Hyperspektrale Bildsensortechnologie gewinnt in Bereichen wie Landwirtschaft, Industrie, Medizin und Sicherheit zunehmend an Bedeutung, da sie über das Sichtbare hinausblicken kann. Obwohl der Name komplex klingt, basiert ihre Funktionsweise auf optischen Prinzipien, die die Identifizierung von Materialien und Substanzen anhand ihrer spektralen Eigenschaften ermöglichen.
In diesem Artikel gehen wir näher darauf ein, was genau ein Hyperspektralbildsensor ist, wie er sich von anderen Sensortypen wie Multispektralsensoren unterscheidet, welche technischen Eigenschaften er hat und welche Hauptanwendungen er bietet. Wir beleuchten außerdem die Vorteile dieser Technologie und ihre aktuellen Herausforderungen.
Was ist ein hyperspektraler Bildsensor?
Un Hyperspektralsensor Es handelt sich um ein Gerät, das Bilder mit detaillierten Informationen aus Hunderten von Spektralbändern kontinuierlich erfassen kann, typischerweise im Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der von der Ultraviolett (350 nm) bis Nah- und Mittelinfrarot (bis 2500 nm).
Das Besondere an dieser Technologie ist, dass Jeder Pixel im generierten Bild enthält ein vollständiges Spektrum, wodurch Materialien anhand ihrer einzigartigen „spektralen Signatur“ identifiziert werden können. Diese spektralen Signaturen spiegeln die physikalischen und chemischen Eigenschaften des beobachteten Objekts wider und machen den Hyperspektralsensor zu einem präzisen und zerstörungsfreien Werkzeug für die detaillierte Identifizierung und Überwachung von Materialien, Stoffen oder Objekten.
Wie funktioniert hyperspektrale Bildgebung?
La Hyperspektrale Bildgebung Dabei werden Informationen aus dem von Objekten reflektierten oder emittierten elektromagnetischen Spektrum erfasst und verarbeitet. Der Sensor unterteilt dieses Spektrum in eine Vielzahl sehr schmaler, zusammenhängender Bänder und erzeugt so ein dreidimensionales Bild, auch bekannt als Hyperspektralwürfel, mit zwei räumlichen Dimensionen und einer spektralen Dimension.
Dieser „Würfel“ ermöglicht die Analyse der Lichtintensität bei unterschiedlichen Wellenlängen für jeden Bildpunkt. Dadurch entsteht für jeden beobachteten Punkt ein einzigartiges Spektralprofil, das eine enorme Unterscheidungskraft zwischen Materialien bietet, die mit bloßem Auge identisch erscheinen.
Eine klare Anwendung könnte sein den faulen Teil einer Frucht erkennen ohne dass es geschnitten werden muss, da die spektralen Eigenschaften von gesundem und geschädigtem Gewebe unterschiedlich sind, auch wenn dies visuell nicht erkennbar ist.
Worin besteht der Unterschied zu multispektralen Sensoren?
Multispektrale Sensoren erfassen ebenfalls spektrale Informationen, tun dies jedoch in einer begrenzten Anzahl von Bändern, typischerweise 5 zu 10, die nicht unbedingt aneinandergrenzen. Diese Bänder umfassen typischerweise die sichtbaren Bänder (Rot, Grün und Blau) und einige Nahinfrarotbänder.
Hyperspektrale Sensoren hingegen erfassen Hunderte von sehr schmalen und zusammenhängenden Bändern, die eine deutlich höhere spektrale Auflösung. Dadurch können Hyperspektralsensoren die chemische Zusammensetzungen oder Materialien mit sehr ähnlichen Eigenschaften zu identifizieren, was mit multispektralen Sensoren nicht möglich wäre.
Vorteile und technische Merkmale der Hyperspektraltechnologie
Hyperspektrale Systeme bieten eine Reihe technischer Vorteile, die sie für fortgeschrittene Anwendungen einzigartig machen:
- Berührungslose Messung: Da es sich um Kameras handelt, können Informationen erfasst werden, ohne das Objekt berühren zu müssen.
- Zerstörungsfreie Methode: das Objekt wird bei der Analyse nicht verändert oder beschädigt.
- Hohe Spezifität: ermöglicht die Unterscheidung sogar minimale Abweichungen zwischen sehr ähnlichen Materialien, dank seiner hohen spektralen Auflösung.
- Möglichkeit der Echtzeitmessung: Es gibt Lösungen, mit denen Sie Bilder sofort erfassen und analysieren können, auch in industriellen Umgebungen.
- Vielseitigkeit bei Lichtverhältnissen: Sie können für den Betrieb mit unterschiedlichen Beleuchtungsarten konfiguriert werden, beispielsweise mit Infrarot oder kontrolliertem Licht.
Da der Verwendete TechnologienEs gibt verschiedene Alternativen. Einige Kameras verwenden interferometrische Filter vom Fabry-Perot-Typ, die direkt auf die Sensoren aufgebracht werden. Dies ermöglicht eine Miniaturisierung des Systems, senkt die Kosten und macht es tragbarer. Andere verwenden Scan-Techniken wie „Besen“, bei dem in jedem Moment eine Linie des Objekts erfasst wird und der Sensor bewegt wird, um das vollständige Bild zu erstellen.
Spektrale und räumliche Auflösung
Eine der leistungsstärksten Eigenschaften von Hyperspektralsensoren ist ihre hohe spektrale Auflösung, wodurch zwischen Wellenlängen mit sehr geringem Abstand unterschieden werden kann, selbst 10 bis 20 nmDies führt zu einer größeren Fähigkeit zur Erkennung spektraler Signaturen.
Dieser Vorteil geht jedoch oft mit einem geringere räumliche Auflösung, da die vom Sensor zu erfassende Datenmenge mit zunehmender Anzahl an Spektralbändern zunimmt. Multispektralsensoren verfügen dagegen typischerweise über weniger Bänder, erfassen diese jedoch mit einer höheren räumlichen Auflösung.
Größe, Datenverarbeitung und Komplexität
Das Informationsvolumen, das durch hyperspektrale Bilder erzeugt wird, ist enorm. Es handelt sich um dreidimensionale Daten, die eine komplexe Rechenverarbeitung und spezialisierte Software. Diese Analyse umfasst oft Techniken von Chemometrie oder Algorithmen des maschinellen Lernens zum Erkennen von Mustern in Spektralsignaturen.
Eine der aktuellen Herausforderungen dieser Technologie ist daher die effiziente Speicherung und schnelle Analyse der DatenGlücklicherweise gibt es immer mehr Lösungen, die die Verwendung dieser Tools auch in industriellen Umgebungen oder im Außeneinsatz vereinfachen.
Wann sollten hyperspektrale Sensoren und wann multispektrale Sensoren verwendet werden?
Die Wahl zwischen diesen Technologien hängt vom endgültigen Ziel ab. Multispektralsensoren in der Regel günstiger, schneller zu implementieren und weniger komplex, wodurch sie ideal für Aufgaben sind, bei denen keine extremen spektralen Details erforderlich sind.
Wenn die Analyse jedoch erfordert hohe Präzision und feine Differenzierung zwischen Materialien, wie dies in der Biomedizin, der Qualitätskontrolle oder der mineralogischen Identifizierung der Fall ist, dann ist ein Hyperspektralsensor deutlich besser geeignet.
In vielen Fällen können beide Technologien sogar kombiniert werden, um ihre jeweiligen Vorteile zu nutzen.
Die wichtigsten Anwendungen der hyperspektralen Bildgebung
Hyperspektralsensoren haben eine wachsende Liste von Anwendungen, darunter:
- Landwirtschaft und Pflanzenbau: Beurteilung der Pflanzengesundheit, Erkennung von Krankheiten oder Wasserstress, Nährwertanalyse und Artenkartierung.
- Nahrungsmittelindustrie: nicht-invasive Qualitätskontrolle, Fremdkörpererkennung, Nährwertanalyse und automatisierte Klassifizierung.
- Medizin und Biowissenschaften: Gewebeanalyse, nicht-invasive Diagnose, Erkennung von Wunden oder Zellanomalien.
- Bergbau und Geologie: genaue Mineralidentifizierung, Lagerstättenkartierung und Bodenanalyse.
- Umweltkontrolle: Erkennung von Schadstoffen in Wasser und Luft, Überwachung von Feuchtgebieten oder Bränden.
- Sicherheit und Verteidigung: Erkennung versteckter Objekte, chemischer Substanzen oder erweiterte Überwachung.
- Archäologie und Kunst: Pigmentanalyse, Werkkonservierung und Fälschungserkennung.
- Pharmaindustrie: Prozesskontrolle und Produktauthentifizierung.
Ausgewählte Technologien auf dem Markt
Es gibt eine Vielzahl von Technologien und Marken, die spezifische Lösungen für unterschiedliche Anwendungen entwickelt haben. Zum Beispiel:
- Nireos HERA: Es verwendet Fourier-Transformationsspektroskopie (FT) und bietet eine hohe spektrale Genauigkeit und hervorragende Stabilität, selbst in vibrierenden Industrieumgebungen.
- HAIP-Schwarz: Es basiert auf der „Push-Broom“-Technologie mit Anpassungen für statische Umgebungen und tragbare Systeme, wie etwa Handkameras oder in Drohnen eingebettete Systeme.
- SILIOS: Spezialisiert auf Multispektralkameras vom Schnappschusstyp, die dank Pixelfiltern auf CMOS- oder InGaAs-Sensoren die gleichzeitige Erfassung mehrerer Bänder ermöglichen.
Dank dieser Fortschritte wird diese Technologie zunehmend flexibler, anpassungsfähiger und für zahlreiche Sektoren zugänglich.
Der Einsatz hyperspektraler Sensoren in verschiedenen Bereichen stellt eine Chance für Innovationen dar, die eine präzisere und detailliertere Datenerfassung ermöglicht und so für jeden Sektor besser informierte und optimierte Entscheidungen erleichtert.
