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,。

高光譜相機結(jié)合了成像技術(shù)和光譜學(xué)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“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，其中集成了Specim FX17相機以及多種互補技術(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,。

吸收強度隨波長變化,。例如，在1450nm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(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 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,。