Hyperspektrale Bildgebung verbessert die „Messgenauigkeit“ von Plastik

Der Schlüssel zu effektivem Plastik-Recycling ist die Identifizierung der Inhaltsstoffe. Derzeit wird viel Plastikmüll klein geschreddert und anschließend in seine Bestandteile getrennt. Viel Aufmerksamkeit erregte in letzter Zeit das in diesem Prozess eingesetzte „hyperspektrale Imaging“, das Unterschiede in den Plastikpartikeln unter Infrarotbeleuchtung erkennt. Bei dieser Methode werden Spektralinformationen auf Pixelebene simultan zur Bewegung des Zielobjektes gemessen. So werden mittels hyperspektralem Imaging Materialien identifiziert und klassifiziert, die auf den ersten Blick schwer zu unterscheiden sind. Eine Hyperspektralkamera wird zur Messung von hyperspektralen Bildern verwendet. Wie bei normalen Zeilenkameras wird die Probe während ihrer Bewegung gescannt. Das einfallende Licht fällt durch einen Spalt, wird durch ein Gitter oder Prisma in Y-Richtung gestreut und von einem Flächenbildsensor detektiert. Da verschiedene Plastiksorten im Infrarotbereich Spektren mit spezieller Charakteristik aufweisen, erlaubt eine Hyperspektralkamera mit eingebautem Infrarot-Flächenbildsensor eine höchst präzise Identifizierung.

Infrarotlicht von bis zu 2,55 µm erlaubt die Identifizierung von Plastik, das einen Brandverzögerer enthält

Hamamatsu Photonics hat bisher InGaAs Bildsensoren hergestellt, die infrarotes Licht im Spektralbereich von bis zu 1,7 µm detektieren können, jedoch war in diesem Wellenlängenbereich die Identifizierung von Plastik, das einen Brandverzögerer enthält, schwierig, da sich erst bei höheren Wellenlängen Unterschiede in den Spektren je nach Anwesenheit/Abwesenheit von Brandverzögerern zeigen. So gab es Bedarf an Sensoren, die Wellenlängen bis zu 2,4 µm detektieren können. Um diesen Marktbedarf zu decken, wurde der G14674-0808W Bildsensor mit einer Cutoff-Wellenlänge von 2,55 µm entwickelt – derzeit die langwelligste in einem InGaAs Bildsensor. Dabei wurde die Photodiode nicht nur weiterentwickelt, um langwelligeres Licht detektieren zu können, sondern zusätzlich die Ausleseelektronik verbessert, um einen niedrigeren Dunkelstrom und höhere Geschwindigkeiten zu erreichen. Die Integration dieses Sensors in eine Hyperspektralkamera vergrößert die Zahl wiederverwertbarer Stoffe, die getestet werden können und regt zur Verbesserung der Recyclingrate an.

Erweiterter Spektralbereich auch für weitere Anwendungen interessant

Neben dem Screening von Plastikmüll wird hyperspektrales Imaging auch in der Lebensmittel-, pharmazeutischen wie auch chemischen Analyse und weiteren Anwendungsgebieten eingesetzt. Die Möglichkeiten sind endlos. Mit der Entwicklung von Bildsensoren für den Infrarotbereich gibt es wachsende Erwartungen, dass diese Technik künftig auch in Anwendungen eingesetzt werden kann, die in der Vergangenheit schwierig waren, wie z.B. der Erosionskontrolle von Betonbauten oder zur Identifizierung von Tabletten.

Hamamatsu Photonics hat sich zum Ziel gesetzt, weiter an der Entwicklung von langwelliger Lichtdetektion zu arbeiten, um Produkte zu entwickeln, die auch den künftigen Bedarf der Kunden erfüllen.

Hauptmerkmale

Cutoff-Wellenlänge: 2,55 µm

Hamamatsu Photonics hat erfolgreich die Anzahl an Defekten, die im photosensitiven Bereich auftreten, durch Optimierung der Mengenverhältnisse von InAs und GaAs in der InGaAs photosensitiven Fläche und ihres Herstellungsprozesses reduziert. So gelang es einen InGaAs Flächenbildsensor herzustellen, der infrarotes Licht im Spektralbereich bis zu 2,55 µm detektieren kann. Die Produktreihe enthält weiterhin Typen mit Cutoff-Wellenlängen von 1,69 µm/1,85 µm/2,15 µm.

High-Speed Readout

Eine schmalere Transistor Gate-Länge wurde durch Design und Herstellung von Original Optimized Circuits (ROIC) bei Hamamatsu Photonics erzielt. Der elektrische Signalübertragungsweg wurde verkürzt und so die Bildrate auf max. 507 fps (QVGA-Auflösung) mehr als verdoppelt.

Niedriger Dunkelstrom

Ein verbesserter Schaltkreis, der den Spannungsunterschied zwischen Anode und Kathode der photosensitiven Fläche näher an Null bringt, wurde eingesetzt, um den Dunkelstrom, der in der photosensitiven Fläche auftritt, zu reduzieren.

Summary:

A new hyperspectral camera allows now for completely new possibilities of scanning and sorting plastic waste to improve its recycling. A completely new InGaAs area image sensor capable of measuring in the spectral region up to 2.55 µm and improved readout electronics are the crucial factors for measuring spectral information on pixel level and thus distinguish different materials, for example identifying flame-retardant resins in plastic waste.

Firmenportrait Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH

Hamamatsu Photonics ist der japanische Hersteller für optoelektronische Detektoren, Lichtquellen und Systeme. Das Unternehmen wurde 1953 in der Stadt Hamamatsu City gegründet und hat bis heute dort seinen Standort für Forschung und Produktion. Hamamatsu Photonics zählt weltweit zu den Innovationsführern in der Photonik; entwickelt und produziert Komponenten auf der gesamten Bandbreite lichtbasierter Technologien und ist führender Hightech-Zulieferer für verschiedenste Industrien wie: chemische Analytik, Medizin-, Automobil-, Sicherheits- oder Röntgentechnik sowie Sensorik. Im Bereich Systeme stellt Hamamatsu Photonics eine breite Palette von Bildverarbeitungssystemen her, die in Life Sciences, der digitalen Pathologie, der Halbleiterfertigung, der Prozesskontrolle als auch der Grundlagenforschung ihre Anwendung finden. Die seit 1986 in Herrsching am Ammersee ansässige Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH, beschäftigt mehr als 100 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und betreut neben Deutschland auch die Länder: Bulgarien, Dänemark, Griechenland, Israel, Kroatien, Montenegro, Niederlande, Österreich, Polen, Rumänien, Slowakei, die Tschechische Republik, Türkei sowie Ungarn. Geschäftsführer ist Dr. Reinhold Guth.

(*langwelligster weltweit)