紅外視角的延伸：短波紅外相機的機器視覺應用

導讀

短波紅外SWIR在不同波段針對不同材料的獨特成像特征為各領域檢測應用的拓寬提供了基礎。本文將展現短波紅外成像技術在水分檢測、塑料檢測、太陽能電池板檢查和礦場開采等領域的豐富應用案例，討論短波紅外相機在未來的發展方向。

SWIR 背景簡介

短波紅外 （SWIR） 成像使機器視覺專業人員能夠實現可見光無法輕松完成的應用。短波紅外是電磁波譜中超出人類視覺的光帶。通常將 SWIR 定義為波長范圍為 0.9-1.7 μm 的光，也有一些文獻研究將其歸類為 0.7-2.5 μm 之間。

在大多數情況下，SWIR光的行為與大眾對可見光的了解是類似的，但SWIR光對一些常見物質（如水、塑料和玻璃）的反應與可見光不同。這一特性使得SWIR在涉及這些物質的機器視覺應用中比可見光更有用。例如，一些短波紅外波長被水吸收，這意味著在短波紅外相機拍攝的圖像中，水會顯得很暗；SWIR光經由某些類型的塑料透射，使這些塑料在SWIR相機觀察時呈現出“透明”的效果。

友思特SWIR 300KMA短波紅外相機拍攝的水

隨著SWIR技術的精進，越來越多的用戶深入了解到，利用各種材料在SWIR范圍內的光譜響應所呈現出的與眾不同的樣貌，可以使得SWIR成像的應用領域得到不斷的拓寬與發展。

1. 水分檢測

利用前文中提到的短波紅外對水的敏感特性，工程師可以使用SWIR成像開發農業或工業應用。比如，檢測水果等含水量高的食物因質量問題而產生的淤傷或軟點，使其隱藏的損傷變得清晰可見。

水分檢測的價值不僅限于農產品和農作物。SWIR成像可以幫助確認染色的紡織品是否足夠干燥，從而便于進行進一步處理，具體而言，可以通過識別衣物中的水分來判斷。使用SWIR成像檢測衣服中的水分涉及捕獲反射模式的細微變化，因為水分會改變1400nm 處的光反射率。SWIR可以識別織物中水分的位置和含量，更好地實現了紡織品制造過程中的質量控制。

2. 塑料檢測

許多在可見光波段不透明的塑料材質在短波紅外波段呈現半透明成像，這為檢測密封塑料容器內的產品體積提供了新的選擇。同時，SWIR光穿透塑料的能力也為檢查白色塑料瓶中的液體填充水平引入了新的方法。

“塑料”的范圍和種類非常廣泛，具有不同的聚合物化學組成。雖然它們在可見光范圍內看起來都很相似，但在SWIR光的照射下，不同的塑料很容易被區分。這有助于利用 1100nm-2200nm 波段的SWIR相機的回收設施識別在分選輸送機上移動的不同聚合物。SWIR光針對不同塑料材料的獨特作用還在不斷研究中。

3. 太陽能電池板檢查

太陽能電池檢測已存在諸多方法，SWIR也在其應用發展中探尋到了這一領域。硅分子的帶隙導致材料吸收可見光和近紅外波長，但半導體晶圓在對硅傳輸能量較低的SWIR波長范圍中保持“透明”。

友思特BeyonSense短波紅外相機 探測到穿透硅片的白熾燈燈絲

這一特征為原材料檢測應用提供了獨特的選擇，例如對硅片表面和內部的缺陷進行成像。SWIR光的這種質量也有利于晶圓鍵合應用，允許通過兩個晶圓的背面看到對準的基準標記，從而提高精度。

友思特SWIR 1300KMA短波紅外相機對晶圓的拍攝效果（1）

友思特SWIR 1300KMA短波紅外相機對晶圓的拍攝效果（2）

4. 礦產開采

SWIR技術最關鍵的應用領域之一仍然是采礦業和礦物鑒定。這是因為許多必需礦物中都存在OH鍵，其中一些只能在SWIR范圍內識別（與MWIR和LWIR相比）。短波紅外成像可用于從空中探索大面積的巖石，或用于分析鉆芯和地質樣品。

SWIR成像組件

為了使用SWIR成像，工程師和技術專業人員使用包括傳感器在內的專業產品。由于SWIR光直接通過硅傳輸，因此SWIR傳感器使用與可見光傳感器不同的材料。最常見的材料是砷化銦鎵（InGaAs），膠體量子點（CQD）是用于SWIR傳感器的其他材料。

InGaAs在 950 - 1650 nm 之間具有大于 80% 的量子效率，而CQD在大多數 SWIR 波長上的信號不到 10%。雖然目前 CQD SWIR 傳感器的量子效率可能低于市售的 InGaAs SWIR 傳感器，但可以期待下一代 CQD SWIR 傳感器在提高量子效率方面取得的實質性進展。CQD 傳感器通常比 InGaAs 傳感器具有更寬的光譜范圍，因此它們可以通過單個傳感器來支持多個光譜范圍。

友思特向用戶提供用于短波紅外檢測的最新材料鍺基探測器相機。友思特Beyonsense短波紅外相機采用了新興的鍺基傳感器，使用選擇性外延生長和犧牲填充層形成鍺島并通過鍺的熱氧化來降低表面粗糙度的方法，進一步降低了短波紅外探測器的制造成本。分辨率和靈敏度方面，BeyonSense 進行了一定的權衡，在保證高性價比成像要求的同時，正致力于研發更高精度的設備以實現新的突破。

友思特Beyonsense短波紅外相機采用鍺基探測器

除此以外，光源也是短波紅外機器視覺應用中的重要組成部分。與可見范圍內的機器視覺應用一樣，檢查/檢測/成像等其他操作通常受益于主動照明，以提高物體和特征的對比度。雖然寬帶光源（如白熾燈、鹵素燈等）足以滿足該范圍內的某些應用，但捕獲特定波段內的數據通常會提供更有用的圖像內容。通常，新用戶必須問的第一個問題是什么波長對他們的特定應用最有效。

鹵素燈光源

短波紅外LED光源

盡管SWIR LED的輸出仍然比其可見光譜中的同類產品更低、光譜更寬，但它們已經達到了足夠明亮和可控的成像效果，為機器視覺照明提供有吸引力的新選擇。

無論傳感器材料如何，隨著技術的不斷改進，SWIR的應用案例將會持續增加。過去幾年，SWIR 相機的發展遵循了共同的趨勢，即制造更快、更實惠、像素更高的相機，更適合工業生產線系統，從而使客戶能夠更廣泛地應用 SWIR 技術，在不同領域實現更準確的材料檢測和質量控制。

友思特短波紅外產品

BeyonSense迷你短波紅外相機

友思特 BeyonSense 短波紅外相機，是世界上第一臺能兼容智能手機的短波紅外相機。28mm超薄小巧尺寸，采用新興的鍺基傳感器，降低短波紅外探測器的制造成本。比起一般的SWIR相機輕便5倍、省電10倍、便宜10倍！

SWIR 330 KMA / SWIR 1330 KMA

友思特SWIR 330/1300 KMA采用SONY IMX991 SenSWIR銦鎵砷芯片的短波紅外制冷相機。400nm-1700nm寬波段響應，330KMA和1300KMA分別具備33萬和131萬像素的高分辨率。該銦鎵砷短波紅外相機具有低噪聲、高量子效率和高靈敏度的特點。

審核編輯 黃宇