紅外視角的延伸：短波紅外相機(jī)的機(jī)器視覺應(yīng)用

導(dǎo)讀

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

SWIR 背景簡介

短波紅外 （SWIR） 成像使機(jī)器視覺專業(yè)人員能夠?qū)崿F(xiàn)可見光無法輕松完成的應(yīng)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(xiàn)研究將其歸類為 0.7-2.5 μm 之間。

在大多數(shù)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(zhì)（如水、塑料和玻璃）的反應(yīng)與可見光不同。這一特性使得SWIR在涉及這些物質(zhì)的機(jī)器視覺應(yīng)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(jī)拍攝的圖像中，水會顯得很暗；SWIR光經(jīng)由某些類型的塑料透射，使這些塑料在SWIR相機(jī)觀察時(shí)呈現(xiàn)出“透明”的效果。

友思特SWIR 300KMA短波紅外相機(jī)拍攝的水

隨著SWIR技術(shù)的精進(jìn)，越來越多的用戶深入了解到，利用各種材料在SWIR范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)所呈現(xiàn)出的與眾不同的樣貌，可以使得SWIR成像的應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷的拓寬與發(fā)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(fā)農(nóng)業(yè)或工業(yè)應(yīng)用。比如，檢測水果等含水量高的食物因質(zhì)量問題而產(chǎn)生的淤傷或軟點(diǎn)，使其隱藏的損傷變得清晰可見。

水分檢測的價(jià)值不僅限于農(nóng)產(chǎn)品和農(nóng)作物。SWIR成像可以幫助確認(rèn)染色的紡織品是否足夠干燥，從而便于進(jìn)行進(jìn)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(xì)微變化，因?yàn)樗謺淖?400nm 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(shí)現(xiàn)了紡織品制造過程中的質(zhì)量控制。

2. 塑料檢測

許多在可見光波段不透明的塑料材質(zhì)在短波紅外波段呈現(xiàn)半透明成像，這為檢測密封塑料容器內(nèi)的產(chǎn)品體積提供了新的選擇。同時(shí)，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(xué)組成。雖然它們在可見光范圍內(nèi)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(qū)分。這有助于利用 1100nm-2200nm 波段的SWIR相機(jī)的回收設(shè)施識別在分選輸送機(jī)上移動(dòng)的不同聚合物。SWIR光針對不同塑料材料的獨(dú)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(yīng)用發(fā)展中探尋到了這一領(lǐng)域。硅分子的帶隙導(dǎo)致材料吸收可見光和近紅外波長，但半導(dǎo)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(jī) 探測到穿透硅片的白熾燈燈絲

這一特征為原材料檢測應(yīng)用提供了獨(dú)特的選擇，例如對硅片表面和內(nèi)部的缺陷進(jìn)行成像。SWIR光的這種質(zhì)量也有利于晶圓鍵合應(yīng)用，允許通過兩個(gè)晶圓的背面看到對準(zhǔn)的基準(zhǔn)標(biāo)記，從而提高精度。

友思特SWIR 1300KMA短波紅外相機(jī)對晶圓的拍攝效果（1）

友思特SWIR 1300KMA短波紅外相機(jī)對晶圓的拍攝效果（2）

4. 礦產(chǎn)開采

SWIR技術(shù)最關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域之一仍然是采礦業(yè)和礦物鑒定。這是因?yàn)樵S多必需礦物中都存在OH鍵，其中一些只能在SWIR范圍內(nèi)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(zhì)樣品。

SWIR成像組件

為了使用SWIR成像，工程師和技術(shù)專業(yè)人員使用包括傳感器在內(nèi)的專業(yè)產(chǎn)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(diǎn)（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(shù) 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(shí)質(zhì)性進(jìn)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(gè)傳感器來支持多個(gè)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(jī)。友思特Beyonsense短波紅外相機(jī)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(jìn)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(jìn)行了一定的權(quán)衡，在保證高性價(jià)比成像要求的同時(shí)，正致力于研發(fā)更高精度的設(shè)備以實(shí)現(xiàn)新的突破。

友思特Beyonsense短波紅外相機(jī)采用鍺基探測器

除此以外，光源也是短波紅外機(jī)器視覺應(yīng)用中的重要組成部分。與可見范圍內(nèi)的機(jī)器視覺應(yīng)用一樣，檢查/檢測/成像等其他操作通常受益于主動(dòng)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?zé)舻龋┳阋詽M足該范圍內(nèi)的某些應(yīng)用，但捕獲特定波段內(nèi)的數(shù)據(jù)通常會提供更有用的圖像內(nèi)容。通常，新用戶必須問的第一個(gè)問題是什么波長對他們的特定應(yīng)用最有效。

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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(chǎn)品更低、光譜更寬，但它們已經(jīng)達(dá)到了足夠明亮和可控的成像效果，為機(jī)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(shù)的不斷改進(jìn)，SWIR的應(yīng)用案例將會持續(xù)增加。過去幾年，SWIR 相機(jī)的發(fā)展遵循了共同的趨勢，即制造更快、更實(shí)惠、像素更高的相機(jī)，更適合工業(yè)生產(chǎn)線系統(tǒng)，從而使客戶能夠更廣泛地應(yīng)用 SWIR 技術(shù)，在不同領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更準(zhǔn)確的材料檢測和質(zhì)量控制。

友思特短波紅外產(chǎn)品

BeyonSense迷你短波紅外相機(jī)

友思特 BeyonSense 短波紅外相機(jī)，是世界上第一臺能兼容智能手機(jī)的短波紅外相機(jī)。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(jī)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(jī)。400nm-1700nm寬波段響應(yīng)，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(jī)具有低噪聲、高量子效率和高靈敏度的特點(diǎn)。

審核編輯 黃宇