Hyperspectrale beeldsensortechnologie wint steeds meer aan populariteit in sectoren zoals landbouw, industrie, geneeskunde en beveiliging, dankzij het vermogen om verder te kijken dan het zichtbare. Hoewel de naam misschien ingewikkeld klinkt, is de werking ervan gebaseerd op optische principes waarmee materialen en substanties kunnen worden geïdentificeerd aan de hand van hun spectrale eigenschappen.
In dit artikel gaan we dieper in op wat een hyperspectrale beeldsensor precies is, hoe deze verschilt van andere soorten sensoren, zoals multispectrale sensoren, wat hun technische kenmerken zijn en wat hun belangrijkste toepassingen zijn. We onderzoeken ook de voordelen en huidige uitdagingen van deze technologie.
Wat is een hyperspectrale beeldsensor?
Un hyperspectrale sensor Het is een apparaat dat in staat is om continu beelden vast te leggen met gedetailleerde informatie uit honderden spectrale banden, doorgaans in het bereik van het elektromagnetische spectrum dat loopt van de ultraviolet (350 nm) tot nabij- en midden-infrarood (tot 2500 nm).
Wat deze technologie onderscheidt, is dat Elke pixel in de gegenereerde afbeelding bevat een compleet spectrum, waarmee materialen kunnen worden geïdentificeerd aan de hand van hun unieke 'spectrale signatuur'. Deze spectrale signatuur weerspiegelt de fysieke en chemische kenmerken van het waargenomen object, waardoor de hyperspectrale sensor een nauwkeurig en niet-destructief hulpmiddel is voor de gedetailleerde identificatie en monitoring van materialen, stoffen of objecten.
Hoe werkt hyperspectrale beeldvorming?
La hyperspectrale beeldvorming Het omvat het vastleggen en verwerken van informatie uit het elektromagnetische spectrum dat door objecten wordt gereflecteerd of uitgezonden. De sensor verdeelt dit spectrum in een veelvoud aan zeer smalle aaneengesloten banden, wat een driedimensionaal beeld genereert, ook wel bekend als hyperspectrale kubus, met twee ruimtelijke dimensies en één spectrale dimensie.
Deze "kubus" maakt het mogelijk om de lichtintensiteit bij verschillende golflengten voor elke pixel in de afbeelding te analyseren. Dit resulteert in een uniek spectraal profiel voor elk waargenomen punt, wat een enorm onderscheidingsvermogen biedt tussen materialen die met het blote oog identiek kunnen lijken.
Een duidelijke toepassing zou kunnen zijn: het rotte deel van een vrucht detecteren zonder dat het gesneden hoeft te worden, omdat de spectrale eigenschappen van gezond en beschadigd weefsel verschillen, ook al kunt u dat visueel niet waarnemen.
Wat is het verschil met multispectrale sensoren?
Multispectrale sensoren vangen ook spectrale informatie op, maar doen dat in een beperkt aantal banden, meestal 5 een 10, die niet noodzakelijkerwijs aaneengesloten zijn. Deze banden omvatten doorgaans de zichtbare banden (rood, groen en blauw) en enkele nabij-infraroodbanden.
Hyperspectrale sensoren registreren daarentegen honderden zeer smalle en aaneengesloten banden, die voorziet in een veel hogere spectrale resolutieHierdoor kunnen hyperspectrale sensoren de chemische samenstellingen of materialen met zeer vergelijkbare eigenschappen identificeren, iets dat met multispectrale sensoren niet mogelijk zou zijn.
Voordelen en technische kenmerken van hyperspectrale technologie
Hyperspectrale systemen bieden een aantal technische voordelen waardoor ze uniek zijn voor geavanceerde toepassingen:
- Contactloze meting: Omdat het camera's zijn, kan informatie worden vastgelegd zonder dat het object hoeft te worden aangeraakt.
- Niet-destructieve methode: het object is niet veranderd of beschadigd tijdens de analyse.
- Hoge specificiteit: maakt het mogelijk om zelfs onderscheid te maken minimale variaties tussen zeer vergelijkbare materialen, dankzij de hoge spectrale resolutie.
- Mogelijkheid tot realtime meting: Er zijn oplossingen waarmee u direct beelden kunt vastleggen en analyseren, zelfs in industriële omgevingen.
- Veelzijdigheid in lichtomstandigheden: Ze kunnen worden geconfigureerd om met verschillende soorten verlichting te werken, zoals infrarood of gecontroleerd licht.
De gebruikte technologieënEr zijn verschillende alternatieven. Sommige camera's gebruiken interferometrische filters van het type Fabry-Perot die rechtstreeks op de sensoren worden aangebracht, waardoor het systeem geminiaturiseerd, kostenbesparend en draagbaarder wordt. Andere gebruiken scantechnieken zoals “bezemsteel”, waarbij op elk moment een lijn van het object wordt vastgelegd en de sensor wordt verplaatst om het complete beeld te construeren.
Spectrale en ruimtelijke resolutie
Een van de krachtigste eigenschappen van hyperspectrale sensoren is hun hoge spectrale resolutie, waardoor het mogelijk is om met zeer weinig scheiding onderscheid te maken tussen golflengten, zelfs 10 tot 20 nmDit resulteert in een groter vermogen om spectrale signaturen te herkennen.
Dit voordeel gaat echter vaak gepaard met een lagere ruimtelijke resolutie, omdat de hoeveelheid data die de sensor moet vastleggen toeneemt met de toevoeging van zoveel spectrale banden. Multispectrale sensoren daarentegen hebben doorgaans minder banden, maar leggen deze vast met een hogere ruimtelijke resolutie.
Grootte, gegevensverwerking en complexiteit
De hoeveelheid informatie die door hyperspectrale beelden wordt gegenereerd, is enorm. Het gaat om driedimensionale data die een complexe computationele verwerking en gespecialiseerde software. Deze analyse omvat vaak technieken van chemometrie of machine learning-algoritmen om patronen in spectrale signaturen te identificeren.
Een van de huidige uitdagingen van deze technologie is daarom de efficiënte opslag en snelle analyse van gegevensGelukkig komen er steeds meer oplossingen op de markt die het gebruik van deze gereedschappen eenvoudiger maken, zelfs in industriële omgevingen of in het veld.
Wanneer moet je hyperspectrale en multispectrale sensoren gebruiken?
De keuze tussen deze technologieën hangt af van het uiteindelijke doel. multispectrale sensoren zijn meestal goedkoper, sneller te implementeren en minder complexwaardoor ze ideaal zijn voor taken waarbij extreme spectrale details niet vereist zijn.
Als de analyse echter vereist hoge precisie en fijne differentiatie tussen materialen, zoals in de biomedische wetenschap, kwaliteitscontrole of mineralogische identificatie, dan is een hyperspectrale sensor duidelijk geschikter.
In veel gevallen kunnen beide technologieën zelfs worden gecombineerd om van hun respectievelijke voordelen te profiteren.
Meest opvallende toepassingen van hyperspectrale beeldvorming
Hyperspectrale sensoren hebben een groeiend aantal toepassingen, waaronder:
- Landbouw en gewassen: beoordeling van de gezondheid van planten, detectie van ziekten of waterstress, voedingsanalyse en het in kaart brengen van soorten.
- Voedselindustrie: niet-invasieve kwaliteitscontrole, detectie van vreemde voorwerpen, voedingsanalyse en geautomatiseerde classificatie.
- Geneeskunde en biowetenschappen: weefselanalyse, niet-invasieve diagnose, detectie van wonden of cellulaire afwijkingen.
- Mijnbouw en geologie: nauwkeurige identificatie van mineralen, in kaart brengen van afzettingen en bodemanalyse.
- Milieu Beheer: detectie van verontreinigende stoffen in water en lucht, monitoring van wetlands of branden.
- Veiligheid en verdediging: detectie van verborgen voorwerpen, chemische stoffen of geavanceerde bewaking.
- Archeologie en kunst: pigmentanalyse, conservering van werken en detectie van vervalsingen.
- Farmaceutische industrie: procesbesturing en productauthenticatie.
Aanbevolen technologieën op de markt
Er zijn diverse technologieën en merken die specifieke oplossingen voor verschillende toepassingen hebben ontwikkeld. Bijvoorbeeld:
- Nireos HERA: Het maakt gebruik van Fourier-transformatie (FT)-spectroscopie en biedt een hoge spectrale nauwkeurigheid en uitstekende stabiliteit, zelfs in trillende industriële omgevingen.
- HAIP-Zwart: Het is gebaseerd op de zogenaamde ‘push-broom’-technologie met aanpassingen voor statische omgevingen en draagbare systemen, zoals handcamera’s of systemen die in drones zijn ingebouwd.
- SILIOS: Gespecialiseerd in multispectrale camera's van het snapshot-type waarmee meerdere banden tegelijkertijd kunnen worden vastgelegd dankzij gepixelde filters op CMOS- of InGaAs-sensoren.
Dankzij deze ontwikkelingen wordt deze technologie steeds flexibeler, aanpasbaarder en toegankelijker voor meerdere sectoren.
De toepassing van hyperspectrale sensoren in diverse vakgebieden biedt een kans voor innovatie, die het mogelijk maakt om nauwkeuriger en diepgaander gegevens te verzamelen. Hierdoor kunnen voor elke sector beter geïnformeerde en geoptimaliseerde beslissingen worden genomen.
