Imaging iperspettrale e multispettrale: la nuova frontiera del controllo qualità industriale

I sistemi di visione artificiale standard operano nello spettro visibile. Una telecamera monocromatica misura l’intensità. Una telecamera a colori misura l’intensità su tre ampie bande spettrali. Entrambi gli approcci sono adatti a rilevare forma, dimensione, texture superficiale e qualità di stampa. Nessuno dei due è concepito per rilevare la composizione del materiale, la contaminazione chimica o le proprietà sotto la superficie.

L’imaging iperspettrale e multispettrale estende l’intervallo spettrale di un sistema di visione oltre il visibile. Acquisisce informazioni su come un materiale interagisce con la luce a molte lunghezze d’onda contemporaneamente. Queste informazioni possono rivelare proprietà del tutto invisibili alle telecamere convenzionali, aprendo capacità di ispezione finora disponibili solo negli strumenti analitici da laboratorio.

Che cos’è l’imaging iperspettrale e in che cosa differisce dall’RGB

Una telecamera a colori standard acquisisce tre ampie bande spettrali: rosso, verde e blu. Ogni pixel dell’immagine memorizza tre valori. È sufficiente per distinguere colori che l’occhio umano percepirebbe come diversi, ma offre una risoluzione spettrale molto limitata.

Una telecamera iperspettrale acquisisce centinaia di bande spettrali strette su un ampio intervallo di lunghezze d’onda. Ogni pixel memorizza una firma spettrale completa: una curva che descrive quanta luce quel punto della superficie riflette o trasmette a ciascuna lunghezza d’onda. Quella firma spettrale è caratteristica del materiale in quel punto. Materiali diversi, anche quelli che all’occhio appaiono identici, hanno di norma firme spettrali diverse.

Il risultato è un cubo di dati tridimensionale: due dimensioni spaziali e una spettrale. L’elaborazione di questo cubo di dati consente al sistema di visione di classificare materiali, identificare contaminanti, rilevare alterazioni chimiche e misurare la composizione: operazioni impossibili con i dati di immagine convenzionali.

Multispettrale e iperspettrale: differenze pratiche

L’imaging multispettrale impiega un numero ridotto di bande spettrali — tipicamente da quattro a venti — scelte perché siano le più informative per una specifica applicazione. Le bande possono coprire il visibile, il vicino infrarosso (NIR), l’infrarosso a onde corte (SWIR) o l’ultravioletto (UV), a seconda del compito di ispezione.

L’imaging iperspettrale impiega centinaia di bande strette e contigue su un ampio intervallo spettrale continuo. Acquisisce più informazioni, ma genera volumi di dati molto maggiori e richiede più potenza di calcolo.

Nel controllo qualità industriale l’imaging multispettrale è il più diffuso negli ambienti di produzione. Il numero ridotto di bande lo rende più compatibile con l’elaborazione in tempo reale sulle linee. L’imaging iperspettrale è impiegato più spesso nella ricerca e sviluppo, nell’analisi qualitativa offline e nelle applicazioni in cui serve la massima risoluzione spettrale.

Come scegliere tra multispettrale e iperspettrale

La scelta tra multispettrale e iperspettrale dipende dai requisiti dell’applicazione. Se la firma spettrale del materiale bersaglio è già nota e si può individuare un piccolo insieme di lunghezze d’onda informative, l’imaging multispettrale con un set fisso di bande è più pratico ed economico. Se le caratteristiche spettrali del bersaglio sono ignote o molto variabili, l’imaging iperspettrale fornisce i dati spettrali completi necessari a sviluppare un algoritmo di rilevamento affidabile.

Requisiti di illuminazione per i sistemi di imaging spettrale

La sorgente di illuminazione è un componente critico di qualsiasi sistema di imaging spettrale. La telecamera può misurare solo le lunghezze d’onda presenti nell’illuminazione. Se la sorgente non emette nell’intervallo spettrale di interesse, la telecamera non riceve alcun segnale a quelle lunghezze d’onda.

Nei sistemi industriali di imaging spettrale si impiegano tre principali approcci di illuminazione.

Illuminazione a banda larga

L’illuminazione a banda larga copre un ampio intervallo spettrale con un’unica sorgente. Le lampade alogene al tungsteno sono la sorgente a banda larga tradizionale e offrono un’emissione continua dall’UV al NIR. Le moderne sorgenti LED ad alta potenza possono avvicinarsi a una copertura a banda larga combinando più emettitori a lunghezze d’onda diverse in un unico corpo. L’illuminazione a banda larga è adatta ai sistemi iperspettrali che richiedono copertura spettrale completa.

Illuminazione LED accordata sullo spettro

Per i sistemi multispettrali che impiegano un insieme fisso di lunghezze d’onda note, l’illuminazione LED accordata su quelle lunghezze d’onda è l’approccio preferibile. I LED offrono picchi di emissione spettrale stretti, alta intensità e lunga durata. Un illuminatore multispettrale può essere realizzato combinando LED di lunghezze d’onda diverse in un unico corpo, con ciascuna lunghezza d’onda commutabile in modo indipendente.

RODER Vision realizza illuminatori LED con lunghezze d’onda dai 365 nm dell’UV, passando per i colori del visibile, fino agli 850 nm e 940 nm del vicino infrarosso. Le configurazioni multi-lunghezza d’onda possono essere specificate con combinazioni di lunghezze d’onda nello stesso corpo illuminante. Questo consente ai progettisti di realizzare sistemi di illuminazione multispettrale compatti impiegando famiglie di prodotto standard, senza ottiche su misura.

Illuminazione accordabile e sequenziale

I sistemi di illuminazione accordabile commutano le lunghezze d’onda in sequenza, acquisendo un’immagine per ciascuna. La telecamera acquisisce una serie di immagini, ognuna illuminata da una lunghezza d’onda diversa, e l’informazione spettrale viene ricomposta dalla sequenza. Questo approccio richiede che il pezzo resti fermo durante la sequenza di acquisizione, oppure che la velocità di commutazione sia sufficiente a congelare il movimento su una linea in marcia.

Gli illuminatori RODER Vision supportano la commutazione indipendente dei canali tramite ingressi digitali. Questo li rende compatibili con le configurazioni di imaging multispettrale sequenziale in cui la lunghezza d’onda di illuminazione viene cambiata tra un fotogramma e l’altro e sincronizzata con il trigger della telecamera.

Applicazioni industriali dell’imaging spettrale

Qualità alimentare e rilevamento delle contaminazioni

L’imaging spettrale NIR è ampiamente impiegato nell’industria alimentare per individuare corpi estranei, misurare il contenuto di umidità e scartare i prodotti fuori specifica. Frammenti di osso nel pollame, contaminazioni plastiche nei cereali e ammaccature nella frutta sono esempi di difetti invisibili alle telecamere standard ma rilevabili con l’imaging multispettrale NIR.

Ispezione farmaceutica

La produzione farmaceutica impiega l’imaging spettrale per verificare la composizione delle compresse, individuare difetti di miscelazione nelle polveri e segnalare principi attivi errati o degradati. Le lunghezze d’onda più utilizzate sono NIR e SWIR. La firma spettrale di ciascun principio attivo è nota e consente la verifica in tempo reale del contenuto della compressa senza campionamento distruttivo.

Riciclo e selezione dei materiali

L’imaging spettrale NIR è la tecnologia principale nella selezione automatica per il riciclo delle plastiche. I diversi tipi di polimero — PET, HDPE, PP, PVC — presentano firme spettrali NIR distinte. Un sistema di selezione iperspettrale può classificare i pezzi in plastica per tipo di polimero in tempo reale e indirizzarli al flusso di riciclo corretto. Questa applicazione è in forte crescita, di pari passo con l’inasprimento dei requisiti sul contenuto riciclato nella normativa sugli imballaggi.

Agricoltura e classificazione dei prodotti

L’imaging multispettrale è impiegato nelle linee di selezione agricola per classificare i prodotti per grado di maturazione, individuare malattie e segnalare residui di pesticidi. Contenuto di clorofilla, stress idrico e concentrazione zuccherina presentano tutti firme spettrali nel visibile e nel NIR. I sistemi di classificazione basati sull’imaging spettrale forniscono risultati più accurati e costanti dell’ispezione visiva umana.

Criticità dell’imaging spettrale industriale

I sistemi di imaging spettrale generano grandi volumi di dati. Un’immagine iperspettrale di un’area ridotta può contenere centinaia di megabyte per fotogramma. Elaborare quei dati in tempo reale richiede risorse di calcolo consistenti e algoritmi progettati con efficienza.

Il costo è un fattore rilevante. Le telecamere iperspettrali sono sensibilmente più costose delle telecamere monocromatiche o a colori standard. Il sistema di illuminazione deve coprire l’intervallo spettrale richiesto con intensità e uniformità adeguate. L’integrazione di sistema è più impegnativa rispetto a una cella di visione artificiale standard.

Per questi motivi l’imaging spettrale viene adottato di norma dove l’ispezione non è risolvibile con i metodi di visione standard e dove il valore dell’informazione rilevata giustifica il costo aggiuntivo del sistema. Con la riduzione del costo delle telecamere e l’efficienza crescente dell’elaborazione basata sull’IA, la soglia economica per l’adozione dell’imaging spettrale continua ad abbassarsi.

Dove sta andando l’imaging iperspettrale nella visione industriale

La tendenza nell’imaging spettrale industriale è verso sistemi più piccoli, più veloci e meno costosi. Sono disponibili telecamere iperspettrali line-scan progettate per l’integrazione su nastro a prezzi impensabili cinque anni fa. Le telecamere SWIR con sensori InGaAs, un tempo riservate alle applicazioni aerospaziali e della difesa ad alto costo, stanno entrando nei mercati del controllo qualità industriale.

L’illuminazione LED accordabile è una tecnologia abilitante per lo sviluppo di questo mercato. Con il migliorare dell’efficienza dei LED e l’affinarsi dei progetti di illuminatori multi-lunghezza d’onda, il costo del sottosistema di illuminazione per i sistemi multispettrali continua a scendere. Le capacità multi-lunghezza d’onda di RODER Vision collocano la gamma di prodotti al servizio di queste applicazioni emergenti man mano che si diffondono nell’ispezione industriale di uso comune.

Prodotti e tecnologie

Le famiglie di illuminatori multi-lunghezza d’onda RODER Vision

Le famiglie RODER Vision elencate di seguito sono disponibili in più opzioni di lunghezza d’onda, tra cui UV, visibile e NIR. Sono adatte alle configurazioni di imaging multispettrale nel controllo qualità industriale.

Domande frequenti