導(dǎo)讀

多光譜技術(shù)和高光譜技術(shù)能夠高效經(jīng)濟(jì)地幫助塑料實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確回收。本文詳述了友思特 BlackIndustry 系列高光譜相機(jī)系統(tǒng)的搭建方式，清晰解讀了高光譜技術(shù)在回收領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用。

塑料回收的現(xiàn)狀

人類(lèi)產(chǎn)生的垃圾中有很大一部分是塑料。塑料制品正確回收的一個(gè)問(wèn)題是混合塑料垃圾難以按聚合物類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)。塑料種類(lèi)繁多，全球塑料生產(chǎn)中使用的基材（單體）和助劑等化學(xué)物質(zhì)共計(jì)約1萬(wàn)種。因此，分類(lèi)不良會(huì)導(dǎo)致混合回收物質(zhì)量較低。

為了避免這一問(wèn)題，使塑料回收盡可能高效和準(zhǔn)確、開(kāi)發(fā)新技術(shù)，并將現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)為經(jīng)濟(jì)方案是十分必要的。

圖1. 各種形態(tài)顏色的塑料

用于回收的分揀機(jī)的數(shù)量在不斷增加，它們的功能是使用多光譜或高光譜相機(jī)系統(tǒng)將廢物根據(jù)不同的物質(zhì)組分進(jìn)行分類(lèi)。高光譜系統(tǒng)正在逐漸被普遍使用，因?yàn)樵摷夹g(shù)目前在高通量下實(shí)現(xiàn)了最佳的分選結(jié)果。它們捕獲了寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的詳細(xì)光譜信息，從而可以精確識(shí)別和區(qū)分材料。這種高水平的光譜和空間分辨率，結(jié)合快速的數(shù)據(jù)處理能力，在高通量下產(chǎn)生卓越的分選精度和效率。

圖2. 高光譜相機(jī)塑料回收示意圖

高光譜相機(jī)最重要的標(biāo)準(zhǔn)是：

低光要求（曝光時(shí)間短）；

高幀率；

高達(dá)1280像素的高局部分辨率；

非常好的信噪比，用于穩(wěn)定檢測(cè)薄物體（如箔）；

擴(kuò)展的波長(zhǎng)范圍，包括塑料的第三個(gè)吸收帶。

高光譜成像技術(shù)

高光譜成像（HSI）是基于對(duì)物體（如塑料）化學(xué)成分的光譜分析。電磁輻射的吸收，尤其是紅外線的吸收，觸發(fā)了分子的振動(dòng)活動(dòng)。高光譜相機(jī)可以記錄相應(yīng)分子的特征振動(dòng)帶或吸收帶，通常在在近紅外、SWIR和MWIR的光譜范圍內(nèi)。因此，識(shí)別不同塑料的最重要標(biāo)準(zhǔn)是選擇具有合適的光譜范圍的高光譜系統(tǒng)。

圖3. 重要分子的吸收帶

使用InGaAs傳感器覆蓋SWIR光譜范圍（900 nm - 1750 nm）的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中被廣泛使用，其次是使用CMOS傳感器的VIS/NIR系統(tǒng)（400 nm - 1050 nm）。MWIR光譜范圍（2900 nm - 4200 nm）用于分類(lèi)黑色塑料。近年來(lái)，CMOS和InGaAs傳感器技術(shù)（SenSWIR、Nyxel和STARVIS2技術(shù)）取得了重大進(jìn)展。因此，攝像系統(tǒng)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖4. CMOS和InGaAs相機(jī)傳感器的靈敏度

高光譜檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

高光譜相機(jī)在分選機(jī)中的位置至關(guān)重要，通常在傳送帶（主要是粗粒部分）或滑槽系統(tǒng)（主要是薄片分選）上實(shí)施物體檢測(cè)。

有兩種不同的安裝方式：反射式和透反射式。反射式是指記錄物體反射的光，因?yàn)榉謷C(jī)中通常會(huì)安裝黑色傳送帶。對(duì)于彩色傳送帶系統(tǒng)，也可以使用傳送帶反射的光，但必須消除傳送帶的光譜特性，尤其是在透明樣品的情況下。對(duì)于滑槽或自由落體系統(tǒng)，可以選擇淺色背景（陶瓷磚表面或聚四氟乙烯已被證明是有效的），這允許在透反射式布置中測(cè)量物體。

典型的機(jī)器設(shè)置由以下元素組成：

圖5. 塑料分揀機(jī)的典型配置

本次系統(tǒng)使用了兩種高光譜相機(jī)用于塑料分選的測(cè)試展示：

基于CMOS的高光譜近紅外相機(jī)BlackIndustry NIR （700 - 1050 nm）

基于InGaAs的高光譜SWIR相機(jī)BlackIndustry SWIR 1.7 Max （900 - 1750 nm）

圖6. BlackIndustry SWIR 1.7 / Max（左）和BlackIndustry NIR（右）

如何搭建高光譜檢測(cè)系統(tǒng)

1. 照明

在SWIR技術(shù)中經(jīng)常使用鹵素?zé)糇鳛檎彰鞴庠?，因?yàn)槠涓采w了紅外范圍，但有一些明顯的缺點(diǎn)，比如光源壽命有限，需要的能量高，產(chǎn)生的熱量高，特別是對(duì)一些食品檢測(cè)場(chǎng)景中溫度影響很大。

鹵素照明的最新替代品是快速中波紅外發(fā)射器，其峰值響應(yīng)為1500nm。而鹵素峰值響應(yīng)僅為1100nm，因此在強(qiáng)度分布和功耗方面，快速中波紅外發(fā)射器以更有效的方式覆蓋了SWIR的光譜范圍，這對(duì)塑料的第三個(gè)吸收帶尤其重要。

在VIS/NIR系統(tǒng)領(lǐng)域，鹵素照明也通常作為標(biāo)準(zhǔn)使用。目前也有特定的LED產(chǎn)品可以滿足需求，比如BlackIndustry近紅外相機(jī)可以與BlackBright近紅外LED條形燈一起使用。

圖7. NIR LED照明與短波紅外照明

最終測(cè)試設(shè)置如下圖所示：

圖8. 測(cè)試設(shè)置

2. 建立參考數(shù)據(jù)集

分類(lèi)不同的塑料，需要建立典型塑料PE和PP（聚烯烴）、ABS和PS（苯乙烯）、PVC、PA6以及透明塑料PET、PETG和PC的光譜數(shù)據(jù)參考數(shù)據(jù)集。

樣品放置在淺色或透明的參考板上，搭配光照和移動(dòng)設(shè)備。利用 BlackStudio 軟件獲取高光譜圖像并進(jìn)行分析，并使用 BlackStudio 軟件基于LDA方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。

圖9. BlackStudio軟件界面

以下是 BlackStudio 軟件的節(jié)選。左圖以灰度格式顯示記錄的塑料板二維圖像。彩色矩形（感興趣區(qū)域，ROI）標(biāo)記了提取光譜特征曲線的區(qū)域，分類(lèi)的結(jié)果顯示在右側(cè)，類(lèi)別顏色對(duì)應(yīng)于ROI。所有塑料樣品由于其特性和獨(dú)特的吸收帶而易于區(qū)分。

圖10. 不同塑料種類(lèi)的顏色標(biāo)注1

在BlackIndustry SWIR 1.7 Max相機(jī)的整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，塑料類(lèi)型的光譜特征如下圖所示：

圖11.?BlackIndustry SWIR 1.7 Max相機(jī)光譜圖

使用 BlackIndustry NIR 相機(jī)創(chuàng)建的高光譜數(shù)據(jù)立方體以灰度形式顯示為2D圖像，標(biāo)記的ROI構(gòu)成相鄰分類(lèi)的基礎(chǔ)。在分類(lèi)時(shí)，為了保證分類(lèi)模型不受顏色的影響，BlackIndustry NIR 的光譜范圍被限制在 800 - 1050 nm。

圖12. 不同塑料種類(lèi)的顏色標(biāo)注2

BlackIndustry NIR 具有非常高的空間分辨率，可以通過(guò)2D圖像的細(xì)節(jié)水平清楚地識(shí)別出來(lái)。此外，高靈敏度和良好的信噪比也使得即使吸收深度不是很大，光譜吸收波段也能被明顯識(shí)別：

圖13. 友思特?BlackIndustry NIR?相機(jī)光譜圖

3. 混合塑料樣品分析

混合的彩色和透明塑料片用來(lái)說(shuō)明一個(gè)真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景。下圖顯示了這些塑料薄片的典型圖像，它們是直接從碎紙機(jī)中獲得的。它們是透明PET片和彩色PE片，在PET/塑料瓶分揀中特別常見(jiàn)。與第一次應(yīng)用設(shè)置一樣，將塑料薄片放置在移動(dòng)板上，用中波紅外照明照射，分析和分類(lèi)同樣使用 BlackStudio 軟件進(jìn)行。

圖14. 混合塑料

這是根據(jù)SWIR相機(jī)的數(shù)據(jù)做的塑料片分類(lèi)分析，所記錄的塑料薄片的二維圖像也以灰度顯示，ROI以顏色標(biāo)記，分類(lèi)結(jié)果如下所示：

圖15. SWIR高光譜相機(jī)對(duì)塑料碎片的分類(lèi)結(jié)果

分類(lèi)結(jié)果表明，在沒(méi)有進(jìn)一步的對(duì)象處理和邊緣校正的情況下，SWIR高光譜相機(jī)系統(tǒng)對(duì)薄片進(jìn)行了完全穩(wěn)定和正確的分類(lèi)。

接下來(lái)驗(yàn)證NIR高光譜相機(jī)的測(cè)試結(jié)果，考慮的光譜范圍被限制在 820 - 1040 nm，這是塑料吸收帶的范圍。中間圖片的分類(lèi)表明薄片的正確區(qū)分。然而，應(yīng)該注意的是，透明 PET 薄片很難識(shí)別，因?yàn)?PET 的吸收帶與其他塑料相比相對(duì)較弱，而且材料厚度低、透明度和反射表面特性對(duì)分類(lèi)提出了挑戰(zhàn)。除了化學(xué)計(jì)量分類(lèi)外，還應(yīng)使用其他常規(guī)圖像處理方法進(jìn)行實(shí)際分類(lèi)應(yīng)用。

圖16. NIR高光譜相機(jī)對(duì)塑料碎片的分類(lèi)結(jié)果

總結(jié)

對(duì)于友思特的兩種高光譜相機(jī)系統(tǒng) (BlackIndustry SWIR 1.7 Max和BlackIndustry NIR)，所有塑料類(lèi)型都可以根據(jù)其特征吸收波段進(jìn)行精確分類(lèi)。

在SWIR范圍內(nèi)，吸收信號(hào)明顯強(qiáng)于NIR范圍，參考樣品在1600 - 1750 nm范圍內(nèi)的吸收占輻射的80%以上，增強(qiáng)了識(shí)別難以檢測(cè)的材料的可能性，例如：非常薄的塑料（箔）、污染的塑料、具有過(guò)飽和區(qū)域的變形樣品、反射信號(hào)較少的暗樣品。

在NIR范圍內(nèi)，所有相關(guān)塑料都表現(xiàn)出特征吸收帶，但是信號(hào)明顯變?nèi)趿?，所以在此范圍?nèi)需要優(yōu)化測(cè)量條件，比如照明盡量減少鏡面反射等設(shè)置。

以上測(cè)試展示了BlackIndustry相機(jī)在塑料分揀領(lǐng)域的潛力，下表則概述了BlackIndustry系統(tǒng)中典型塑料的可識(shí)別性。

圖17. BlackIndustry系統(tǒng)中典型塑料的可識(shí)別性

總的來(lái)說(shuō)，隨著高光譜制造工藝與光譜分析軟件的不斷發(fā)展，高光譜技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷拓展。友思特 BlackIndustry 相機(jī)提供高空間分辨率和高幀率，覆蓋廣泛的光譜范圍，結(jié)合專(zhuān)業(yè)的光譜數(shù)據(jù)采集與分析軟件，可實(shí)現(xiàn)塑料、食品行業(yè)中的雜質(zhì)分選，同時(shí)，推掃式相機(jī)適合檢測(cè)快速移動(dòng)的物體，是傳送帶、滑槽等工業(yè)場(chǎng)景檢測(cè)的不二之選。

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審核編輯 黃宇