NIR高光譜相機的典型應用

近紅外 (NIR) 傳感器可捕獲和分析 900 至 1700 nm 波長范圍內(nèi)的光（超出可見光），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(lǐng)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(zhì)量控制以及薄膜厚度和水分測量等。

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

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

了解近紅外高光譜成像

高光譜相機結(jié)合了成像和光譜學技術(shù)。高光譜相機獲取高光譜數(shù)據(jù)立方體，逐像素收集光譜和空間信息。每個像素都會產(chǎn)生一個光譜特征，為不同的材料提供獨特的“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)被明確檢測到，因為有機化合物在該波長范圍內(nèi)具有獨特的分子振動和吸收特性。

圖 2 NIR 高光譜相機根據(jù)不同材料的獨特光譜“指紋”實時識別這些材料

適合采用 NIR 高光譜成像技術(shù)的應用

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(guān)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(zhì)量。

用于準確、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，從而實現(xiàn)高純度率。雖然短波 (SWIR) 和中波 (MWIR) 紅外 HSI 相機也可以分選塑料，但 NIR 傳感器通常是高性價比的塑料分選解決方案，可以分選常見的塑料（圖 3）。對于黑色塑料，可行的解決方案只有 Specim FX50 中波紅外高光譜相機。

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

烏克蘭機器制造商 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。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 仍通過 NIR HSI 技術(shù)實現(xiàn)了超過 98% 的聚合物純度分數(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，PET 薄片的產(chǎn)能為 500-600 公斤/小時。

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別紡織品的成分，因為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。作為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)了一款自動化紡織品分選機，其中集成了 Specim FX17 相機以及多種互補技術(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?！?/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 機器由 NIR HSI 相機提供支持，可確保對纖維和顏色的無數(shù)組合進行精密分類

用于食品分級、質(zhì)量控制和異物檢測的 NIR 傳感器

NIR HSI 在食品行業(yè)中的用途包括分選、分級、質(zhì)量控制和認證。NIR HSI 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(zhì)、糖含量和其他營養(yǎng)參數(shù)）在 NIR 光譜范圍內(nèi)具有獨特的光反射特性。

如圖 6 所示，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）。然而，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。

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

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、無損的檢驗。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。

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械臂上的 Specim FX17 檢測缺陷和污染物，例如薄塑料殘留物和霉菌，該機械臂可在大塊奶酪周圍移動

用于濕度測量的 NIR 傳感器

NIR 光譜范圍內(nèi)的水吸收是一種重要現(xiàn)象，對各個科學和技術(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 760 nm、970 nm、1200 nm、1450 nm 和 1940 nm 附近觀察到。

吸收強度隨波長變化。例如，在 1450 nm 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(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)學成像等。

例如，利用 NIR 光譜范圍內(nèi)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 相機及其 NIR 光譜范圍非常善于準確測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 (ASI) 系統(tǒng)，用于監(jiān)測水果新鮮度和成熟度。

圖 10 瓦格寧根大學與研究中心的智能一體化光譜成像 (ASI) 實驗室系統(tǒng)用于自動執(zhí)行新鮮農(nóng)產(chǎn)品分析

用于檢測熱封包裝的 NIR 傳感器

NIR 光譜范圍的另一個相關(guān)應用是檢測熱封包裝。如果密封點存在污染物，可能會導致泄漏，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 成像將無效。但是，NIR HSI 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(shù)在質(zhì)量和安全檢查方面的強大功能。Minebea 報告了一個將 Specim FX17 與 X 射線成像結(jié)合使用來實現(xiàn)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(qū)域中融化的油脂 

用于藥品檢驗和分析的 NIR 傳感器

在藥品檢驗和分析中，NIR 范圍對于確保藥物質(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（例如片劑或粉末）外觀無異時，HSI 是一種特別有價值的檢驗方法。

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

用于測量薄膜厚度的 NIR 傳感器

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(zhì)量控制系統(tǒng)，提供 100% 在線檢驗，以提高質(zhì)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

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

除了本文中提供的示例之外，NIR 高光譜成像還為各種科學和工業(yè)應用場景中的準確和實時檢驗開辟了廣闊的應用前景。