Hyperspektrikuvantaminen on jo pitkään ollut tehokas työväline kaukokartoituksessa ja satelliittisovelluksissa, sillä sen avulla erilaisten kohteiden kemiallinen koostumus voidaan tunnistaa etäältä. Tekniset haasteet ja korkeat kustannukset ovat kuitenkin rajoittaneet sen käyttöä teollisuudessa. Pian hyperspektrikuvantaminen voi kuitenkin mullistaa muun muassa jätehuollon, elintarviketeollisuuden ja lääketeollisuuden. VTT:n kehittämässä teknologiassa on mietitty uudelleen valonlähteen rooli hyperspektrikuvantamisessa, jotta teknologian käyttömahdollisuuksia voitaisiin laajentaa.
Lyhyesti
Nopeus ja tarkkuus: Uusi teknologia voi tallentaa jopa 200 000 viivaa sekunnissa, mikä mahdollistaa kohteiden nopean kuvaamisen ja spatiaalisen resoluution skaalaamisen. Niinpä teknologia sopii erinomaisesti myös nopeasti liikkuviin tuotantolinjoihin.
Laaja spektrialue: Teknologia kattaa laajan sähkömagneettisen spektrin ja toimii myös SWIR-alueella (lyhytaaltoinen infrapuna). Sen avulla voidaan erotella muun muassa muovien, elintarvikkeiden ainesosien ja lääkeaineiden yksilölliset spektrit.
Kustannustehokkuus: Teknologia perustuu massavalmistettaviin komponentteihin, joten se voidaan skaalata kustannustehokkaasti hyperspektrikuvantamisen yleistymisen mahdollistaviin tuotantomääriin.
Täysin uusi lähestymistapa hyperspektrikuvantamiseen
Perinteisesti hyperspektrikuvantamista on kehitetty kaukokartoitussovelluksiin, kuten satelliittikuvantamiseen ja ilmasta tehtäviin tutkimuksiin. Näissä käyttötarkoituksissa aurinko on ollut ainoa järkevä valonlähde.
Auringonvalon hyödyntäminen on muodostunut historialliseksi taakaksi, joka on rajoittanut hyperspektrikuvantamisen soveltamista teollisuudessa. Nykyiset kuvantamisjärjestelmät on optimoitu tilanteisiin, joissa valonlähteen hallinta ei ole mahdollista.
“Olemme tutkineet hyperspektrikuvantamista jo pitkään. Huomasimme, että teknologian todellisen potentiaalin hyödyntäminen vaatisi perustavanlaatuista uudelleenajattelua”, sanoo VTT:n hyperspektri- ja kuvantamisteknologian teknologiajohtaja Jussi Soukkamäki. ”Säädettävän valonlähteen yhdistäminen nopeaan kameraan luo mahdollisuuksia, jotka olivat jääneet laajalti huomiotta.”
VTT:n uudessa lähestymistavassa yhdistetään säädettävä, keinotekoinen valonlähde ja nopea viivakamera. Yhdistelmä mahdollistaa ennennäkemättömän nopean, tarkan ja joustavan spektrikuvantamisen.
Hyperspektrikuvantamisesta valtavirtaa
VTT:n innovaation ansiosta hyperspektrikuvantaminen onnistuu helposti myös ilman auringonvaloa. Innovaatio avaa uusia mahdollisuuksia hyperspektrikuvantamiselle teollisuudessa ja muissa käyttötarkoituksissa, joissa kamera on lähellä kohdetta ja valaistusolosuhteita on pystyttävä säätämään tarkasti.
Soukkamäki uskoo, että hyperspektrikuvantamisen odotettu läpimurto on nyt lähellä: “Tämä on jännittävää aikaa hyperspektrikuvantamiselle, sillä lähestymme koko ajan teknologian laajempaa hyväksyntää. Uskomme, että kehittämämme ratkaisu mahdollistaa hyperspektriteknologian lopullisen läpimurron.”
Lupaavimpia käyttötarkoituksia teknologialla ovat muun muassa:
Elintarviketeollisuus
Teknologia voi mullistaa elintarviketeollisuuden laadunvalvonta- ja lajitteluprosessit. Korkean resoluution kuvantaminen mahdollistaa epäpuhtauksien havaitsemisen yksittäisten riisinjyvien tarkkuudella, mikä parantaa merkittävästi elintarviketurvallisuutta. Järjestelmä voi tehdä hedelmien ja vihannesten laatuluokittelua reaaliaikaisesti ja havaita ihmissilmälle näkymättömiä pintavaurioita, taudinaiheuttajia tai hienovaraisia eroja kypsyysasteissa. Se havaitsee myös tuotantolinjoille olevat vierasesineet, kuten pienet muovin tai metallin palaset.
Kierrätys ja jätehuolto
Hyperspektrikuvantaminen voi olla ratkaiseva askel muovin kierrätysprosessien tarkkuuden ja tehokkuuden kehittämisessä. Se mahdollistaa esimerkiksi eri muovityyppien tarkan lajittelun kierrätysvirroissa. Tarkemman resoluution ansiosta teknologian avulla voidaan tunnistaa jopa kaikkein pienemmät muovihiutaleet, jotka aiemmin jäivät erottelematta.
Maatalous
Teknologia voidaan integroida drooneihin tai maatalouskoneisiin, jolloin saadaan yksityiskohtaista tietoa viljelysadoista. Viljelijät saavat näin tietoa kasvien hyvinvoinnista, ravinnepuutoksista tai tuholaisten esiintymistä ja voivat puuttua ongelmiin varhaisemmassa vaiheessa. Teknologia toimii myös pimeällä, joten satoja voidaan valvoa myös öisin. Hyperspektrikuvantaminen voi myös tehdä viljelystä tarkkuustyötä, sillä se mahdollistaa rikkakasvien tarkan tunnistamisen. Esimerkiksi yhdistettynä ruiskutuslaitteistoon se voi vähentää torjunta-aineiden käyttöä merkittävästi, sillä aineita voidaan ruiskuttaa tarkasti suoraan rikkakasveihin.
Teollinen laadunvalvonta
Hyperspektrikuvantaminen voi taata paremman valmistusprossien laadun ja vähentää hävikkiä tehostamalla eri teollisuudenalojen laadunvalvontaprosesseja. Teknologia voi tunnistaa vikoja tai epäpuhtauksia, jotka jäävät havaitsematta perinteisillä kuvantamisjärjestelmillä. Reaaliaikaista materiaalikoostumusanalyysiä voidaan käyttää valmistusprosessien optimointiin ja tuotteiden laadunvarmistukseen esimerkiksi lääketeollisuudessa tai elektroniikan valmistuksessa.
Miten uusi hyperspektriteknologia toimii?
Perinteinen hyperspektrikuvantamistekniikka erottelee spektrit kamerassa. Se vaatii monimutkaista optiikkaa, joka pilkkoo saapuvan valon eri aallonpituuksiin. Lähestymistapa toimii hyvin laajamittaisissa ulkokäyttöön tarkoitetuissa sovelluksissa. Teolliseen käyttöön mukautettuna se johtaa kalliisiin ja tilaa vieviin järjestelmiin, joiden nopeus ja resoluutio ovat rajalliset.
VTT:n uusi lähestymistapa muuttaa täysin valonlähteen roolin hyperspektrikuvantamisessa: “Tärkein innovaatio on spektrisen erottelun siirtäminen kamerasta valonlähteeseen”, Soukkamäki selittää.
Ympäristön valon tai laajaspektrisen valaistuksen sijaan uusi ratkaisu käyttää:
- VTT:n kehittämää räätälöitävää superjatkumolaser-valonlähdettä
- nopeaa suodatinta, jolla aallonpituus valitaan ohjelmallisesti
- tavallista, nopean viivaskannauksen mahdollistavaa kameraa.
Yhdistelmä laajentaa hyperspektrikuvantamisen käyttömahdollisuuksia. Sen suurimmat hyödyt ovat:
- Yksinkertaisempi ja kestävämpi kamerarakenne. Perinteiset hyperspektrikamerat vaativat monimutkaista optiikkaa eri aallonpituuksien erottamiseen. Niinpä ne ovat kalliita ja herkkiä vikaantumaan. Kun spektrierottelu siirretään valonlähteeseen, uudessa järjestelmässä voidaan käyttää tavallisella optiikalla varustettua viivakameraa. Tämä vähentää kustannuksia ja tarvetta huoltaa kameraa. Yksinkertaisempi kamerarakenne on myös helpompi yhdistää olemassa oleviin konenäköjärjestelmiin.
- Optimoitu tiedonkeruu, joka tallentaa vain tarvittavat aallonpituudet. Useissa käyttötarkoituksissa analyysiin vaaditaan vain tiettyjä aallonpituuksia. Perinteiset järjestelmät keräävät koko spektrin, mikä johtaa valtaviin tiedonkäsittelyvaatimuksiin. Uudella tekniikalla voidaan valaista valikoivasti vain tarvittavat aallonpituudet, mikä vähentää huomattavasti tietomäärää. Jos esimerkiksi kierrätyksessä erilaisten muovityyppien erottamiseen tarvitaan vain 10 aallonpituutta, järjestelmä tallentaa satojen spektrien sijaan vain nämä 10. Optimointi nopeuttaa käsittelyä ja vähentää tallennustarvetta. Se mahdollistaa reaaliaikaisen analysoinnin ja vähentää tarvittavaa energiaa ja materiaaleja.
- Parannettu dynaaminen alue kunkin aallonpituuden yksilöllisen valotusajan säädön ansiosta. Eri materiaalit heijastavat valoa eri tavoin eri spektrin alueilla, jolloin perinteisissä järjestelmissä jotkin aallonpituudet ylivalottuvat ja toiset alivalottuvat. Uusi tekniikka mahdollistaa valotusajan yksilöllisen säätämisen kullekin aallonpituudelle, jolloin dynaaminen alue paranee huomattavasti. Tämä mahdollistaa tarkemmat spektrimittaukset laajemmalla materiaalien ja olosuhteiden kirjolla.
- Helpompi kalibrointi ja huolto. Perinteisten hyperspektrikameroiden optiikka voi ajan saatossa tai lämpötilan muutoksien johdosta muuttua. Niinpä ne vaativat jatkuvasti tarkkaa kohdentamista ja kameran kalibrointia fyysisesti. Uuden järjestelmän yksinkertaisempi kamerarakenne ja ulkoinen spektrisuodatus yksinkertaistavat kalibrointia merkittävästi, sillä valonlähdettä voidaan säätää ohjelmallisesti. Tämä vähentää käyttökatkoksia ja ylläpitokustannuksia, mikä tekee järjestelmästä käyttökelpoisen teollisissa sovelluksissa.
Ota yhteyttä – tehdään yhteistyötä
Mahdollisia käyttökohteita tälle vallankumoukselliselle hyperspektriteknologialle on valtavasti ja niitä löydetään jatkuvasti lisää. VTT kutsuukin nyt yrityksiä mukaan tutkimaan, miten teknologia voisi ratkaista eri toimialojen haasteita.
Jos sinulla on ideoita uusista käyttökohteista tai haluat keskustella teknologian hyödyntämisestä, ota rohkeasti yhteyttä meihin.
”Tehdään yhdessä töitä hyperspektrikuvantamisen mahdollisuuksien kartoittamiseksi. Voimme varmasti löytää innovatiivisia ratkaisuja, joilla on todellista vaikutusta maailmaan”, Soukkamäki päättää.
Lue lisää VTT:n tutkimus- ja kehitystyöstä hyperspektrin saralla ja mitä hyötyä siitä voisi olla sinun yrityksesi liiketoiminnalle
