Mehr Wellenlängen pro Pixel – die marktverändernde Wirkung von HSI

Hyperspektrales Imaging

So viel Farbe – und doch geht das hyperspektrale Imaging so weit darüber hinaus. Bild: Dr. Christian Ehrensberger
Labor für die hyperspektrale und multispektrale Bildgebung im Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik: eine Vielfalt von HSI-Systemen (UV, VIS, NIR, SWIR), von einzelnen Messplätzen, Optiken und Software. Bild: Fraunhofer IWS
Entzifferung eines alten Dokuments: Der Einsatz unterschiedlicher Lichtfrequenzen macht die Schrift auch an den fleckenbehafteten Stellen wieder sichtbar und lesbar. Bild: Fraunhofer IWS
Dr. Christian Ehrensberger /

Pro Pixel statt eines herkömmlichen Farbwerts ein ganzes Spektrum. Das macht das hyperspektrale Imaging zum «Game Changer» im Markt. Ein Anwendungsbeispiel betrifft die Unterscheidung augenscheinlich gleicher Kunststoffe wie Polyethylen und Polypropylen. So könnte man unter anderem die Sortierung von Plastik und sein Recycling besser in den Griff bekommen.

Ausgangspunkt für das hyperspektrale Imaging (HSI) ist ein gewöhnlicher Bildsensor, wie etwa aus der Digitalfotografie bekannt (zum Beispiel ein CMOS-Sensor). Diesem ist jedoch ein Spektrograph vorgeschaltet. Dieser fächert die einfallenden elektromagnetischen Strahlen auf – genauso wie ein Prisma das Sonnenlicht in «Regenbogenfarben» zerlegt. Für die auswertbaren Daten bedeutet das: Statt Ortskoordinate(n) plus zugehörigem Farbwert kombiniert man nun die Ortskoordinate(n) mit einem ganzen Spektrum von Wellenlängen. Dabei misst man typischerweise alle 10 Nanometer und erhält hundert bis tausend Spektralpunkte («Lichtintensität bei Wellenlänge x»).

Die ganze Informationsfülle lässt sich durch einen Vergleich mit einem Bayer-Filter erahnen. Er kann nur drei diskrete Wellenlängenbereiche unterscheiden, entsprechend den RGB-Farben rot, grün und blau. Durch eine geschickte Filterung reicht dies zwar für schöne Fotografien, aber was sind drei gegen hundert oder tausend? Noch dazu gewinnt man für jedes Ortspixel eine solche geballte spektrale Information. Bei den Indium-Gallium-Arsenid(InGaAs)-basierten NIR/SWIR-Systemen (Nahinfrarot/kurzwelliges Infrarot) sind es derer mehrere hundert, bei VIS-Systemen (sichtbares Licht) sogar bis zu tause

Pushbroom und Snapshot

Eine typische Anordnung aus der industriellen Anwendung stellt das sogenannte Pushbroom-Imaging dar. Dabei scannt man Objekte, während sie sich beispielweise mit einem Förderband weiterbewegen, und erhält einen multiparametrigen Datensatz (zwei Ortskoordinaten und Spektralpunkte).

Neben dem Pushbroom-Imaging steht als Alternative das Snapshot-Verfahren zur Verfügung: Mit einem «Schuss» (wie beim Fotografieren) bekommt man ein zweidimensionales, spektral aufgelöstes Bild. Im Vergleich zum Pushbroom-Imaging sind es allerdings deutlich weniger spektrale Kanäle.

Einsatzgebiete: von Baustoff bis Tumor-OP

Zu den bereits gängigen Anwendungen des hyperspektralen Imaging zählt die Bestimmung von Farbskala, Brillanz und Weisspunkt bei Displays von Smartphones, Pads etc. Ebenso zeigen sich im Lebensmittelbereich attraktive Einsatzgebiete, wie etwa beim Auffinden von Fremdkörpern und in Reis oder Roggen (beispielsweise «verborgene» Steinchen), von giftigem Unkraut in Bio-Erbsen oder von Würmern oder Parasiten-Eiern in rohem Fisch. In der Medizin könnte dereinst ein Chirurg Tumore ebenso vollständig wie minimalinvasiv entfernen. Die Stärken des HSI zeigen sich darüber hinaus in so unterschiedlichen Bereichen wie dem Sortieren von Bauschutt (Holz, Kunststoff, Beton, Ziegel, Metall, Glas) oder von recyclingfähigem Kunststoff.

Anwendungspotenziale im Kunststoffrecycling

An diesen Beispielen erkennt man bereits: Das Verfahren wird dann interessant, wenn man es mit Objekten zu tun hat die äusserlich für das menschliche Auge gleich aussehen, aber dennoch chemisch oder topologisch verschieden sind, etwa Würmer im Rohfisch – oder Kunststoffe: Rotes Polyethylen lässt sich von weissem Polyethylen mit einer einfachen, monochromen Kamera und einem Blaufilter unterscheiden und entsprechend sortieren. Rotes Polyethylen und rotes PVC (Polyvinylchlorid) sind schwerer voneinander zu trennen, ebenso weisses Polyethylen (PE) von weissem Polypropylen (PP), zwei Grundstoffe für Verpackungen.

«Kunststoffe weisen spezifische Absorptionsbanden auf, jedes Material besitzt sein eigenes spezifisches Spektrum», erläutert Dr. Wulf Grählert vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden. «So gehen wir mit Hilfe des hyperspektralen Imaging über die Möglichkeiten des menschlichen Auges hinaus und können chemisch unterschiedliche Materialien sehen, selbst wenn sie dieselbe Farbe haben.» So könnte HSI das Kunststoff-Sortieren und damit das Recycling ökonomisch interessanter machen und zur Entschärfung des Problems «Mikroplastik» beitragen.

Militärische und zivile Fernerkundung

Zu den ersten Anwendungen des hyperspektralen Imaging zählte die militärische Fernerkundung. Da schoss man zum Beispiel ein System mit sechs spektralen Bändern ins All (MKF 6, Kombinat VEB Carl Zeiss Jena), um von oben auf der Erdoberfläche Bewuchs, Metall und Beton voneinander unterscheiden zu können – auch dort, wo das menschliche Auge einfach nur «grün» gesehen hätte. Zivile Anwendungsbereiche eröffneten sich unter anderem im Bereich von Bodenschätzen, Landwirtschaft, Wasser- und Bodenqualität oder der Wetterforschung. Von dort führen logische Schritte zum heutigen Precision Farming: Vom Flugzeug oder von der Drohne aus lassen sich dank HSI die Vitalität von Pflanzen, gegebenenfalls ihre Erkrankungen sowie Feuchte und Stickstoffgehalt abschätzen. Auf der Basis dieses Inputs werden dann Dünger- und Pestizid-Ausbringung gesteuert.

Die Feuchte stellt darüber hinaus einen wesentlichen Parameter bei der pharmazeutischen Qualitätskontrolle dar, etwa bei Tabletten. Zu den interessanten industriellen HSI-Anwendungen zählt auch die Prüfung der Eigenschaften von Bauteilen, zum Beispiel von Schichtdicken oder von elektrischen Widerständen, beispielsweise bei Touch-Panels. In der betrieblichen Praxis baut man HSI-Systeme heute meist direkt an Förderbänder an. Hier gewinnt man die Input-Parameter für eine intelligente Prozessregelung.

Vom Handheld-System zum hyperspektralen Handy

Ausser fest installierten, sind inzwischen erste tragbare Geräte verfügbar (zum Beispiel SPECIM IQ, Stemmer Imaging, Puchheim). Ihr Arbeitsbereich liegt im Spektrum des sichtbaren Lichts und die Aufnahmedauer für einen so genannten «hyperspektralen Würfel», bei wenigen Minuten. Die Analyse unter Verwendung geeigneter Software erfolgt später am Arbeitsplatz. Museen analysieren auf diese Weise Kunstwerke. Das hyperspektrale Bild einer digitalisierten jahrhundertealten, reich illustrierten Bibel enthält dann über Schrift und Bild hinaus Informationen über Farbpigmente, Farbstriche, das verwendete Papier usw. Damit können Forscher Jahre nach der Archivierung den Meister identifizieren oder das Werk als eine Arbeit seines Lehrlings entlarven. Kommissare und Gerichtsmediziner erkunden mit hyperspektralen Handheld-Systemen den Tatort. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise erweiterte Aussagen zu Flüssigkeiten auf Stoffen treffen. Eine konsequente Weiterentwicklung dürfte das Upgrade von Smartphones zu multivalenten Sensoren sein.

So eröffnet das hyperspektrale Imaging eine Reihe analytischer Anwendungen, die mit herkömmlicher optischer Sensorik nicht zugänglich sind. Ob als Laborsystem oder als Inline-Inspektionssystem – im Wesentlichen besteht ein HSI-System aus einer Kamera mit einem Spektrographen, einer Optik, der richtigen Beleuchtung (oft Halogen-Leuchtquelle), einem Bewegungssystem (Lineartisch, Förderband), einem leistungsstarken PC und nicht zuletzt einer passenden Software. Entsprechende Produkte für das hyperspektrale Imaging machen heute von der Bildaufnahme über eine Analyse der hochdimensionalen Datensätze und ein Erstellen der dazu notwendigen Modelle bis hin zur Quantifizierung oder Klassifizierung der Untersuchungsobjekte alles intuitiv zugänglich. Beispiele hierfür sind Perception Studio, Perception Park, Graz/Pfäffikon, oder auch die «Imanto»-Plattform des Fraunhofer IWS. Wer nun eine Idee für hyperspektrales Imaging in seinem eigenen Betrieb entwickelt hat und diese prüfen und umsetzen möchte, dem steht der Weg über eine Machbarkeitsstudie offen. Industrielle Dienstleister oder Forschungsinstitute können dafür interessante Optionen bieten.