可见光仅是电磁谱的一小部分。伽马射线,X射线,紫外线,红外线,微波和无线电波各自在频谱中具有自己独特的特性和自己的位置。在本文中,我们将专注于SWIR或短波红外线,这是红外(IR)光的一个组成部分。红外波长是红色的那些;“infra”这个词是拉丁文的“下面”。

短波红外成像成像的定义

作为人类,我们感受到的红外光几乎是看不见的,但我们可以感受到它的热量。红外光谱被划分为不同的区域,每个区域有不同的应用。四个常用的参考区域是波长为750 - 1,000 nm的近红外(NIR), 1 - 3 μm的短波红外(SWIR), 3 - 5 μm的中波或中波红外(MWIR)和8 - 15 μm的长波红外(LWIR)(图1)。

图1. IR频谱分为不同的区域,每个区域具有不同的应用。

除了肉眼无法看到外,SWIR就像可见光一样,光子被物体反射或吸收。这与中波和长波红外光不同,在中波和长波红外光中,热量是从物体本身发出的。SWIR成像可以在检查中突出可见成像不能突出的“缺陷”。当在SWIR中成像时,水蒸气和某些材料在SWIR中变得或多或少地反射,或多或少地透射。例如,硅在~1 μm以上变得透明,但水实际上在SWIR中变得更容易吸收-特别是在1.45 μm和1.8 ~ 2 μm波段附近。这意味着在可见光中看起来几乎相同的颜色可以在短波红外光谱中很容易区分。

Swir Vision Systems如何工作?

SWIR摄像机通常由铟镓砷(Ingaas)红外探测器建造。InGaAs传感器可以实现极其敏感,因此,威尔威尔摄像机将在光匮乏的条件下工作。

在大多数情况下,SWIR Vision Systems以可见系统为单位运行。您有一个目标,您有光源,以及捕获图像的探测器。图像显示为黑白。那么,与单色相机和苏尔苏尔血症成像的成像有什么区别?嗯,SWIR光对人眼看不见,并且可以检测并突出某些特征,这些特征难以与可见光和可见相机区分。例如:

  • SWIR可以帮助区分可见光谱中颜色非常相似的物体;

  • SWIR可以帮助透视某些物体,比如硅;

  • SWIR可以帮助观察温度非常高的物体。

SWIR成像启用什么?

人们倾向于使用SWIR,因为他们可以更好地看到不同的材料。一个常用的例子是盐对糖。在可见光下,它们都是白色的小晶体,但在短波红外光谱中,它们的反射性质却截然不同。

SWIR也可用于寻找材料的水含量,这对农业,食品检验和林业的应用有益。含有水的任何物体将吸收两个吸收线之一的SWIR波长 - 一个是约1.45微米,另一个更接近1.8微米。随着SWIR成像,这提高了含有水分的物体的可见性。

使用SWIR,你可以在薄雾、薄雾、雨、雾和其他具有挑战性的大气条件下生成对比度更高的图像,因为当你进一步移动到红外区域时散射更少。然而,SWIR的最佳效果是在非常轻的雾或非常轻的雾;当出现大雾或薄雾时,你可以更多地依赖热成像相机的热信号。SWIR也可以检测热量,但温度高于300摄氏度。所以,这对于在熔融玻璃和熔融金属冷却前寻找缺陷是很有用的。

行扫描vs区域应用

Teledyne Imaging提供区域和线扫描相机,并在2020年6月,推出了其首个SWIR线扫描相机。作为一种复习,线扫描相机扫描的对象一行一行,因为它移动在传送带或通过其他控制运动,如拍摄图像,而飞过一个固定的对象。这不同于区域应用,或“凝视”应用,在那里你捕捉物体的图像。

如果你愿意移动相机或移动场景,可以将任何应用程序变成一个行扫描应用程序。检查苹果就是一个很好的例子。你可以把整个苹果和过程的形象,整个形象,或更有效,你可以位置传送带上的苹果经过一条线扫描相机和处理数据逐行通常会导致更高的分辨率和处理效率,同时降低了成本。

短波红外成像的亮点所在

SWIR应用范围广泛从食品分类和回收到太阳能电池板检查,农业,林业和监视。SWIR成像的好处是显而易见的。我们将查看其中一些应用程序,并讨论SWIR如何带来独特的功能,使这些任务更轻松。

食物的分类

利用SWIR成像技术,我们可以提高产量,减少浪费,改善食品质量。SWIR成像最适合用于高价值的食品分类应用。例如,SWIR通常不会用于大米等商品作物,而是用于更高价值的产品。SWIR更适合采摘和烘焙后的茶叶分选。由于茶叶烘烤后呈黑色,很难看到混入污染物。通过SWIR,质量检测过程可以有效地识别茎、小石子或其他碎片,并从成品中消除它们。

我们可以使用SWIR的另一种方法是在食品分类中检测水分含量,其中水分可以显示腐败或其他损坏的农产品。例如,水果中的水分含量表明有瘀伤。在人类发现之前,瘀伤就会在SWIR中可见。

SWIR还可以帮助区分颜色相似的产品(图2)。在这个例子中,有肉桂,咖啡豆,岩石和葡萄干。在右边,你有一个彩色图像,其中一些物品看起来非常相似,在左边,您现在可以更清楚地区分苏尔州。

图2. SWIR还可以帮助区分类似颜色的产品。

回收应用使用类似的分类技术来分离不同类型的材料。在塑料分拣中,瑞士多光谱系统在分拣过程的末尾使用,因为它们如此敏感。它们通常运行两次以上,以达到再循环塑料材料的99%纯度。

太阳能板检查

由于SWIR可以穿透硅,SWIR成像仪的另一个应用是太阳能电池板的检测(图3)。随着全球朝着更可持续能源的方向发展,太阳能电池板的应用显著增加。制造商需要确保他们的面板没有缺陷,裂缝,或晶圆对面的锯痕。此外,SWIR可以用来识别太阳能电池上的盲点或薄弱区域,并帮助证明电池的有效性。总的来说,当SWIR用于质量检查时,您将得到一个高质量的产品。许多相同的技术可用于半导体检测。

图3.苏尔飓风可以通过硅渗透,Swir成像仪的另一个应用程序是太阳能电池板检查。

农业和林业

许多与SWIR的机载成像与农业或林业应用有关。在农业中,农民需要管理和回应看似无穷无尽的挑战,以确保高质量和高收益率。天气,侵入性物种和疾病会在作物上造成严重破坏。农民将看到结果作为作物开始变黄和枯萎,但到那个时候,做任何事情来拯救作物往往太晚了。凭借SWIR成像,科学家可以精确地监测从根部的吸水率进入叶子,并决定如何治疗这些作物。

从图像中收集的数据还可以为农民和护林员提供他们需要的洞察力,以便做出与额外灌溉或肥料有关的决策,帮助他们管理成本。

军事情报监视和侦察

军方依靠SWIR进行情报、监视和侦察(ISR)。美国军方使用SWIR进行微光成像、目标识别和空中侦察。有效实施空中侦察的一种方法是采用时延积分法(TDI);一种用于线扫描捕捉的求和技术,在这种技术中,摄像机被安装在一架飞机的下面,并飞过某一区域来绘制地图。由于光子的供应不足,多行叠加提供了一个清晰而完整的图像。

SWIR选择和苏尔州的未来

虽然SWIR有很多优点,但苏里尔系统的成本仍然比较高。随着该技术的采用更广泛和研发,预计成本将减少。

一些公司正在寻找用于SWIR成像的InGaAs传感器的替代品。量子点是一种成本较低的技术,但其成本并没有预期的那么低。量子点技术最大的缺点是量子效率低。因此,它对光的敏感性至少比砷化镓低4倍。这意味着,在任何光子价格昂贵且消费者买得起的地方,砷化镓仍是未来的发展方向。从我们的角度来看,为了利用量子点技术,客户需要愿意放弃敏感性以换取更低的成本。他们需要增加更多的照明,这将意味着额外的成本。到目前为止,很少有应用程序能从这种权衡中获益。

索尼也发布了他们的第一个CMOS InGaAs SWIR探测器。虽然是以砷化镓为基础,但他们采用砷化镓并将其与CMOS读出电路进行像素匹配,用铜代替铟金属。所以,这更像是一种半导体的过程,在CMOS电路的晶片中。他们把砷化镓芯片放在上面然后通过这些铜层融合砷化镓和硅。这也允许使用更小的像素来实现,这最终也可以降低给定分辨率的成本。

图4。SWIR成像技术的其他常见应用。

SWIR照明是昂贵的-减少像素大小可以降低传感器的成本,但只有在增加照明的成本能够看到一些东西没有增长得更快。这是一个类似的论点,为什么量子点可能是成本效益,但基于像素大小而不是QE。这样做的目的是降低成本,因为这个过程更接近晶圆级的过程。这些是区域设备,而不是行扫描,像素非常小,与Teledyne DALSA Linea SWIR GigE线扫描相机相比,大约5 μm像素,可作为一个1k分辨率的相机12.5 μm像素。

在保持InGaAs的性能但降低成本方面,大多数人认为最具前景的SWIR技术是应变层超晶格。这是一个多量子级探测器,你在不同的层中种植不同的半导体,并设计带隙,给你灵敏度对应于SWIR中的光子,这可能需要3到5年的时间。

总之,SWIR成像技术有多种优点,可以在其他成像不能的领域中发挥作用。SWIR可以帮助区分颜色非常相似的物体,它可以帮助揭示某些物体的特性或缺陷,它可以帮助在非常高的温度下区分物体。尽管实现SWIR的成本很高,但本文概述的一些应用程序可以从它的使用中大大获益。随着未来的发展,我们预计SWIR成像将得到更大的应用,成本效益更高。

本文由Mike Grodzki, Teledyne DALSA (Waterloo, Canada)产品经理撰写。欲了解更多信息,请联系teledyne.com或访问Grodzki先生在这里


光子与成像技术杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年5月号光子与成像技术杂志。

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