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慧眼识珠:如何实现无障碍高光谱成像?

前言导读 2024.6.5

慧眼识珠!近红外相机可帮助人眼捕捉不同材料之间光谱特征的微小差异。友思特 Monarch 微型可调近红外相机,以其小体积、低成本、高性能,仅需3步即可快速实现各种材料的分类应用。

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多光谱成像

每个物品都是由不同的化学物质组成的,这些化学物质的反射随光谱带的不同而不同。这意味着用标准相机拍摄的图像将与人眼可以看到的光谱(400-700nm)相似。然而,在农业、环境监测、食品加工和生物学等科学应用中,这样的成像效果是远远不够的,因为非常不同的材料在人眼看来却可能完全一致。

多光谱成像成为了解决这一难题的方案。这种技术从电磁频谱中收集和处理信息,而不是为每个像素分配原色(红、绿、蓝)。照射在每个像素上的光可以被分解成许多不同的光谱带,以便提供有关成像对象的更多信息。它用于获取场景图像中每个像素的光谱,以便更准确地找到物体、识别材料或检测过程。

友思特10通道多光谱成像的数据处理示意图

光谱成像最早是在20世纪70年代由美国宇航局喷气推进实验室开发的。在不久之后的20世纪80年代初,该组织开发了世界上第一台气溶胶成像光谱仪(AIS-1),由此诞生了第一张光谱图像。

如今,多光谱成像被广泛应用。多光谱遥感被广泛应用于生态学、废物分类和回收、食品加工、眼睛保健和环境监测等领域。

长期以来,多光谱成像相机一直被认为体积过大、价格高昂,在某些空间限制的应用场合或期望应用该技术的小型机构中,它们被禁止使用。从价格上来讲,一台相机的价格在几万美元不等,而某些专业产品(如热红外区域的多/高光谱相机)的价格则要更高,这使得标准用户无法负担。此外,其辅助产品的尺寸和成本,以及诸如快速计算机、敏感探测器和此类数据所需的大数据存储容量、数据分析与识别能力等,这些都会被纳入考量

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近红外可调谐Fabry-Perot MEMS滤波器技术

友思特提供的微型可调近红外 Monarch 相机ColorIR 高光谱技术滤光片,旨在消除新的大众市场采用多光谱红外成像的障碍。

产品是基于法布里·帕姆罗特证明的光谱技术,以法国物理学家查尔斯·法布里和阿尔弗雷德·帕姆罗特的名字命名,他们在1897年发明了法布里-帕姆罗特干涉仪(可变间隙干涉仪)。法布里-帕姆罗干涉仪(或称标准龙)是由两个平行反射面组成的光学腔,光波只有在与之共振时才能通过。

ColorIR 近红外可调谐 FabryPerot MEMS 滤波器的解决方案是控制镜子上的电压,驱动解决方案像电容器一样工作。不同的电压被施加到过滤器的四个角落,导致上面的镜子上下移动。反之,改变过滤器本身的中心波长,这样可以灵活地覆盖整个指定波长区域。

该滤光片设计用于使用标准红外微型相机捕获非光谱近红外图像。它可以应用于任何微型红外相机(消费电子、专业、固定或移动型号),将其转换为多光谱认证、检测和检查设备。它体积微小且具有成本效益,使其比传统解决方案更具包容性。此外,它还能适应极端环境条件、温度范围、噪音、机械冲击等。

基于滤光片制造的 Monarch II 世界上最小的便携式可调高光谱红外相机。它不需要昂贵、笨重或敏感的设备和训练有素的操作人员,其高性价比和简单操作的特征打破了多/高光谱相机在各种应用和大众市场平台上广泛采用的壁垒。友思特Monarch II 尺寸仅有 6.0 cm x 4.5 cm ,配备光谱范围680 – 940 nm 的高速镜头。这款130万像素的摄像头帧率为60fps,并配有USB 2.0和3.0接口,用于数据传输和供电。

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应用示例:皮革分类

供应链中质量保证的重要性正在不断提升,制造商、供应商和买家都要求检查货物并验证它们是否符合所需的质量标准。鉴别不同材料是评估产品质量的关键步骤。当人眼或RGB相机无法完成此任务时,可以使用图像分类技术来检测和测量与质量标准的任何差异。

一般来说,当使用NIR近红外相机观察不同材料时,可以捕捉到材料之间光谱特征的差异。例如,皮革、棉花和聚酯都有不同的光谱特征,因此在不同波长下成像时,每种材料的反应不同,即不同材料会在各个波长吸收和反射不同数量的光。通过测量这些特征,分类过程变得更加容易。

第一阶段 - 数据收集

建模阶段至少需要每种材料的一个立方体。强烈建议使用Spectralon,这是一种白色参考材料,用于归一化和补偿环境条件(如光、温度和空间变量)的变化。

第一件物品:真皮

第二件物品:人造皮革

白参考

*Monarch相机方案仅提供以上成像软件

第二阶段 - 创建分类算法

第一阶段收集的数据用于创建分类算法,其中每个物体都使用其材料的光谱特征进行标记。

*此部分算法相机套装中暂未提供

第三阶段 - 应用模型进行分类

*此部分算法相机套装中暂未提供

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更多高光谱成像应用

Monarch Pro 多光谱相机是市场上最小巧、最具成本效益的解决方案,使其成为任何需要在近红外范围内分类的OEM应用的完美选择。

因此,基于同样操作,使用 Monarch Pro 多光谱相机可以实现多种样品的识别功能:

辨别真假水果

辨别液体:可乐/酒/醋/酱油

辨别液体:水和油

辨别棉与涤纶

辨别花生、开心果与西瓜种子

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友思特 方案产品套装介绍

【NEW】Solomon 高光谱相机

低成本高光谱成像相机,谱段覆盖500-920nm且连续可调谐,支持2K分辨率RGB图像采集。可实时捕获现场光谱图像,使用简单、经济,使得多光谱成像从科学仪器、遥感应用领域拓展为智慧农业、工业检测、皮肤检测等应用领域。

Monarch Pro 移动多光谱相机

世界上最小的便携式可调谐高光谱红外相机,在动态环境中也可即时进行多光谱分析,适用于农业、工业、科学和商业等多种用途。无需昂贵、笨重且敏感的设备,它的经济性和简单性消除了在许多应用程序和大众市场平台中广泛采用的障碍。

Neptune 独立多光谱成像系统

多功能且用户友好的相机,具有先进的成像功能,例如算法的实时可视化、内置模型和标记工具。凭借其便携式设计、数据处理应用程序、内置电池和内置照明,可用于室内外检查,适用于食品质量、农业、生物医学和回收分析等领域。