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近紅外 (NIR) 傳感器可捕獲和分析900至1700nm 波長範圍內的光（超出可見光），並且能夠評估人眼無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越多地應用於研究實驗室和工業機器視覺領域。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，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，我們將介紹 NIR傳感器在Specim高光譜相機和光譜成像中的作用，並闡明成功應用於工業環境的NIR高光譜成像技術所具備的功能和優勢。
圖 1：NIR 高光譜成像可捕獲電磁波譜中900至1700nm波長範圍內的光譜信息
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，逐像素收集光譜和空間信息。每個像素都會產生一個光譜特征，為不同的材料提供獨特的“指紋”。該技術有助於分類和分析，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被明確檢測到，因為有機化合物在該波長範圍內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
事實證明，NIR高光譜成像在各行各業都有用武之地，可以顯著改善檢驗、分選和分析流程。高光譜成像提供有關製造過程的實時信息，有助於確保遵守法規、降低成本並提高質量。
用於準確、高速塑料分選的 NIR 傳感器
NIR高光譜成像技術可用於高效地分選塑料以便回收，從而實現高純度率。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）。對於黑色塑料，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
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混合物的產能為600-700公斤/小時，PET薄片的產能為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
用於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複雜的過程，因為它們含有各種原材料，並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，NIR光譜法還用於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
用於食品分級、質量控製和異物檢測的NIR傳感器
NIR高光譜成像技術在食品行業中的用途包括分選、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、糖含量和其他營養參數）在NIR光譜範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，因為它們的光譜特征不同。
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
與傳統彩色和濾鏡相機以及點光譜儀相比，NIR高光譜具有諸多優勢。高光譜成像支持對大麵積或多個樣品進行全麵、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 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
用於濕度測量的NIR傳感器
NIR光譜範圍內的水吸收是一種重要現象，對各個科學和技術領域都有影響。在NIR範圍內，水分子由於水的基本振動模式（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波長特別適用於檢測各種物質中的水含量。NIR範圍內的這種水吸收特性被用於許多應用，包括遙感、農業、食品、造紙、木材、化妝品行業和生物醫學成像等。
例如，利用NIR光譜範圍內的水吸收特性，可測量肉末中的水分和脂肪含量（圖 9）。
圖 9：事實證明，Specim FX17高光譜相機及其NIR光譜範圍非常善於準確測量肉末的水分和脂肪含量
再例如，利用NIR光譜範圍內的水吸收，可以分析新鮮農產品。荷蘭瓦格寧根大學與研究中心 (WUR) 開發了一種基於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) 係統，用於監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) 實驗室係統用於自動執行新鮮農產品分析
用於檢測熱封包裝的NIR傳感器
NIR光譜範圍的另一個相關應用是檢測熱封包裝。如果密封點存在汙染物，可能會導致泄漏，從而可能損壞內部產品。
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包裝上的不透明印刷區域後麵，則傳統的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報告了一個將Specim FX17高光譜相機與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）
用於藥品檢驗和分析的NIR傳感器
在藥品檢驗和分析中，NIR範圍對於確保藥物質量和藥物成分的安全性和有效性特別有用。NIR高光譜相機已成功應用於各類活性成分的監測，甚至透過泡罩包裝進行監測。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高光譜相機，製藥公司可檢查是否存在汙染物，並確保每種類型的片劑都由正確數量的正確成分組成
用於測量薄膜厚度的 NIR 傳感器
NIR高光譜相機還有助於檢驗薄膜和塗層的厚度。NIR高光譜相機可以改進薄膜效率和塗層質量控製係統，提供100%在線檢驗，以提高質量並減少浪費，與僅提供部分監控的基於點光譜儀的當前解決方案相比，可以實現更快的檢驗。
圖 13：NIR 高光譜相機（例如Specim FX17高光譜相機）通過捕獲整個薄膜寬度上的高分辨率光譜數據來提供解決方案
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應用場景中的準確和實時檢驗開辟了廣闊的應用前景。
文章來源：Specim高光譜成像（公眾號）
