SWIR相機的各種應用方法

概括

短波紅外 (SWIR: Short Wave Infrared) 是一種比可見光波長更長的光。這些光不能通過“肉眼”看到，也不能用“普通相機”檢測到。由于被檢測物體的材料特性，一些在可見光下無法看到的特性，卻能在近紅外光下呈現出來，因此，可以通過短波紅外相機對物體特征進行檢測。

目前在SWIR相機廣泛應用于工業、航空航天、生物、醫療、戶外監控、化妝品等眾多領域，其中半導體檢測和食品檢測是兩大主要應用市場，分布占據40%和30%的市場份額。

AVAL DATA的SWIR相機

AVALDATA提供各種SWIR相機，最近開發的搭載索尼IMX990傳感器的ABA-013VIR，是市場上分辨率最高的一款SWIR相機，其擁有400~1700nm (VIS-SWIR)的寬波段覆蓋范圍，傳感器的響應度平均超過80%。

ABA-013VIR主要特性：

感光波段：400~1700nm

分辨率：1280 x 1024，

像素尺寸：5μm

幀率：60fps(GigE接口)、125.26fps(CameraLink 接口)

配備TEC 1（Peliter cooling）

支持FFC功能

※另有搭載SonyIMX991傳感器的VGA像素的相機。

圖2：ABA-013VIR相機的量子效率。

此外，AVAL DATA還提供其他SWIR面陣和線陣相機、中紅外（MIR）和遠紅外（WIR）系列產品，如圖3所示。

圖3：AVAL DATA提供的各種紅外相機系列。

SWIR相機的應用

SWIR相機可用于很多領域，按照檢測目的，可用于如下例子所示的各種應用。

1)分辨同色材料

i.粉末分辨

相同顏色的調味料、鹽、糖混合時，我們很難用肉眼區分出每種物質。

但是，由于每種材料吸收光的特性不同，使用SWIR相機拍攝，它們的圖像會顯示不同的顏色，如圖4所示。

圖4：三種物質（調味料、鹽、糖）在可見光和三種短波紅外光下拍攝的圖像對比。

ii.液體分辨

通過SWIR相機來區分顏色相同的水和油時，水對短波紅外光的吸收要比油更高，因此在SWIR成像中，水的顏色更深（黑），而油的顏色更淺（明亮）。這是使用SWIR相機分辨同色液體的方法。

iii.塑料分類

使用一般的RGB相機成像，很難區分為各種類型的白色塑料物質。然而使用SWIR相機成像時，由于每種物質對光的吸收不同，因此它們會呈現出不同的顏色。

例如，在圖6所示的幾種物質中，將尼龍（Nylon）分辨出來。由于尼龍在1200~1700nm波段對光的吸收率最高，因此尼龍在該波段的成像會非常暗，這樣就能很容易地將其與其他物質區分開來。

可見光圖像

1200-1700nm區域的尼龍

圖6：PVC/PS/Nylon/PC/PP/ABS在可見光和短波紅外光下的成像對比。

2)通過水分測量檢測食品缺陷

使用SWIR相機測量食品中的水分含量，可以實現食品缺陷的檢測。如圖7所示，使用1450nm成像進行檢測，潮濕的面包呈現的顏色比較深，而干燥的面包呈現的顏色比較淺。通過這種方法，我們可以預測一些食品中的水分含量，以及其是否為不良產品。

圖7：標準面包（左）和干燥面包（右）在可見光和短波紅外光下的成像對比。

圖8的例子顯示了使用SWIR相機成像，檢測水果表面的瘀傷缺陷。在短波紅外成像中，瘀傷部分會呈現出較暗的顏色。

圖8：表面有瘀傷的橘子在可見光和短波紅外光下的成像對比。

3)材料滲透

i.晶圓測試

SWIR相機可用于檢測晶圓內部缺陷和Alignment key的位置。晶圓缺陷和Alignment Key的尺寸大小為微米級（μm）和納米級（nm），因此晶圓檢測中使用的鏡頭必須為顯微鏡。

圖9：晶圓在可見光和短波紅外光下的成像對比。

ii.包裝內部缺陷檢測

使用SWIR相機，可以透過包裝檢測內部物品的缺陷、物品位置以及異物等。但是，包裝材料必須是短波紅外光能夠穿透的物質，見圖10、圖11。短波紅外光不能穿透鋁制包裝，但是能穿透一些塑料包裝；具體能否穿透，需要測試后確認。

圖10.使用短波紅外成像檢測包裝盒內部。

圖11：使用短波紅外成像檢測瓶子內的化妝品含量。

與SWIR相機配套使用的產品

將SWIR相機與其他產品一起使用時，可以設置最佳使用環境，這樣可以提高檢測精準率。

1) 紅外偏光膠片的應用

如果使用背光照明，很容易顯得成像目標的背景太亮，并且不知道目標是否在透射照明光；但如果使用紅外偏光片，可以消除背光，目標的成像精度會有所提高。偏光片能抑制包裝的反射光，通過阻擋散射光和反射光，可以獲取清晰的圖像來檢測包裝內部的物品。

圖12：在使用偏光片和不使用偏光片的情況下，對包裝內的食品進行成像的對比。

2) 截止濾波器的應用

SonyIMX990傳感器可響應VIS-SWIR波段，因此，如果只需要在近紅外波段成像，可以使用可見光截止濾波器(cutfilter)。如果只想在特定波長范圍內進行檢測，可以使用過濾器（pass filter）來提高檢測準確性。

3)光源

根據想要成像的波長范圍選擇光源。SWIR相機使用最多的光源是LED和鹵素燈。

LED光源的優點是發熱低、耗電低、與鹵素燈相比壽命長。因此，一般長期使用的FA領域，LED是首選光源。

但是，LED光源與鹵素燈相比光量不足，并且一個LED光源很難檢測寬波長范圍，增加光源量自然會增加成本。

鹵素燈的缺點在于壽命短、發熱量高。鹵素燈與LED光源相比，光量高，波長寬。因此鹵素燈通常適用于廣泛的波長分析檢測。

4）鏡頭

了解需要檢測的波長范圍，并選擇能夠覆蓋該波長范圍的鏡頭也很重要。一般在野外拍攝時，需要覆蓋VIS-SWIR的鏡頭。雖然晚上不需要自然光，但白天需要自然光，因此野外拍攝需要能覆蓋可見光波段的鏡頭。如果只需要SWIR成像檢測，則需要使用SWIR專用鏡頭。

AVALDATA的ABA-013VIR支持C-mount接口的鏡頭，傳感器大小為1/2英寸，因此必須使用支持1/2英寸以上的C-mount鏡頭。

適用于塑料分類檢測的高光譜相機

根據上述內容(2.iii 廢塑料分類)顯示，SWIR相機能用于廢塑料的分類。但是由于SWIR相機的感光范圍僅為900~1700nm，因此很難分辨出多種不同的塑料材料。另外，如果需要在特定波段成像，則需要特定波段的濾光器或光源。

但是，如果使用高光譜相機（AHS-003VIR)，則可以在450~1700nm波段中一次拍攝，以18.8nm的分光分辨率同時獲得以下各物質的512個頻帶的圖像，并確認分光信息，如圖15所示。

圖15：使用高光譜相機拍攝的圖像。

在圖16中，Nylon從1700nm開始與其他物質光譜特點相似，因此很難區分。但通過高光譜相機(AHS-003VIR)拍攝，能看到1380~1600nm波段的成像與其他塑料不同。

Grey Level

Grey Level

圖16：PVC/PS/Nylon/PC/PP/ABS的紅外成像圖。

AHS-003VIR主要特征:

感光波段：450~1700nm

分辨率：640（空間）x 512（光譜）

Pushbroom 拍攝方式

光譜波段: 512bands

光譜分辨率：18.8nm

最大幀率：240.6fps（CameraLink接口）

結論

圖17：不適合用短波紅外成像檢測的物質。

到目前為止，我們已經研究了幾個適合用SWIR相機檢測的案例。然而，并非所有檢測都適合使用SWIR相機，如圖16所示，鋁、紙、液體中的含量確認、氣泡檢測等，都無法用SWIR相機實現。

并不是所有材料都對紅外波段有響應，因此提前了解被檢測材料類型以及它對哪個波長有響應，是使用紅外檢測的前提之一。

即使理論上有些材料對紅外波段有感應，也許會由于這是混合物或受到外部環境的原因，可能無法使用SWIR相機進行測試，因此現場測試很重要。

AVAL DATA支持產品測試，能提供多種IR相機和高光譜相機，以及鏡頭、光源等能夠滿足客戶需求的一整套打包方案。

審核編輯：劉清