近红外 (NIR) 传感器可捕获和分析 900 至 1700 nm 波长范围内的光（超出可见光），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。
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在本文中，我们将介绍 NIR 传感器在高光谱相机和光谱成像中的作用，并阐明成功应用于工业环境的 NIR 高光谱成像技术所具备的功能和优势。
图 1 NIR 高光谱成像可捕获电磁波谱中 900 至 1700 nm 波长范围内的光谱信息了解近红外高光谱成像
高光谱相机结合了成像和光谱学技术。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。
某些材料可以在 900 至 1700 nm 之间的近红外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 高光谱成像技术的应用
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。
用于准确、高速塑料分选的 NIR 传感器
NIR HSI 可用于高效地分选塑料以便回收，从而实现高纯度率。虽然短波 (SWIR) 和中波 (MWIR) 红外 HSI 相机也可以分选塑料，但 NIR 传感器通常是高性价比的塑料分选解决方案，可以分选常见的塑料（图 3）。对于黑色塑料，可行的解决方案只有 Specim FX50 中波红外高光谱相机。
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乌克兰机器制造商 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。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 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 的 NIR 塑料分离器用于快速纺织品分选和回收的 NIR 传感器
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。作为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西班牙公司，PICVISA 利用 NIR 高光谱成像彻底改变了纺织品分选的现状。
PICVISA 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。PICVISA 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 机器由 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用于食品分级、质量控制和异物检测的 NIR 传感器
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）。然而，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 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、无损的检验。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 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，例如薄塑料残留物和霉菌，该机械臂可在大块奶酪周围移动
用于湿度测量的 NIR 传感器
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都有影响。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 760 nm、970 nm、1200 nm、1450 nm 和 1940 nm 附近观察到。
吸收强度随波长变化。例如，在 1450 nm 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，可测量肉末中的水分和脂肪含量（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 (ASI) 系统，用于监测水果新鲜度和成熟度。
用于检测热封包装的 NIR 传感器
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，从而可能损坏内部产品。
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 成像将无效。但是，NIR HSI 具有更大的穿透深度，可以检测到熔化的油脂，凸显了该技术在质量和安全检查方面的强大功能。Minebea 报告了一个将 Specim FX17 与 X 射线成像结合使用来实现这一目标的成功案例。
图 11 NIR 高光谱成像可以检测人眼无法检测到的包装热封区域中融化的油脂 用于药品检验和分析的 NIR 传感器
在药品检验和分析中，NIR 范围对于确保药物质量和药物成分的安全性和有效性特别有用。NIR HSI 已成功应用于各类活性成分的监测，甚至透过泡罩包装进行监测。当药品（例如片剂或粉末）外观无异时，HSI 是一种特别有价值的检验方法。
图 12 利用 Specim FX17，制药公司可检查是否存在污染物，并确保每种类型的片剂都由正确数量的正确成分组成用于测量薄膜厚度的 NIR 传感器
NIR HSI 还有助于检验薄膜和涂层的厚度。NIR HSI 可以改进薄膜效率和涂层质量控制系统，提供 100% 在线检验，以提高质量并减少浪费，与仅提供部分监控的基于点光谱仪的当前解决方案相比，可以实现更快、更全面的检验
图 13 NIR 高光谱相机（例如 Specim FX17）通过捕获整个薄膜宽度上的高分辨率光谱数据来提供解决方案 除了本文中提供的示例之外，NIR 高光谱成像还为各种科学和工业应用场景中的准确和实时检验开辟了广阔的应用前景。
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