NIR高光譜相機(jī)的典型應(yīng)用

近紅外 (NIR) 傳感器可捕獲和分析 900 至 1700 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光（超出可見光），并且能夠評(píng)估人眼無(wú)法檢測(cè)到的物體細(xì)節(jié)。在 NIR 區(qū)域工作的高光譜相機(jī)和傳感器正被越來(lái)越多地應(yīng)用于研究實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域。NIR 高光譜成像 (HSI) 的價(jià)值和多功能性在一些應(yīng)用中得到了體現(xiàn)，包括塑料和紡織品分選、食品和藥品質(zhì)量控制以及薄膜厚度和水分測(cè)量等。

在本文中，我們將介紹 NIR 傳感器在高光譜相機(jī)和光譜成像中的作用，并闡明成功應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的 NIR 高光譜成像技術(shù)所具備的功能和優(yōu)勢(shì)。

圖 1 NIR 高光譜成像可捕獲電磁波譜中 900 至 1700 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜信息

了解近紅外高光譜成像

高光譜相機(jī)結(jié)合了成像和光譜學(xué)技術(shù)。高光譜相機(jī)獲取高光譜數(shù)據(jù)立方體，逐像素收集光譜和空間信息。每個(gè)像素都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光譜特征，為不同的材料提供獨(dú)特的“指紋”。該技術(shù)有助于分類和分析，只需根據(jù)不同材料的光譜特征即可辨別這些材料及其特性。

某些材料可以在 900 至 1700 nm 之間的近紅外范圍內(nèi)被明確檢測(cè)到，因?yàn)橛袡C(jī)化合物在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有獨(dú)特的分子振動(dòng)和吸收特性。

圖 2 NIR 高光譜相機(jī)根據(jù)不同材料的獨(dú)特光譜“指紋”實(shí)時(shí)識(shí)別這些材料

適合采用 NIR 高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用

事實(shí)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(yàn)、分選和分析流程。高光譜成像提供有關(guān)制造過(guò)程的實(shí)時(shí)信息，有助于確保遵守法規(guī)、降低成本并提高質(zhì)量。

用于準(zhǔn)確、高速塑料分選的 NIR 傳感器

NIR HSI 可用于高效地分選塑料以便回收，從而實(shí)現(xiàn)高純度率。雖然短波 (SWIR) 和中波 (MWIR) 紅外 HSI 相機(jī)也可以分選塑料，但 NIR 傳感器通常是高性價(jià)比的塑料分選解決方案，可以分選常見的塑料（圖 3）。對(duì)于黑色塑料，可行的解決方案只有 Specim FX50 中波紅外高光譜相機(jī)。

圖 3 Specim FX17 NIR高光譜相機(jī)可以區(qū)分常見的聚合物材料，包括 PE、ABS、PVC、PS、PA、PP 和 PET

烏克蘭機(jī)器制造商 Prodecologia 開發(fā)了一種采用 Specim FX17 相機(jī)的 NIR 分離器，可識(shí)別、分選和分離不同類型的聚合物，從而提高聚合物回收過(guò)程的效率。盡管聚合物加工過(guò)程非常復(fù)雜且可回收的聚合物品種多樣，Prodecologia 仍通過(guò) NIR HSI 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 98% 的聚合物純度分?jǐn)?shù)。Prodecologia 的 NIR 分離器可分離 PET、PVC、PE 和 PP 等塑料。PP 和 PE 混合物的產(chǎn)能為 600-700 公斤/小時(shí)，PET 薄片的產(chǎn)能為 500-600 公斤/小時(shí)。

圖 4 Prodecologia 的 NIR 塑料分離器

用于快速紡織品分選和回收的 NIR 傳感器

NIR 高光譜成像還可以識(shí)別紡織品的成分，因?yàn)椴煌睦w維具有獨(dú)特的光譜特性。分離不同的紡織材料是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，因?yàn)樗鼈兒懈鞣N原材料，并混合了天然纖維和合成纖維。作為一家專門從事光學(xué)分選、機(jī)器人、人工智能和深度學(xué)習(xí)業(yè)務(wù)的西班牙公司，PICVISA 利用 NIR 高光譜成像徹底改變了紡織品分選的現(xiàn)狀。

PICVISA 開發(fā)了一款自動(dòng)化紡織品分選機(jī)，其中集成了 Specim FX17 相機(jī)以及多種互補(bǔ)技術(shù)和人工智能。PICVISA 產(chǎn)品經(jīng)理 Daniel Carrero 表示：“NIR 高光譜帶來(lái)了突破性的改變，可以幫助我們識(shí)別服裝的材料和成分，以便在回收前進(jìn)行預(yù)選，并以出色的光譜分辨率提供完整分析?！?/p>

在紡織和纖維行業(yè)，NIR 光譜法還用于控制質(zhì)量和分析參數(shù)，如纖維成分、水分含量、染料濃度和其他特性等。

圖 5 PICVISA 機(jī)器由 NIR HSI 相機(jī)提供支持，可確保對(duì)纖維和顏色的無(wú)數(shù)組合進(jìn)行精密分類

用于食品分級(jí)、質(zhì)量控制和異物檢測(cè)的 NIR 傳感器

NIR HSI 在食品行業(yè)中的用途包括分選、分級(jí)、質(zhì)量控制和認(rèn)證。NIR HSI 通過(guò)利用每種材料固有的獨(dú)特光譜模式，幫助準(zhǔn)確可靠地評(píng)估化學(xué)成分和識(shí)別異物。各種食品特性（例如水分、脂肪、蛋白質(zhì)、糖含量和其他營(yíng)養(yǎng)參數(shù)）在 NIR 光譜范圍內(nèi)具有獨(dú)特的光反射特性。

如圖 6 所示，使用 RGB 相機(jī)很難區(qū)分脂肪、肉以及污染物（如塑料或木材等）。然而，NIR HSI 可以準(zhǔn)確識(shí)別這些污染物并檢測(cè)脂肪在肉中的位置，因?yàn)樗鼈兊墓庾V特征不同。

圖 6 RGB 與使用 Specim FX17 相機(jī)采集的肉中異物（塑料和木材）和脂肪的 NIR HSI 圖像對(duì)比

與傳統(tǒng)彩色和濾鏡相機(jī)以及點(diǎn)光譜儀相比，NIR 高光譜具有諸多優(yōu)勢(shì)。高光譜成像支持對(duì)大面積或多個(gè)樣品進(jìn)行全面、快速、無(wú)損的檢驗(yàn)。這在注重高吞吐量、實(shí)時(shí)監(jiān)控和衛(wèi)生的食品行業(yè)尤其重要。

圖 7 Specim FX17 揭示了肉中隱藏的缺陷，例如蒼白、松軟和滲出 (PSE) 缺陷，以及骨骼和肌腱的缺陷

圖 8 Alpma 使用安裝在帶有照明的機(jī)械臂上的 Specim FX17 檢測(cè)缺陷和污染物，例如薄塑料殘留物和霉菌，該機(jī)械臂可在大塊奶酪周圍移動(dòng)

用于濕度測(cè)量的 NIR 傳感器

NIR 光譜范圍內(nèi)的水吸收是一種重要現(xiàn)象，對(duì)各個(gè)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域都有影響。在 NIR 范圍內(nèi)，水分子由于水的基本振動(dòng)模式（H-O-H 分子的伸縮和彎曲運(yùn)動(dòng)）的共振和組合而吸收光。吸收波段主要在 760 nm、970 nm、1200 nm、1450 nm 和 1940 nm 附近觀察到。

吸收強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化。例如，在 1450 nm 處，水表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收峰，使得 NIR 波長(zhǎng)特別適用于檢測(cè)各種物質(zhì)中的水含量。NIR 范圍內(nèi)的這種水吸收特性被用于許多應(yīng)用，包括遙感、農(nóng)業(yè)、食品、造紙、木材、化妝品行業(yè)和生物醫(yī)學(xué)成像等。

例如，利用 NIR 光譜范圍內(nèi)的水吸收特性，可測(cè)量肉末中的水分和脂肪含量（圖 9）。

圖 9 事實(shí)證明，Specim FX17 相機(jī)及其 NIR 光譜范圍非常善于準(zhǔn)確測(cè)量肉末的水分和脂肪含量

再例如，利用 NIR 光譜范圍內(nèi)的水吸收，可以分析新鮮農(nóng)產(chǎn)品。荷蘭瓦格寧根大學(xué)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(jī)的獨(dú)立一體式光譜成像 (ASI) 系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)水果新鮮度和成熟度。

圖 10 瓦格寧根大學(xué)與研究中心的智能一體化光譜成像 (ASI) 實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)用于自動(dòng)執(zhí)行新鮮農(nóng)產(chǎn)品分析

用于檢測(cè)熱封包裝的 NIR 傳感器

NIR 光譜范圍的另一個(gè)相關(guān)應(yīng)用是檢測(cè)熱封包裝。如果密封點(diǎn)存在污染物，可能會(huì)導(dǎo)致泄漏，從而可能損壞內(nèi)部產(chǎn)品。

NIR 成像可以超出肉眼所及的范圍，檢測(cè)隱藏在密封包裝中的熔化油脂等污染物。這種污染通常是人眼不可見的。如果熔化的油脂位于包裝上的不透明印刷區(qū)域后面，則傳統(tǒng)的 RGB 成像將無(wú)效。但是，NIR HSI 具有更大的穿透深度，可以檢測(cè)到熔化的油脂，凸顯了該技術(shù)在質(zhì)量和安全檢查方面的強(qiáng)大功能。Minebea 報(bào)告了一個(gè)將 Specim FX17 與 X 射線成像結(jié)合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的成功案例。

圖 11 NIR 高光譜成像可以檢測(cè)人眼無(wú)法檢測(cè)到的包裝熱封區(qū)域中融化的油脂 

用于藥品檢驗(yàn)和分析的 NIR 傳感器

在藥品檢驗(yàn)和分析中，NIR 范圍對(duì)于確保藥物質(zhì)量和藥物成分的安全性和有效性特別有用。NIR HSI 已成功應(yīng)用于各類活性成分的監(jiān)測(cè)，甚至透過(guò)泡罩包裝進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)藥品（例如片劑或粉末）外觀無(wú)異時(shí)，HSI 是一種特別有價(jià)值的檢驗(yàn)方法。

圖 12 利用 Specim FX17，制藥公司可檢查是否存在污染物，并確保每種類型的片劑都由正確數(shù)量的正確成分組成

用于測(cè)量薄膜厚度的 NIR 傳感器

NIR HSI 還有助于檢驗(yàn)薄膜和涂層的厚度。NIR HSI 可以改進(jìn)薄膜效率和涂層質(zhì)量控制系統(tǒng)，提供 100% 在線檢驗(yàn)，以提高質(zhì)量并減少浪費(fèi)，與僅提供部分監(jiān)控的基于點(diǎn)光譜儀的當(dāng)前解決方案相比，可以實(shí)現(xiàn)更快、更全面的檢驗(yàn)

圖 13 NIR 高光譜相機(jī)（例如 Specim FX17）通過(guò)捕獲整個(gè)薄膜寬度上的高分辨率光譜數(shù)據(jù)來(lái)提供解決方案 

除了本文中提供的示例之外，NIR 高光譜成像還為各種科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中的準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)檢驗(yàn)開辟了廣闊的應(yīng)用前景。