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(cháng)范圍內的光（超出可見(jiàn)光），并且能夠評估人眼無(wú)法檢測到的物體細節。在 NIR 區域工作的高光譜相機和傳感器正被越來(lái)越多地應用于研究實(shí)驗室和工業(yè)機器視覺(jué)領(lǐng)域。NIR 高光譜成像 (HSI) 的價(jià)值和多功能性在一些應用中得到了體現，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(cháng)范圍內的光譜信息

了解近紅外高光譜成像

高光譜相機結合了成像和光譜學(xué)技術(shù)。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(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特的“指紋”。該技術(shù)有助于分類(lèi)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。

某些材料可以在 900 至 1700 nm 之間的近紅外范圍內被明確檢測到，因為有機化合物在該波長(cháng)范圍內具有獨特的分子振動(dòng)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(shí)時(shí)識別這些材料

適合采用 NIR 高光譜成像技術(shù)的應用

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(zhù)改善檢驗、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、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(shí)現高純度率。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?xún)r(jià)比的塑料分選解決方案，可以分選常見(jiàn)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高光譜相機可以區分常見(jiàn)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(kāi)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(lèi)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)現了超過(guò) 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(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(gè)復雜的過(guò)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(zhuān)門(mén)從事光學(xué)分選、機器人、人工智能和深度學(xué)習業(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狀。

PICVISA 開(kāi)發(fā)了一款自動(dòng)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(lái)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(jìn)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，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(wú)數組合進(jìn)行精密分類(lèi)

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(guò)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(xué)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(yíng)養參數）在 NIR 光譜范圍內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

與傳統彩色和濾鏡相機以及點(diǎn)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(gè)樣品進(jìn)行全面、快速、無(wú)損的檢驗。這在注重高吞吐量、實(shí)時(shí)監控和衛生的食品行業(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?chē)苿?dòng)

用于濕度測量的 NIR 傳感器

NIR 光譜范圍內的水吸收是一種重要現象，對各個(gè)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域都有影響。在 NIR 范圍內，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(guān)察到。

吸收強度隨波長(cháng)變化。例如，在 1450 nm 處，水表現出很強的吸收峰，使得 NIR 波長(cháng)特別適用于檢測各種物質(zhì)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)和生物醫學(xué)成像等。

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

圖 9 事實(shí)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 光譜范圍內的水吸收，可以分析新鮮農產(chǎn)品。荷蘭瓦格寧根大學(xué)與研究中心 (WUR) 開(kāi)發(fā)了一種基于 VNIR（可見(jiàn)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，用于監測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)驗室系統用于自動(dòng)執行新鮮農產(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(gè)相關(guān)應用是檢測熱封包裝。如果密封點(diǎn)存在污染物，可能會(huì )導致泄漏，從而可能損壞內部產(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(jiàn)的。如果熔化的油脂位于包裝上的不透明印刷區域后面，則傳統的 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(gè)將 Specim FX17 與 X 射線(xiàn)成像結合使用來(lái)實(shí)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(wú)法檢測到的包裝熱封區域中融化的油脂 

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(lèi)活性成分的監測，甚至透過(guò)泡罩包裝進(jìn)行監測。當藥品（例如片劑或粉末）外觀(guān)無(wú)異時(shí)，HSI 是一種特別有價(jià)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(lèi)型的片劑都由正確數量的正確成分組成

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(jìn)薄膜效率和涂層質(zhì)量控制系統，提供 100% 在線(xiàn)檢驗，以提高質(zhì)量并減少浪費，與僅提供部分監控的基于點(diǎn)光譜儀的當前解決方案相比，可以實(shí)現更快、更全面的檢驗

圖 13 NIR 高光譜相機（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據來(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)應用場(chǎng)景中的準確和實(shí)時(shí)檢驗開(kāi)辟了廣闊的應用前景。