NIR傳感器在Specim高光譜相機和光譜成像技術中的應用

發布於：2024-03-07

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近紅外 (NIR) 傳感器介紹

近紅外 (NIR) 傳(chuan) 感器可捕獲和分析900至1700nm 波長範圍內(nei) 的光（超出可見光），並且能夠評估人眼無法檢測到的物體(ti) 細節。在NIR區域工作的高光譜相機和傳(chuan) 感器正被越來越多地應用於(yu) 研究實驗室和工業(ye) 機器視覺領域。NIR高光譜成像 (HSI) 的價(jia) 值和多功能性在一些應用中得到了體(ti) 現，包括塑料和紡織品分選、食品和藥品質量控製以及薄膜厚度和水分測量等。

在本文中，我們(men) 將介紹 NIR傳(chuan) 感器在Specim高光譜相機和光譜成像中的作用，並闡明成功應用於(yu) 工業(ye) 環境的NIR高光譜成像技術所具備的功能和優(you) 勢。

圖 1：NIR 高光譜成像可捕獲電磁波譜中 900 至 1700 nm 波長範圍內(nei) 的光譜信息

圖 1：NIR 高光譜成像可捕獲電磁波譜中900至1700nm波長範圍內(nei) 的光譜信息

了解近紅外高光譜成像

Specim高光譜相機結合了成像和光譜學技術。高光譜相機獲取高光譜數據立方體(ti) ，逐像素收集光譜和空間信息。每個(ge) 像素都會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 光譜特征，為(wei) 不同的材料提供獨特的“指紋”。該技術有助於(yu) 分類和分析，隻需根據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1700nm之間的近紅外範圍內(nei) 被明確檢測到，因為(wei) 有機化合物在該波長範圍內(nei) 具有獨特的分子振動和吸收特性。

圖 2：NIR 高光譜相機根據不同材料的獨特光譜“指紋”實時識別這些材料

NIR 高光譜成像技術應用案例

事實證明，NIR高光譜成像在各行各業(ye) 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(guan) 製造過程的實時信息，有助於(yu) 確保遵守法規、降低成本並提高質量。

用於(yu) 準確、高速塑料分選的 NIR 傳(chuan) 感器

NIR高光譜成像技術可用於(yu) 高效地分選塑料以便回收，從(cong) 而實現高純度率。雖然短波 (SWIR) 和中波 (MWIR) 紅外高光譜相機也可以分選塑料，但NIR傳(chuan) 感器通常是高性價(jia) 比的塑料分選解決(jue) 方案，可以分選常見的塑料（圖 3）。對於(yu) 黑色塑料，Specim FX50中波紅外高光譜相機可以很好進行黑色塑料的分選。

圖 3：Specim FX17 高光譜相機可以區分常見的聚合物材料，包括 PE、ABS、PVC、PS、PA、PP 和 PET

圖 3：Specim FX17高光譜相機可以區分常見的聚合物材料，包括 PE、ABS、PVC、PS、PA、PP 和 PET

Prodecologia公司開發了一種集成Specim FX17高光譜相機的NIR分離器，可識別、分選和分離不同類型的聚合物，從(cong) 而提高聚合物回收過程的效率。盡管聚合物加工過程非常複雜且可回收的聚合物品種多樣，Prodecologia 仍通過NIR高光譜成像技術實現了超過 98% 的聚合物純度分數。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(chan) 能為(wei) 600-700公斤/小時，PET薄片的產(chan) 能為(wei) 500-600公斤/小時。

圖 4：Prodecologia 公司集成 Specim FX17 高光譜相機的 NIR 分離器

圖 4：Prodecologia公司集成Specim FX17高光譜相機的NIR分離器

用於(yu) 快速紡織品分選和回收的 NIR 傳(chuan) 感器

NIR 高光譜成像還可以識別紡織品的成分，因為(wei) 不同的纖維具有獨特的光譜特性。分離不同的紡織材料是一個(ge) 複雜的過程，因為(wei) 它們(men) 含有各種原材料，並混合了天然纖維和合成纖維。作為(wei) 一家專(zhuan) 門從(cong) 事光學分選、機器人、人工智能和深度學習(xi) 業(ye) 務的西班牙公司，PICVISA利用NIR高光譜成像徹底改變了紡織品分選的現狀。

PICVISA開發了一款自動化紡織品分選機，其中集成了 Specim FX17高光譜相機以及多種互補技術和人工智能。PICVISA產(chan) 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(men) 識別服裝的材料和成分，以便在回收前進行預選，並以出色的光譜分辨率提供完整分析。”

在紡織和纖維行業(ye) ，NIR光譜法還用於(yu) 控製質量和分析參數，如纖維成分、水分含量、染料濃度和其他特性等。

圖 5：PICVISA 機器由集成NIR高光譜相機高光譜成像技術，可確保對纖維和顏色的無數組合進行準確分類

圖 5：PICVISA機器由集成NIR高光譜相機高光譜成像技術，可確保對纖維和顏色的無數組合進行準確分類

用於(yu) 食品分級、質量控製和異物檢測的NIR傳(chuan) 感器

NIR高光譜成像技術在食品行業(ye) 中的用途包括分選、分級、質量控製和認證。NIR高光譜相機通過利用每種材料固有的獨特光譜模式，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(yang) 參數）在NIR光譜範圍內(nei) 具有獨特的光反射特性。

如圖6所示，使用RGB相機很難區分脂肪、肉以及汙染物（如塑料或木材等）。然而，NIR高光譜相機可以準確識別這些汙染物並檢測脂肪在肉中的位置，因為(wei) 它們(men) 的光譜特征不同。

圖 6：使用RGB 和Specim FX17 高光譜相機采集的肉中異物（塑料和木材）和脂肪的 NIR高光譜圖像對比

圖 6：使用RGB和Specim FX17高光譜相機采集的肉中異物（塑料和木材）和脂肪的NIR高光譜圖像對比

與(yu) 傳(chuan) 統彩色和濾鏡相機以及點光譜儀(yi) 相比，NIR高光譜具有諸多優(you) 勢。高光譜成像支持對大麵積或多個(ge) 樣品進行全麵、快速、無損的檢驗。這在注重高吞吐量、實時監控和衛生的食品行業(ye) 尤其重要。

圖 7：Specim FX17 高光譜相機揭示了肉中隱藏的缺陷，例如蒼白、鬆軟和滲出 (PSE) 缺陷，以及骨骼和肌腱的缺陷

圖 7：Specim FX17高光譜相機揭示了肉中隱藏的缺陷，例如蒼白、鬆軟和滲出 (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械臂上的 Specim FX17 高光譜相機檢測缺陷和汙染物，例如薄塑料殘留物和黴菌，該機械臂可在大塊奶酪周圍移動

圖 8：Alpma 使用安裝在帶有照明的機械臂上的Specim FX17高光譜相機檢測缺陷和汙染物，例如薄塑料殘留物和黴菌，該機械臂可在大塊奶酪周圍移動

用於(yu) 濕度測量的NIR傳(chuan) 感器

NIR光譜範圍內(nei) 的水吸收是一種重要現象，對各個(ge) 科學和技術領域都有影響。在NIR範圍內(nei) ，水分子由於(yu) 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，水表現出很強的吸收峰，使得NIR波長特別適用於(yu) 檢測各種物質中的水含量。NIR範圍內(nei) 的這種水吸收特性被用於(yu) 許多應用，包括遙感、農(nong) 業(ye) 、食品、造紙、木材、化妝品行業(ye) 和生物醫學成像等。

例如，利用NIR光譜範圍內(nei) 的水吸收特性，可測量肉末中的水分和脂肪含量（圖 9）。

圖 9：事實證明，Specim FX17 高光譜相機及其 NIR 光譜範圍非常善於(yu) 準確測量肉末的水分和脂肪含量

圖 9：事實證明，Specim FX17高光譜相機及其NIR光譜範圍非常善於(yu) 準確測量肉末的水分和脂肪含量

再例如，利用NIR光譜範圍內(nei) 的水吸收，可以分析新鮮農(nong) 產(chan) 品。荷蘭(lan) 瓦格寧根大學與(yu) 研究中心 (WUR) 開發了一種基於(yu) VNIR（可見光和近紅外）和NIR高光譜相機的獨立一體(ti) 式光譜成像 (ASI) 係統，用於(yu) 監測水果新鮮度和成熟度。

圖 10：瓦格寧根大學與(yu) 研究中心的智能一體(ti) 化光譜成像 (ASI) 實驗室係統用於(yu) 自動執行新鮮農(nong) 產(chan) 品分析

用於(yu) 檢測熱封包裝的NIR傳(chuan) 感器

NIR光譜範圍的另一個(ge) 相關(guan) 應用是檢測熱封包裝。如果密封點存在汙染物，可能會(hui) 導致泄漏，從(cong) 而可能損壞內(nei) 部產(chan) 品。

NIR成像可以超出肉眼所及的範圍，檢測隱藏在密封包裝中的熔化油脂等汙染物。這種汙染通常是人眼不可見的。如果熔化的油脂位於(yu) 包裝上的不透明印刷區域後麵，則傳(chuan) 統的RGB成像將無效。但是，NIR 高光譜相機具有更大的穿透深度，可以檢測到熔化的油脂，凸顯了該技術在質量和安全檢查方麵的強大功能。Minebea報告了一個(ge) 將Specim FX17高光譜相機與(yu) X射線成像結合使用來實現這一目標的成功案例。

圖 11：NIR 高光譜成像可以檢測人眼無法檢測到的包裝熱封區域中融化的油脂（圖片由 Minebea 提供）