A hiperspektrális képalkotás (Hyperspectral Imaging, HSI) egy teljesen roncsolásmentes eljárás, mellyel különböző anyagokat vagy ezek különböző tulajdonságait tudjuk azonosítani. Mivel minden anyag más módon lép kapcsolatba a fénnyel, az általa (reflektált) fény spektrális jellemzőinek mérésével az adott anyagra jellemző információhoz, mintegy „spektrális ujjlenyomathoz” juthatunk. Az erre a célra alkalmazott műszer a spektrométer, mellyel az adott anyagra jellemző reflexiós spektrum vehető fel: itt a hullámhossz függvényében ábrázoljuk a visszavert intenzitást.
A spektrum tehát az egyes anyagokra jellemző, egyedi „azonosító”, mellyel a különböző anyagok világosan elkülöníthetőek egymástól, hasonlóan ahhoz, ahogyan az ujjlenyomat segítségével az egyes embereket meg tudjuk különböztetni.
A spektrumok mérésével és kiértékelésével a spektroszkópia foglalkozik. A hiperspektrális képalkotás (vagy képalkotó spektrometria) azonban ennél bővebb információt szolgáltat: nem csupán egy adott (homogén vagy pontszerű) anyag spektrumát veszi fel, hanem a hiperspektrális képalkotáshoz használt kamera egyidejűleg egy kiterjedt tárgyról készített kép minden egyes képpontjának a spektrumát képes rögzíteni.
Más megközelítésből nézve: egy hagyományos fényképezőgép/RGB kamera minden képponthoz három színt rögzít (vagyis három spektrális csatornán „mér”), amiből az emberi látáshoz hasonló módon egy színes képet tudunk előállítani az adott tárgyról. Egy hiperspektrális kamera ezzel szemben minden képponthoz egy teljes spektrumot (akár többszáz spektrális csatornán) rögzít, és ezáltal a kép minden egyes képpontjáról pontos spektrális információt tud szolgáltatni. Így tehát egy hiperspektrális képfelvételnél nem egy 2 dimenziós képet, hanem egy 3 dimenziós adatkockát kapunk eredményül.
Vagyis egyszerre rögzítünk térbeli és spektrális információt is, és ez hatalmas potenciált jelent az egyszerű spektroszkópiához vagy egy sima képfelvételhez képest!
A hiperspektrális kamera működése
A hiperspektrális kamerák működési elve többféle lehet, attól függően, hogy milyen érzékenységre ill. spektrális felbontásra van szükség. Ezek közül a line scan (vagy ú.n. „push broom”) kamerákat nézzük meg részletesebben: ezek nagy térbeli és spektrális felbontást kombinálnak nagy érzékenységgel.
Az ilyen kamerák egy nagy fényerejű objektívből, egy spektrográfból és egy szürkeárnyalatos érzékelőből állnak. Az objektív által begyűjtött fényt egy keskeny (a lenti képen vízszintes) résen vezetjük át, így az érzékelőn a vizsgált tárgynak csak egy keskeny szeletéről fogunk információt kapni. A spektrográf az áthaladó fényt hullámhosszok szerint spektrumra bontja, és így juttatja az érzékelőre, mely ezáltal egyidejűleg fog spektrális és térbeli információt is detektálni. (A lenti példában a térbeli információ a vízszintes tengely, a spektrális a függőleges tengely mentén kerül rögzítésre.)
Ahhoz, hogy a vizsgálandó tárgy minden egyes pontjáról képet tudjunk készíteni, vagy a kamerát, vagy a mintát mozgatni kell (ezért hívják az ilyen típusú kamerát „line scan” kamerának). Ezért a hiperspektrális kamerákat leggyakrabban futószalag fölé helyezve, valamilyen mozgatóra rögzítve, vagy légi (újabban leginkább drónos) környezetben használják.
A fenti példából látszik, hogy a spektrális felbontást a résszélesség fogja meghatározni. Keskeny résnél nagyobb lesz a spektrális felbontás, ugyanakkor a rés az átjutó fény mennyiségét erősebben korlátozza, romlik az érzékenység. Emiatt a nagy fényerejű objektív, a megfelelő érzékelő és a spektrográf milyensége alapvetően meghatározzák az eredményül kapott hiperspektrális felvétel minőségét.
A hiperspektrális képalkotás felhasználási területei
Hiperspektrális kamerákat leggyakrabban futószalagos minőségellenőrzéshez vagy légi távérzékeléshez használnak. Mivel a látható hullámhossz-tartományon túl az infravörös tartományban is lehet velük mérni (akár a hosszú hullámhosszú infravörösig), rendkívül széles körben alkalmazhatóak.
Ipari felhasználásuk legjelentősebb területe a szortírozás és az élelmiszeripari minőségellenőrzés, pl. szennyező anyagok és hibás termények kiválogatása, hulladékok szelektálása, csomagolás utáni ellenőrzés.
Légi távérzékelésben vegetációs és precíziós mezőgazdasági vizsgálatokhoz, valamint környezeti monitorozásra használják a módszert.
Maradt még kérdése? Nézze meg hiperspektrális kameráinkat, olvasson az alkalmazási lehetőségekről bővebben a Specim oldalán, vagy vegye fel velünk a kapcsolatot, szívesen segítünk!