Hyperspectral Imaging (HSI) oder Chemical Imaging (CI) ist die Kombination von Spektroskopie, bildgebender Datenaufnahme und digitaler Bildverarbeitung.

Einen guten, einführenden Überblick zu chemischer und hyperspektraler Bildgebung bieten die entsprechenden Einträge auf Wikipedia: Chemical Imaging und Hyperspectral Imaging.

Weiterhin helfen die Artikel Medical Hyperspectral Imaging: A Review von Goulan Lu und Baowei Fei sowie Review of near-infrared methods for wound assessment von Michael Sowa et al. sich in das Thema einzuarbeiten.

In der Medizin sowie den Life Sciences sind bildgebende Verfahren (bspw. Computertomographien)  ebenso fest etabliert wie die Spektroskopie in der chemischen Analyse im industriellen Bereich (bspw. Sortierungsanlagen).

Bisher sammeln bildgebende Verfahren jedoch nur sehr begrenzte und spezielle Daten. Spektroskopische Methoden, die die Eigenschaften von Strahlungen auswerten (bspw. die Wellenlängen des Lichts), können zwar mehr Daten erfassen, als die bloßen bildgebenden Verfahren, sind jedoch bisher nur in der Lage diese Daten punktförmig (bspw. einzelne Wellenlängen als Punkte) darzustellen.

In unseren innovativen Kamerasystemen stellen wir Ihnen nun beide Technologien integriert zur Verfügung und ermöglichen es, die mit der Spektroskopie erfassten chemischen Eigenschaften nicht nur punktförmig, sondern auch 2-dimensional, also als Falschfarbbilder, zu erfassen.

Diese verbesserte Aufbereitung der Daten wird Chemical Color Imaging Technologie genannt.

Sie geht über die bloße Datenaufnahme hinaus und verbindet in einem zusätzlichen Schritt chemometrische Analyse, Farbbildanalyse und Farbbilddarstellung mit standardisierten Bilderverarbeitungsalgorithmen.

Unsere hyperspektralen Kamera-Systeme zeichnen mehr als 100 Spektralkanäle auf. Diese Kanäle beinhalten sowohl den sichtbaren (VIS) Spektralbereich, als auch den nicht sichtbaren nahen Infrarotbereich (NIR).

Folglich ist sowohl die erfasste Datenmenge, als auch der Informationsgehalt der aufgezeichneten Bilder sehr hoch.

So können Sie aus Bildern chemische Information, wie etwa Wasser-, Stärke-, Fett- oder Chlorophyllgehalte, Gewebeoxygenierung, Gewebesegmentierung, Keimbelastung, Gewebehämoglobinindex usw., ermitteln.

Damit eröffnen sich völlig neue und vielfältige Anwendungsbereiche in der Medizin, den Life Sciences und der Industrie. Den Anwendern unserer hyperspektralen Kamerasysteme geben wir also wesentlich neue Möglichkeiten der Analyse bzw. Diagnostik an die Hand.

 

Prinzip eines bildgebenden Transmissionsspektrometers

Unsere hyperspektralen Kamera Systeme arbeiten mit bildgebenden Transmissionsspektrometern.

 

Prinzip eines bildgebenden Transmissionsspektrometer

Prinzip eines bildgebenden Transmissionsspektrometer

Die Abbildung zeigt den Aufbau und die Funktionsweise eines bildgebenden Transmissionsspektrometers, das in unseren HSI-Kamera Systemen integriert ist. Die Spektrometereinheit besteht aus einem Eingangsspalt, zwei Abbildungsoptiken, einem holographischen Transmissionsgitter und dem Flächensensor. Über das Eingangsobjektiv gelangt das vom Objekt remittierte Licht durch den Eingangsspalt auf die erste Optik des Spektrometers.
 
Die Optik bündelt das Licht und wirft es auf das Transmissionsgitter, wo es in einzelne Wellenlängen zerlegt wird. Danach gelangt es über eine zweite Optik auf den Flächensensor der CMOS Kamera. Durch den Aufbau der Spektrometereinheit wird eine Raumrichtung (Breite des Objekts als X-Achse) erfasst.
 
Die zweite Raumrichtung (Länge des Objekts, Y-Achse) ergibt sich über die Scaneinheit. Sie verschiebt den Eingangsspalt und scannt so das Objekt innerhalb weniger Sekunden der Länge nach ab.Eine dritte, spektrale Dimension stellen die aufgezeichneten Wellenlängen dar.Damit ergibt sich ein 3D-Datenwürfel, der in der folgenden Abbildung zu sehen ist.

3D-DataCube

3D-Datenwürfel

 

Die HSI-Kamera basiert auf der hyperspektralen Bildgebungstechnologie und generiert dreidimensionale Datenwürfel (X [räumliche Dimension], Y [räumliche Dimension], λ [spektrale Dimension]). Die 3D-Datenwürfel sind die Grundlage für die Extraktion der chemischen Informationen und der verschiedenen Bilder. In der Abbildung sind das Absorptionsspektrum eines spezifischen Pixels, sowie ein aus der spektralen Dimension extrahiertes Bild bei einer spezifischen Wellenlänge dargestellt.
 
Es ist also möglich, sich für jeden einzelnen Pixel in einem von unserem hyperspektralen Kamera-System generiertem Bild die spezifische Wellenlänge darstellen zu lassen und zur Analyse bzw. Diagnostik heranzuziehen.