近紅外高光譜成像及典型應(yīng)用場景

近紅外高光譜成像及典型應(yīng)用場景

   近紅外（NIR）傳感器可捕獲和分析900~1700nm波長范圍內(nèi)的光（見圖1），并且能夠評估人眼無法檢測到的物體細(xì)節(jié)。

在NIR區(qū)域工作的高光譜相機(jī)和傳感器，正被越來越多地應(yīng)用于研究實驗室和工業(yè)機(jī)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(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量等。

圖1：NIR高光譜成像可捕獲電磁波譜中900~1700nm波長范圍內(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。

每個像素都會產(chǎn)生一個光譜特征，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。

（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傳感器通常是高性價比的塑料分選解決方案，適用于分選常見的塑料。

烏克蘭設(shè)備制造商Prodecologia開發(fā)了一種采用Specim FX17相機(jī)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（見圖4）。盡管聚合物加工過程非常復(fù)雜且可回收的聚合物品種多樣，Prodecologia 公司

仍通過NIR HSI技術(shù)實現(xiàn)了超過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，PET薄片的產(chǎn)能為500~600公斤/小時。

紡織品快速分選和回收

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光譜特性。分離不同的紡織材料是一個復(fù)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。PICVISA是西班牙一家專門從事光學(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公司開發(fā)了一款自動化紡織品分選機(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(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、質(zhì)量控制和異物檢測

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(rèn)證。NIR HSI通過利用每種材料固有的光譜模式，幫助準(zhǔn)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。

與傳統(tǒng)彩色和濾鏡相機(jī)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(jìn)行全面、快速、無損檢驗。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。

濕度測量

NIR光譜范圍內(nèi)的水吸收是一種重要現(xiàn)象，對各個科學(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(qiáng)度隨波長變化。例如，在1450nm處，水表現(xiàn)出很強(qiáng)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(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)的獨立一體式光譜成像系統(tǒng)，用于監(jiān)測水果新鮮度和成熟度。

藥品檢驗和分析

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(yīng)用于各類活性成分的監(jiān)測，

甚至透過泡罩包裝進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)藥品（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

測量薄膜厚度

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(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(dāng)前解決方案相比，可以實現(xiàn)更快、更全面的檢驗。