SWIR Multiplexing
Временное мультиплексирование для экономически эффективных мультиспектральных решений

Гиперспектральная визуализация является ответом на растущую потребность в захвате мельчайших различий в материалах. Производители разрабатывают и постоянно совершенствуют аппаратные и программные компоненты для этой цели. Однако высокая стоимость и технические аспекты ограничивают использование этой технологии в некоторых системах. Поэтому стоит оценить альтернативные подходы, такие как временное мультиплексирование с различными источниками освещения. Важной характеристикой гиперспектральных камер является превосходное разрешение по длине волны в широком диапазоне. В зависимости от применения могут использоваться разные спектральные диапазоны, чаще всего диапазон от 900 до 1700 нм (детекторы SWIR InGaAs), а также от 400 до 1000 нм (детекторы на видимом и ближнем ИК-диапазонах). Типичный подход заключается в освещении объекта широкополосным источником и спектральном разделении или рассеивании света в камере. При использовании камеры с областным сканированием (2D) для разделения на длины волн требуется одно измерение на чипе детектора (спектральное разрешение). Камера может быть использована только в качестве камеры линейного сканирования. В этом случае информация из многих диапазонов длин волн доступна для каждой линии, поэтому необходимо относительное движение между камерой и объектом.

Интенсивность освещения

Для различения материалов доступно программное обеспечение. Для системного интегратора это означает, что помимо дополнительных затрат, существует также новый программный интерфейс, который необходимо разработать и поддерживать. В некоторых случаях существующая библиотека Halcon предоставляет необходимые алгоритмы для классификации многоканального изображения в пиксельном масштабе. На рисунке 1 показано, как захватывать различные полосы длин волн (2048 пикселей, 3 кГц, четыре полосы) с помощью стандартного оборудования и как связывать материалы на уровне пикселей с помощью стандартного программного обеспечения. Для дальнейшего упрощения систем сортировки предлагается интерфейс для пневматических выдувных устройств.

Рисунок 2| Символическое представление выбранных светодиодных спектров (LED)

Использование быстрой светодиодной технологии (LED) также позволяет использовать временное мультиплексирование. Вместо освещения широкополосного канала и разделения спектра света в камере используется широкополосный чувствительный чип, и спектр освещения изменяется во времени посредством быстрого запуска. Для захвата изображения требуется только одна линейная камера, но необходимо несколько линий освещения, каждая из которых охватывает разные диапазоны длин волн. Альтернативно, отдельные длины волн поочередно собранных линейных источников света могут переключаться индивидуально. При использовании такого освещения с помощью быстрой ИК-линейной камеры (Xenics) и подходящего устройства захвата кадров с расширенным функциональным диапазоном программного обеспечения Silicon Software, несколько длин волн регистрируются квазиодновременно.

Чтобы ограничить спектр освещения (рисунок 2), предоставляемый светодиодами (LED), более узким диапазоном длин волн, можно снабдить каждый светодиод небольшим фильтром. Однако, поскольку это требует дополнительных усилий при изготовлении источников света, также возможно использовать многоканальный фильтр перед объективом и, таким образом, выбирать только соответствующие длины волн в любой точке. Такие фильтры могут быть разработаны для конкретной системы. Для системных интеграторов следует отметить два технических аспекта:

1) Используя широкий диапазон длин волн, следует изучить цветовую ошибку оптики;
2) Максимальная длина волны светодиодов может зависеть от температурного дрейфа, который должен компенсироваться подходящими концепциями охлаждения (например, водное охлаждение).
Предварительный тест с полной системой гиперспектральной визуализации полезен для определения того, какие длины волн (диапазоны) необходимы для обнаружения материала в конкретном приложении. Если окажется, что достаточно только нескольких диапазонов длин волн, описанное мультиплексирование будет быстрой, подходящей и экономически эффективной реализацией.

Рис. 1.Фотография с цифровой камеры (слева), результат попиксельной классификации с временным мультиплексированием (справа).

Временное мультиплексирование

Типичные промышленные спектральные камеры предлагают от 150 до 250 различных диапазонов длин волн и боковое (пространственное) разрешение 640 или 1024 пикселей. В зависимости от того, записаны ли все или только несколько диапазонов, камеры обеспечивают линейную частоту от нескольких 100 Гц до нескольких кГц. Однако часто требуемые разрешения или скорости линии не могут быть достигнуты, поскольку ограничивающим фактором является доступный уровень интенсивности освещения.
Галогенные лампы часто используются в качестве широкополосного источника света. Однако их недостатками являются энергопотребление, выработка тепла и срок службы. Используя светодиоды разных типов с разными длинами волн излучения, можно использовать широкополосные линейные источники света. В случаях, когда требуется всего несколько полос для обнаружения соответствующих свойств материала объекта испытаний, достаточно использовать менее сложную мультиспектральную систему. Одним из таких примеров является серия JAI Wave с одновременным обнаружением (до 39 кГц) в полосах от 900 до 1400 нм и от 1400 до 1700 нм.