Schönheit liegt in der Diode des Betrachters: LEDs für die optische Lebensmittelsortierung

Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie sind seit langem Vorreiter in Sachen Automatisierung, um eine stetig wachsende Bevölkerung mit ausreichend Nahrung versorgen zu können. Für viele von uns geht es dabei längst nicht mehr nur um das reine Überleben, sondern auch um eine gesunde Ernährung als Grundlage für einen gesunden Lebensstil. Nicht nur die Erntetechnik wird ständig weiterentwickelt, auch die mechanische Sortierung spielt seit nunmehr fast einhundert Jahren eine wichtige Rolle. Die ersten Lebensmittelsortiermaschinen kamen Mitte der 1920er und Anfang der 1930er Jahre auf. 

In den Anfängen sorgten Leuchtstofflampen für eine leistungsstarke Beleuchtung mit sichtbarem Licht, während mit Halogen die infraroten Wellenlängen ins Spiel kamen. Mit dem zunehmenden Bewusstsein für Lebensmittelsicherheit und der Globalisierung des Marktes, der einfachen Zugang zu frischen Produkten aus aller Welt verlangte, wurden diese Verfahren nach und nach immer weiter verbessert. Knapp 90 Jahre später befinden wir uns in einem Zeitalter der vollkommen zerstörungsfreien, nicht invasiven und lückenlos rückverfolgbaren optischen Sortierung – nicht zuletzt dank der bescheidenen LED und ihres guten Freundes, dem Photodetektor.

Mit seinen LEDs der Epitex-Reihe liefert Ushio heute die entscheidenden Beleuchtungs- und Sensorikkomponenten für viele Anwendungen im Bereich der Inspektion. Mit einem breiten Spektrum an ultravioletten (UV), sichtbaren und infraroten (IR) Wellenlängen bedient das optoelektronische Epitex-Sortiment die Bedürfnisse von Kunden aus der Lebensmittelindustrie auf der ganzen Welt. Mehrere Emitter verschiedener Wellenlängen, von 365 bis 1750 nm, können zusammen mit Sensoren auf kleinstem Raum in einem einzigen Package untergebracht werden. Dank der LED-Technologie von Ushio stehen exakte Materialanalysen, Nährwertangaben und Marktbewertungen in Sekundenschnelle zur Verfügung. 

Qualitätssicherung jenseits der Wahrnehmung des bloßen Auges 

Bei der optischen Inspektion wird eine Kombination aus lichtemittierenden und lichtempfindlichen Chips (Sensoren) oder Kameras verwendet, um die Farbe oder das spektrale Absorptionsvermögen des Objekts zu ermitteln. Jedes Material, ob organisch oder künstlich hergestellt, hat seine eigene molekulare Zusammensetzung. Die Struktur eines bestimmten Stoffes reflektiert oder absorbiert Lichtstrahlen in unterschiedlichem Maße, so dass wir Maschinen beibringen können, Produkte auf einem eng belegten Förderband exakt zu profilieren. 

Optische Sortiersysteme für Lebensmittel sollen die Inspektion, Identifizierung und Separierung von Materialien in der Lebensmittelverarbeitung ganz oder teilweise automatisieren. Dies könnte von einer einfachen binären Auswahl für die Fremdkörperentfernung bis hin zu einer komplexeren Kategorisierung reichen, wie z. B. der Trennung von Früchten nach Form, Größe, Gewicht, Reifegrad, Farbe und dem Schweregrad etwaiger Mängel.

Eine typische Anwendung in der Landwirtschaft ist die Inspektion von Feldfrüchten, z. B. die Entfernung von Fremdkörpern wie Steinen, die häufig bei der mechanischen Ernte von Kartoffeln mitgerissen werden. Im weiteren Verlauf der Lebensmittelverarbeitungskette kann ein optisches System eingesetzt werden, um beispielsweise eine Charge Pommes frites während der Zubereitung zu überwachen. Die Eigenschaften der Pommes frites werden mit den Daten einer perfekt gegarten Kontrollcharge verglichen, so dass das System entscheiden kann, ob sie einem akzeptablen Standard entsprechen oder nicht. Zu stark gegarte Pommes frites können dann schnell ausgesondert werden, um die vom Endverbraucher erwartete gleichbleibende Produktqualität zu gewährleisten.

Für optimale Ergebnisse wird je nach zu analysierendem Material eine andere Lichtquelle benötigt. Ob Getreide, Nüsse, Früchte, Gemüse oder verarbeitete Lebensmittel – das umfangreiche LED-Sortiment von Ushio hält für jedes Material den passenden Wellenlängenbereich von UV über sichtbares Licht bis hin zu nahem Infrarot (NIR) und kurzwelligem Infrarot (SWIR) bereit.

Der Star der Show: Materialbestimmung über Infrarotlichtabsorption

Viele organische Materialien absorbieren die meisten Strahlen im Bereich von 1000 bis 1750 nm, was kurzwellige Infrarot-LEDs (SWIR) besonders beliebt macht. Werden mehr Strahlen absorbiert, was aufgrund des hohen Feuchtigkeitsgehalts zum Beispiel bei Obst oder Gemüse der Fall ist, erscheint bei der Aufnahme mit einem SWIR-Bildgerät ein dunkleres Bild. Im Gegensatz dazu erscheinen Materialien oder Stoffe, die mehr Strahlen reflektieren, heller. Diese Art der Spektroskopie kann zur Überwachung des Nährwerts von Lebensmitteln eingesetzt werden, was eine entscheidende Rolle in der Produktion landwirtschaftlicher Erzeugnisse und verarbeiteter Lebensmittel spielt. 

Insbesondere Wasser, Zucker und Proteine absorbieren den Großteil der Wellenlängen im SWIR-Spektrum. Der häufigste Bestandteil von Nahrungsmitteln, Wasser, wird aus verschiedenen Gründen gemessen, zum Beispiel um sicherzustellen, dass der Wassergehalt von gebackenen Keksen in jeder Charge gleich bleibt. Die SWIR-Technologie übertrifft die Sehleistung des menschlichen Auges um ein Vielfaches. Dies wird besonders deutlich am Beispiel von Druckstellen unter der Schale eines Apfels. Druckstellen lassen sich anhand einer Veränderung des Wassergehalts in dem betroffenen Bereich erkennen, auch wenn der Apfel für das bloße Auge makellos erscheint. Mit dieser Technik der Feuchtigkeitserkennung kann auch der Reifegrad verschiedener Erzeugnisse genau bestimmt werden, so dass sie genau zum richtigen Zeitpunkt in den Vertrieb gebracht werden können.

Sobald die Lichtabsorption gemessen und in die Sortiersoftware eingegeben wurde, kann das System angewiesen werden, alles zu akzeptieren oder abzulehnen, was das Sichtfeld des Systems durchläuft und den entsprechenden Absorptionsgrad aufweist. Dies kann auch in der Produktqualitätskontrolle zur Erkennung von Artikeln verwendet werden, die zwar aus dem richtigen Material bestehen, jedoch vor dem Sortierprozess beschädigt wurden – ähnlich wie in unserem Beispiel des gequetschten Apfels. 

Wie können Sie mit der LED-Lebensmittelanalyse Ihren Kundenkreis erweitern?

Auf der Suche nach dem perfekten Apfel spielt der Zuckergehalt nicht nur eine Rolle für den Geschmack, sondern beeinflusst auch sehr stark den Marktwert. Die SWIR-Analyse des Zuckergehalts eines Apfels von optimaler Süße eröffnet dem Erzeuger eine Vielzahl von Märkten – ein Apfel, der als Vormittagssnack gedacht ist, kann anders schmecken als ein Apfel, der für eine trockenen Apfelwein benötigt wird. Die Fähigkeit, diese beiden „perfekten“ Äpfel in Chargen von konsistenter Qualität zu separieren, könnte den Unterschied zwischen einem kurzfristigen Kunden und einem, der über Jahre hinweg treu bleibt, ausmachen.

Doch selbst wenn Sie Flaschen mit gereinigtem Wasser verkaufen, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die Struktur Ihres zu untersuchenden Materials viele verschiedene Moleküle enthält. All diese verschiedenen Wellenlängen-Emitter und -Sensoren in ein kompaktes Gerät einzubauen, klingt nach einem komplizierten, teuren Unterfangen für den armen Elektroingenieur, der dafür sorgen muss, dass es auch wirklich funktioniert. 

Zum Glück beherrscht Ushio die Kunst, bis zu drei verschiedene Chips in einem nur wenige Quadratmillimeter großen Package unterzubringen. Bei den Chips kann es sich um Bündel mehrerer LEDs und Sensoren handeln, so dass jedes Package den belegten Platz auf einer Leiterplatte effektiv um zwei Drittel reduziert. Es ist sogar möglich, verschiedene Materialkomponenten sehr detailliert zu analysieren, indem verschiedene Beleuchtungswellenlängen durchlaufen werden. Durch das unabhängige Pulsieren von lichtemittierenden Chips in Verbindung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ist es möglich, spektroskopische Bilder zu erhalten, die einen vollständigen Eindruck der Zusammensetzung vermitteln. Ushio entwickelt derzeit ein LED-Package, das bis zu acht Wellenlängen gleichzeitig emittieren oder nach Belieben des Bedieners zwischen ihnen wechseln kann.

Konfigurationsmöglichkeiten für Beleuchtungs- und Erkennungssysteme in Produktionslinien

Die folgenden Abbildungen zeigen zwei Beispiele, wie die LEDs von Ushio in die Sortierstrecke einer Produktionslinie integriert werden können:

Welche Epitex-LED eignet sich am besten für Ihre Lebensmittelsortieranwendung?

Die SMBB-Familie ist die vielseitigste LED-Reihe auf dem Markt. Diese rekordbrechenden LEDs im 5-mm²-Package mit integriertem Kupferkühlkörper sind als Single- oder Multi-Chip-LEDs erhältlich. Dies bedeutet, dass den Anwendern ein einzelner 1 mm² Hochleistungs-Chip zur Verfügung steht; sollte Ihr Sortiergerät noch mehr Leistung benötigen, kann das Multi-Chip-SMBB-Package mit bis zu drei Chips der DS-Serie bestückt werden, um die Leistung zu verdreifachen.

Die LEDs der SMBB-Familie sind zwar nach wie vor äußerst beliebt, aber manchmal wünschen sich die Kunden von Ushio auch ein Single-Chip-Package mit geringerem Platzbedarf. Natürlich wollte Ushio keine Kompromisse bei den leistungsstarken LEDs seiner SMBB-Klasse eingehen, also wurde die EDC-Familie entwickelt. Die EDC-LEDs decken das gleiche Spektrum ab wie die SMBB-Packages, bieten allerdings mit einer Grundfläche von gerade einmal 3,5 mm² größten Nutzen auf engstem Raum.

Das Gehäuse einer EDC-LED verfügt über einen Keramiksockel, der als idealer Kühlkörper dient und die Diode bestens von der übrigen Schaltung isoliert. Die LEDs der EDC-Familie sind mit einem einzigen 1 mm² großen Chip bestückt, so dass sie in den gleichen Anwendungen wie Single-Chip-SMBBs eingesetzt werden können. Der Hauptunterschied besteht jedoch in der kleineren Grundfläche, die zusätzlichen Platz für weitere LED-Packages oder andere Bauteile mit größerem Platzbedarf bietet.

Ushio bietet verschiedene Arten von LED-Packages an, die jedoch alle mit dem Spektrum von 365 bis 1750 nm kompatibel sind, und zwar in Schritten von 20 nm (unter 1000 nm) bzw. 100 nm (über 1000 nm). Wenn Sie unseren Experten detaillierte Informationen zu den zu untersuchenden Materialien sowie zu den technischen Anforderungen zur Verfügung stellen, erhalten Sie von Ushio eine fundierte Empfehlung, die auf Ihr spezielles Lebensmittelsortierprojekt zugeschnitten ist. Innerhalb des riesigen LED-Sortiments von Ushio gibt es jedoch zwei Produktreihen, die sich besonders gut für die Lebensmittelsortierung eignen:

Die Epitex D-Serie: Ushios Top-Empfehlung für die SWIR-Lebensmittelsortierung

Das Flaggschiff der Hochleistungs-SWIR-LED-Kollektion von Ushio ist die Epitex D-Serie. Nach dem vorangegangenen Erfolg der S-Serie wurde mit der Einführung der Epitex D-Serie nun die weltweit höchste Ausgangsleistung und Effektivität erreicht. Diese LEDs eignen sich für viele Bildverarbeitungsanwendungen, wie z. B. die automatische Nummernschilderkennung (Automatic Number Plate Recognition, ANPR), spielen aber auch bei der Sortierung von Lebensmitteln eine wichtige Rolle. Insbesondere die SMBB1050GD LED wird häufig mit einer SWIR-Kamera oder einem Sensor kombiniert, um eine schnelle und leistungsstarke Materialanalyse bei der Lebensmittelsortierung zu ermöglichen.

Falls Sie Kleinleistungs-LEDs bevorzugt werden, können die Chips der D-Serie in SMT-Packages oder in vergossenen LEDs verbaut werden. Die 1 mm² großen Hochleistungs-Chips werden in EDC-, SMBB und TO-66-Packages verbaut. Bei den meisten Wellenlängen wird eine Verdoppelung von Leistung und Effizienz gegenüber der S-Serie erreicht; bei den Hochleistungsversionen wurde jedoch der Vorwärtsstrom auf 1 Ampere (A) erhöht und eine bis zu vierfache Steigerung der Ausgangsleistung im Vergleich zur S-Serie erreicht. Dank der daraus resultierenden Effizienzsteigerung profitiert der Anwender von einer günstigeren Leistungsabgabe, wodurch die Gesamtkosten pro Watt sinken.

Vorteile der Epitex D-Serie

• Weltweit höchste Ausgangsleistung und Effizienz, die je von einer SWIR-LED erreicht wurden, mit einer zwei- bis vierfachen Verbesserung gegenüber der konventionellen Epitex S-Serie
• Breite Auswahl an Wellenlängen innerhalb des SWIR-Spektrums zwischen 1000 und 1750 nm
• Ausgezeichnete Anpassungsmöglichkeiten – entwickeln Sie gemeinsam mit Ushio die perfekte Lösung für Ihre Anforderungen bei der Lebensmittelsortierung durch Variation von Wellenlänge, Chipgröße, Anzahl der Chips, Linsentyp, Photodetektoren und mehr

Die Epitex DS-Serie: Ushios Top-Empfehlung für die NIR-Lebensmittelsortierung

Der NIR-Anteil des elektromagnetischen Spektrums umfasst Wellenlängen von 700 bis 1000 nm und eignet sich hervorragend zum Nachweis von organischem Material. Nahes Infrarot ist der Bereich der Infrarotstrahlung, der dem sichtbaren Licht am nächsten ist und gerade jenseits der Wahrnehmungsgrenze des menschlichen Auges beginnt. Die NIR-LEDs von Ushio dienen dazu, das Objekt für eine hochauflösende Infrarotkamera kurz auszuleuchten, ähnlich wie der Blitz einer herkömmlichen Kamera.

Erhältlich sind Emitter sowohl mit geringer als auch mit hoher Leistung. NIR-Emitter mit geringerer Leistung, wie beispielsweise die vergossenen LEDs, eignen sich ideal für kleinere Geräte; im Allgemeinen gilt jedoch für Infrarotaufnahmen, dass sich mit Hochleistungs-LEDs auf größere Entfernungen ein deutlicheres Bild erzielen lässt. Daher empfiehlt Ushio hierfür die LEDs der DS-Serie. Die Schärfe des Bildes wird auch durch die optische Linse beeinflusst, die für den Chip gewählt wird. Abhängig von der Fokussierung des Lichts durch die Linse lässt sich so ein intensiveres Bild erzielen oder ein größerer Bereich ausleuchten.

Die Chips der DS-Serie bieten die höchste Leistung ihrer Klasse und bleiben damit Ushios Top-Empfehlung für NIR-Sortieranwendungen, die höchste Genauigkeit bei hoher Geschwindigkeit erfordern.