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如何利用高光谱成像进行缺陷检查

时间:2019-07-05 来源:西瓜家


 

随着照明、光学和传感器技术的进步如何将高光谱成像技术变成工业检测工具?

高光谱成像可以揭示药物中的缺陷

随着技术的不断进步,传统的系统集成商已经可以使用高光谱成像,在五年前,这是几乎不可能的。

高光谱成像的可及性现在不仅体现在软件上,而且体现在硬件上,来自芬兰光谱成像公司Specim等公司的相机现在被设计用于工业用途,例如Specim通过FX系列产品。光谱学和光谱成像曾经是科学家的领域,但是今天的光谱成像设备虽然仍然相当复杂和昂贵,但理论上可以由非专业人士在工厂里安装。它的好处也体现在回收利用、食品和制药等工业领域。威廉姆森说,高光谱成像系统的成本约为30,000欧元,但他补充到,这将是不久前可行性研究的成本。

相机

材料可以通过光与它们的相互作用来识别;化合物将具有独特的光谱特征,就像指纹一样。通过这种方式,光谱学可以区分不同的塑料、识别药品或评定威士忌的纯度。光谱仪提供点读数,而高光谱相机则以此为基础,因此传感器中的每个像素都可以收集数十或数百个波段的许多光谱。得到的信息称为数据立方体,由在该范围内的每个波长的测量数据组成。

最长时间的高光谱相机是基于棱镜或光栅的高光谱相机,它们使用色散元件,并通过狭缝对物体的一条窄线进行成像。这些都是线扫描相机或推扫式扫描仪,逐行扫描以构建2D图像。 Specim的FX相机使用推扫式扫描。现在还提供了快照高光谱照相机。 例如,基于IMEC的马赛克高光谱图像传感器的XIMEA的XISPEC。这些摄像头一次捕获整个数据立方体,而不是逐行扫描一个对象。

光学元件

新的光学元件正在提高高光谱相机的准确性和可靠性。 Delta光学薄膜开发了专门用于高光谱成像的连续可变带通滤波器(CVBF)。这些滤镜已用于Fraunhofer IOF的快照相机和Glana Sensors的相机中。这些滤光器上的涂层厚度 – 以及光谱特性 – 沿着滤光器的一个方向从一端到另一端变化。结果是带通滤波器,其中心波长沿其长度连续变化。

Delta的高光谱成像滤光片只能在滤光片工作波长范围内的任何给定位置传输窄带光。在硅探测器敏感的波长范围内,该波段以上或以下的所有其他波长都被抑制到至少OD4,范围从200nm到1200 nm。Delta的销售和营销总监Oliver Pust博士说:“我们得到的信号非常清晰,信号与背景的比例非常高。”。

他继续说,涂层厚度的逐渐变化给了你一个真正的高光谱滤波器。“其他的滤波方法有许多离散频带,使它们天生具有多光谱。”但Delta的滤光片是连续的,所以每个像素的中心波长略有不同。

Delta的过滤器版本涵盖450nm至950nm和800nm至1,100nm。还有一个450nm到850nm的版本,可用于稍小的传感器。

Fraunhofer IOF的快照相机使用微透镜阵列。在图像传感器前面直接安装一个连续可变带通滤波器可以得到一个高光谱探测器,但它仍然需要在摄像机和物体之间进行某种扫描。 Pust解释说,Fraunhofer相机的工作原理是微透镜阵列轴相对于滤光轴倾斜。该装置可以被描述为一个多孔径相机,其中每个微透镜通过滤镜的不同区域,以不同的中心波长观察空间中的同一物体。

Pust表示,推扫式扫描仪需要仔细同步才能获得准确的数据立方体。例如,与推扫式传感器相比,使用基于滤波器的方法将高光谱相机附加到无人机更容易,因为所获取的每个图像都具有完整的2D对象。因此,可以使用模式识别在不稳定的平台上对图像进行空间对齐。

Pust观察到,基于滤波器的相机也可以减少数据负荷。他给出了获得1,000 x 1,000像素数据立方体的示例,使用经典的推扫式扫描仪需要1,000张图像。使用基于滤波器的方法,用户只需要获取与后期处理所需的光谱通道数量一样多的图像,可能是50或100个。因此,这至少减少了一个数量级的数据量 。

过滤器相机更紧凑,更坚固,因为传感器,狭缝和色散元件之间不需要一定的距离,正如棱镜或光栅所要求的那样,它们在机械结构上更稳定,也更紧凑。它们通常也比传统的高光谱成像仪便宜。

Delta光学薄膜的连续可变带通滤波器的涂层厚度沿滤光器的一个方向变化

Pust指出,基于滤镜的相机的一个优点是,当从不同角度观察物体时,可以很容易地从图像序列中重建出三维高度信息,这一点在林业或农业无人机应用中尤其有用。这基本上是免费的;这只是软件的问题。当使用经典的高光谱摄像机进行成像时,必须在无人机上附加一个额外的激光雷达系统来捕捉3D信息。

Glana传感器还将德尔塔光学薄膜公司(Delta Optical Thin Film,简称:德尔塔光学薄膜)的高光谱滤光片集成到相机中。Glana最初使用的是一种改良的单反相机,现在已经将滤镜安装在一台来自Lumenera的机器视觉相机内。这款相机不使用微透镜阵列,因为Glana想要拥有3D功能,这是快照相机无法做到的。Glana也更注重高空间分辨率。Pust观察到:“每一台快照相机都在空间分辨率和光谱分辨率之间做出了妥协。”

光源照明

照明是专用高光谱解决方案兴起的另一个组成部分。通常,高光谱系统将使用卤素灯泡,因为它们提供宽带照明,并且相对便宜。宽带光对于高光谱系统很重要,因为它们在很大的光谱范围内成像。然而,现在宽带LED灯的设计也考虑了工业高光谱系统。

美国照明公司Metaphase Technologies的詹姆斯加德纳评论说,“卤素灯有很多缺点,特别是对于任何试图将高光谱技术整合到自动化系统中的公司而言。”该公司提供专用的宽带高光谱LED照明,可见光到近红外,400nm到1000nm,以及短波红外(SWIR),1000nm到1,700nm。

卤素灯泡的第一个缺点是它们的温度超过100°C,与LED不同,它们在与光输出相同的方向上辐射大量热量。例如,将热量散发到食品或药品上并不理想。

目前Metaphase最大的应用领域之一是检查常用于布洛芬和鱼油胶囊的凝胶帽。高光谱系统使用SWIR照明来查看是否有任何凝胶将液体泄漏到盖子的外部。

卤素灯泡的另一个问题是寿命;与具有50,000小时或更长寿命的LED光源相比,卤素灯泡仅持续约1,000小时。卤素灯泡也很快失去强度。

此外,Gardiner指出,现在有更大的压力来提出卤素灯泡的替代方案,因为截至2018年9月,作为欧盟新能源法规最后阶段的一部分,在欧盟禁止销售卤素灯泡。

卤素光源的光谱轮廓也没有灵活性;根据LED灯制造商ProPhotonix的技术总监Simon Stanley的说法,它是广泛的并且没有间隙,但它并不是特别平坦。他解释说,“卤素的输出”在红外区域很高,但在紫外线和蓝色区域几乎不存在。相比之下,使用LED灯,我们可以复制和调整卤素光谱的某些部分,因此我们可以将其制作成平面,或者使其偏向UV或IR侧,或者应用可能需要的任何部分。

ProPhotonix为多光谱提供LED产品 – 一系列不同的波段,而不是连续范围 – 和高光谱应用。其Cobra MultiSpec系列灯具有12个独立的颜色通道,也可配置为在波长范围内提供完整的光谱。

斯坦利表示,该公司有时被要求做的一件事是在特定领域加强LED光谱,例如当摄像机传感器在光谱范围内的灵敏度不相等时。他解释说:“例如,如果摄像机在红外波段不是特别敏感,我们可能会加强红外波段,同时仍能向可见光提供全光谱。”

加德纳指出,卤素灯泡的另一个缺点是它们通常不是光学友好的。卤素将光线散射到大视场上,使得难以将光线聚焦成一条线,这对于线扫描相机(最常见的高光谱相机)是有益的。 Specim引用其FX相机的优点之一是它们只需要窄线照明,而需要为基于滤光镜的相机照亮更大的区域。 “卤素灯有很多浪费的能量和光子可以直接照射到物体上,”加德纳继续道。然而,LED可以使用聚焦棒或漫射器来提供均匀的聚焦光。

“高光谱成像需要大量的光线,”加德纳说。 ‘使用光学组合将光分成400或更多不同光谱带的光谱仪需要相当多的光来对所有这些不同的光谱成像。光需要高功率并且还发出宽光谱范围,这对于LED技术来说不一定是自然的。

Metaphase与其LED合作伙伴合作,为某些高光谱项目创建定制LED。 Gardner解释说,就光谱带而言,天然LED往往非常窄,这意味着你需要大量的LED来覆盖广谱。我们采用这些窄带LED并使用荧光粉的自定义组合将一些发射的光子转换为不同的波长。这种荧光粉校正扩大了产生的光谱。

这与定制芯片结合使用,使单点光源LED的光谱覆盖范围更广。例如,Metaphase的可见近红外光使用五个LED:一个从400nm到500nm发射的宽带蓝色LED;宽白光LED,最高可达700nm;然后是三种不同的LED,覆盖700nm到1000nm的范围。一个典型的蓝色LED可能只覆盖大约15nm的光谱,因此公司使用磷光校正将数字扩大到半宽,半最大100nm——磷光将光子从LED转移到更宽的光谱。

光子在荧光粉校正中丢失,但是Metaphase正在使用产生大量光子的定制高强度芯片,因此首先要转换更多的光子。

Metaphase设计光学器件以获取那些不同LED的波长并将它们混合在一起形成均匀照明。然后使用聚焦杆将光线聚焦成一个紧凑,窄,高强度的光束。

该公司继续改进其荧光粉和芯片组合,以提供更宽的光谱范围并产生更平坦的光谱曲线。 “平坦的光谱曲线通常会有所帮助,因为用户必须对相机进行较少的预校准,例如光谱平衡或白平衡校正,”他说。

Gardiner说,由于高光谱LED往往是定制的,因此它们比机器视觉的标准白光LED更昂贵。该公司的SWIR高光谱 – 这是其最受欢迎的高光谱 – 由InGaAs芯片制成,其制造成本更高。 “对于某些应用来说,定价将是一个障碍,但通常其他组件,如相机和软件,本身就会很昂贵,所以无论如何,它往往是一个昂贵的系统,”加德纳补充说。他说,高光谱相机系统的价格从20,000美元到100,000美元不等。

SWIR和传感器

具有高含水量的液体和材料在1,500nm的短波红外线中显示为黑色,并且在相机中脱颖而出。其他材料,如塑料,在SWIR光下显示不同。 Delta光学薄膜的Pust表示,该公司正在考虑为SWIR系列制造过滤器,因为“我们认为市场几乎与可见光和近红外范围一样大”,但他表示,该公司目前没有任何具体的计划。

Emberion在芬兰埃斯波和英国剑桥拥有工厂,开发了一种基于石墨烯和其他纳米材料的图像传感器,在短波红外线中提供400nm至1,800nm的光谱响应范围。硅探测器在可见光范围内敏感,延伸到近红外,高达1,100nm。另一方面,InGas探测器用于SWIR成像,但在可见区域性能较低,如果将SWIR和可见灵敏度结合在一起,则价格昂贵。

Emberion的产品经理Vuokko Lantz博士说,我们的探测器可以提供与近红外区域和短软件红外区域的InGaAs类似的性能,并且我们在可见区域的性能优于InGaAs。

Emberion的光电探测器阵列具有定制的读出集成电路(ROIC)。 ROIC基于传统的CMOS IC技术,光电探测器单片集成在其上。 ‘光电探测器由石墨烯和光吸收纳米材料层组成,可提供极宽的光谱响应范围和出色的灵敏度。 Lantz解释说,制造方法非常具有成本效益。

Lantz表示,该传感器的性能低于可见光范围内的硅基CMOS传感器。 “如果你只是对可见光范围感兴趣,最好坚持使用硅基器件,”她说,“但如果你想延伸到红外区域,特别是短波红外线,我们就会成为一个非常有趣的选择。

“我们的单片集成石墨烯在CMOS技术上比InGaAs具有价格优势,”Lantz继续说道。 “我们可以提供与InGaAs性能类似的传感器,其价格比InGaAs探测器低20%至30%。”她补充道,公司乐观地认为随着生产线的成熟和产量的增加,价格将进一步下降。

Emberion成立于2016年,目前仍处于开发阶段。它的第一个产品是传统的光谱传感器设计,像素间距为25μm,高度为500μm。该公司提供几像素探测器作为评估目的的原型设备。

Emberion公司就打算为线性阵列设备提供产品原型,并在2019年底推出一款具有20微米像素间距的VGA成像仪。兰茨指出,这是一个起点,而不是一个限制性的设计参数,该公司使其像素间距大小与市售的InGas探测器相当。Emberion可以根据客户需要制作更小或更大的像素。

具有广泛响应范围的摄像机将使高光谱成像技术向更多的应用领域开放。接下来的挑战是调整光学器件,使其能够将如此宽的波长范围聚焦到传感器上。

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