Hyperspectrale beeldvorming steeds breder inzetbaar

shutterstock hyperspectraal

Hyperspectrale beeldvorming krijgt in steeds meer nieuwe industriële toepassingsgebieden een voet aan de grond. Hoe werkt deze technologie en hoe wordt zij ingezet in onder andere voedselproductie, kunststof sortering, houtverwerking en de farmaceutische industrie?

Conventionele beeldverwerkingssystemen zijn de laatste jaren in de automatisering in industriële toepassingen een gevestigde waarde ­geworden. Machines die kunnen ‘zien’, kunnen meer dan systemen zonder beeldverwerking en deze kennis is inmiddels gevestigd onder ontwikkelaars en ontwerpers. Terwijl conventionele 2D- en 3D-vision­systemen de kwaliteit van objecten controleren door bepaalde foutkenmerken aan het oppervlak te herkennen, gaat hyperspectrale beeldvorming (HSI) nog een stap verder: met behulp van deze technologie kan spectroscopische analyse van objecten worden uitgevoerd om organische of anorganische onzuiverheden te bepalen - niet alleen aan het oppervlak, maar ook gedeeltelijk in de geïnspecteerde materialen.

Hyperspectrale beeldvormingssystemen maken meestal gebruik van 100 of meer verschillende golflengten en een spectrograaf die het door het object gereflecteerde licht opdeelt in het spectrum en reproduceert op de camerasensor. Een HSI-systeem stelt de resulterende beelden samen tot een driedimensionale hyperspectrale datakubus die zeer grote hoeveelheden gegevens kan bevatten. Het resultaat is een ‘chemische vingerafdruk’ van het betreffende object, waarmee de geanalyseerde materiaaleigenschappen nauwkeurig kunnen worden bepaald. Met behulp van speciale evaluatiesoftware kan elke geïdentificeerde chemische component vervolgens met zijn eigen kleur worden gemarkeerd in de genomen beelden om de bestaande stoffen op een eenvoudige manier voor de gebruiker te visualiseren. Deze technologie wordt Chemical Color Imaging (CCI) genoemd.

Diverse toepassingen

“Hyperspectrale beeldvorming kan worden gebruikt in een groot aantal industriële toepassingsgebieden en biedt in bepaalde gevallen oplossingen voor taken waarbij conventionele beeldverwerkingssystemen falen”, legt Markus Burgstaller uit, directeur van het in Graz gevestigde bedrijf Perception Park dat zich een paar jaar geleden heeft gespecialiseerd in die innovatieve technologie. Als voorbeeld voor een toepassing noemt Burgstaller de indeling van stoffen die geen visuele verschillen hebben, maar chemisch niet identiek zijn: “Kunststoffen van verschillende samenstellingen kunnen er zeer gelijkaardig uitzien en kunnen daarom nauwelijks worden geclassificeerd met conventionele beeldverwerking. Aan de andere kant zijn HSI-systemen in staat om chemische eigenschappen te analyseren en daardoor materialen zeer betrouwbaar te herkennen. Met deze technologie kan de concentratie en de verdeling van de ingrediënten grotendeels in realtime worden vastgelegd.

Een speciaal kenmerk van hyperspectrale beeldvormingssystemen maakt ze bijzonder aantrekkelijk voor bepaalde toepassingen: sommige stoffen zijn niet doorzichtig voor zichtbaar licht, maar kunnen door infrarood licht worden gepenetreerd. Dit geeft de mogelijkheid om de chemische ­samenstelling van de verpakte inhoud te controleren, zelfs door een aangepaste verpakking. Volgens Burgstaller zijn de toepassingen waarin deze eigenschap een rol speelt vooral te vinden in de farmaceutische en voedingsmiddelenindustrie, maar ook in tal van andere industriële ­segmenten.

Foutdetectie in de farmaceutische industrie

Net als op veel andere gebieden nemen de productiesnelheden in de farmaceutische industrie wereldwijd snel toe. Om het risico van het terugroepen van producten te verminderen en de consument te beschermen tegen besmette geneesmiddelen, gelden in deze industrie bijzonder strenge veiligheidsvoorschriften. Beeldverwerkingssystemen zijn dan ook al geruime tijd een state of the art in de productieprocessen van farmaceutische producten om producten in realtime te evalueren aan de hand van criteria zoals vorm, grootte of gewicht. Het gebruik van hyperspectrale beeldvorming en CCI-systemen kan de bewaking van farmaceutische productieprocessen echter verder optimaliseren: farmaceutische producten kunnen voor 100% worden onderzocht op hun moleculaire eigenschappen.

hsp1

Een typische toepassing van HSI-systemen in de farmaceutische industrie is het controleren van retard-tabletten op de juiste coating. Deze vorm van medicatie geeft het actieve ingrediënt vrij na toediening over een langere periode of aan een specifiek doelwit in het lichaam. De langdurige afgifte van de tablet is bepalend voor deze gecontroleerde afgifte van de werkzame stof: als deze volledig beschadigd is of ontbreekt, komt de medicatie sneller dan gewenst in het lichaam terecht en levert het geen langdurig effect op.

Met een combinatie van HSI- en CCI-technologie kan de kwaliteit van de op retard gebaseerde medicatie betrouwbaar worden gecontroleerd, legt Markus Burgstaller uit: “Met een hyperspectrale camera die in het NIR-gebied werkt en het gebruik van chemische kleurbeeldvormingstech­nologie met onze softwaresuite Perception STUDIO hebben we duidelijk kunnen aantonen, dat eerder kunstmatig gegenereerde coatingdefecten met 100% zekerheid en ook in realtime in de hogesnelheidsproductie kunnen worden herkend.” Deze kwaliteitscontrole is zelfs mogelijk door middel van blisterverpakkingen, mits het blistermateriaal niet van aluminium is, wat de NIR-straling zou reflecteren.

Volgens Burgstaller is het testen van retard coatings slechts een van de vele mogelijke gebruiksmogelijkheden voor HSI-technologie in de farmaceutische industrie. Het kan ook worden gebruikt om betrouwbaar te controleren of het juiste aantal tabletten in blisters is verpakt, of ze onbeschadigd en vrij van enige verontreiniging zijn, of de juiste ingrediënten in medicijncapsules zitten of dat ze volledig verzegeld zijn. “Hyperspectrale beeldvorming biedt tal van toepassingsmogelijkheden in de farmaceutische sector en verhoogt zo de veiligheid voor patiënten en fabrikanten.”

Meer veiligheid in de voedselproductie

Voor de productie van levensmiddelen gelden soortgelijke richtsnoeren als in de farmaceutische industrie: om gezondheidsrisico’s voor de consument uit te sluiten, mag geen enkele verontreiniging in de producten onopgemerkt blijven. Het voedsel moet ook precies de ingrediënten bevatten die de fabrikant wil en die zijn gedefinieerd in de product­beschrijvingen voor de consument.

HSI en CCI bieden ook tal van toepassingsmogelijkheden voor deze ­industrie. Deze technieken maken het gemakkelijker om eventuele verontreinigingen in voedingsmiddelen te vinden en ongewenste objecten zoals stenen of aarde te identificeren bij het sorteren van aardappelen, wortelen of andere groenten, maar ook schelpdelen of andere stoffen bij de productie van noten, zelfs in hogesnelheidsproductielijnen. Als voedsel te lang wordt opgeslagen, kunnen maden zich ook nestelen of kan vers fruit gaan rotten, aldus Burgstaller: “In de voedselproductie betekent de taak heel vaak niet alleen het opsporen van enige verontreiniging, maar ook het identificeren van rotte, onrijpe of met schimmels geïnfecteerde goederen. Deze en vele andere kwaliteitsgebreken kunnen veilig worden uitgesloten door het gebruik van hyperspectrale beeldvormings­systemen.”

Industrieel vervaardigde voedingsmiddelen zoals worst en kaas worden meestal in krimpfolie te koop aangeboden. Net als in de farmaceutische industrie maken ook HSI-systemen in veel gevallen kwaliteitscontroles door de verpakking mogelijk. Een speciale taak is hier de inspectie van hittebestendige verbindingen, die een absoluut strakke verpakking van het voedsel moeten garanderen. Zelfs de kleinste verontreiniging of beschadiging van deze verzegelde verbindingen kan leiden tot lekkende verpakkingen en bederf van de goederen vóór de berekende houdbaarheidsdatum. Onverkoopbare producten of dure productterugroepingen zouden dan mogelijke gevolgen hebben voor fabrikanten op dit gebied, wat in veel gevallen kan worden voorkomen door gebruik te maken van hyperspectrale beeldvorming.

HSI in houtverwerking

In de afgelopen decennia hebben de houtbewerkingstechnologieën buitengewone vooruitgang geboekt. Ook op dit gebied zijn er veel mogelijkheden om de kwaliteit van producten zoals gezaagd hout, materialen op houtbasis, houtsnippers en papier- en papierproducten met HSI-systemen te controleren. Zelfs voor mensen onzichtbare eigenschappen en mogelijke defecten kunnen op betrouwbare wijze worden gedetecteerd.

hsp2

Het opsporen van defecten zoals harszakken of knoopsgaten is een veel voorkomende taak in deze industrie, die betrouwbaar kan worden opgelost met behulp van een hyperspectraal systeem in combinatie met een bijna-infrarood hyperspectrale camera. Hars in hout kan betrouwbaar worden geïdentificeerd, zelfs als het bedekt is met een dunne laag hout. Zelfs lijmen die vaak in het productieproces worden gebruikt om kleine gaatjes met vulstoffen te compenseren, kunnen gemakkelijk worden ­herkend met behulp van chemische kleurbeeldvorming - een taak die conventionele beeldbewerkingscamera’s vaak laten liggen omdat de lijm meestal transparant is.

Een ander belangrijk kenmerk van hout is het vochtgehalte. Met HSI-analyses kunnen vochtige plekken in het hout duidelijk worden geïdentificeerd en weergegeven als een CCI-beeld. Het is zelfs mogelijk om een perceptiesysteem te kalibreren om de fractie water te meten. Door een hyperspectrale camera aan te passen aan een dergelijk gekalibreerd perceptiesysteem, transformeert Chemical Color Imaging het camera­systeem in een makkelijk te begrijpen ‘vochtcamera’ voor hout en kan het worden geïmplementeerd in elk beeldverwerkingssysteem.

“Voor hoogwaardige houtproducten is de betrouwbare detectie van dergelijke defecten een absolute noodzaak”, benadrukt Burgstaller. “HSI-systemen bieden een krachtig instrument voor deze industrie om ongewenste kwaliteitsdefecten op tijd te voorkomen.”

HSI-systemen voor het sorteren van kunststoffen

Zelfs aan het einde van hun levensduur zijn kunststoffen nog te waardevol om ze gewoon weg te gooien. Als het volledige potentieel van het momenteel gestorte plastic afval op een milieuvriendelijke manier zou worden gebruikt, waarbij de beste recycling- en energieterugwinningsmethoden en technologieën zouden worden toegepast, zouden vele miljoenen tonnen plastic kunnen worden gerecycled. Dit zou het ook mogelijk maken om grote hoeveelheden warmte en elektriciteit op te wekken. Voor dergelijke verbeteringen zijn passende maatregelen nodig om de verwijdering van kunststoffen te stoppen en om terugwinningsgerichte inzamelingssystemen op te zetten. Deze moeten in overeenstemming worden gebracht met een moderne sorteerinfrastructuur en verbeterde recycling- en terugwinningsprocessen om het potentieel van deze ­waardevolle hulpbron ten volle te benutten. Gerecycleerde kunststoffen kunnen worden hergebruikt in veel alledaagse producten, bijvoorbeeld in kleding, auto-onderdelen, verpakkingsproducten en voor vele andere doeleinden. Momenteel wordt echter te weinig plastic gerecycled, hoewel innovatieve technologie zoals Perception Park’s Perception STUDIO het nodige potentieel zou bieden.

“Een onderscheid tussen bijvoorbeeld polypropyleen en polyethyleen of andere materialen die er op het eerste gezicht erg op lijken, hyperspectrale beeldvorming maakt het gemakkelijk. Met onze Perception STUDIO kunnen zelfs mensen die weinig of geen ervaring hebben met het onderwerp spectroscopie de juiste systemen ontwikkelen. De technische ­mogelijkheden voor een aanzienlijke uitbreiding van de recyclingquota voor kunststoffen zijn al aanwezig en moeten om milieuredenen substantieel worden benut”, spreekt Burgstaller zijn hoop uit voor de toekomst.

Ervaar de hyperspectrale technologie live

Op 27 en 28 mei 2020 krijgen vertegenwoordigers van de verwerkende industrie de gelegenheid om tijdens de vierde conferentie over hyperspectrale beeldvorming in de industrie (chii) in Graz, Oostenrijk, kennis te maken met de nieuwste trends op het gebied van hyperspectrale beeldvorming. De focus van deze internationale industriebijeenkomst is het gebruik en de toepassing van hyperspectrale systemen, die worden gepresenteerd in tal van korte lezingen door toonaangevende technologieleveranciers en in de context van een tentoonstelling. Ook zijn er matchmakingmeetings gepland om individuele vragen te beantwoorden. Details over het programma en de registratie voor chii 2020 zijn hier te vinden.