Imaging a lunghezza d’onda multipla per la discriminazione dei materiali e l’analisi chimico-fisica
- Da 4 a 16 lunghezze d’onda discrete (multispettrale) o 50+ bande contigue (iperspettrale) acquisite in sequenza per pixel.
- Le firme spettrali per pixel consentono la classificazione dei materiali, la caratterizzazione dei difetti e l’analisi quantitativa della composizione.
- È l’ideale per lo smistamento agricolo, l’ispezione farmaceutica, la discriminazione della plastica riciclata e il rilevamento di oggetti estranei.
- Controllo indipendente dei canali con sincronizzazione precisa della telecamera, necessaria per le misurazioni spettrali quantitative.
- La selezione delle lunghezze d’onda tramite PCA sulla caratterizzazione spettrale ad alta risoluzione identifica l’insieme minimo discriminante.
- L’acquisizione sequenziale scala linearmente con il numero di bande – l’acquisizione simultanea tramite Divisori di Fascio dicroici riduce il tempo del ciclo a fronte di un costo maggiore.
L’Illuminatore LED multispettrale e iperspettrale fornisce più lunghezze d’onda discrete in un unico apparecchio, consentendo l’acquisizione sequenziale o simultanea di immagini in diverse bande spettrali. L’immagine multibanda che ne risulta contiene informazioni spettrali su ogni pixel, che possono essere sfruttate per la discriminazione dei materiali, la caratterizzazione dei difetti, l’analisi chimico-fisica e altre attività di ispezione che superano le capacità dell’imaging a banda singola. Questa tecnica colma il divario tra la visione artificiale tradizionale e la spettroscopia analitica, portando l’analisi spettrale di laboratorio all’ispezione industriale.
Principio di funzionamento dell’Illuminatore Multispettrale
Un Illuminatore LED multispettrale combina diversi array di LED a diverse lunghezze d’onda nello stesso apparecchio, in genere con un controllo elettrico indipendente di ciascuna lunghezza d’onda. Il bersaglio viene fotografato in sequenza con ogni lunghezza d’onda, producendo una serie di immagini che condividono le stesse coordinate spaziali ma differiscono per il loro contenuto spettrale. L’intensità di ogni pixel della pila definisce una firma spettrale che può essere analizzata per identificare la composizione locale del materiale o per aumentare il contrasto su caratteristiche specifiche.
La distinzione tra multispettrale e iperspettrale riguarda principalmente la risoluzione spettrale. I sistemi multispettrali utilizzano un numero ridotto (in genere da 4 a 16) di lunghezze d’onda discrete scelte per applicazioni specifiche. I sistemi iperspettrali utilizzano un numero elevato (in genere da 50 a diverse centinaia) di bande di lunghezza d’onda contigue che approssimano uno spettro continuo in ogni pixel. Nella visione industriale, le configurazioni multispettrali dominano grazie al loro costo inferiore, ai tempi di acquisizione più rapidi e alle prestazioni adeguate per la maggior parte dei compiti di discriminazione.
Acquisizione sequenziale e simultanea
L’acquisizione multispettrale sequenziale riproduce le immagini del bersaglio a ogni lunghezza d’onda, in genere sincronizzata con l’esposizione della telecamera per produrre un’immagine per ogni lunghezza d’onda. Il tempo totale di acquisizione scala linearmente con il numero di lunghezze d’onda, il che rende l’acquisizione sequenziale inadatta a linee di ispezione molto veloci. L’acquisizione multispettrale simultanea utilizza Divisori di Fascio dicroici e più telecamere per acquisire più lunghezze d’onda in un’unica esposizione, al costo di un hardware più complesso e di una minore flessibilità nella selezione delle lunghezze d’onda.
Applicazioni industriali tipiche
L’illuminazione multispettrale e iperspettrale è essenziale per la selezione e la classificazione dei prodotti agricoli, dove la maturazione, i difetti e la contaminazione producono firme specifiche in base alla lunghezza d’onda; l’ispezione farmaceutica, dove il contenuto di principio attivo, lo spessore del rivestimento e la contaminazione possono essere quantificati dalle misurazioni spettrali; Ispezione di prodotti alimentari per il rilevamento di oggetti estranei, la valutazione della freschezza e lo screening delle adulterazioni; controllo della Qualità di Stampa per l’identificazione del tipo di polimero; rilevamento di difetti mimetici su superfici rivestite e stampate; Ispezione di Parti in Plastica per la composizione degli strati interni; e qualsiasi applicazione che richieda una discriminazione dei materiali che superi la capacità dell’imaging visibile. Le geometrie a più lunghezze d’onda sono progettate all’interno del portafoglio di Illuminatori LED personalizzati.
Criteri di selezione e considerazioni sul design
La selezione della lunghezza d’onda è una decisione critica per la progettazione e richiede un’attenta caratterizzazione spettrale dei materiali target. L’insieme minimo di lunghezze d’onda necessarie per discriminare tra le classi di target può spesso essere identificato tramite l’analisi delle componenti principali delle misurazioni spettrali ad alta risoluzione. I sistemi multispettrali industriali tipici utilizzano da 4 a 8 lunghezze d’onda che coprono la gamma del visibile e del Vicino Infrarosso, con ogni lunghezza d’onda selezionata per la massima discriminazione di una caratteristica specifica.
L’uniformità dell’intensità tra le lunghezze d’onda deve essere controllata per consentire un’analisi spettrale quantitativa. Le diverse lunghezze d’onda dei LED hanno diverse efficienze di emissione, divergenze del fascio e caratteristiche di invecchiamento, che influenzano l’intensità apparente dell’immagine corrispondente. Le procedure di calibrazione con target di riferimento sono essenziali per qualsiasi applicazione multispettrale che richieda misurazioni spettrali assolute.
Sincronizzazione ed Elaborazione delle Immagini
L’acquisizione multispettrale sequenziale richiede una sincronizzazione precisa tra il controllo dell’Illuminamento e l’esposizione della telecamera, per garantire che ogni immagine venga acquisita con una singola lunghezza d’onda ben definita. I moderni controller multispettrali integrano la commutazione dei LED e l’attivazione della fotocamera in un unico dispositivo, semplificando l’integrazione. Lo stack di immagini risultante viene elaborato utilizzando algoritmi calibrati per estrarre le firme spettrali, eseguire la classificazione o calcolare le misure quantitative. I driver multicanale dedicati compatibili con i controller per la Visione Artificiale sono disponibili nel catalogo dei driver LED e dei controller elettronici RODER.
Integrazione e limiti
I sistemi multispettrali sono più complessi di quelli a lunghezza d’onda singola e richiedono una maggiore esperienza nell’analisi spettrale, nella calibrazione e nell’elaborazione delle immagini. I costi dell’hardware sono più elevati a causa degli array di LED multipli e dell’elettronica di controllo. I tempi di integrazione sono più lunghi perché l’algoritmo di ispezione deve essere sviluppato e convalidato su un campione rappresentativo di materiali target.
Il limite principale dell’Illuminatore multispettrale è l’aumento del tempo di acquisizione richiesto per l’imaging sequenziale, che limita la velocità massima di produzione. L’acquisizione multispettrale simultanea risolve parzialmente questo problema, ma a costi più elevati e con una flessibilità ridotta. Per le linee ad alta velocità che richiedono l’analisi spettrale, l’ottimizzazione dell’hardware sia per l’Illuminatore che per l’acquisizione è essenziale e può richiedere un’ingegnerizzazione personalizzata piuttosto che l’utilizzo di componenti standard. Nonostante queste complessità, l’illuminazione multispettrale e iperspettrale rimane l’unica opzione pratica per le attività di ispezione che richiedono una discriminazione quantitativa dei materiali a velocità industriali.
Illuminatori LED multispettrali Roder Vision
Roder Vision progetta illuminatori LED multispettrali e multicanale con controllo indipendente della lunghezza d’onda per applicazioni di visione industriale che richiedono la discriminazione dei materiali, la classificazione e l’analisi spettrale quantitativa.
- Gruppi multi-lunghezza d’onda specifici per l’applicazione con controllo indipendente dei canali – Illuminatori LED personalizzati
- Sorgenti spot multicanale direzionali compatte – Illuminatori LED Diretti
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