近紅外高光譜成像及典型應(yīng)用場(chǎng)景

   近紅外（NIR）傳感器可捕獲和分析900~1700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光（見(jiàn)圖1），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。

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

高光譜相機(jī)結(jié)合了成像技術(shù)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“指紋”。該技術(shù)有助于材料的分類(lèi)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。

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。

（1）塑料的準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)高純度率。雖然短波 （SWIR）和中波紅外（MWIR）高光譜相機(jī)也可用于塑料分選，

但是NIR傳感器通常是高性?xún)r(jià)比的塑料分選解決方案，適用于分選常見(jiàn)的塑料。

烏克蘭設(shè)備制造商Prodecologia開(kāi)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(lèi)型的聚合物，

從而提高聚合物回收過(guò)程的效率（見(jiàn)圖4）。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 公司

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分離器可以分離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)。

紡織品快速分選和回收

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。PICVISA是西班牙一家專(zhuān)門(mén)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(kāi)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公司產(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。”

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。

食品分級(jí)、質(zhì)量控制和異物檢測(cè)

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)具有的光反射特性。

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）。但是，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。

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。

濕度測(cè)量

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)域非常有用。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760nm、970nm、1200nm、1450nm和1940nm附近觀察到。

吸收強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化。例如，在1450nm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，可以測(cè)量肉末中的水分和脂肪含量。

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(kāi)發(fā)了一種基于VNIR（可見(jiàn)光和近紅外）

和NIR高光譜相機(jī)的獨(dú)立一體式光譜成像系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)水果新鮮度和成熟度。

藥品檢驗(yàn)和分析

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(lèi)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（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

測(cè)量薄膜厚度

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)。