Beeldvormende spectroscopie om informatie vast te leggen

Beeldvorming is het visualiseren van een object. In een specifieke spectraalband helpt het om specifieke aspecten van een object te visualiseren die anders onzichtbaar zijn voor het menselijk oog. Spectroscopie legt informatie vast over specifieke aspecten van een object zonder visualisatie. Beeldvormende spectroscopie brengt het potentieel van beeldvorming én spectroscopie samen.

Deze blog maakt deel uit van een reeks en behandelt eerst enige achtergrondkennis alvorens dieper in te gaan op specifieke geavanceerde sensortechnologieën, waaronder hyperspectrale beeldvorming.

Beeldvorming

Het menselijk oog is gevoelig voor rode, groene en blauwe golflengten. Het deel van het elektromagnetische spectrum dat zichtbaar is voor het menselijk oog, wordt om voor de hand liggende redenen 'het zichtbare spectrum' genoemd. De technologische tegenhanger van het menselijk oog is een digitale camera waarvan de gevoeligheid net als het menselijk oog in groene golflengten gaat pieken. 

Rode, groene en blauwe beeldgegevens worden tot een digitaal kleurbeeld gecombineerd 
(Bron: Chem. Soc. Rev., 2014,43, 8200:
http://northernani.com)

Aspecten visualiseren die anders onzichtbaar zouden zijn

Beeldvorming in een specifieke spectraalband helpt specifieke aspecten van een object te visualiseren die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog. De mens is vrijwel blind buiten het zichtbare spectrum. En toch kunnen bepaalde dieren objecten visualiseren in golflengten die buiten het zichtbare spectrum liggen. Voorbeelden hiervan zijn de slang die warmtesignaturen in het infraroodspectrum (IR) ziet, of de bij die nectar in het ultravioletspectrum (UV) waarneemt. De parallel in het IR-spectrum zijn de bekende warmtecamera's die in een hele reeks toepassingen worden ingezet, van goedkope bewegingsdetectoren tot gekoelde thermische camera's voor, bijvoorbeeld, het testen van de kwaliteit van autobanden. In het UV-spectrum variëren de voorbeelden van goedkope UV-camera's met machinevisie, die worden gebruikt voor inspectie, tot duurdere camera's van wetenschappelijke kwaliteit.

Beeldvorming is ook niet specifiek voor een bepaald golflengtebereik. Sommige diersoorten als uilen en haaien, detecteren geen specifieke golflengten en zijn dus kleurenblind. In plaats daarvan zijn ze heel goed geworden in het visualiseren van intensiteitsvariaties, een beetje zoals een grijswaardencamera. 


Gegevens van een grijswaarden beeld worden uit één enkel kanaal verzameld
(Bron: Chem. Soc. Rev., 2014,43, 8200 : http://northernani.com)

Beeldvormingssystemen kunnen gebruikmaken van verschillende verschijnselen. Niet alle beeldvormingssystemen zijn optisch van aard. In het elektromagnetisch spectrum strekt het optische gebied zich uit van UV tot IR. Bovendien zijn niet alle beeldvormingssystemen gebaseerd op elektromagnetische verschijnselen. Voorbeelden: positronemissietomografie (PET) maakt gebruik van gammastralen, magnetische-resonantiebeeldvorming (MRI) van magnetische velden en radiogolven, en de echografie gebruikt geluidsgolven. Bepaalde microscopietechnieken zijn gebaseerd op fluorescentiedetectie, de polarisatiemicroscopie is gebaseerd op gepolariseerd licht, en ga zo maar door. 

Spectroscopie

Spectroscopie is het vastleggen van informatie over een object zonder visualisatie. De techniek is totaal anders dan beeldvorming omdat het de informatie vastlegt op basis van een verschijnsel van elektromagnetische golven die op moleculair en atomair niveau met een verbinding interageren, zonder eigenlijke visualisatie.

Titbit: de spectra die door een verbinding worden geabsorbeerd of uitgezonden, worden door een spectroscoop in zijn samenstellende golflengten verspreid. Een spectroscoop identificeert dus de aanwezigheid van een golflengte. Het meest eenvoudige voorbeeld van een spectroscoop is een prisma.

Spectroscopie kan zuivere verbindingen identificeren. De interactie van elektromagnetische golflengten met materie genereert eenzelfde reactie voor identieke moleculen of atomen. Deze reactie wordt spectrale signatuur van de (chemische) soort genoemd. Enige variatie in de moleculaire of atomaire samenstelling van een materiaal genereert een respons met de overeenkomstige spectrale signatuur. Zo kunnen met behulp van een spectrale signatuur verbindingen op een unieke manier worden geïdentificeerd, waardoor spectroscopie een nuttig instrument wordt voor kwalitatieve en kwantitatieve metingen van verbindingen.

Spectroscopie in een bepaalde spectraalband geeft informatie over specifieke aspecten van een object. In spectroscopie kunnen, zoals in beeldvorming, de unieke identificators van een bepaald kenmerk aanwezig zijn in een bepaald deel van het elektromagnetische spectrum en in andere dan weer afwezig zijn. Zo is bijvoorbeeld infraroodspectroscopie een vrij geschikte technologie voor landbouwtoepassingen, zoals het detecteren van gewasziekten en het identificeren van gewassoorten, omdat infrarood in staat is om trillingen van de bindingen in organische verbindingen te detecteren.

Typische toepassingsdomeinen

Typische toepassingen van spectroscopie zijn landbouw, voeding, bioactieve stoffen, farmaceutica, petrochemie, textiel, cosmetica, medische toepassingen en chemicaliën, zoals polymeren.

Om kunststoffen te recyclen, is HSI in NIR- (1 000 - 1 700 nm) en SWIR-golflengten (1 000 - 2 500 nm) nuttig. Om zwarte kunststoffen te sorteren, kan een MWIR-golflengte (3 000 - 5 000 nm) worden gebruikt. 
(Bron: http://www.amigooptima.com)

Beeldvormende spectroscopie

Bij beeldvormende spectroscopie wordt eigenlijk het potentieel van beeldvorming en van spectroscopie samengevoegd, mét de mogelijkheid om materialen te visualiseren en hun kenmerken te bepalen, anders gezegd om zowel ruimtelijke als spectrale informatie te verschaffen. 


Beeldvorming, spectroscopie en beeldvormende spectroscopie
(Bron: Mehta N, Shaik S, Devireddy R, Gartia M. Single-Cell Analysis Using Hyperspectral Imaging Modalities. ASME. J Biomech Eng. 2018;140(2):020802-020802-16. doi:10.1115/1.4038638)

Beeldvormende spectroscopie verschaft bij elke pixel een spectrale signatuur. Eenvoudig gesteld: van het te onderzoeken object wordt een beeld gemaakt in spectraalbanden die van belang zijn, wat betekent dat elke pixel van het beeld een spectrale signatuur bevat.

In tegenstelling tot de spectroscopie levert deze techniek geen gemiddelde spectrale signatuur van het materiaal op, maar wel de spectrale signatuur bij elke pixel. In tegenstelling tot RGB-beelden worden de afzonderlijke beelden van elke spectraalband niet automatisch samengevoegd tot één enkel kleurbeeld. Daarom zijn de beelden afzonderlijk beschikbaar als respectieve monochrome beelden.

Beeldvormende spectroscopie genereert meer informatie, met een langere acquisitietijd, dan een RGB-beeld. In tegenstelling tot een RGB-beeld gaat geen informatie verloren door interpolatie, omdat de afzonderlijke beelden niet automatisch tot een kleurbeeld worden samengevoegd.

Vier generaties

Beeldvormende spectroscopie wordt doorgaans in vier generaties ingedeeld: multispectrale, hyperspectrale, ultraspectrale en fullspectrale beeldvorming; we vergelijken ze in de onderstaande tabel. Multispectrale beeldvorming vindt plaats met minder spectraalbanden, doorgaans 10. Hyperspectrale beeldvorming heeft een fijnere resolutie waarbij de beeldvorming op honderden spectraalbanden plaatsvindt; die spectraalbanden zijn vrij smal (breedte van minder dan 10 nm bij de helft van het maximum).

Van RGB tot hyperspectraal over multispectraal, is er duidelijk een toename van het aantal spectraalbanden en daaropvolgende kanalen die nodig zijn voor de beeldvorming van een materiaal. Het beeld kan worden weergegeven als 3D-gegevens met ruimtelijke en spectrale assen. Deze datakubus neemt in omvang toe naarmate het aantal spectraalbanden en de ruimtelijke omvang toenemen. Voor een gegeven hardware-instelling leidt een toename van de datakubus tot een langere beeldacquisitietijd.

 

De AVIRIS-beeldkubus toont 224 opeengestapelde spectrale kanalen, waarbij de bovenste schijf in het zichtbare spectrum is voorgesteld. 
(Bron: NASA/JPL-Caltech)

Classificatie van de beeldvormende spectroscopie 

Toepassingsgebieden

Typische toepassingsdomeinen voor beeldvormende spectroscopie zijn:

Multispectraal: voeding/landbouw, farmaceutica, geologie/atmosfeer,…

Hyperspectraal: materiaalkarakterisering, recycling, biometrie, teledetectie, chemometrie, milieumonitoring, forensisch onderzoek en opsporen van namaakproducten,…  

In het volgende artikel gaan we dieper in op de ontwikkelingen in hyperspectrale beeldvorming en de toepassingen ervan.

Wilt u meer weten over het gebruik van sensoren in de voedingsindustrie? Op 22 november organiseren we een event rond geavanceerde sensoren in het kader van het project-SensInFood. Meer informatie over het event vindt u hier. Dit event loopt in samenwerking met Flanders' Food en met de steun van VLAIO.