應(yīng)用光學(xué)成像技術(shù)檢測(cè)棉花中異性纖維的研究進(jìn)展

胡景軍

德州市纖維檢驗(yàn)所 山東德州 253000

棉花中的異性纖維是影響棉花質(zhì)量的主要因素。異性纖維主要是非棉纖維和非本色纖維，如羊毛、頭發(fā)、化學(xué)纖維、塑料薄膜、麻繩、染色線（繩、布?jí)K）等。若不及時(shí)檢測(cè)剔除異性纖維，在紡紗過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致紗線斷裂和出現(xiàn)疵點(diǎn)等問(wèn)題，影響棉花的質(zhì)量和價(jià)格。異性纖維檢測(cè)是國(guó)內(nèi)外紡織行業(yè)的研究重點(diǎn)，當(dāng)前主要采用基于光學(xué)成像技術(shù)的檢測(cè)方式。本文主要對(duì)棉花中異性纖維的成像方法進(jìn)行歸納和總結(jié)，分析各類方法的原理，提出目前研究現(xiàn)狀值得借鑒的內(nèi)容和不足之處，并預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展方向。

1 基于紫外光成像的檢測(cè)方法

紫外光是電磁波譜中波長(zhǎng)為10～400nm輻射的總稱。低壓汞燈是物體檢測(cè)領(lǐng)域所用紫外光的來(lái)源之一，是一種氣體放電光源，會(huì)在電路接通的瞬時(shí)產(chǎn)生高電壓擊穿汞蒸汽，汞原子向低能級(jí)躍遷產(chǎn)生紫外光。同時(shí)，由于紫外線LED燈的價(jià)格低、耗能少，也受到部分廠家的青睞。紫外光可使具有熒光特性的物體發(fā)光，實(shí)現(xiàn)了白色丙綸和細(xì)小雜質(zhì)的檢測(cè)，但同時(shí)使用多個(gè)不同種類的光源會(huì)產(chǎn)生亮度過(guò)高、圖像陰影等問(wèn)題，影響成像質(zhì)量[1]。

2 基于X射線成像的檢測(cè)方法

在數(shù)字射線照相技術(shù)中，X射線穿過(guò)異性纖維后到相應(yīng)裝置上轉(zhuǎn)化為光信號(hào)被系統(tǒng)捕獲，通過(guò)X光成像系統(tǒng)采集棉層的斷層圖像可獲得異性纖維的三維信息。工業(yè)成像使用的X射線是在 X 射線管中產(chǎn)生的，X射線管是真空管。通過(guò)加熱真空管的陰極釋放自由電子，并向陽(yáng)極快速移動(dòng)，撞擊原子核后，釋放能量形成 X射線并沿靶面方向射出。

3 基于線激光成像的檢測(cè)方法

激光由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生，具有方向性好、發(fā)散角小、能量集中和單色性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)激光光源體積較小，價(jià)格相對(duì)較低。檢測(cè)原理是棉花和異性纖維表面的平整性差異較大，根據(jù)激光照射后反射光回程時(shí)間的不同進(jìn)行成像，實(shí)現(xiàn)異性纖維的檢測(cè)。

基于線激光光源成像速度較快，抗干擾能力強(qiáng)，且對(duì)棉花中的白色異性纖維和塑料薄膜也具有良好的成像效果。基于此特性，通過(guò)調(diào)整線激光光源的波長(zhǎng)、功率和相機(jī)的曝光時(shí)間，可進(jìn)一步提升成像效果和檢出率。

4 基于偏振光成像的檢測(cè)方法

光是一種電磁波，不僅包含光強(qiáng)和波長(zhǎng)信息，還有偏振信息。光的偏振信息包含了光的振動(dòng)方向和各方向振動(dòng)強(qiáng)度，是對(duì)光強(qiáng)信息和光譜信息的有力補(bǔ)充。透明薄膜類異性纖維在偏振光的照射下會(huì)呈現(xiàn)彩色，基于此特性可實(shí)現(xiàn)棉花中透明薄膜的檢測(cè)[2]。

當(dāng)光源照射在反射性強(qiáng)的異性纖維，如透明塑料薄膜上時(shí)，相機(jī)采集的圖像會(huì)受到反射光的嚴(yán)重影響，常常出現(xiàn)耀斑或反光，無(wú)法采集異性纖維的全部特征，通過(guò)調(diào)整偏振片，使透振方向與反射光的透振方向垂直可減弱反射光的影響，提高成像效果。

5 基于紅外光成像的檢測(cè)方法

紅外光成像系統(tǒng)包括紅外相機(jī)和紅外光譜儀。在紅外光源的照射下，不同材料的分子組成不同，只對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外線吸收效果較好，根據(jù)紅外線的吸收情況可得到該物體的紅外光譜，同時(shí)根據(jù)物體輻射的紅外線可以進(jìn)行成像。

5.1 基于傅里葉變換紅外光譜分析檢測(cè)方法

紅外光譜的強(qiáng)度與形成該光的 2束相干光的光程差之間有傅里葉變換函數(shù)關(guān)系。傅里葉紅外光譜法是通過(guò)測(cè)量干涉圖并將包含各種光譜信息的干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到實(shí)際的吸收光，從而獲得紅外光譜。棉花在處理過(guò)程中受熱和異性纖維尺寸變化也會(huì)對(duì)最終的傅里葉變換紅外光譜有顯著的影響，繼而影響檢測(cè)效果，需要擴(kuò)展光譜數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)消除影響[3]。

5.2 基于近紅外成像的檢測(cè)方法

由紅外光源與紅外相機(jī)組成的成像系統(tǒng)可采集異性纖維的圖像信息，紅外光譜儀可采集紅外光譜信息。近紅外線波長(zhǎng)在 700～2500nm之間，不同材料的輻射和吸收紅外光的能力不同，呈現(xiàn)的影像和光譜信息存在差異。從目前研究現(xiàn)狀來(lái)看，共同使用圖像和光譜信息能更有效提高異性纖維的檢出率，而且由于短波紅外線具有穿透性，在棉層稍厚的情況下依然可采集到異性纖維信息。傅里葉變換紅外光譜的檢測(cè)速度快，覆蓋波段范圍廣，可實(shí)現(xiàn)大部分異性纖維的檢測(cè)。

6 基于高光譜成像系統(tǒng)的檢測(cè)方法

高光譜成像儀具有成像覆蓋區(qū)域廣、光譜分辨率高、圖譜和一等特性，有機(jī)融合了圖像維與光譜維信息，在各應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)比棉花和異性纖維圖像及光譜信息的差異實(shí)現(xiàn)異性纖維的檢測(cè)。目前，反射高光譜成像方法由于其實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而得到廣泛應(yīng)用，但反透射成像方法可獲取更多的異性纖維樣本信息。使用掃帚式線掃描成像光譜儀進(jìn)行高光譜成像，提取圖像中雜質(zhì)和棉花的像素光譜，采用主成分分析、獨(dú)立于后端分類器的T檢驗(yàn)準(zhǔn)則的過(guò)濾器、特征選擇和分類器結(jié)合的包裝3種方法，確定雜質(zhì)檢測(cè)的關(guān)鍵波長(zhǎng)，使白色丙綸絲檢出率達(dá)到90%。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著光學(xué)成像技術(shù)的不斷發(fā)展，異性纖維的檢測(cè)精度和檢出率都有顯著的提高。異性纖維分揀機(jī)中的成像系統(tǒng)方案經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的檢驗(yàn)，具有較高的可靠性，可借鑒和參考作為研究的基礎(chǔ)。而文獻(xiàn)中的結(jié)論基本都是在實(shí)驗(yàn)室條件下得出的，實(shí)驗(yàn)時(shí)棉花中的異性纖維通常是人為進(jìn)行擺放并在靜止?fàn)顟B(tài)或速度較慢的傳送帶下采集圖像。在實(shí)際生產(chǎn)中異性纖維的分布沒有規(guī)律，會(huì)存在異性纖維間相互遮擋和混入棉層的情況。