멀티 스펙트럼과 하이퍼 스펙트럼의 차이점
Prophotonix
최근 멀티 스펙트럼 및 하이퍼 스펙트럼 이미징은 새로운 응용 분야로 빠르게 발전해왔으며 가격도 점차 저렴해지고 있다. 하이퍼 스펙트럼 이미징 시장의 가치는 2018년에 6700만 달러였으며 2024년에는 1억 1,500만 달러가 될 것으로 예상한다.
본문에서는 멀티 스펙트럼 이미징과 하이퍼 스펙트럼 이미징 간의 차이점, 이미지를 획득하는 다양한 방법, 발광 다이오드(LED)와 LED 조명의 장점 및 적용 사례를 소개한다.
1. 멀티 스펙트럼 vs 하이퍼 스펙트럼 이미징
멀티 스펙트럼 및 하이퍼 스펙트럼 이미징은 대상에 대한 스펙트럼 정보를 수집하는 데 사용되는 기술이다. 이러한 시스템은 유사한 모양의 재료를 구별하는 능력을 향상시켜 보다 쉽게 식별할 수 있게 해준다. 비록 조명이 이 역할을 할 수 있지만, 주로 스펙트럼 해상도에 따라 달라지며, 멀티 스펙트럼 이미징은 낮은 수의 검출 대역과 높은 수의 하이퍼 스펙트럼 이미징을 통합한다.
이것은 멀티 스펙트럼 이미징에서 4개의 검출 대역을 가진 RGB-IR 시스템을 사용한 필터링을 통해 달성된다. 하이퍼 스펙트럼 이미징에서 프리즘 또는 격자와 같은 분산 요소를 사용하여 센서 어레이에 빛을 확산시켜 수백 개의 감지 대역을 생성할 수 있다. 현재 두 기술 모두에 대한 정의가 없으며 멀티 스펙트럼이 하이퍼 스펙트럼이 되는 지점에 대한 합의가 존재하지 않는다. 따라서 본문에서는 멀티 스펙트럼 시스템을 스펙트럼 검출 대역이 10개 미만인 시스템으로 분류한다.
2. 이미지 획득 방법
그림 1에서처럼 모든 이미징 시스템에는 (1) 광원 (2) 대상 (3) 이미지 캡처 시스템 (4) 캡처된 데이터를 분석하고 해석하는 수단이 필요하다.
(1) 조명 시스템
전통적으로 스펙트럼 이미징 분야의 광원은 수은 또는 할로겐 램프와 같은 광대역이었지만 LED(Light Emitting Diodes)와 같은 좁은 대역 소스가 수명, 효율성, 파장 선택 및 제어 측면 등의 장점으로 인해 인기를 얻고 있다.
(2) 목표
대상 또는 샘플은 식품, 포장, 제약, 동전 등이 될 수 있다. 각각 고유한 분자 구성과 표면 산란 특성을 가진 다양한 재료는 스펙트럼 지문으로 식별할 수 있다.
(3) 이미지 수집 시스템
이미지 획득 시스템은 다음의 네 가지 유형 중 하나에 속한다.
A. 단색 카메라는 들어오는 방사선을 다양한 스펙트럼 구성 요소로 필터링하는 필터 어레이와 결합된다. 이렇게 하면 시스템의 공간 해상도가 낮아지지만 모든 감지 대역이 동시에 측정된다.
B. 필터 휠은 특정 파장을 선택하는 데 사용되며 단색 카메라는 휠이 회전할 때 필터링된 각 이미지를 순차적으로 캡처하기 위해 동기화된다. 그러나 이 방법은 속도가 제한되어 컨베이어와 같은 이동 대상에 적합하지 않다.
C. 시간적 다중화로, 서로 다른 파장의 펄스 LED와 펄스 LED와 동기화된 단색 카메라를 사용한다. 카메라로 캡처한 각 이미지는 특정 파장 펄스에 해당한다. 이것은 위의 유형 2와 유사하지만 LED가 높은 주파수에서 펄스 될 수 있기 때문에 더욱 빠르다.
D. 라인 스캔 기술과 함께 통합된 분산 요소를 사용하여 이미지를 여러 파장으로 분할한다(그림 2 참조).
CCD 또는 CMOS 센서는 수백 개의 관심 대역을 탐색할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며 각 대역은 2D 어레이의 별도 라인에 저장되어 방대한 양의 정보가 담긴 데이터 큐브를 생성한다.
(4) 데이터 분석
여기서 많은 양의 정보가 프로세서와 알고리즘을 통해 전달된다. 학습 프로세스를 적용한 후 특정 스펙트럼 동작이 있는 개별 표본에 다양한 마커를 할당할 수 있다. 결과는 표본 간에 명확한 차이가 있는 단순화된 이미지이다. 예(그림 3)를 보면 가시 스펙트럼의 유사성에도 불구하고 쌀과 구더기 사이의 명확한 구분이 가능하다.
또 다른 예는 제약 산업 내에서 유사하게 나타나는 백색 분말 간의 차별화이다. 예를 들어, 스펙트럼의 차이로 인해 설탕, 소금 및 구연산 간에 명확한 차이가 나타난다. 정성 분석 외에 정량 분석도 가능하다. 예를 들어, 고기 조각 내에서 다양한 수분 함량을 구별할 수 있다.
3. LED 광원의 장점
전통적으로 수은 또는 할로겐램프는 스펙트럼의 넓은 특성으로 인해 스펙트럼 이미징 애플리케이션의 광원으로 사용되었다(그림 4). 그러나 LED는 광대역 조명도 가능하다. 사용 가능한 파장의 다양한 조합을 사용하여 ProPhotonix는 스펙트럼을 애플리케이션에 맞게 조정할 수 있다. 레거시 광원에 비해 LED 기술의 중요한 장점은 필요한 경우 스펙트럼을 높일 수 있다는 것이다. 이것은 광원이 특정 스펙트럼 프로파일과 일치해야 하거나 광원이 카메라의 응답감도의 단점을 보완해야 할 때 특히 유용하다.
그림 5는 카메라 감도에 큰 변화가 발생할 수 있는 넓은 스펙트럼 범위에서 LED 광원의 이점을 보여준다. ProPhotonix는 UV 및 IR 영역이 증폭된 스펙트럼을 생성하여 고객이 보다 균일한 응답과 신호 대 잡음비를 얻을 수 있도록 했다.
기존 광원의 추가 제한 사항은 수명이 짧다는 것이다. LED의 수명과 안정성은 수만 시간으로 기존 광원보다 훨씬 우수하며, 할로겐보다 10배 이상 길다. 이것은 전구의 유지 보수 또는 교체로 인한 생산 라인의 중단 시간을 감소시켜 상당한 처리량의 손실을 줄여준다.
4. LED 조명 고려 사항
멀티 스펙트럼 또는 하이퍼 스펙트럼 이미징 애플리케이션을 위한 LED 조명을 결정할 때 고려해야 할 사항이 많다. 가장 적합한 LED 소스를 선택하면서 (1) 물리적 (2) 전기적 (3) 광학적 (4) 수명 등을 고려해야 한다. 가장 적합한 LED 소스를 선택하기 위해선 약 200x200μm2 에서 수 제곱 밀리미터까지 다양한 크기의 LED를 고려해야 한다. 이러한 크기 차이는 어레이 밀도에 직접적인 영향을 준다.
광학적 차이는 출력 효율 뿐만 아니라 대역폭 또는 피크 파장 특성에서도 크게 다를 수 있다. LED 수명은 파장마다 크게 다르다. 이러한 LED를 사용할 때 광원 설계자는 파장, 배전 및 전자 제어에 대해 고려해야한다.
ProPhotonix는 기판과 직접 접촉하는 베어 LED 칩을 장착하는 LED 패키징 방법인 COB(Chip-on-Board) 기술을 사용한다. 가장 기본적인 형태의 LED를 사용하면 가장 넓은 범위의 파장을 사용하여 다양한 파장의 개별 LED 칩을 가까이에 배치할 수 있다. 이 모두는 멀티 파장 조명에 중요하다. 이더넷을 통한 전자 설계 및 통신 기능을 통해 각 파장의 고급 제어와 매우 짧은 펄스 폭으로 LED 조명을 제공할 수 있다.
모듈식 LED 라인 조명인 COBRA MultiSpec에는 개별적으로 제어되는 12개의 개별 채널이 있다. 그리고 파장 선택을 통해 멀티 스펙트럼 및 하이퍼 스펙트럼 이미징에 필요한 최적의 조명을 달성하도록 구성할 수 있다. 확립된 플랫폼에 구축된 COBRA Multispec의 모듈식 특성은 기계 및 광학 구성과 사용자 정의를 모두 허용한다. 100mm 모듈로 구성된 LED 라인 라이트는 각 모듈을 정확하게 정렬하고 장착하여 5m까지 쌓을 수 있다.
직관적인 GUI(그래픽 사용자 인터페이스)를 통해 할당된 파장 구성에 관계없이 각 채널을 독립적으로 제어할 수 있다. 위에 표시된 그림 6은 GUI의 한 계층을 보여주며, 이 예에서는 Red-Green-Blue-White COBRA MultiSpec에서 각 채널의 독립적인 제어를 보여준다. 기타 기능에는 모듈 및 마스터 강도 제어, 오버 드라이브 보호, 채널 설정 '저장' 및 '복원'기능, 스트로브 제어 활성화 및 비활성화, 전력 소비에 대한 그래픽 디스플레이 등이 포함된다.
COBRA MultiSpec은 특정 요구 사항에 맞는 다양한 스펙트럼을 출력하도록 구성할 수 있다. 그림 7은 RGB-IR 조명 응용 분야를 위해 여러 이산 대역으로 달성된 스펙트럼을 보여준다. 그림 8은 겹치는 대역에서 LED를 사용하여 결합했을 때 넓은 스펙트럼을 생성하는 것을 보여준다. 이 예에서는 10개의 개별 파장이 사용된다. 하나는 흰색 LED이고 나머지는 빨간색 및 적외선 영역에서 선택된다. 결과적으로 400nm에서 950nm 사이의 광대역 에너지는 사용자에게 완벽하게 적합했다. 스펙트럼 요구에 따라 시스템은 효율성을 개선하고 광원의 수명을 연장하도록 최적화되었다.
결론
새로운 애플리케이션이 등장하고 스펙트럼 이미징 기술의 비용이 감소함에 따라 멀티 스펙트럼 및 하이퍼 스펙트럼 이미징의 적용은 계속해서 증가할 것이다. 스펙트럼 이미징은 대상에 대한 방대한 양의 정보를 수집할 수 있어 재료의 특성을 이해할 수 있다. 이것은 특히 실험과 유연성이 핵심 성능 기준인 실험실 환경에서 매우 중요한 도구이다. 간소화된 멀티 스펙트럼 시스템을 사용하여 생산 환경에서 비용을 절감하고 처리량을 높일 수 있다.
LED는 수명, 효율성, 파장 선택 및 제어 측면에서 스펙트럼 이미징 애플리케이션에 탁월한 솔루션을 제공한다.
자료 제공: Prophotonix(www.Prophotonix.com)
