Tầm Quan Trọng Của Cảm Biến Cận Hồng Ngoại Và Các Ứng Dụng Điển Hình Của Chúng Trong Máy Ảnh Siêu Phổ Và Chụp Ảnh Quang Phổ – H2TECH

Cảm biến cận hồng ngoại (NIR) thu thập và phân tích ánh sáng trong phạm vi bước sóng 900 đến 1700 nm, nằm ngoài ánh sáng khả kiến ​​và có thể đánh giá các chi tiết vật thể mà mắt người không thể phát hiện được. Máy ảnh và cảm biến siêu phổ hoạt động trong vùng NIR đang ngày càng được áp dụng trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu và thị giác máy công nghiệp. Các ứng dụng như phân loại nhựa và dệt may, kiểm soát chất lượng thực phẩm và dược phẩm cũng như đo độ dày và độ ẩm màng mỏng chứng minh giá trị và tính linh hoạt của hình ảnh siêu phổ NIR (HSI).

Trong bài viết này, chúng tôi giải thích vai trò của cảm biến NIR trong máy ảnh siêu phổ và hình ảnh quang phổ, đồng thời làm rõ các khả năng và lợi thế của công nghệ hình ảnh siêu phổ NIR khi áp dụng thành công trong môi trường công nghiệp.

Hình 1: Hình ảnh siêu phổ NIR ghi lại thông tin quang phổ trong phạm vi bước sóng 900 đến 1700 nm trong phổ điện từ.

1. Tìm hiểu về hình ảnh siêu phổ cận hồng ngoại

Camera siêu phổ kết hợp hình ảnh và quang phổ. Máy ảnh siêu phổ thu được các khối dữ liệu siêu phổ, thu thập thông tin quang phổ và không gian theo từng pixel. Mỗi pixel mang lại một chữ ký quang phổ, cung cấp “dấu vân tay” duy nhất cho các vật liệu khác nhau. Công nghệ này hỗ trợ việc phân loại và phân tích, phân biệt các vật liệu riêng biệt và tính chất của chúng dựa trên đặc điểm quang phổ của chúng.

Một số vật liệu nhất định có thể được phát hiện cụ thể trong phạm vi cận hồng ngoại trong khoảng từ 900 đến 1700 nm do các rung động phân tử độc đáo của các hợp chất hữu cơ và đặc tính hấp thụ trong phạm vi bước sóng này.

2. Các ứng dụng được hưởng lợi từ hình ảnh siêu phổ NIR

Hình ảnh siêu phổ NIR đã được chứng minh là hữu ích trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, cải thiện đáng kể các quy trình kiểm tra, phân loại và phân tích. Hình ảnh siêu phổ cung cấp thông tin theo thời gian thực về quy trình sản xuất, giúp đảm bảo tuân thủ các quy định, giảm chi phí và cải thiện chất lượng.

3. Cảm biến NIR để phân loại nhựa chính xác và tốc độ cao

NIR HSI có thể được sử dụng để phân loại nhựa hiệu quả để tái chế, đạt được độ tinh khiết cao. Trong khi camera HSI hồng ngoại sóng ngắn (SWIR) và sóng giữa (MWIR) cũng có thể phân loại nhựa, cảm biến NIR thường là giải pháp tiết kiệm chi phí nhất để phân loại nhựa và có thể phân loại các loại nhựa phổ biến nhất (Hình 3). Trong trường hợp nhựa màu đen, máy ảnh siêu quang phổ HSI là giải pháp khả thi duy nhất.

Prodecologia, một nhà chế tạo máy Ukraina, đã phát triển máy phân tách NIR sử dụng máy ảnh Siêu quang phổ, giúp xác định, phân loại và tách các loại polyme khác nhau, nâng cao hiệu quả của quá trình tái chế polyme. Bất chấp sự phức tạp của quá trình xử lý polyme và sự đa dạng của các polyme có thể tái chế, Prodecologia đã đạt được điểm tinh khiết polyme lớn hơn 98% với công nghệ NIR HSI. Máy tách NIR của Prodecologia tách các loại nhựa như PET, PVC, PE và PP. Nó có công suất 600–700 kg/h đối với hỗn hợp PP và PE và 500–600 kg mỗi giờ đối với mảnh PET.

Hình 2. Máy tách nhựa NIR của Prodecologia.

4. Cảm biến NIR để phân loại và tái chế hàng dệt may nhanh chóng

Hình ảnh siêu phổ NIR cũng cho phép xác định thành phần của sản phẩm dệt vì các loại sợi khác nhau có đặc điểm quang phổ riêng. Việc tách các vật liệu dệt khác nhau rất phức tạp vì chúng chứa nhiều nguyên liệu thô khác nhau và sự kết hợp của sợi tự nhiên và sợi tổng hợp. Hình ảnh siêu phổ NIR đã cách mạng hóa việc phân loại hàng dệt may cho PICVISA, một công ty Tây Ban Nha chuyên về phân loại quang học, robot, AI và học sâu.

PICVISA đã phát triển máy phân loại vải tự động tích hợp camera Siêu quang phổ cùng với một số công nghệ bổ sung và AI. Theo Daniel Carrero, giám đốc sản phẩm của PICVISA, “NIR HSI là nhân tố thay đổi cuộc chơi. Nó cho phép chúng tôi xác định vật liệu và thành phần của quần áo để chọn trước trước khi tái chế, cung cấp phân tích hoàn chỉnh với độ phân giải quang phổ tuyệt vời.”

Quang phổ NIR cũng được sử dụng trong ngành dệt và sợi để kiểm soát chất lượng và phân tích các thông số như thành phần sợi, độ ẩm, nồng độ thuốc nhuộm và các đặc tính khác.

Hình 3: Được hỗ trợ bởi camera NIR HSI, máy PICVISA đảm bảo phân loại chính xác sự kết hợp vô tận của sợi và màu sắc.

5. Cảm biến NIR để phân loại thực phẩm, kiểm soát chất lượng và phát hiện vật thể lạ

NIR HSI được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm cho mục đích phân loại, phân loại, kiểm soát chất lượng và xác thực. NIR HSI tạo điều kiện thuận lợi cho việc đánh giá chính xác và đáng tin cậy về thành phần hóa học cũng như nhận dạng các vật thể lạ bằng cách tận dụng các mẫu quang phổ riêng biệt vốn có của từng vật liệu. Các đặc tính thực phẩm khác nhau – chẳng hạn như độ ẩm, chất béo, protein, hàm lượng đường và các thông số dinh dưỡng khác – có đặc tính phản xạ ánh sáng độc đáo trong phạm vi quang phổ NIR.

Như minh họa trong Hình 6, với camera RGB, việc phân biệt giữa mỡ, thịt và các chất gây ô nhiễm như nhựa hoặc gỗ là một thách thức. Tuy nhiên, NIR HSI xác định chính xác các chất gây ô nhiễm này và phát hiện vị trí của chất béo trong thịt vì dấu hiệu quang phổ của chúng khác nhau.

NIR HSI có nhiều lợi ích so với máy ảnh màu và bộ lọc truyền thống cũng như máy quang phổ điểm. Hình ảnh siêu phổ cho phép kiểm tra toàn diện, nhanh chóng và không phá hủy các khu vực rộng lớn hoặc nhiều mẫu. Điều này đặc biệt quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm, nơi sản lượng cao, giám sát thời gian thực và vệ sinh là rất cần thiết.

Hình 4: Alpma sử dụng Siêu quang phổ gắn trên cánh tay robot có đèn chiếu sáng di chuyển xung quanh các khối phô mai lớn để phát hiện các khuyết tật và chất gây ô nhiễm như cặn nhựa mỏng và nấm mốc.

6. Cảm biến NIR để đo độ ẩm

Sự hấp thụ nước trong dải phổ NIR là một hiện tượng quan trọng có ý nghĩa trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Trong phạm vi NIR, các phân tử nước hấp thụ ánh sáng do âm bội và sự kết hợp của các dạng dao động cơ bản của nước (chuyển động kéo giãn và uốn cong của phân tử H-O-H). Các dải hấp thụ chủ yếu được quan sát ở khoảng 760 nm, 970 nm, 1200 nm, 1450 nm và 1940 nm.

Cường độ hấp thụ thay đổi theo bước sóng. Ví dụ, ở bước sóng 1450 nm, nước thể hiện đỉnh hấp thụ mạnh, khiến bước sóng NIR đặc biệt hữu ích để phát hiện hàm lượng nước trong các chất khác nhau. Đặc tính hấp thụ nước trong phạm vi NIR này được khai thác trong nhiều ứng dụng, bao gồm viễn thám, nông nghiệp, thực phẩm, giấy, gỗ, công nghiệp mỹ phẩm và hình ảnh y sinh, cùng nhiều ứng dụng khác.

Một ứng dụng mà khả năng hấp thụ nước trong dải phổ NIR có thể được tận dụng là đo độ ẩm và hàm lượng chất béo trong thịt băm (Hình 9).

Hình 5: Máy ảnh Siêu quang phổ và dải phổ NIR của nó tỏ ra có hiệu quả cao trong việc đo chính xác độ ẩm và hàm lượng chất béo của thịt băm.

Phân tích sản phẩm tươi là một ứng dụng khác trong đó có thể khai thác khả năng hấp thụ nước trong dải phổ NIR. Đại học & Nghiên cứu Wageningen (WUR) ở Hà Lan đã phát triển một hệ thống chụp ảnh quang phổ tất cả trong một (ASI) độc lập dựa trên camera VNIR (nhìn thấy và cận hồng ngoại) và camera siêu phổ NIR để theo dõi độ tươi và độ chín của trái cây.

Hình 6: Hệ thống phòng thí nghiệm Hình ảnh Quang phổ Tất cả trong một (ASI) thông minh của Đại học Wageningen & Research để phân tích sản phẩm tươi sống tự động.

7. Cảm biến NIR để kiểm tra các gói kín nhiệt

Một ứng dụng liên quan khác cho dải phổ NIR là kiểm tra bao bì kín nhiệt. Nếu có chất gây ô nhiễm tại điểm bịt ​​kín, nó có thể gây rò rỉ, có khả năng làm hỏng sản phẩm bên trong.

Hình ảnh NIR vượt xa những gì chúng ta có thể nhìn thấy, cho phép phát hiện các chất ô nhiễm như dầu mỡ tan chảy ẩn trong các gói kín. Mắt người thường sẽ bỏ qua sự ô nhiễm vô hình này. Hình ảnh RGB thông thường sẽ không hiệu quả nếu mỡ nóng chảy được đặt phía sau vùng in mờ đục trên bao bì. Tuy nhiên, độ sâu thâm nhập lớn hơn của NIR HSI có thể phát hiện ra nó, làm nổi bật sức mạnh của công nghệ trong việc kiểm tra chất lượng và an toàn. Minebea đã báo cáo một trường hợp thành công khi sử dụng Siêu quang phổ kết hợp với chụp ảnh tia X để đạt được điều này.

8. Cảm biến NIR để kiểm tra và phân tích dược phẩm

Trong kiểm tra và phân tích dược phẩm, dòng NIR đặc biệt hữu ích để đảm bảo chất lượng và thành phần của thuốc nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả. NIR HSI đã được áp dụng thành công để theo dõi nhiều loại hoạt chất khác nhau, thậm chí thông qua bao bì dạng vỉ. HSI là một phương pháp kiểm tra đặc biệt có giá trị khi các sản phẩm dược phẩm, ví dụ như viên nén hoặc bột, giống hệt nhau về mặt trực quan.

Ngoài các ví dụ được cung cấp trong bài viết này, hình ảnh siêu phổ NIR còn cung cấp nhiều khả năng kiểm tra chính xác và theo thời gian thực cho các trường hợp sử dụng khoa học và công nghiệp khác nhau.