Besser als das Auge

Dr.-Ing. Norbert Bauer, Erlangen Koordinator der Fraunhofer-Allianz Vision

Da der Verbraucher Produkte, in denen er einmal auf fremde Bestandteile gestoßen ist, mit Sicherheit vermeiden wird, ergibt sich für die Anbieter ein starker Anreiz zur intensiven Qualitätskontrolle. Mit neuen praxistauglichen Sensoren sowohl für den optischen als auch den Thermographie- und Röntgenbereich sind jetzt sehr wirksame Systeme zur Detektion von Fremdkörpern in Nahrungsmittel-Schüttgut möglich, die weit über die Möglichkeiten des menschlichen Auges hinausgehen.

Grundsätzlich gibt es drei Möglichkeiten, Fremdkörper in locker geschütteten Lebensmittel zu finden: mechanisch, optoelektronisch oder mit Durchstrahlung.

Mit mechanischen Mitteln lassen sich physikalische Eigenschaften wie z. B. das spezifische Gewicht zur Unterscheidung nutzen. Ein typisches Beispiel hierfür ist das Heraussieben von Sand und Steinchen, wenn das Schüttgut in Wasser eingebracht werden kann.

Optoelektronische Möglichkeiten nutzen entweder das sichtbare Lichtspektrum oder die unsichtbaren Bereiche wie Ultraviolett oder besonders langwellige Strahlung im thermischen Bereich. Die Thermographie ist dabei besonders interessant, da sie ein stückweit in das Material hineinsehen lässt und sich der Röntgentechnik annähert.

Das Konzept eines optoelektronischen Prüfsystems ist in Bild 1 dargestellt. Das Schüttgut wird auf einem Transportband beschleunigt und landet nach einer freien Fallstrecke in verschiedenen Auffangbehältern. Eine Farbkamera beobachtet das beleuchtete Schüttgut über einer der Aufgabe angepassten Hintergrundrolle. Fremdkörper im Schüttgut, die auf Grund ihrer Farbe oder ihrer Form erkannt werden können, werden während der Flugzeit von etwa 100 ms detektiert und mit Hilfe eines präzisen Luftstroms aus dem Schüttgut geblasen. Dazu ist hinter der Sichtlinie der Kamera eine Leiste mit Düsen im Abstand von 5 mm angebracht. Der Auswerterechner führt für jeden Bildpunkt eine Farbklassifikation durch und entscheidet auf der Basis vorher eingelernter Werte, ob der Bildpunkt dem regulären Schüttgut zuzuordnen ist. Alle abweichenden Punkte werden markiert, zu Objekten zusammengesetzt und schließlich deren Geometrie errechnet.

Das passive Betrachten des Schüttguts mit optischen Sensoren wertet unterschiedliche Farben oder Emissionskoeffizienten aus. Wird zur Untersuchung aktiv Wärme eingebracht, können zusätzlich die Wärmeleitfähigkeit oder die Speicherfähigkeit von Wärme als Prüfkriterium herangezogen werden.

In einem ersten Schritt müssen hierzu die Emissionsgarde der verschiedenen Materialien unter Infrarotbeleuchtung untersucht werden. Wenn die fremden Substanzen und die Nahrungsmittel bereits anhand der unterschiedlichen Reflexion der Wärmestrahlung unterschieden werden können, ist die automatische Auswertung relativ einfach. Die Strahlungskoeffizienten von Nahrungsmitteln und Fremdkörpern sind sich jedoch oftmals sehr ähnlich und überlappen sich oft im Bereich der jeweiligen natürlichen Toleranzen. In solchen Fällen kann die Auswertung der verschiedenen Wärmeleitfähigkeit der beiden Komponenten ausgenutzt werden. Eine externe Wärmequelle führt z. B. in einem kleinen Zeitintervall zu einer leicht unterschiedlichen Oberflächentemperatur, die mit einer empfindlichen Kamera beobachtet werden kann.

Eine große Rolle spielt in der Praxis die Auswahl einer geeigneten Wärmequelle. Möglich ist z. B. die Stimulierung von Wassermolekülen mit Mikrowellen oder auch die Abkühlung des Gutes, wenn es durch einen vorhergehenden Produktionsschritt bereits erwärmt ist. Wenn eine hoch empfindliche IR (Infrarot)-Kamera mit Auflösungen besser als 15 mK benutzt wird, wird die maximale Wärme, die dem Nahrungsmittel zur Detektion zugeführt werden muss, fünf Grad nicht überschreiten. Zur Erkennung kleinster Fremdteilchen ist weiterhin eine hohe örtliche Auflösung des Kamerasensors notwendig. Bild 2 zeigt den grundsätzlichen Versuchsaufbau. Die Objekte bewegen sich auf einem Förderband mit einer Geschwindigkeit zwischen 1 und 50 m/min entlang einer Wärme- oder Kühleinheit. Die verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten von Fremdkörpern und Nahrung werden mit einer empfindlichen Thermographiekamera in Grauwerte umgesetzt und einem Rechner zur automatischen Erkennung und Ausschleusung der Fremdteile zugeführt. Bild 3 zeigt Schokoladenbruchstücke, zwischen die fünf Kirschen eingestreut sind. Während die Kirschen auf der Standardaufnahme in Bild 3 kaum zu erkennen sind und daher rot eingekreist wurden, treten sie bei der thermographischen Auswertung in Bild 4 deutlich in Erscheinung.

Mit Röntgenstrahlen schließlich können auch dicke Schichten durchdrungen werden. Fremdkörper werden aufgrund ihrer sich vom Nahrungsmittel unterscheidenden Dichte erkannt. Eine neu entwickelte TDI-Röntgenkamera (Time-Delayed-Integration) erlaubt auch die Detektion kleinster Fremdkörper. Anstelle einer einzigen Zeile werden hier mehrere Zeilen verwendet, die nacheinander belichtet werden und deren Information addiert wird.

Entscheidend für eine gute Detektionsleistung ist die Bildqualität des Röntgenscanners. Der Helligkeitsunterschied zwischen Fremdkörper und Umgebung muss möglichst groß sein. Den größten Einfluss auf die Erkennungsleistung nimmt das Bildrauschen, das bei Röntgensensoren grundsätzlich größer ist als bei optischen Sensoren. Die physikalische Grenze für das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) eines Bildpunktes ist durch die Quadratwurzel der detektierten Röntgenquanten gegeben. Je höher die Zahl der detektierten Röntgenquanten, desto besser wird das S/N. In der Regel werden daher Zeilenkameras mit relativ großen Pixeln (0,8 – 1 mm Kantenlänge) verwendet, da große Pixel mehr Röntgenquanten „einfangen„ als kleine Pixel. Das hat aber den Nachteil, dass kleine Fremdkörper nur noch einen sehr kleinen Helligkeitsunterschied erzeugen. Deckt der Fremdkörper beispielsweise nur die Hälfte des Pixels ab, halbiert sich auch sein Einfluss auf den Helligkeitsunterschied.

Die Auswirkung der Pixelgröße demonstriert Bild 5 an Hand einer Müslipackung mit kleinen Metallkügelchen als Fremdkörper. Das linke Teilbild wurde mit einer Pixelgröße von 0,5 mm x 1,1 mm aufgenommen, das rechte Teilbild mit einer Pixelgröße von 0,25 mm x 0,25 mm. Während bei hoher Auflösung selbst die 0,6 mm große Stahlkugel deutlich erkennbar ist, wird bei grober Auflösung erst für die 1,2 mm große Stahlkugel ein ähnlich guter Bildkontrast erreicht. Für geringes Rauschen müssen die Pixel des Sensors also möglichst groß, für die gute örtliche Auflösung möglichst klein sein. Für diese einander widersprechenden Forderungen muss in der praktischen Anwendung ein brauchbarer Kompromiss gefunden werden. Mit der Entwicklung der TDI-Röntgenkamera konnte hier ein interessanter Fortschritt erzielt werden. Anstelle einer einzigen Zeile werden mehrere Zeilen verwendet, die nacheinander belichtet werden und deren Information addiert wird. Das Signal-Rausch-Verhältnis wächst mit der Quadratwurzel der detektierten Röntgenquanten und damit mit der Quadratwurzel der Anzahl der Zeilen. Bereits bei vier Zeilen verdoppelt sich somit das S/N mit entsprechender Verbesserung der Detektionsleistung. Mit diesem Ansatz lassen sich auch örtlich hoch aufgelöste Sensoren verwenden, deren höheres Rauschen durch mehrere Zeilen kompensiert werden kann.

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Mit der neuen Generation von homogenen Flächenbeleuchtungen erreicht PHLOX bei einer Fläche von z. B. 50x50mm Helligkeitswerte von über 15.000 cd/m2. Dies bedeutet eine Steigerung von Faktor 2,5 gegenüber herkömmlichen Flächenbeleuchtungen mit Fiberoptiken bzw. Matrix-LED-Flächenbeleuchtungen, welche jahrelang Standard in der industriellen Bildverarbeitung gewesen sind. Die Homogenität bezogen auf die gesamte Leuchtfläche beträgt hierbei über 95%! Die 7–9mm hohen Flächenbeleuchtungen gibt es in verschiedenen Ausführungen und Größen. Die Intensität lässt sich über die Eingangsspannung (8 – 24 Volt) regeln. Blitzbetrieb mit strom- oder spannungsgesteuerten Controlern ist möglich.

Neben der Standardserie mit roten und weißen LED´s als Leuchtquelle sind kundenspezifische Produkte mit blauen, grünen, gelben sowie UV-(Utltraviolett) und IR-(Infrarot) Leuchtdioden erhältlich. Mit der patentierten Technologie lassen sich auch RGB-Beleuchtungen erstellen, welche sequentiell oder auch parallel angesteuert werden können. Durch die Verwendung von LED´s entfällt ein Austauschen von Leuchtmitteln wie es z.B. bei Fiberoptik-Beleuchtungen mit Halogen-Leuchtmitteln nach einigen hundert Stunden Betriebszeit der Fall ist. Neben dem niedrigeren Anschaffungspreis werden damit auch die Betriebskosten erheblich gesenkt.

Einsatzgebiete der sehr erfolgreichen PHLOX-Beleuchtungsserie sind hauptsächlich die industrielle Bildverarbeitung, die Qualitätssicherung, die Biotechnologie sowie die Medizintechnik.

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