Kompakte KI-basierte Hyperspektralkamera erschließt neue industrielle Anwendungen

Ziel ist es, hyperspektrale Analysen direkt in Produktions-, Sortier- und Diagnostikprozesse zu integrieren – schnell, energieeffizient und praxistauglich.

Gezielte Analyse statt Datenflut

Der technologische Kern des Systems liegt in einem neuartigen Messansatz: Statt vollständige Bilder hyperspektral auszuwerten, erfasst zunächst eine konventionelle 2D-Kamera das Objekt. Eine KI identifiziert anschließend relevante Bildbereiche (Regions of Interest), an denen gezielt spektrale Messungen durchgeführt werden. So sinken Datenmenge, Energieverbrauch und Rechenaufwand erheblich, während die entscheidenden chemischen Informationen erhalten bleiben.

Darum geht es im Detail

Das Teilprojekt A1 widmet sich der Entwicklung einer ultrakompakten, energieeffizienten Hyperspektralkamera, die dank künstlicher Intelligenz komplexe Material- und Qualitätsanalysen in Echtzeit ermöglicht. Das integrierte Spektrometer erfasst spektrale Merkmale und macht damit chemische Eigenschaften sichtbar, die für das menschliche Auge verborgen bleiben. Mängel von Lebensmitteln oder die Zusammensetzung von Textilien oder Kunststoffen können so präzise und schnell identifiziert werden.

Die neuartige Hyperspektralkamera erschließt zahlreiche Anwendungsfelder entlang industrieller und agrartechnischer Wertschöpfungsketten. Die Kamera arbeitet dabei nach einem innovativen Prinzip: Eine konventionelle 2D-Kamera erfasst zunächst ein hochaufgelöstes Bild des Objekts. Künstliche Intelligenz analysiert dieses Bild in Echtzeit und identifiziert automatisch die interessanten Bereiche, die sogenannten Regions of Interest. Nur an diesen ausgewählten Positionen führt das integrierte Spektrometer eine Spektralanalyse durch und ermittelt die chemische Zusammensetzung. Dieser intelligente Ansatz macht hyperspektrale Messungen deutlich effizienter: Statt das gesamte Bild aufwändig hyperspektral zu erfassen, werden nur die relevanten Messpunkte analysiert. Das reduziert Datenmengen, Energieverbrauch und Rechenzeit erheblich.

Die daraus gewonnenen Informationen unterstützen beispielsweise die zuverlässige Sortierung von Textilien und Kunststoffen und erhöhen die Sicherheit bei der Identifikation von Plagiaten. Darüber hinaus verbessern sie die Qualitätskontrolle in der Lebensmittelverarbeitung, indem sie Druckstellen und Mängel aufspüren, und ermöglichen eine genaue Beurteilung des Pflanzenzustands und des Nährstoffbedarfs in der Landwirtschaft. Durch die automatisierte Auswertung werden Entscheidungen deutlich schneller und zuverlässiger getroffen. Zugleich werden Prozesse nachhaltiger gestaltet und wirtschaftliche Ressourcen effizienter genutzt.

"Mit der kompakten hyperspektralen Kamera aus OASYS A1 schaffen wir eine Technologie, die analytische Verfahren dorthin bringt, wo sie gebraucht werden: direkt in Produktionslinien, Sortieranlagen oder auf das Feld", erklärt Heinrich Engelke, Projektverantwortlicher am Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS. "Die Kombination aus Miniaturisierung, Energieeffizienz und künstlicher Intelligenz eröffnet völlig neue Einsatzmöglichkeiten und leistet zugleich einen wichtigen Beitrag zu Ressourcenschonung und Prozesssicherheit."

Die im Projekt entwickelten Komponenten bilden die Grundlage für künftige sensorische Systeme, die sowohl in Industrie und Recycling als auch in der Agrar- und Lebensmittelbranche maßgebliche Verbesserungen erzielen können. 

Über das Projekt

Das Forschungsprogramm OASYS umfasst einen Zeitraum von fünf Jahren von September 2023 bis August 2028 und wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) mit rund 12,5 Millionen Euro gefördert. Die Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) übernimmt die Koordination des Vorhabens. Neben dem Fraunhofer IPMS wirken das Ferdinand-Braun-Institut FBH sowie das IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik am Verbund mit. Das gemeinsame Engagement in OASYS und insbesondere die Arbeiten im Projekt A1 unterstreichen die führende Rolle des Fraunhofer IPMS in der Entwicklung innovativer optischer Systemtechnologien.