharmazeutischer Verpackungen und andere Anwendungen mit hohem Durchsatz, bei denen die Empfindlichkeit entscheidend ist.

Die WAL-2001-GE verfügt über eine innovative Dual-Line-Pixel-Shift-Architektur, die die Abtastdichte effektiv verdoppelt, ohne dass Änderungen am bestehenden optischen Anlagendesign erforderlich sind: Zwei Sensorzeilen mit jeweils 1.024 Pixeln sind mit einem Versatz von einem halben Pixel zueinander angeordnet. Durch den Betrieb mit doppelter Zeilenrate und die direkte Kombination der erfassten Informationen innerhalb der Kamera erreicht das System die Qualität eines 2 K-Bildes. Das Ergebnis ist eine etwa doppelt so hohe Auflösung wie bei einer herkömmlichen 1 K-SWIR-Zeilenkamera, wobei die Kompatibilität mit bestehenden Inspektionsanlagen gewahrt bleibt.

Da die Bildsynthese innerhalb der Kamera stattfindet, können Anwender die Inspektionsleistung verbessern, ohne zusätzliche Framegrabber oder externe Verarbeitungs-Hardware einsetzen zu müssen.

Kombination von Bildgebung im sichtbaren und im SWIR-Bereich in einem einzigen Sensor

Während die Zeilenkameramodelle auf die kontinuierliche Inspektion ausgerichtet sind, erweitert das Modell WAA-1300-GE-TEC die Wave-Serie um eine weitere Funktion. Aufgebaut um einen 1,3-Megapixel-InGaAs-Sensor mit einer Empfindlichkeit von 400 bis 1700 nm erfasst die Kamera Informationen im sichtbaren und im SWIR-Bereich mit einem einzigen Sensor. Anstatt mehrere Kameras zu kombinieren oder eine Bildregistrierung zwischen getrennten optischen Pfaden durchzuführen, erhalten Anwender also beide Spektralbereiche von einem einzigen Bildgebungsgerät.

Dies vereinfacht den Systemaufbau und verbessert gleichzeitig die Messgenauigkeit, insbesondere in Anwendungen, in denen eine präzise Abstimmung zwischen Informationen im sichtbaren und im Infrarotbereich unerlässlich ist.

Der breite Spektralbereich ermöglicht Inspektionsaufgaben, bei denen die herkömmliche Bildgebung im sichtbaren Licht mit den im SWIR-Bereich verfügbaren Materialinformationen kombiniert wird. So können Hersteller Merkmale wie Feuchtigkeitsschwankungen, Verunreinigungen, Strukturen unter der Oberfläche und Materialunterschiede erkennen, die andernfalls verborgen blieben.

Warum Kühlung wichtig ist

Eines der herausragenden Merkmale der WAA-1300-GE-TEC ist ihr integriertes thermoelektrisches Kühlsystem. Zwar erzeugt jeder Bildsensor Dunkelrauschen, doch lässt sich vorhersehbares Dunkelrauschen kalibrieren und kompensieren. Die eigentliche Herausforderung entsteht, wenn sich die Sensortemperatur ändert, wodurch sich der Dunkelrauschenpegel verschiebt und das bei der Kalibrierung verwendete Basisliniensignal verändert wird.

Diese Schwankungen können die Konsistenz der Messungen beeinträchtigen, den Dynamikbereich verringern und die Wahrscheinlichkeit von fehlerhaft akzeptierten oder fälschlicherweise abgelehnten Teilen während der Inspektion erhöhen.

Durch die aktive Regelung der Sensortemperatur sorgt das integrierte TEC-System für eine niedrige und stabile Betriebstemperatur. Dies reduziert das Dunkelrauschen und gewährleistet gleichzeitig eine gleichbleibende Bildqualität über längere Betriebszeiten hinweg. Die gesamte Kamera ist unter Berücksichtigung des Wärmemanagements konzipiert, um über einen längeren Zeitraum und den gesamten Sensor hinweg niedrige und stabile Temperaturen zu gewährleisten – ein entscheidender Faktor für hohe Leistung.

Anwendungen in verschiedenen Branchen

Die neue Wave-Serie eignet sich für eine Vielzahl industrieller Inspektionsaufgaben. In der Halbleiterfertigung ermöglicht die SWIR-Bildgebung die Inspektion durch Silizium hindurch und deckt so Ausrichtungsmarkierungen, Risse, Hohlräume und innere Strukturen auf, die mit Kameras für sichtbares Licht nicht erkennbar sind.

Lebensmittelhersteller können die SWIR-Bildgebung nutzen, um Druckstellen, Feuchtigkeitsunterschiede, vorzeitigen Verderb, Verunreinigungen und den Reifegrad zu erkennen, was dazu beiträgt, die Sortiergenauigkeit zu verbessern und gleichzeitig Abfall zu reduzieren.

Bei der Bahninspektion unterstützen die Zeilenkameras die kontinuierliche Überwachung von Beschichtungen, Kunststofffolien, Heißsiegelungen, pharmazeutischen Verpackungen und Batteriematerialien, bei denen bereits kleinste Fehler die Qualität des Endprodukts beeinträchtigen können.

Anwendungen im Recyclingbereich profitieren von der Fähigkeit, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe anhand ihrer spektralen Eigenschaften und nicht nur anhand der Farbe zu unterscheiden, was die Sortiereffizienz und die Materialrückgewinnung erhöht.

Durch die Kombination aus sichtbarem Licht und SWIR eignet sich die WAA-1300-GE-TEC zudem für die Laserstrahlprofilierung, die wissenschaftliche Bildgebung, die Elektronikprüfung sowie für Messsysteme, bei denen die Kombination von Informationen aus dem sichtbaren und dem infraroten Bereich zusätzliche Erkenntnisse liefert.