Development of Scanning and Snapshot Hyperspectral Imaging Systems for Industrial Sorting Machines

Dette industrielle Ph.D.-projekt, et samarbejde mellem Newtec Engineering A/S og SDU NanoSyd ved Syddansk Universitet, fokuserer på at fremme hyperspektral billeddannelsesteknologi for at overkomme begrænsningerne ved traditionelle optiske sorteringsmetoder. Med støtte fra Innovationsfonden har forskningen til formål at udvikle, optimere og implementere hyperspektrale snapshot- og linjescan kameraer med særlig vægt på snapshot computed tomography imaging spectrometer (CTIS). 

Projektet har med succes designet, fremstillet og testet en skræddersyet prototype af et snapshot CTIS, der er i stand til realtidsrekonstruktion af hyperspektrale datakuber i området 600 til 850 nm. Betydelige forbedringer er foretaget i systemets mekaniske og optiske design, herunder integrationen af et specialdesignet nær-infrarød (NIR) diffraktivt optisk element, avancerede 3D-printede komponenter og implementeringen af en GSENSE2020-billedsensor med forbedret følsomhed i NIR-området. Derudover blev kvalitetskontrolprocedurer for samling, kalibrering og validering udviklet for at sikre pålidelig ydeevne. 

For at forbedre rekonstruktionsnøjagtighed og beregningstid blev iterative algoritmer, herunder expectation maximization (EM)-algoritmen, implementeret. Derudover blev artificial neural networks (ANNs) rekonstruktionsmodeller udviklet, herunder convolutional neural network (CNN) og hybride iterative-CNNmodeller. Disse modeller leverede forbedret nøjagtighed og muliggør hyperspektral billeddannelse i videohastighed. Der blev også udviklet en CTIS-simulator, der gjorde det muligt at simulere CTIS-billeder baseret på systemets reelle parametre, hvilket lettede genereringen af træningsdata til ANN-modeller og udforskning af nye CTIS-designs.

Gennem projektet fungerede Newtecs hyperspektrale linje-scan systemer som referencepunkter, især i en sammenlignende undersøgelse af forudsigelse af °Brix og pH-værdier i vindruer. Selvom linje-scan systemet viste sig at være overlegent i forudsigelsesnøjagtighed, leverede CTIS-systemet rimelige estimater, især for °Brix, hvilket demonstrerer dets potentiale til anvendelse i marken.

Ud over industrielle anvendelser blev CTIS-systemet anvendt til studier inden for kulturarv, hvor det afslørede hidtil ukendte undertegninger i Vilhelm Lundstrøms malerier og muliggjorde pigmentidentifikation. Desuden blev der udviklet et nyt hyperspektralt mikroskopisystem ved hjælp af Newtecs Vis-SWIR Oculus-kamera, der tilbyder detaljeret rumlig og spektral analyse over et spektralområde fra 450 til 1700 nm.

Sammenfattende etablerer denne afhandling et solidt fundament for fremtidig forskning og udvikling inden for snapshot hyperspektral billeddannelse og bidrager med betydelige fremskridt både til teoretisk viden og praktiske anvendelser på tværs af forskellige videnskabelige, industrielle og kulturelle områder.