近紅外高光譜成像及典型應用場景
近紅外(NIR)傳感器可捕獲和分析900~1700nm波長范圍內的光(見圖1),并且能夠評估人眼無法檢測到的物體細節(jié)。
在NIR區(qū)域工作的高光譜相機和傳感器,正被越來越多地應用于研究實驗室和工業(yè)機器視覺領域。NIR高光譜成像(HSI)的價值和多功能性在一些應用中得到了體現(xiàn),
包括塑料和紡織品分選、食品和藥品質量控制以及薄膜厚度和水分測量等。
圖1:NIR高光譜成像可捕獲電磁波譜中900~1700nm波長范圍內的光譜信息。
高光譜相機結合了成像技術和光譜學技術。高光譜相機獲取高光譜數據立方體,逐像素收集光譜和空間信息。
每個像素都會產生一個光譜特征,為不同的材料提供“指紋”。該技術有助于材料的分類和分析,只需根據不同材料的光譜特征,即可辨別這些材料及其特性。
事實證明,NIR高光譜成像在各行各業(yè)都有用武之地,可以顯著改善檢驗、分選和分析流程。高光譜成像提供有關制造過程的實時信息,
有助于確保遵守法規(guī)、降低成本并提高質量。
(1)塑料的準確、高速分選
NIR高光譜成像可用于高效分選塑料以便回收,從而實現(xiàn)高純度率。雖然短波 (SWIR)和中波紅外(MWIR)高光譜相機也可用于塑料分選,
但是NIR傳感器通常是高性價比的塑料分選解決方案,適用于分選常見的塑料。
烏克蘭設備制造商Prodecologia開發(fā)了一種采用Specim FX17相機的NIR分離器,可識別、分選和分離不同類型的聚合物,
從而提高聚合物回收過程的效率(見圖4)。盡管聚合物加工過程非常復雜且可回收的聚合物品種多樣,Prodecologia 公司
仍通過NIR HSI技術實現(xiàn)了超過98%的聚合物純度分數。
Prodecologia 的NIR分離器可以分離PET、PVC、PE和PP等塑料。PP和PE混合物的產能為600~700公斤/小時,PET薄片的產能為500~600公斤/小時。
紡織品快速分選和回收
NIR高光譜成像還可以識別紡織品的成分,因為不同的纖維具有光譜特性。分離不同的紡織材料是一個復雜的過程,
因為它們含有各種原材料,并混合了天然纖維和合成纖維。PICVISA是西班牙一家專門從事光學分選、機器人、
人工智能和深度學習業(yè)務的公司,其利用NIR高光譜成像改變了紡織品分選的現(xiàn)狀。
PICVISA公司開發(fā)了一款自動化紡織品分選機,其中集成了Specim FX17相機以及多種互補技術和人工智能。
PICVISA公司產品經理Daniel Carrero表示:“NIR高光譜帶來了突破性的改變,可以幫助我們識別服裝的材料和成分,
以便在回收前進行預選,并以出色的光譜分辨率提供完整分析。”
在紡織和纖維行業(yè),NIR光譜法還用于控制質量和分析參數,如纖維成分、水分含量、染料濃度和其他特性等。
食品分級、質量控制和異物檢測
NIR HSI在食品行業(yè)中的用途包括分選、分級、質量控制和認證。NIR HSI通過利用每種材料固有的光譜模式,幫助準確可靠地評估化學成分和識別異物。
各種食品特性(例如水分、脂肪、蛋白質、糖含量和其他營養(yǎng)參數)在 NIR光譜范圍內具有的光反射特性。
使用RGB相機很難區(qū)分脂肪、肉以及污染物(如塑料或木材等)。但是,NIR HSI可以準確識別這些污染物并檢測脂肪在肉中的位置,因為它們的光譜特征不同。
與傳統(tǒng)彩色和濾鏡相機以及點光譜儀相比,NIR高光譜具有諸多優(yōu)勢。高光譜成像支持對大面積或多個樣品進行全面、快速、無損檢驗。這在注重高吞吐量、
實時監(jiān)控和衛(wèi)生的食品行業(yè)尤其重要。
濕度測量
NIR光譜范圍內的水吸收是一種重要現(xiàn)象,對各個科學和技術領域非常有用。在NIR范圍內,水分子由于水的基本振動模式(H-O-H分子的伸縮和彎曲運動)的共振和組合而吸收光。吸收波段主要在760nm、970nm、1200nm、1450nm和1940nm附近觀察到。
吸收強度隨波長變化。例如,在1450nm處,水表現(xiàn)出很強的吸收峰,使得 NIR波長特別適用于檢測各種物質中的水含量。NIR范圍內的這種水吸收特性被用于許多應用,包括遙感、農業(yè)、食品、造紙、木材、化妝品行業(yè)和生物醫(yī)學成像等。例如,利用NIR光譜范圍內的水吸收特性,可以測量肉末中的水分和脂肪含量。
利用NIR光譜范圍內的水吸收,可以分析新鮮農產品。荷蘭瓦格寧根大學與研究中心(WUR)開發(fā)了一種基于VNIR(可見光和近紅外)
和NIR高光譜相機的獨立一體式光譜成像系統(tǒng),用于監(jiān)測水果新鮮度和成熟度。
藥品檢驗和分析
在藥品檢驗和分析中,NIR范圍對于確保藥物質量和藥物成分的安全性和有效性特別有用。NIR HSI已成功應用于各類活性成分的監(jiān)測,
甚至透過泡罩包裝進行監(jiān)測。當藥品(如片劑或粉末)外觀無異時,HSI是一種特別有價值的檢驗方法
測量薄膜厚度
NIR HSI還有助于檢驗薄膜和涂層的厚度。NIR HSI可以改進薄膜效率和涂層質量控制系統(tǒng),提供100%在線檢驗,
以提高質量并減少浪費;與僅提供部分監(jiān)控的基于點光譜儀的當前解決方案相比,可以實現(xiàn)更快、更全面的檢驗。
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