La tecnologia dei sensori di imaging iperspettrale sta acquisendo sempre maggiore importanza in settori come l'agricoltura, l'industria, la medicina e la sicurezza, grazie alla sua capacità di vedere oltre il visibile. Sebbene il nome possa sembrare complesso, il suo funzionamento si basa su principi ottici che consentono di identificare materiali e sostanze attraverso le loro proprietà spettrali.
In questo articolo, approfondiremo cos'è esattamente un sensore di immagini iperspettrale, in che cosa si differenzia da altri tipi di sensori come i sensori multispettrali, le loro caratteristiche tecniche e le loro principali applicazioni. Esploreremo anche i vantaggi offerti da questa tecnologia e le sue attuali sfide.
Che cosa è un sensore di immagini iperspettrali?
Un sensore iperspettrale Si tratta di un dispositivo in grado di catturare immagini contenenti informazioni dettagliate da centinaia di bande spettrali in modo continuo, tipicamente nell'intervallo dello spettro elettromagnetico che va da ultravioletti (350 nm) fino a quando infrarosso vicino e medio (fino a 2500 nm).
Ciò che distingue questa tecnologia è che Ogni pixel nell'immagine generata contiene uno spettro completo, che consente di identificare i materiali tramite la loro "firma spettrale" unica. Queste firme spettrali riflettono le caratteristiche fisiche e chimiche dell'oggetto osservato, rendendo il sensore iperspettrale uno strumento preciso e non distruttivo per l'identificazione e il monitoraggio dettagliati di materiali, tessuti o oggetti.
Come funziona l'imaging iperspettrale?
La imaging iperspettrale Consiste nell'acquisizione e nell'elaborazione di informazioni dallo spettro elettromagnetico riflesso o emesso dagli oggetti. Il sensore divide questo spettro in una moltitudine di bande contigue molto strette, generando un'immagine tridimensionale, nota anche come cubo iperspettrale, con due dimensioni spaziali e una dimensione spettrale.
Questo "cubo" consente l'analisi dell'intensità luminosa a diverse lunghezze d'onda per ogni pixel dell'immagine. Ciò si traduce in un profilo spettrale unico per ogni punto osservato, offrendo un enorme potere discriminante tra materiali che possono apparire identici a occhio nudo.
Un'applicazione chiara potrebbe essere rilevare la parte marcia di un frutto senza bisogno di tagliarlo, poiché le proprietà spettrali del tessuto sano e danneggiato sono diverse, anche se non sono apprezzabili visivamente.
In che cosa si differenzia dai sensori multispettrali?
I sensori multispettrali catturano anche informazioni spettrali, ma lo fanno in un numero limitato di bande, in genere 5 a 10, che non sono necessariamente contigue. Queste bande includono tipicamente le bande visibili (rosso, verde e blu) e alcune bande del vicino infrarosso.
I sensori iperspettrali, d'altra parte, registrano centinaia di bande molto strette e contigue, che fornisce a risoluzione spettrale molto più elevataPer questo motivo, i sensori iperspettrali possono identificare con maggiore accuratezza l' composizioni chimiche oppure identificare materiali con proprietà molto simili, cosa che non sarebbe possibile con i sensori multispettrali.
Vantaggi e caratteristiche tecniche della tecnologia iperspettrale
I sistemi iperspettrali offrono una serie di vantaggi tecnici che li rendono unici per le applicazioni avanzate:
- Misurazione senza contatto: Poiché si tratta di telecamere, le informazioni possono essere acquisite senza dover toccare l'oggetto.
- Metodo non distruttivo: l'oggetto non risulta alterato o danneggiato durante l'analisi.
- Alta specificità: permette di distinguere anche variazioni minime tra materiali molto simili, grazie alla sua elevata risoluzione spettrale.
- Possibilità di misurazione in tempo reale: Esistono soluzioni che consentono di acquisire e analizzare le immagini all'istante, anche in ambienti industriali.
- Versatilità nelle condizioni di illuminazione: Possono essere configurati per funzionare con diversi tipi di illuminazione, come ad esempio quella a infrarossi o quella controllata.
Come l' tecnologie utilizzateEsistono diverse alternative. Alcune telecamere utilizzano filtri interferometrici di tipo Fabry-Perot applicati direttamente ai sensori, il che consente la miniaturizzazione del sistema, riduce i costi e lo rende più portatile. Altre utilizzano tecniche di scansione come “scopa a spinta”, che consiste nel catturare una linea dell'oggetto in ogni istante, spostando il sensore per costruire l'immagine completa.
Risoluzione spettrale e spaziale
Una delle caratteristiche più potenti dei sensori iperspettrali è la loro elevata risoluzione spettrale, che consente di differenziare le lunghezze d'onda con una separazione molto piccola, anche Da 10 a 20 nmCiò si traduce in una maggiore capacità di riconoscimento delle firme spettrali.
Tuttavia, questo vantaggio è spesso accompagnato da un risoluzione spaziale inferiore, poiché la quantità di dati che il sensore deve acquisire aumenta con l'aggiunta di così tante bande spettrali. Al contrario, i sensori multispettrali in genere hanno meno bande, ma le catturano con una maggiore risoluzione spaziale.
Dimensioni, elaborazione dei dati e complessità
Il volume di informazioni generato dalle immagini iperspettrali è enorme. Si tratta di dati tridimensionali che richiedono un elaborazione computazionale complessa e software specializzati. Questa analisi spesso include tecniche di chemiometria o algoritmi di apprendimento automatico per identificare modelli nelle firme spettrali.
Pertanto, una delle attuali sfide di questa tecnologia è la archiviazione efficiente e analisi rapida dei datiFortunatamente, stanno emergendo sempre più soluzioni che rendono questi strumenti più facili da utilizzare, anche in contesti industriali o sul campo.
Quando utilizzare i sensori iperspettrali rispetto a quelli multispettrali?
La scelta tra queste tecnologie dipende dall'obiettivo finale. sensori multispettrali solitamente più economico, più veloce da implementare e meno complesso, rendendoli ideali per attività in cui non è richiesto un dettaglio spettrale estremo.
Tuttavia, se l'analisi richiede elevata precisione e differenziazione fine tra i materiali, come nel caso della biomedicina, del controllo qualità o dell'identificazione mineralogica, allora un sensore iperspettrale è chiaramente più adatto.
In molti casi, entrambe le tecnologie possono addirittura essere combinate per sfruttare i rispettivi vantaggi.
Le applicazioni più notevoli dell'imaging iperspettrale
I sensori iperspettrali hanno un elenco di applicazioni in continua crescita, tra cui:
- Agricoltura e colture: valutazione della salute delle piante, rilevamento di malattie o stress idrico, analisi nutrizionale e mappatura delle specie.
- Industria alimentare: controllo di qualità non invasivo, rilevamento di corpi estranei, analisi nutrizionale e classificazione automatizzata.
- Medicina e bioscienze: analisi dei tessuti, diagnosi non invasiva, rilevamento di ferite o anomalie cellulari.
- Estrazione mineraria e geologia: identificazione accurata dei minerali, mappatura dei giacimenti e analisi del suolo.
- Controllo ambientale: rilevamento di inquinanti nell'acqua e nell'aria, monitoraggio di zone umide o incendi.
- Sicurezza e difesa: rilevamento di oggetti nascosti, sostanze chimiche o sorveglianza avanzata.
- Archeologia e arte: analisi dei pigmenti, conservazione delle opere e individuazione delle contraffazioni.
- Industria farmaceutica: controllo dei processi e autenticazione dei prodotti.
Tecnologie in evidenza sul mercato
Esistono diverse tecnologie e marchi che hanno sviluppato soluzioni specifiche per diverse applicazioni. Ad esempio:
- Nireos HERA: Utilizza la spettroscopia a trasformata di Fourier (FT), garantendo un'elevata accuratezza spettrale e un'eccellente stabilità, anche in ambienti industriali vibranti.
- HAIP-Nero: Si basa sulla tecnologia "push-broom" con adattamenti per ambienti statici e sistemi portatili, come telecamere portatili o sistemi integrati nei droni.
- SILIOS: Specializzati in telecamere multispettrali di tipo snapshot che consentono di catturare più bande simultaneamente grazie a filtri pixelati su sensori CMOS o InGaAs.
Grazie a questi progressi, questa tecnologia sta diventando sempre più flessibile, adattabile e accessibile a molteplici settori.
L'adozione di sensori iperspettrali in diversi ambiti rappresenta un'opportunità di innovazione che consente una raccolta dati più precisa e approfondita, facilitando decisioni più consapevoli e ottimizzate per ogni settore.
