概要

随着全世界越来越注重环境保护，人们对垃圾分类的关注正在日趋增加。

 

塑料是一种在日常生产、生活中被广泛使用的材料，从塑料袋、吸管、食品包装等日用品，到半导体以及医疗等行业产品，塑料可谓无所不在。因此，每年产生的废弃塑料垃圾也越来越多。据统计，从1905年至2015年间，产生的塑料垃圾已达63吨。然而，在这些废弃塑料垃圾中，可回收利用的比例却低于15%。

 

塑料制品在给人们的生产、生活带来便利的同时，也给人们带来了很多困扰，它甚至被称为白色污染。

 

根据塑料制作方式的不同，塑料可分为不同的种类。然而，尽管这些塑料种类不同，但是它们在颜色和外观上却非常相像，几乎很难用肉眼将它们区分开来。因此，需要在可见光之外的波段（如红外波段）对它们进行检测区分。

 

针对塑料垃圾分类的需求，Aval Date公司于2021年5月推出了AHS-003VIR高光谱相机，这款相机可以覆盖450~1700nm的宽带，可用于分辨出多种不同材质的塑料。

 

为了便于读者深入了解高光谱相机，下面先介绍一下近红外的基本知识、多种塑料的分类方法以及其他设备应用。

 

1. 关于近红外的基本知识

图1：光谱带

肉眼只能看到可见光区域，即从紫色到红色的波段（380~780nm），超于这个波段范围，肉眼就无法看到了。

图2：苹果在可见光与近红外光下的图像。

在可见光下拍摄苹果的图像，看不出苹果表面有任何瑕疵（见图2左图）。但在近红外光波段拍摄苹果的图像，则能看到苹果表面有明显的瑕疵（见图2右图）。

图3：糖果在可见光与近红外光下的图像。

图3是拍摄的糖果图像，左图是在可见光下拍摄的，这张图能显示出各个糖果的颜色和形状的不同，并不能显示出糖果的材质。但实际上，它们是将两种不同材质的糖果混合在一起了；如果在近红外光下拍摄图像，则能很容易地对这些糖果按照材质进行分类（见图3右图）。

 

2. 近红外光与高光谱相机

AVAL DATA 可提供近红外相机和高光谱相机，有关的产品配置信息显示如下：

  • 波长宽带：400nm~1700nm
  • 分辨率：1280×1024（SXGA）、640X512（VGA）
  • 像素大小：5μm x 5μm
  • 帧率：60fps(GigE), 134.73fps(CL) (1.3M基准)
  • 接口：GigE 或 Camera Link
  • 内部冷却功能：TEC1

 

 

AVAL DATA推出的型号为ABA-003VIR/ABA-013VIR的近红外相机，采用索尼的IMX990/991 InGaAs图像传感器，像素大小为5μm。其中，ABA-003VIR分辨率为0.3M（VGA），最高帧率可达258fps；ABA-013VIR的分辨率为1.3M（SXGA），最大帧率为134fps。

这两款相机能覆盖可见光到近红外的感光波段（400~1700nm），相机内部集成了TEC1冷却器，它通过降低暗电流噪声，来实现更高质量的成像效果。

 

  • 波长宽带：450nm~1700nm
  • 有效像素：640（空间）X512（多光）
  • 拍摄方式：Push broom
  • 像素大小：5μm x 5μm
  • 帧率：61fps(Camera Link)
  • 接口： GigE 或 Camera Link
  • 内部冷却功能：TEC1

 

 

 

 

AHS-003VIR是搭载索尼IMX991传感器的高光谱相机。它获取一条线的图像，从分光单元转换光谱数据以后，通过512个波段、波段间隔18.8nm将光谱信息传到传感器。如果使用高光谱相机，一次拍摄能看到450~1700nm的分光信息。

图4：高光谱成像原理。


表1：AVAL高光谱相机与竞争品牌的数据比较。

 

制作社/型号 分光波长带 波段数量 波长分解能 帧率
A社/A 900~1700nm 328bands 5.3nm 最多249fps
B社/B 900~1700nm 224bands 8nm 670fps（Full band)
15,000fps(4Band)
AVAL DATA

AHS–U20MIR

 1300~2150nm 96bands 9.6nm 最多867fps
AVAL DATA

AHS-003VIR

450~1700nm 512bands 18.8nm 240fps(Full Band)
450fps(256Band)
2,116fps(4Band)

与其他竞争品牌相比，AVAL DATA的高光谱相机具备宽带波长范围（有最多2150nm的AHS-U20MIR）、宽带光谱信息以及更多波段数量(有最多512bands的AHS-003VIR)。

 

3. 应用：分辨多种塑料

图5中显示的PVC、PS、Nylon、PC、PP、ABS等材质的样品，在可见光下，很难通过颜色对它们加以区分，但却可以通过分光分析在近红外区域对它们进行分辨。

图5：可见光下的PVC/PS/Nylon/PC/PP/ABS成像

图6：PVC/PS/Nylon/PC/PP/ABS的分光曲线图。

图6是使用高光谱相机获得的上述各种材料的光谱信息。从图中可以看出，不同的材料在不同的波段有不同的吸收谱线。通过检测，可以很容易地区分出Nylon、PS、PC和PP这几种材料。

 

 图7：Nylon的光谱曲图。

从图7中可以看出，与其他塑料相比，Nylon是一种灰度值（Grey level）较低的材质。在1400~1600nm波段，Nylon的灰度值最低，这表明其在这个波段对光线的吸收率最高。

另外，在曲线上找不到与Nylon类似灰度值的其他物质，因此在图8中明显看到，Nylon很容易从其他物质中区分开来。

 

图9：PS, PC, PP的分光曲线图。

基于此，加装1200~1700nm（包含1400~1600nm）滤光片后，通过近红外相机拍摄的图像，能够很明显地分辨出Nylon，如图8中的绿框所示，因为在这个波段Nylon对光的吸收率最高，因此呈现出的颜色最深。

 

图9：PS, PC, PP的分光曲线图。

 

对于PS, PC, PP的分辨，在两个波段（约1400nm与1650~1700nm）可以看见吸光现象。但是在1400nm波长处，PC, PP的灰度值相同。


图10：加装滤光片后，拍摄获得的PS, PC, PP的图片。

图10是加装1600~1700nm滤光片后拍摄的PS、PC和PP的图像。从图9中的光谱图可以看出，在1650~1700nm这个波段，PS、PC和PP几乎有着相同的灰度值，也就是说在这个波段它们对光的吸收率是相近的，因此在图像中呈现出了比较类似的黑色，如图10中紫色虚线框所示。

而在1400nm处，则可以明显看出，PS有着较高的灰度值，若使用1400nm滤光片，PS的图像将会呈现出较浅的颜色，很容易被区分出来。

另外，1500nm的时候由于PS、PC、PP的灰度值有区别，它们用颜色来可以明显的区分。

使用高光谱相机进行一次拍摄，就可以分析各种塑料材质，进而区分出难以分类的塑料。如图11所示，使用专门的软件HySight，还可以用不同的颜色来标记不同的材质，这样就更容易对不同的材质进行分辨。

 

图11：在HySight软件中，用不同的颜色来标记不同的材料。
（从左到右依次为盐、糖、化学调味料、枸橼酸和碳酸氢钠）

 

4. 镜头及光源的选择

由于高光谱相机覆盖的波长带很宽，因此在使用高光谱相机时，一定要选择合适的光源和镜头。

如果用户对检测波段没有特殊要求，建议使用与相机的波段（450~1700nm）相同的镜头。

图12：在1500nm光源下拍摄的图像。

例如，如果需要在1500nm波长处检测，则要使用能覆盖1500nm波长的镜头。

在图12中，镜头的覆盖波段为800~1200nm时，光源为1500nm，光源的亮度会降低，同时会导致图像的对比度降低。

在近红外区域能使用的光源种类有两种，一种是LED光源，另一种是卤素灯（见图13）。

 

图13：左侧为LED光源，右侧为卤素灯。

LED光源功耗低，发热量也较低，与卤素灯相比，LED光源更耐用，并有特殊的波长范围可选。但是，LED相比于卤素灯而言，亮度不够，覆盖的波段比较小，使用一个LED光源不能覆盖较宽的波段。相比之下，卤素灯的亮度较高，能覆盖较宽的波段，但是不耐用，发热量高。由于卤素灯覆盖的波段很宽，因此经常用于需要进行光谱分析的800~1900nm 镜头 800~1200nm 镜头应用中。

在FA领域，一般使用较多的是LED光源。

总之，为了获取用户想要的图像，需要根据要检测的波长范围，选择合适的光源和镜头。

结论

高光谱相机的工作原理是通过物质分光进行分析，可以实现无破损检测。因此虽然目前高光谱相机价格偏高，但是其应用潜在市场很大，开始使用高光谱相机的公司也在逐渐增多。

高光谱相机能实现无破损检测，能广泛应用于半导体面板、食品、化妆品、药品等高附加值产品的检测或分类。

AVAL DATA致力于高光谱相机的研发和应用推广，不但能提供专业的技术，并且能在镜头和光源的选择及安装方面，为客户提供参考解决方案，帮助客户实现最佳使用条件。