Imagen multilongitud de onda para la discriminación de materiales y el análisis físico-químico
- De 4 a 16 longitudes de onda discretas (multiespectral) o más de 50 bandas contiguas (hiperespectral) adquiridas secuencialmente por píxel.
- Las firmas espectrales por píxel permiten la clasificación de materiales, la caracterización de defectos y el análisis cuantitativo de la composición.
- Ideal para la clasificación agrícola, la inspección farmacéutica, la discriminación de plásticos reciclados, la detección de cuerpos extraños.
- Control independiente de canales con sincronización precisa de la cámara, necesaria para las mediciones espectrales cuantitativas.
- La selección de longitudes de onda mediante PCA sobre una caracterización espectral de alta resolución identifica el conjunto discriminante mínimo.
- La adquisición secuencial escala linealmente con el número de bandas — la adquisición simultánea mediante divisores de haz dicroicos reduce el tiempo de ciclo a un coste mayor.
La iluminación LED multiespectral e hiperespectral proporciona varias longitudes de onda discretas en un único dispositivo, lo que permite la imagen secuencial o simultánea en distintas bandas espectrales. El conjunto de imágenes multibanda resultante contiene información espectral en cada píxel, que puede aprovecharse para la discriminación de materiales, la caracterización de defectos, el análisis físico-químico y otras tareas de inspección que superan las capacidades de la imagen monobanda. La técnica tiende un puente entre la visión artificial tradicional y la espectroscopia analítica, llevando el análisis espectral de nivel de laboratorio a la inspección industrial.
Principio de funcionamiento de la iluminación multiespectral
Un iluminador multiespectral combina varias matrices de LED de distintas longitudes de onda en el mismo dispositivo, normalmente con control eléctrico independiente de cada longitud de onda. El objeto se capta secuencialmente bajo cada longitud de onda, produciendo una pila de imágenes que comparten las mismas coordenadas espaciales pero difieren en su contenido espectral. La intensidad de cada píxel a lo largo de la pila define una firma espectral que puede analizarse para identificar la composición local del material o para realzar el contraste en detalles específicos.
La distinción entre multiespectral e hiperespectral es principalmente de resolución espectral. Los sistemas multiespectrales utilizan un pequeño número (normalmente de 4 a 16) de longitudes de onda discretas elegidas para aplicaciones específicas. Los sistemas hiperespectrales utilizan un gran número (normalmente de 50 a varios cientos) de bandas de longitud de onda contiguas que aproximan un espectro continuo en cada píxel. En visión industrial dominan las configuraciones multiespectrales por su menor coste, su tiempo de adquisición más corto y su rendimiento suficiente para la mayoría de las tareas de discriminación.
Adquisición secuencial y simultánea
La adquisición multiespectral secuencial capta el objeto bajo cada longitud de onda por turno, normalmente sincronizada con la exposición de la cámara para producir una imagen por longitud de onda. El tiempo total de adquisición escala linealmente con el número de longitudes de onda, lo que hace que la adquisición secuencial no sea adecuada para líneas de inspección muy rápidas. La adquisición multiespectral simultánea utiliza divisores de haz dicroicos y varias cámaras para captar varias longitudes de onda en una sola exposición, a costa de un hardware más complejo y una menor flexibilidad en la selección de longitudes de onda.
Aplicaciones industriales típicas
La iluminación multiespectral e hiperespectral es esencial para la clasificación y calibrado de productos agrícolas, donde la madurez, los defectos y la contaminación producen firmas específicas de cada longitud de onda; la inspección farmacéutica, donde el contenido de principio activo, el espesor del recubrimiento y la contaminación pueden cuantificarse a partir de mediciones espectrales; la inspección de productos alimentarios para la detección de cuerpos extraños, la evaluación de la frescura y la detección de adulteraciones; el control de calidad de plásticos reciclados mediante la identificación del tipo de polímero; la detección de defectos camuflados en superficies recubiertas e impresas; la inspección de encapsulados de semiconductores para la composición de las capas internas; y cualquier aplicación que requiera una discriminación de materiales superior a la capacidad de la imagen visible. Las geometrías multilongitud de onda se desarrollan dentro de la cartera de iluminadores LED a medida.
Criterios de selección y consideraciones de diseño
La selección de longitudes de onda es la decisión de diseño crítica y requiere una caracterización espectral cuidadosa de los materiales objetivo. El conjunto mínimo de longitudes de onda necesario para discriminar entre las clases objetivo puede identificarse a menudo mediante un análisis de componentes principales de mediciones espectrales de alta resolución. Los sistemas multiespectrales industriales típicos utilizan de 4 a 8 longitudes de onda que abarcan el visible y el infrarrojo cercano, cada una seleccionada para la máxima discriminación de una característica específica.
La uniformidad de intensidad entre longitudes de onda debe controlarse para permitir un análisis espectral cuantitativo. Las distintas longitudes de onda LED tienen diferentes eficiencias de emisión, divergencias de haz y características de envejecimiento, y todas ellas afectan a la intensidad aparente de la imagen correspondiente. Los procedimientos de calibración con patrones de referencia son esenciales para cualquier aplicación multiespectral que requiera mediciones espectrales absolutas.
Sincronización y procesamiento de imagen
La adquisición multiespectral secuencial requiere una sincronización precisa entre el control de la iluminación y la exposición de la cámara para garantizar que cada imagen se capte bajo una única longitud de onda bien definida. Los controladores multiespectrales modernos integran la conmutación de los LED y el disparo de la cámara en un único dispositivo, lo que simplifica la integración. La pila de imágenes resultante se procesa con algoritmos calibrados para extraer firmas espectrales, realizar clasificaciones o calcular mediciones cuantitativas. En el catálogo RODER de drivers LED y controladores electrónicos hay disponibles drivers multicanal específicos compatibles con controladores de visión industrial.
Integración y limitaciones
Los sistemas multiespectrales son más complejos que los sistemas de una sola longitud de onda y requieren mayores conocimientos de análisis espectral, calibración y procesamiento de imagen. Los costes de hardware son más altos debido a las múltiples matrices de LED y a la electrónica de control. El tiempo de integración es mayor porque el algoritmo de inspección debe desarrollarse y validarse con una muestra representativa de los materiales objetivo.
La principal limitación de la iluminación multiespectral es el mayor tiempo de adquisición que requiere la imagen secuencial, lo que limita la velocidad máxima de producción. La adquisición multiespectral simultánea resuelve parcialmente este problema, pero a un coste mayor y con menor flexibilidad. Para líneas de alta velocidad que requieren análisis espectral, la optimización del hardware tanto de la iluminación como de la adquisición es esencial y puede requerir una ingeniería a medida en lugar de componentes estándar. A pesar de estas complejidades, la iluminación multiespectral e hiperespectral sigue siendo la única opción práctica para las tareas de inspección que requieren una discriminación cuantitativa de materiales a ritmos de producción industriales.
Iluminadores LED multiespectrales RODER Vision
RODER Vision diseña iluminadores LED multiespectrales y multicanal específicos para cada aplicación, con control independiente de la longitud de onda, para aplicaciones de visión industrial que requieren discriminación de materiales, clasificación y análisis espectral cuantitativo.
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