Mit Hilfe der hyperspektralen Bildverarbeitung (HSI: Hyperspectral Imaging) kann eine spektroskopische Analyse von Objekten erfolgen, um organische oder anorganische Verunreinigungen festzustellen – und zwar nicht nur an der Oberfläche, sondern teilweise auch im Inneren der inspizierten Materialien. HSI-Systeme nutzen meist 100 oder mehr verschiedene Wellenlängen. Die dabei erzeugten Bilder setzt ein HSI-System zu einem hyperspektralen 3D-Datenwürfel zusammen, der sehr große Datenmengen enthalten kann. Das Ergebnis ist ein chemischer Fingerabdruck des Objekts, der eine genaue Bestimmung der vorliegenden Materialeigenschaften ermöglicht. Mit Hilfe einer Auswertesoftware kann in den Bildern im Anschluss jeder erkannte chemische Bestandteil mit einer eigenen Farbe gekennzeichnet werden (Chemical Colour Imaging, CCI). Auch die Konzentration und Verteilung von Inhaltsstoffen lässt sich in Echtzeit mittels HSI weitgehend erfassen. Eine weitere Besonderheit ist, dass einige Stoffe für sichtbares Licht nicht transparent sind, aber von Infratrot-Licht durchdrungen werden. Dadurch ist es möglich, die chemische Zusammensetzung von verpackten Inhalten selbst durch eine entsprechend ausgelegte Verpackung hindurch zu prüfen.
Fehlererkennung in der Pharmaindustrie
Durch den Einsatz von HSI- und CCI-Systemen kann die Überwachung von Pharmaproduktionsprozessen optimiert werden. So lassen sich Pharmazeutika damit zu 100 Prozent auf ihre molekularen Eigenschaften hin untersuchen. Ein typischer Anwendungsfall ist die Überprüfung von Retard-Tabletten auf korrekte Beschichtung. Diese Medikamentenform gibt den Wirkstoff nach seiner Verabreichung über einen längeren Zeitraum oder an ein bestimmtes Ziel im Körper ab. Entscheidend für die kontrollierte Abgabe des Wirkstoffs ist die Retard-Beschichtung der Tablette: Ist sie beschädigt oder fehlt komplett, so gelangt die Arznei schneller als gewünscht in den Körper und verfehlt ihre Langzeitwirkung. Mit einer Kombination aus HSI- und CCI-Technologie lässt sich die Qualität von Retard-Medikamenten sicher kontrollieren, erläutert Markus Burgstaller, Geschäftsführer von Perception Park: „Mit einer im NIR-Bereich arbeitenden Hyperspektralkamera und der CCI-Technologie mit unserer Software-Suite Perception Studio konnten wir eindeutig nachweisen, dass zuvor künstlich erzeugte Beschichtungsfehler mit 100% Sicherheit auch in der Hochgeschwindigkeitsproduktion in Echtzeit erkennbar sind.“ Selbst durch Blisterverpackungen hindurch ist eine Qualitätsprüfung möglich (sofern das Blistermaterial nicht aus Aluminium besteht, das die NIR-Strahlung reflektieren würde). Mittels HSI lässt sich außerdem sicher kontrollieren, ob Tabletten in korrekter Zahl, unbeschädigt und ohne Fremdkörper in Blister verpackt sind, ob die richtigen Inhaltsstoffe in Arzneimittelkapseln enthalten sind oder ob diese vollständig verschlossen sind.
Sicherheit in der Lebensmittelproduktion
Auch für die Lebensmittelbranche bieten HSI und CCI zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. So vereinfachen beide Techniken das Auffinden von Verunreinigungen in Lebensmitteln und identifizieren selbst in Hochgeschwindigkeits-Fertigungslinien Fremdkörper wie Steine oder Erde bei der Sortierung von Kartoffeln, Karotten oder anderem Gemüse sowie Schalenteile oder andere Stoffe bei der Verarbeitung von Nüssen. Bei zu langer Lagerung von Lebensmitteln können sich auch Maden einnisten oder frisches Obst anfangen zu faulen, so Burgstaller: „In der Lebensmittelproduktion besteht die Aufgabe neben der Erkennung von Störstoffen oft auch darin, verfaulte, unreife oder mit Schädlingen bzw. von Schimmel befallene Ware zu detektieren.“ Industriell hergestellte Lebensmittel wie Wurst und Käse werden dem Verbraucher meist in eingeschweißter Form zum Verkauf angeboten. Analog zur Pharmaindustrie erlauben HSI-Systeme auch hier in vielen Fällen Qualitätsprüfungen durch die Verpackung hindurch. Eine besondere Aufgabe stellt hierbei die Kontrolle von Siegelnähten dar, die eine absolut dichte Verpackung der Lebensmittel garantieren sollen. Schon kleinste Verunreinigungen oder Beschädigungen an den Siegelnähten können jedoch zu undichten Verpackungen und zum Verderben der Ware vor dem errechneten Mindesthaltbarkeitsdatum führen. Auch hier helfen HSI-Systeme, diese Fehler frühzeitig zu erkennen.
HSI in der Holzverarbeitung
Die Erkennung von Defekten wie Harztaschen oder Astlöchern ist eine häufige Aufgabenstellung in der Holzverarbeitungsbranche, die mit Hilfe eines HSI-Systems in Kombination mit einer NIR-HSI-Kamera zuverlässig gelöst werden kann. Harz im Holz lässt sich selbst dann noch sicher identifizieren, wenn es von einer dünnen Holzschicht bedeckt ist. Auch Klebstoffe, die im Produktionsprozess häufig zum Ausgleich kleiner Löcher mit Füllstoffen eingesetzt werden, sind durch die Anwendung von CCI leicht erkennbar. Mit HSI-Analysen lassen sich zudem feuchte Stellen am Holz eindeutig nachweisen und als CCI-Bild darstellen. Es ist sogar möglich, ein Wahrnehmungssystem zur Messung des Wassergehalts zu kalibrieren. Durch die Anpassung einer HSI-Kamera an ein solches kalibriertes Wahrnehmungssystem verwandelt CCI das Kamerasystem in eine leicht verständliche ´Feuchtigkeitskamera´ für Holz und kann in jedes Bildverarbeitungssystem implementiert werden.