近红外高光谱成像及典型应用场景—技术与应用频道- 视觉系统设计

近红外（NIR）传感器可捕获和分析900~1700nm波长范围内的光（见图1），并且能够评估人眼无法检测到的物体细节。在NIR区域工作的高光谱相机和传感器，正被越来越多地应用于研究实验室和工业机器视觉领域。NIR高光谱成像（HSI）的价值和多功能性在一些应用中得到了体现，包括塑料和纺织品分选、食品和药品质量控制以及薄膜厚度和水分测量等。

图1：NIR高光谱成像可捕获电磁波谱中900~1700nm波长范围内的光谱信息。

近红外高光谱成像

高光谱相机结合了成像技术和光谱学技术。高光谱相机获取高光谱数据立方体，逐像素收集光谱和空间信息。每个像素都会产生一个光谱特征，为不同的材料提供独特的“指纹”。该技术有助于材料的分类和分析，只需根据不同材料的光谱特征，即可辨别这些材料及其特性（见图2）。

某些材料可以在900~1700nm之间的NIR波长范围内被明确检测到，因为有机化合物在该波长范围内具有独特的分子振动和吸收特性。

图2：NIR高光谱相机根据不同材料的独特光谱“指纹”，实时识别这些材料。

适合采用NIR高光谱成像的应用

事实证明，NIR高光谱成像在各行各业都有用武之地，可以显著改善检验、分选和分析流程。高光谱成像提供有关制造过程的实时信息，有助于确保遵守法规、降低成本并提高质量。

（1）塑料的准确、高速分选

NIR高光谱成像可用于高效分选塑料以便回收，从而实现高纯度率。虽然短波（SWIR）和中波红外（MWIR）高光谱相机也可用于塑料分选，但是NIR传感器通常是高性价比的塑料分选解决方案，适用于分选常见的塑料（见图 3）。对于黑色塑料，可以使用Specim FX50 MWIR高光谱相机实现分选。

图3：Specim FX17 NIR高光谱相机可以区分常见的聚合物材料，包括PE、ABS、PVC、PS、PA、PP和PET。

乌克兰设备制造商Prodecologia开发了一种采用Specim FX17相机的NIR分离器，可识别、分选和分离不同类型的聚合物，从而提高聚合物回收过程的效率（见图4）。尽管聚合物加工过程非常复杂且可回收的聚合物品种多样，Prodecologia 公司仍通过NIR HSI技术实现了超过98%的聚合物纯度分数。Prodecologia 的NIR分离器可以分离PET、PVC、PE和PP等塑料。PP和PE混合物的产能为600~700公斤/小时，PET薄片的产能为500~600公斤/小时。

图4：Prodecologia公司的NIR塑料分离器。

（2）纺织品快速分选和回收

NIR高光谱成像还可以识别纺织品的成分，因为不同的纤维具有独特的光谱特性。分离不同的纺织材料是一个复杂的过程，因为它们含有各种原材料，并混合了天然纤维和合成纤维。PICVISA是西班牙一家专门从事光学分选、机器人、人工智能和深度学习业务的公司，其利用NIR高光谱成像彻底改变了纺织品分选的现状。

PICVISA公司开发了一款自动化纺织品分选机，其中集成了Specim FX17相机以及多种互补技术和人工智能（见图5）。PICVISA公司产品经理Daniel Carrero表示：“NIR高光谱带来了突破性的改变，可以帮助我们识别服装的材料和成分，以便在回收前进行预选，并以出色的光谱分辨率提供完整分析。”

在纺织和纤维行业，NIR光谱法还用于控制质量和分析参数，如纤维成分、水分含量、染料浓度和其他特性等。

图5：PICVISA公司的纺织品分选机由NIR HSI相机提供支持，可确保对纤维和颜色的无数组合进行精密分类。

（3）食品分级、质量控制和异物检测

NIR HSI在食品行业中的用途包括分选、分级、质量控制和认证。NIR HSI通过利用每种材料固有的独特光谱模式，帮助准确可靠地评估化学成分和识别异物。各种食品特性（例如水分、脂肪、蛋白质、糖含量和其他营养参数）在 NIR光谱范围内具有独特的光反射特性。

如图6所示，使用RGB相机很难区分脂肪、肉以及污染物（如塑料或木材等）。但是，NIR HSI可以准确识别这些污染物并检测脂肪在肉中的位置，因为它们的光谱特征不同。

图6：RGB成像与使用Specim FX17相机采集的肉中异物（塑料和木材）和脂肪的NIR HSI图像对比。

与传统彩色和滤镜相机以及点光谱仪相比，NIR高光谱具有诸多优势。高光谱成像支持对大面积或多个样品进行全面、快速、无损检验。这在注重高吞吐量、实时监控和卫生的食品行业尤其重要。

图7：Specim FX17揭示了肉中隐藏的缺陷，例如苍白、松软和渗出（PSE）缺陷，以及骨骼和肌腱的缺陷。

图8：Alpma使用安装在带有照明的机械臂上的Specim FX17检测缺陷和污染物，例如薄塑料残留物

（4）湿度测量

NIR光谱范围内的水吸收是一种重要现象，对各个科学和技术领域非常有用。在NIR范围内，水分子由于水的基本振动模式（H-O-H分子的伸缩和弯曲运动）的共振和组合而吸收光。吸收波段主要在760nm、970nm、1200nm、1450nm和1940nm附近观察到。

吸收强度随波长变化。例如，在1450nm处，水表现出很强的吸收峰，使得 NIR波长特别适用于检测各种物质中的水含量。NIR范围内的这种水吸收特性被用于许多应用，包括遥感、农业、食品、造纸、木材、化妆品行业和生物医学成像等。例如，利用NIR光谱范围内的水吸收特性，可以测量肉末中的水分和脂肪含量（见图9）。

图9：事实证明，Specim FX17相机及其NIR光谱范围非常善于准确测量肉末的水分和脂肪含量。

再例如，利用NIR光谱范围内的水吸收，可以分析新鲜农产品。荷兰瓦格宁根大学与研究中心（WUR）开发了一种基于VNIR（可见光和近红外）和NIR高光谱相机的独立一体式光谱成像系统，用于监测水果新鲜度和成熟度（见图10）。

图10：瓦格宁根大学与研究中心的智能一体化光谱成像实验室系统，用于自动进行新鲜农产品分析。

（5）检测热封包装

NIR光谱范围的另一个相关应用是检测热封包装。如果密封点存在污染物，可能会导致泄漏，从而可能导致内部产品损坏。

NIR成像可以超出肉眼所及的范围，检测隐藏在密封包装中的熔化油脂等污染物。这种污染通常是人眼不可见的。如果熔化的油脂位于包装上的不透明印刷区域后面，则传统的RGB成像无法检出。但是，NIR HSI具有更大的穿透深度，可以检测到熔化的油脂，这凸显了该技术在质量和安全检查方面的强大功能。Minebea公司报告了一个将Specim FX17与X射线成像结合，用来实现这一目标的成功案例（见图11）。