使用AVAL DATA多光谱/高光谱相机分类多种塑料收藏

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。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）。

               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：

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。

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。

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8：加装滤光片成像后，Nylon显示出的颜色最深，如图中绿框所示基于此，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的灰度值相同加装1600nm ~ 1700nm 滤光片后的图像。

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）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。

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