短波红外SWIR成像应用案例-食品质量检测

短波红外成像如何加强食品与饮料的质量管理

前言：食品与饮料行业有着严格的质量控制标准，为的是确保消费者能获得安全、优质的产品。随着应用于检测的波长谱段的扩大，短波红外技术的检测速度、准确性、可靠性也得到了提升，从而用于更多的高端检测，做到减少产品污染、提高分拣能力，以及提升产品质量。

近年来，随着图像质量和消费能力的提高，短波红外技术在食品与饮料行业中得到了普及。本节讨论了短波红外成像技术在食品与饮料行业中的各种应用。

首选介绍一下短波红外的定义。对于光波以及不同波长光波的应用，已成为推动机器视觉产业发展的重要因素。通过对各种波长光波的利用，机器视觉系统可以用极高的精准度和效率完成各种检测任务。

光谱包含各种波长的光波，每种波长都有其独特性质，可分别用于各种各样的机器视觉检测任务

例如，波长比可见光短的紫外（UV）线可以用来检测材料中的裂纹等损伤情况。紫外线可被大多数材料吸收，穿透力弱，所以非常适用于表面检测。

光谱上可见光的另一端是红外（IR）段，它的范围从红色可见光的光谱末端一直到能够让我们感觉到热的这段区域（又叫长波红外线，LWIR)。

近红外（NIR）线的波长略长于可见光，但比会发热的红外线的波长要短得多。因其能够穿透许多材料，展现材料内部隐藏的特征和特点，被广泛用于各种机器视觉系统。以近红外灯为例，它被广泛用于农作物的病虫害调查，以及食品与饮料制造业中产品污染和其他质量问题的检测。

对于塑料、陶瓷、半导体等用可见光难以看清楚的材料来说，在检测时，波长更长的短波红外（SWIR）线可能比近红外（NIR）线更适用。这类材料的光谱性质是，能反射可见光和近红外线，但完全透过短波红外线。由于短波红外线具有的这种穿透能力，所以能够对这类材料进行质量检测，而这是过去通过传统成像方式所无法做到的。

案例分析

一、颗粒物监测

大米小麦等谷物通常会含有不同程度的杂质，例如外来异物，以及碎小、变色的谷物等。这些杂质会影响最终产品的质量，并可造成重大损失。利用短波红外成像可根据谷物、坚果、玉米等产品的大小、形状等因素对它们加以区分和分离，以准确识别污染物、变色物及其他缺陷情况，从而实现高效和有效的归类。

短波红外技术在应用于颗粒检测时有以下几大优势：

①高精度：能够同时进行可见光（RGB）成像和短波红外(SWIR）成像，通过单一通道对检测颗粒进行高分辨率的图像采集，且通道具有像素级的相关性，无视差问题。这样就可以让检测变得精确，甚至可以识别极小的缺陷或污染物，从而提高最终产品的整体品质。例如，在检测谷物和坚果时，可以识别出石头、金属、玻璃碎片等杂质。

②高效率：把短波红外技术融入对颗粒状材料进行高速实时检测，这样就能够有机会及时采取纠正措施，减少用于检测和返工浪费更多的时间和资源。这样一来，降低了污染危险，提高了食品安全，同时还简化加快了生产过程。

③穿透得更深：与可见光或近红外相机相比，短波红外相机的穿透力更强，适合采集更深处的详细图像，因此这种成像技术更适用于对高密度、不透明的材料进行分析。举例来说，可以穿过谷物颗粒的外层，检测内部的水分或其他数据，从而可以评估谷物的品质和营养价值。同样，它还可以穿过粉末的外层，检测粉末内部的异物或污染物情况，确保粉末的品质和安全。

以下是短波红外成像应用于颗粒材料检测时的几个示例：

1、材质分拣

不同类型的坚果（如杏仁、腰果、花生）和谷物（如小麦、大麦、燕麦）都具有细微差异，当这些材料被短波红外线照射时，根据其性质不同，可吸收、透射、反射不同波长的光线。因此可以根据这些材料光谱特性的不同对它们进行分类。在这些应用场景中，如果使用能够同时捕捉可见光和短波红外的技术，则可以更快、更准确地分离不同类型的谷物，提高生产效率并降低污染风险。

在采摘或运输食物时，容易混入异物、灰尘、坚果壳等杂质。有一种筛检杂质的方法就是使用短波红外技术来采集图像，通过杂质的不同反射特性将它们区分出来。举例来说，面粉可能会混入坚果壳，这对坚果过敏的人来说是一种风险。可以利用短波红外成像数据检测出这些污染物并将它们在生产过程中剔除掉，这样就能降低消费者受到伤害的风险。

2、水分分析

利用短波红外成像可以确定颗粒材料中的水分多少。水分多寡事关到食品的保质期、品质和安全。举例来说，可以将相机与合适的照明技术相结合，用于确定面包对不同波长光线的吸收量，然后生成水分图表，这就能展现样品不同位置所含水分情况。

二、包装监测

包装检测是一项系统性的工作，只有进行彻底的检查，才能确保包装符合质量和安全要求，让消费者对产品放心。使用短波红外技术的相机在应用于包装检测时有以下优势。

①穿透得更深

由于短波红外线可以穿透多种塑料及塑料表面的印刷层，因此短波红外技术可以对材料内部进行清晰、详细地成像。比如说，它能够检测出不透明塑料容器内的填充情况，从而可以确保容器内产品的填充量符合要求。

②材料鉴别

短波红外光线在不同的材料上（如塑料、纸、金属等）会表现出特有的反射情形，所以可以用它来对材料进行识别。举例来说，假设一家食品公司的产品使用的是纸质包装，那这家公司必须要确保这些包装的质量稳定，且不能含有可渗入产品中的有害污染物。

③改进了对缺陷和污染的检测

食品与饮料产品的包装常会使用塑料、玻璃、金属等材料，这些材料在生产过程中易会受到油脂等液体的污染。因为短波红外线对不同材料的透射程度有差异，所以可以据此分辨出这些污染物，这样一来，食品厂商就能够更加快速准确地识别出受到污染影响的产品并将之剔除，从而确保产品安全。举例来说，他们可以检测出包装材料中的缺陷（如气穴、密封薄弱处等），避免这些缺陷导致产品变质或产品受到污染。此外，利用短波红外相机还可以检测到罐头等产品包装上的油性污染物，然后通过系统把它们从生产线上剔除掉。

以下是短波红外成像应用于包装检测的几个示例

1、水分检测

包装材料易受水分的影响导致起皱、变色，甚至无法使用。这时，短波红外成像通常是首选，因为短波红外线能被水分子吸收，它甚至能透过不透明和多层的包装材料（如复合膜包装、塑料小袋等）检测到水份情况。

2、透过包装检测产品

短波红外成像可以检测塑料等包装材料中的产品。例如，它可以确定液体产品的填充程度，从而控制产品质量。

3、防伪保护

这一点虽然严格来说与食品无关，但这种用于验证食品标签的技术也可应用在购买食品的钱币上。短波红外相机可以通过分析钱币的墨水特征、纸张纹理、打印技术等特点来检测假币。通过成熟的算法对相机所采集的图像进行分析，就可看出钱币中发出的红外辐射是否和真币中的材料一致，从而轻松识别假币。

三、 可见光与短波红外相结合，同时分别成像

尽管短波红外成像可以提高检测效率，但对于许多与食品有关的机器视觉应用来说，可见光成像仍旧不可或缺。可见光成像可以分析颜色的细微差别，检查尺寸和形状，验证标签等印刷材料的颜色。为了检测更多类型的缺陷，食品与饮料制造业在执行质量检测时往往会在一条生产线上同时应用可见光和红外成像技术。

同时使用可见光和短波红外成像，可以对食品进行更全面的分析，检测精度更高。可见光成像系统可捕捉可见光，生成物体的彩色图像，用于检测表面缺陷和分析颜色变化。而短波红外成像系统可捕捉短波红外线，提供物体在非可见光谱上的光学特性信息，能够穿透特定材料并检测到材料内部的特征。

在以下示例中，可见光被用来验证包装上彩色印刷和标签文字的准确性，而短波红外线则被用来透过包装，检测内部的坚果（显示为深色）。这种综合数据可以使检测更加准确可靠，满足产品质量和安全标准。

可见光（RGB）与短红外（SWIR）技术结合，同时检测包装的彩色印刷内容及里面的产品。

结论：短波红外成像，对食品与饮料行业来说是一项有价值的技术，该技术能够检测到无法直接观察的缺陷和污染物，帮助企业产品质量保持高标准，并确保产品的消费安全。