Что такое спектральные камеры машинного зрения?

Современный мир машинного зрения стремительно развивается, выходя за рамки привычного видимого спектра. Всё чаще для решения сложных задач автоматизации, контроля качества и научных исследований требуются матричные камеры, способные видеть то, что скрыто от человеческого глаза. Спектральные камеры машинного зрения, работающие в ультрафиолетовом (UV), ближнем инфракрасном (NIR), коротковолновом инфракрасном (SWIR), среднем (MWIR) и длинноволновом (LWIR) диапазонах, стали незаменимым инструментом в современных вычислениях.

Каждая из этих технологий открывает уникальные возможности, позволяя видеть скрытые дефекты, анализировать материалы, контролировать процессы и даже обнаруживать угрозы там, где традиционные методы бессильны. Давайте рассмотрим, как работают эти камеры, какие задачи они решают и почему их роль в мире машинного зрения незаменима.

Рис.1 - Классификация спектральных камер по диапазонам излучения

Что такое промышленная УФ-камера?

Место ультрафиолета в электромагнитном спектре

В области промышленной визуализации и машинного зрения способность видеть за пределами видимого спектра может сильно упростить многие задачи. В то время как обычные камеры ограничены захватом света в видимом диапазоне, высокочувствительные промышленные УФ-камеры для работы в условиях слабой освещенности предлагают уникальную перспективу, обнаруживая ультрафиолетовое излучение даже в условиях плохого освещения.

В области контроля печати чувствительные УФ-камеры выполняют незаменимую роль в процессе изготовления фармацевтической упаковки. Многие чернила, покрытия и защитные элементы, используемые там, содержат УФ-реактивные материалы, проявляющиеся только под воздействием ультрафиолетового излучения. Эти камеры позволяют проверять качество печати: выявлять дефекты, разрывы, пятна и другие нарушения на упаковке.

Используя возможности УФ-визуализации, производители и ученые могут получать ценные данные, улучшать процессы контроля качества, обеспечивать эффективную сортировку и переработку, а также открывать новые возможности. По мере развития технологий высокочувствительные промышленные УФ-камеры для работы в условиях слабой освещенности, несомненно, будут играть все более важную роль в мире машинного зрения.

Применения УФ-визуализации

Электроэнергетика

Деградация линий электропередач высокого напряжения приводит к коронному разряду. УФ-камеры незаменимы для обнаружения такого вида деформаций, так как они способны визуализировать эти разряды, что позволяет своевременно выявлять изношенные или вышедшие из строя компоненты, предотвращая аварии и перебои в электроснабжении.

Утилизация и переработка отходов

В сфере переработки УФ-камеры помогают сортировать пластиковые отходы по их свойствам пропускания УФ-излучения и флуоресценции. Разные виды пластика ведут себя по-разному в УФ-диапазоне, что позволяет автоматически отделять материалы, улучшая качество вторичного сырья и повышая эффективность перерабатывающих линий.

Биология и медицина

В биологии и медицине УФ-камеры используются в задачах микроскопии, спектроскопии, криминалистике и медицинской диагностике. УФ-излучение позволяет выявлять молекулярные маркеры, изучать клетки и ткани на микроскопическом уровне, а также проводить диагностику кожных заболеваний, таких как меланома, где УФ-камеры помогают обнаружить ранние признаки патологии, невидимые человеческому глазу.

Контроль полупроводников и печатных плат

Короткие длины волн УФ-излучения делают его высокочувствительным к микроскопическим поверхностным дефектам, загрязнениям и нарушениям рисунка на полупроводниковых пластинах, фотошаблонах и печатных платах в процессе производства.

В продуктовой линейке «Ниеншанц-Автоматики» доступны матричные УФ-камеры серии iBoost X (iBX-UV).

Посмотреть PDF

Что такое промышленная ИК (IR)-камера?

Инфракрасные (ИК) камеры машинного зрения характеризуются длинами волн в диапазоне от 300 нм — 14 000 нм (0,75 мкм — 14 мкм). Из-за ограничений диапазона обнаружения детекторов ИК-излучение часто делится на 4 меньшие области: ближний инфракрасный (NIR), коротковолновый инфракрасный (SWIR), средневолновый инфракрасный (MWIR) и длинноволновый инфракрасный (LWIR) диапазоны.

ИК-камеры машинного зрения незаменимы для задач, требующих высокой чувствительности к тепловому излучению и скрытым дефектам. В продуктовой линейке «Ниеншанц-Автоматики» представлены камеры для различных ИК-диапазонов — от ближнего ИК (NIR) до длинноволнового ИК (LWIR).

Посмотреть PDF

Что такое NIR (ближний инфракрасный диапазон)?

Термин «ближний инфракрасный диапазон» (NIR) относится к области электромагнитного спектра, непосредственно примыкающей к видимому спектру. С помощью пучка инфракрасных лучей в диапазоне от 300 нм до 1100 нм любой объект можно визуализировать при помощи NIR-камер машинного зрения с высокой точностью.

Итак, что делает NIR-визуализация и какова роль NIR-камер в системах машинного зрения?

NIR-визуализация основана на регистрации отраженного, прошедшего через объект или флуоресцентного излучения в ближнем инфракрасном диапазоне. Она использует методы оптической визуализации для определения различных сложных параметров, что делает ее идеальной для ускорения аналитических решений в различных отраслях промышленности.

NIR-излучение способно глубже проникать в некоторые материалы и биологические ткани по сравнению с видимым светом, но его проникающая способность зависит от материала, длины волны и условий съемки. Он имеет другие преимущества, такие как хорошая чувствительность, высокий контраст, а также доступная цена.

В широком смысле, применение NIR-камер в машинном зрении, требующее NIR-визуализации, можно разделить на четыре категории: поточный контроль продукции, научные исследования и разработки, медицинская диагностика, биометрия и контроль доступа.

Давайте теперь подробно рассмотрим каждую из них.

• Поточный контроль: NIR-камеры используются для оценки и контроля качества в различных производственных и складских процессах.
• Приложения для НИОКР: поскольку большинство материалов имеют отличительные характеристики, видимые в NIR-спектрах, исследовательские лаборатории часто используют NIR-камеры для определения конкретных физических или химических свойств этих материалов.
• Медицинская диагностика: NIR-визуализация используется в лабораторном оборудовании для определения свойств образца с целью диагностики различных медицинских состояний.
• Биометрия и контроль доступа: NIR-визуализация полезна в биометрических системах и системах контроля доступа, в первую очередь для распознавания радужной оболочки глаза.

Модели NIR-камер машинного зрения

Что такое SWIR (коротковолновый инфракрасный диапазон)?

Камеры машинного зрения с коротковолновым инфракрасным (SWIR) излучением обычно определяются как свет в диапазоне длин волн 400 – 1800 нм (0,4–1,8 мкм).

Зачем использовать SWIR?

В отличие от средневолнового (MWIR) и длинноволнового (LWIR) инфракрасного излучения, которое испускается самим объектом, SWIR похож на видимый свет тем, что фотоны отражаются или поглощаются объектом, обеспечивая сильный контраст, необходимый для визуализации высокого разрешения. Естественный звездный свет и фоновое излучение (свечение ночного неба) являются естественными источниками SWIR-излучения и обеспечивают отличную подсветку для уличной ночной съемки.

Большое количество приложений, которые трудно или невозможно выполнить с помощью видимого света, становятся возможными с использованием SWIR. При визуализации в SWIR-диапазоне водяной пар, туман и некоторые материалы, такие как кремний, являются прозрачными.

Применения SWIR

SWIR-визуализация используется в различных приложениях, включая контроль электронных плат, контроль солнечных элементов, контроль сельскохозяйственной продукции, идентификацию и сортировку, контроль качества продукции и многое другое.

Модели SWIR-камер машинного зрения

Что такое MWIR (средневолновый инфракрасный диапазон)?

Камеры машинного зрения с инфракрасным излучением MWIR определяются как свет в диапазоне длин волн 1500 – 5200 нм (1,5–5,2 мкм).

Технология средневолнового инфракрасного диапазона (MWIR) играет решающую роль в тепловидении, фиксируя излучение, испускаемое непосредственно объектами, без необходимости во внешнем источнике света.

Часто называемый «тепловым инфракрасным диапазоном», MWIR-метод визуализации основан на двух ключевых факторах для определения яркости объекта: его температуре и коэффициенте излучения (излучательной способности) — физическом свойстве материалов, которое описывает, насколько эффективно они излучают.

Влияние температуры и излучательной способности

При MWIR-визуализации по мере повышения температуры объект излучает больше энергии и выглядит более ярким на тепловизионном изображении. Способность визуализировать тепловое излучение позволяет MWIR-камерам обнаруживать перепады температур в различных объектах и средах. Кроме того, излучательная способность влияет на тепловую сигнатуру объекта. Различные материалы обладают разными уровнями излучательной способности, что влияет на их свойства теплового излучения.

Преимущества MWIR-визуализации

Технология MWIR предлагает несколько явных преимуществ, что делает ее ценной в ряде приложений:

• Меньшее ослабление и помехи со стороны атмосферы: в MWIR-диапазоне атмосферные помехи, такие как дым, пыль и туман, вызывают меньшее рассеяние по сравнению с коротковолновым инфракрасным (SWIR) диапазоном. Эта высокая устойчивость к атмосферным помехам обеспечивает четкую и надежную визуализацию даже в сложных погодных условиях.
• Высокоскоростная тепловизионная съемка: высокоскоростная тепловизионная съемка дает ряд преимуществ в различных приложениях благодаря способности быстро фиксировать и обрабатывать тепловую информацию. Вот некоторые ключевые преимущества:
• Быстрое обнаружение температурных изменений: позволяет быстро обнаруживать изменения температуры в реальном времени, что имеет решающее значение в приложениях, где важна быстрая идентификация аномалий или изменений.
• Мониторинг динамических процессов: в сценариях с быстротекущими или динамическими процессами высокая скорость гарантирует фиксацию и анализ даже самых быстрых температурных колебаний.
• Высококачественная визуализация: MWIR-камеры отлично справляются со съемкой детализированных и высококачественных изображений, что делает их идеальными, когда качество изображения важнее температурных измерений или мобильности. Эта характеристика делает MWIR-визуализацию хорошо подходящей для приложений наблюдения, разведки и идентификации целей.
• Обнаружение перепадов температур: MWIR-камеры могут обнаруживать даже незначительные перепады температур на объектах, что позволяет использовать их в термографии, где важны точные температурные измерения. Эта возможность находит применение в научных исследованиях, промышленных проверках.

Применения технологии MWIR

Технология MWIR широко используется во многих критически важных секторах, включая:

• Безопасность и мониторинг: MWIR-камеры используются для наблюдения, обнаружения тепловых аномалий и контроля объектов в условиях низкой освещенности. Их способность обнаруживать тепловые сигнатуры помогает выявлять потенциальные угрозы и отслеживать активность даже в условиях низкой освещенности или неблагоприятных экологических условиях.
• Научные исследования: MWIR-камеры хорошо подходят для самых разных областей научных исследований, таких как экспериментальная механика, анализ процессов горения, аддитивное производство и теплопередача.
• Промышленные проверки: MWIR-камеры помогают при промышленных проверках, где выявление горячих точек, контроль целостности оборудования и обеспечение безопасности имеют первостепенное значение. Такие отрасли, как автомобилестроение, производство, нефтехимия и энергетика, выигрывают от MWIR-термографии.
• Неразрушающий контроль (НК): технология MWIR облегчает неразрушающий контроль в различных отраслях, позволяя проверять материалы и компоненты без повреждений.

Модели MWIR-камер машинного зрения

LWIR-камеры: Что это такое и для чего используются?

В то время как существуют и другие типы инфракрасной визуализации, если вам нужна тепловизионная съемка, скорее всего, вам потребуется LWIR-камера. Но что именно представляют собой LWIR-камеры? Как они работают и для чего обычно используются?

LWIR-камеры захватывают свет в спектральном диапазоне 8000 – 14000 нм (8–14 мкм).  Как правило, LWIR-камеры используют болометр или микроболометр в качестве датчика изображения. Они обычно изготавливаются из аморфного кремния (a-Si) или оксида ванадия (VOx) и являются неохлаждаемыми – старые версии тепловизоров требовали системы охлаждения для точной визуализации, но болометры и микроболометры изменили это. Каждый тип датчика и материала имеет свои преимущества, но все они должны использовать германиевую линзу для пропускания инфракрасного света.

Для чего используются LWIR-камеры?

LWIR-камеры могут обнаруживать свет, невидимый невооруженным глазом в инфракрасном спектре. Области применения многочисленны и разнообразны. Некоторые из наиболее распространенных включают:

• Термография.
• Контроль температуры.
• Прогнозирующее обслуживание.
• Обнаружение утечек газа.
• Среды с широким динамическим диапазоном.
• Визуализация через густой дым.

Для таких приложений, как обнаружение утечек газа или визуализация через густой дым, LWIR-камеры позволяют получать изображение в условиях, где видимый свет не обеспечивает достаточной информативности.

LWIR-камеры практичны для ряда приложений в промышленном секторе. Это распространенный тип тепловизионной съемки, хотя сами камеры могут существовать во многих различных формах и с разным уровнем производительности.

Модели LWIR-камер машинного зрения