Camera siêu phổ quét đường: Ghi quang phổ có độ chính xác cao cho ngành công nghiệp và nghiên cứu

Hình ảnh siêu quang tuyến scan (push-broom) là con đường công nghệ trưởng thành nhất trong lĩnh vực hình ảnh siêu quang.Nó dựa trên một lưới để có được thông tin quang phổ liên tục của mỗi hàng pixel của một mục tiêuNhờ tỷ lệ tín hiệu-gọi với tiếng ồn tuyệt vời, độ phân giải phổ, và sự ổn định hình ảnh,nó từ lâu đã là giải pháp phổ biến cho phân tích phòng thí nghiệm chính xác và kiểm tra trực tuyến trong các dây chuyền sản xuất công nghiệpTrong khi các thiết bị siêu quang phổ chụp nhanh di động đã nhanh chóng mở rộng các kịch bản phát hiện tại chỗ do kích thước nhỏ gọn của chúng,Các giải pháp chụp tức thời vẫn có những hạn chế về độ chính xác dữ liệu cho kiểm tra mẫu trường quan sát lớnThiết bị siêu phổ quét đường có thể cân bằng tính toàn vẹn quang phổ và hiệu quả hình ảnh. making it suitable for detailed analysis of static samples in the lab as well as integration into automated production lines or airborne platforms for continuous spectral data collection of moving targets.

I. Cảm biến siêu phổ quát quét đường: Phương pháp công nghệ cốt lõi

Nguyên tắc cốt lõi của hình ảnh siêu quang tuyến scan (push-broom) là chụp toàn bộ phổ liên tục của một hàng không gian của mục tiêu tại một thời điểm bằng cách sử dụng hệ thống khe và lưới,và sau đó quét hàng theo hàng thông qua chuyển động tương đối giữa máy ảnh và mục tiêu để tạo ra một khối dữ liệu siêu phổ với thông tin không gian 2D + thông tin phổ 1DCác loạt quang phổ màu FS-1X đều áp dụng kiến trúc lưới truyền. Ánh sáng đến được kết hợp qua một khe, sau đó phân tán qua lưới truyền,và cuối cùng được chiếu lên một máy dò đường để chuyển đổi quang điện.

Con đường quang lưới truyền có sự ức chế ánh sáng lạc mạnh mẽ (ánh sáng lạc có thể dưới 0,5%), biến dạng quang phổ tối thiểu và thông lượng ánh sáng cao,làm cho nó trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho các kịch bản kiểm tra trực tuyến công nghiệp và nghiên cứu khoa họcTheo các băng tần phát hiện khác nhau, các máy dò được chia thành các loại CMOS và InGaAs: có thể nhìn thấy đến băng tần cận hồng ngoại (400~1000nm) sử dụng một máy dò CMOS; băng tần hồng ngoại sóng ngắn (900~1700nm,1400 ~ 2500nm) sử dụng một máy dò hồng ngoại InGaAs để phù hợp với các đặc điểm phản ứng photon của các băng tần khác nhau.

Có một sự khác biệt cơ bản giữa hình ảnh quét đường và hình ảnh khu vực chụp tức thời: một máy ảnh chụp tức thời chụp toàn bộ dữ liệu 3D trong một lần phơi sáng,trong khi hình ảnh quét đường đòi hỏi chuyển động tương đối để hoàn thành hình ảnh đầy đủ. Độ chính xác đồng bộ hóa chuyển động trực tiếp ảnh hưởng đến biến dạng hình học hình ảnh và chất lượng ghi âm quang phổ.với một số mô hình hồng ngoại sóng ngắn nặng chỉ 625g, duy trì những lợi thế chính xác cao của lưới truyền trong khi đáp ứng các hạn chế lắp đặt cho tích hợp dây chuyền sản xuất hoặc triển khai nền tảng.

Các cấu hình băng tần chính của mô hình FS-1X:

• FS-10: 400 700nm (ánh sáng nhìn thấy được)
• FS-12/FS-13: 400 ‰ 1000nm (có thể nhìn thấy ở hồng ngoại gần)
• FS-14: 4001700nm (nhìn thấy + sóng ngắn hồng ngoại)
• FS-15/FS-17: 900 ̊1700nm (đường sóng ngắn hồng ngoại)
• FS-1A: 1400~2500nm (đường sóng dài sóng ngắn hồng ngoại)

II. Phân phối hiệu suất của kiến trúc Line-Scan: Các số liệu chính cần xem xét để lựa chọn

Các thông số hiệu suất của hệ thống siêu phổ quét đường cân bằng nhau, và không có mô hình nào xuất sắc trong mọi thông số.Dựa trên các đặc điểm phần cứng của loạt FS-1X, các chỉ số đánh giá chính là như sau:

Phạm vi quang phổ:

• 400 × 700 nm (sự sáng nhìn thấy), phù hợp với kiểm tra màu sắc và kết cấu của các vật liệu in và dệt may;
• 400×1000 nm (có thể nhìn thấy đến hồng ngoại gần), thường được sử dụng để xác định quặng, nhận dạng chất lỏng, phân loại trái cây và rau quả;
• 900 ∼ 1700 nm (hạn sóng ngắn hồng ngoại) có thể xác định các loại thảo mộc, vật liệu polymer và thành phần quặng;
• 1400 ∼ 2500 nm (hạn sóng hồng ngoại) được sử dụng để phân tích các khoáng chất đặc biệt và vật liệu polymer.
• Phạm vi quang phổ càng rộng, khó khăn trong thiết kế quang học và chi phí hệ thống tổng thể càng cao.

Độ phân giải quang phổ (FWHM): Điều này cho thấy khả năng phân biệt các đặc điểm hấp thụ phổ liền kề.

• FS-10/12/13 có thể nhìn thấy các mô hình hồng ngoại gần có thể đạt độ phân giải quang phổ 2,5 nm;
• Mô hình hồng ngoại sóng ngắn FS-17 có độ phân giải 6 nm;
• Mô hình băng thông chéo FS-14 13 nm;
• FS-1A sóng dài mô hình 12 nm.
  
• Xác định vật liệu mịn và phân tích thành phần định lượng đòi hỏi độ phân giải quang phổ cao hơn, nhưng tăng độ phân giải làm hẹp khe hở, ảnh hưởng tiêu cực đến tỷ lệ tín hiệu-gọi tiếng ồn.

Tỷ lệ tín hiệu-gọi tiếng ồn (SNR):Hầu hết các mô hình FS1X có thể đạt được SNR đỉnh 600:1, trong khi sóng dài FS-1A là 300:1. SNR bị ảnh hưởng bởi chiều rộng khe, độ sáng của nguồn ánh sáng và tần số đường dây (thời gian phơi sáng); khi dây chuyền sản xuất chạy ở tốc độ cao, tần số đường dây tăng và thời gian phơi sáng trên mỗi đường ngắn hơn,làm cho SNR giảmTrong các kịch bản công nghiệp, sự cân bằng giữa tốc độ thu thập và chất lượng dữ liệu là cần thiết.

Tần số đường / Tỷ lệ khung hình hình ảnh và ROI Chọn đa khu vực:Tần số dây chuyền hình ảnh liên quan trực tiếp đến tốc độ vận chuyển vật liệu được cho phép bởi dây chuyền sản xuất.

Dòng FS-1X hỗ trợ ROI band gating, và FS-13, FS-17, FS-14 hỗ trợ lựa chọn băng tần đa khu vực, chỉ phát ra các băng tần cần thiết. Điều này có thể làm tăng đáng kể tốc độ khung hình thu thập;ví dụ:, FS-13 quang phổ đầy đủ là 128 Hz, nhưng sau khi lựa chọn ROI, nó có thể đạt tới 3300 Hz, đáp ứng nhu cầu dây chuyền sản xuất tốc độ cao.

Lấy mẫu không gian, giao diện và lắp đặt cơ khí

Số lượng pixel không gian xác định trường nhìn bên cho quét. Tất cả các mô hình sử dụng giao diện ống kính C-Mount tiêu chuẩn, cho phép lựa chọn linh hoạt các ống kính độ dài tiêu cự khác nhau.Giao diện đầu ra bao gồm USB3.0/3.1 và Gigabit Ethernet, tương thích với các nhu cầu truyền tải máy tính chủ khác nhau.do đó, khả năng tải trọng của ổ cắm lắp đặt và không gian thiết bị phải được xem xét.

Điều khiển đồng bộ chuyển động

Hình ảnh quét tuyến phụ thuộc rất nhiều vào kích hoạt đồng bộ. Các dây chuyền sản xuất công nghiệp cần kết nối với bộ mã hóa để kích hoạt theo tốc độ vận chuyển;các giai đoạn điện phòng thí nghiệm và các nền tảng trên không cũng yêu cầu đồng bộ hóa tín hiệu vị trí và thái độ. Không đồng bộ có thể dẫn đến hình ảnh kéo dài và lỗi đăng ký quang phổ.

III. Các kịch bản ứng dụng chính của các cảm biến siêu quang phổ quét tuyến

3.1 Phân loại dây chuyền lắp ráp công nghiệp và thị giác máy

Các cảm biến siêu phổ quát quét đường phù hợp để phát hiện các vật liệu chuyển động liên tục.phát hiện lỗi màn hình, phân loại trái cây và rau quả trực tuyến, và phân loại vật liệu nhựa trong chất thải rắn.chúng có thể phát hiện sự khác biệt thành phần mà máy ảnh RGB thông thường không thể thấy, cho phép loại bỏ vật thể lạ và phân loại chất lượng.1, đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của kiểm tra màu sắc công nghiệp.

3.2 Thành phần mẫu thí nghiệm và xác định vật liệu

Với một giai đoạn quét dịch chuyển điện, họ có thể phân loại quặng, phân tích thành phần thuốc, và xác định các mẫu bột và chất lỏng.FS-13 có thể thu thập quang phổ mẫu quặng và xác định các thành phần lỏng, phân biệt nước từ rượu; FS-15 có thể nhóm và xác định quặng và phân biệt phổ của bột Gastrodia elata ở nồng độ khác nhau,đạt được nhận dạng chất lượng không phá hoại dựa trên dấu vân tay quang phổ độc đáo.

3.3 Nông nghiệp và phát hiện chất lượng sản phẩm nông nghiệp

Được sử dụng để kiểm tra chất lượng nội bộ của trái cây và rau quả, xác thực vật liệu y tế và nồng độ của chúng và phát hiện nấm mốc trong sản phẩm.Chúng có thể được thiết lập như các nền tảng phát hiện trên băng ghế để thử nghiệm mẫu nhỏ hoặc tích hợp vào thiết bị phân loại cho sàng lọc trực tuyến quy mô lớn.

3.4 Phân tích địa chất và vật liệu

Các mô hình hồng ngoại sóng ngắn FS-15, FS-17 và FS-1A được thiết kế cho các mẫu khoáng chất và đá,xác định các đặc điểm quang phổ của các quặng khác nhau và được sử dụng để phân loại quặng và sàng lọc thành phần khoáng sản nhanh chóng.

IV. Xu hướng thị trường và các điểm chính để tránh những cạm bẫy trong lựa chọn

Xu hướng ngành công nghiệp

1Các mô hình quét đường nhẹ tiếp tục phát triển. Ví dụ, mô hình hồng ngoại sóng ngắn FS-17 chỉ nặng 625g, giảm đáng kể tải trọng lắp đặt.Thiết bị quét đường dần dần vượt ra ngoài vai trò của thiết bị lớn truyền thống và đang được tích hợp rộng rãi vào thiết bị tự động hóa.

2Việc lựa chọn băng tần ROI đa khu vực đã trở thành xu hướng chính, chỉ đưa ra các băng tần có liên quan đến kinh doanh.Điều này cải thiện tốc độ khung hình thu thập mà không hy sinh thông tin phổ cốt lõi và phù hợp với các dây chuyền sản xuất tốc độ cao.

3Các giao diện C-Mount tiêu chuẩn và SDK mở cho phép lựa chọn ống kính và nguồn ánh sáng linh hoạt, giảm khối lượng công việc phát triển tùy chỉnh.

Những điểm quan trọng để tránh những cạm bẫy khi lựa chọn

• Đừng mù quáng theo đuổi độ phân giải phổ cực đoan:Độ phân giải cao hơn có thể làm giảm hiệu quả ánh sáng. Nếu ánh sáng tại chỗ bị hạn chế, điều này sẽ trực tiếp làm giảm tỷ lệ tín hiệu-tầm ồn thực tế và dữ liệu trong thế giới thực có thể trở nên tồi tệ hơn.
  
• Xác nhận các giải pháp kích hoạt đồng bộ:Chất lượng hình ảnh quét đường phụ thuộc rất nhiều vào đồng bộ hóa chuyển động.
  
• Phân biệt giữa siêu quang phổ và đa quang phổ:FS-1X scan đường siêu quang phổ phát ra hàng trăm đến hơn một ngàn kênh quang phổ liên tục.với sự khác biệt đáng kể trong khả năng nhận dạng vật liệuĐừng nhầm lẫn chúng khi mua.
• Xác minh khả năng ROI và giao diện:Các dây chuyền sản xuất tốc độ cao nên ưu tiên các mô hình hỗ trợ ROI đa khu vực. Xác nhận giao diện đầu ra, hỗ trợ phát triển SDK và đánh giá khối lượng công việc phát triển thứ cấp.
• Chú ý đến sự khác biệt của máy dò:Các máy dò khác nhau có sự khác biệt rõ ràng về tỷ lệ tín hiệu-gọi tiếng ồn, trọng lượng và chi phí.Việc lựa chọn nên xem xét các đặc điểm hấp thụ quang phổ của vật liệu mục tiêu.

V. Tóm lại

Hệ thống siêu quang phổ quét đường quét đẩy, dựa trên công nghệ phân tán lưới truyền dẫn, cung cấp ánh sáng lạc thấp, tỷ lệ tín hiệu-gọi với tiếng ồn cao, độ phân giải quang phổ xuất sắc,và khả năng tái tạoChúng đóng một vai trò không thể thay thế trong kiểm tra trực tuyến công nghiệp, phân tích vật liệu trong phòng thí nghiệm, sàng lọc sản phẩm nông nghiệp và xác định vật liệu địa chất.kiến trúc này bị hạn chế bởi chuyển động tương đối và đòi hỏi kiểm soát đồng bộ nghiêm ngặt và ổn định nền tảng.

FS-1X đại diện cho một thế hệ mới của các mô hình siêu phổ quét đường nhẹ, bao gồm toàn bộ dải quang phổ từ ánh sáng nhìn thấy đến 1400 ~ 2500nm,cân bằng hiệu suất và giới hạn kích thước cho các kịch bản khác nhauViệc lựa chọn không nên chỉ tập trung vào việc tối đa hóa một tham số mà phải xem xét phạm vi quang phổ, độ phân giải quang phổ, tần số đường dây, tỷ lệ tín hiệu-gọi tiếng ồn và điều kiện lắp đặt.Một dự án hoàn thành đòi hỏi phải phối hợp phần cứng, nguồn ánh sáng, hệ thống điều khiển đồng bộ, phần mềm quang phổ và thuật toán.