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        短波紅外(SWIR)成像簡介

        • 來源:光虎

        短波紅外(SWIR)的范圍在900到2500 nm之間,它占據了近紅外以上的電磁波譜,完全超出了傳統硅基成像傳感器的能力范圍。盡管如此,SWIR波段在機器視覺中的應用越來越多,因為它提供了獨特的檢測、分類和質量控制能力,以及環境光應用,如監視和遙感。

        由于硅的量子效率在超過800納米后會迅速衰減,所以SWIR傳感器依賴于其他化學成分,如銦鎵砷化物(InGaAs)或碲化汞鎘(MCT)。較新的SWIR成像儀也利用了獨特的傳感器架構,如量子點技術。選擇正確的成像方式取決于應用場景。但所有這些技術都極大地擴展了可見光傳感器之外的成像能力——不僅通過它們打開的擴展光譜,還通過SWIR光改變熟悉材料表觀特征。

        SWIR的波長接近中波紅外(MWIR)光譜,而MCT相機在這一點上更有效,這一光譜區域具有捕捉物體自身發射能量的能力。此外,在這個范圍內光子的波長相對較長,使得它們不太容易受到由較小直徑粒子引起的瑞利散射。在實際操作中,這意味著SWIR成像儀可以透過煙霧看到物體。

        SWIR傳感器介紹

        InGaAs傳感器是目前主流的相機技術,工作在900至1700nm的SWIR范圍內。與其他SWIR成像方式相比,它們具有相對成本效益和成熟的特點,這使得它們成為包括檢測、分類和質量控制在內的機器視覺應用中最常用的技術。

        與可見范圍內的硅基探測器一樣,InGaAs傳感器具有較高的探測性能和快速的響應速度,盡管它們的光敏性取決于波長。與針對熱成像應用的SWIR相機不同,InGaAs設備還可以放棄昂貴的硅或鍺鏡頭,利用傳統的光學玻璃鏡頭。

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        一般來說,在工業機器視覺中,針對SWIR應用的InGaAs相機不需要冷卻。然而,在一些應用中,冷卻傳感器可以顯著減少暗電流,從而提高圖像質量和延長曝光時間。

        短波紅外(SWIR)的使用

        較短的SWIR波長——大約從900 nm到1700 nm——在可見范圍內表現與光子相似。雖然SWIR中目標的光譜含量不同,但生成的圖像仍然更清晰,不像MWIR和LWIR光帶的低分辨率熱成像。這種優勢讓SWIR與許多工業機器視覺應用的需求更緊密地結合在一起。

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        與MWIR和LWIR相比,SWIR較短的波長使圖像具有更高的分辨率和更強的對比度,這兩者都是檢查和分類的重要標準。

        此外,雖然SWIR的相機與可見光相機具有相似的光捕獲技術,但捕獲的圖像看起來與用硅傳感器捕獲的圖像非常不同——即使是成像同一個物體。

        一般來說,光和物質的任何相互作用都涉及到某種能量的交換。如果電磁能量被轉移到組成物體的分子上,物體的表面就會吸收這種能量。否則,能量將被反射。由于每個離散的波長都有其獨特的能量定義,在一個波長下看起來相似的材料在另一個波長會看起來完全不同。

        SWIR的優勢及應用

        正如前面提到的,SWIR的波長較長,這使得它們與原子結構的相互作用非常不同,這為機器視覺應用提供了一些新的和獨特的成像可能性。平常普通的物體在SWIR光譜中看起來會非常不同,這一現象已經實現了許多場景的應用。

        雖然硅分子的帶隙導致材料吸收可見光和近紅外波長,例如,硅可以傳輸低能量的SWIR波長,使半導體晶圓在這個光譜范圍內透明。這為原材料檢測應用提供了獨特的選擇,如硅片表面和內部的成像缺陷。這種SWIR光的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齊的基準標記,提高了精度。

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        SWIR最有前途的機器視覺應用之一是產品的檢測和分類。水在1450 nm和1900 nm波長處都具有很強的吸水性,這使得在這些波長照射的物體的圖像中,水看起來幾乎是黑色的。因此,使用適當的過濾器或光源可以幫助使受損的水果、灌溉良好的作物或散裝谷物中的水分含量非常明顯。

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        濕度檢測的價值并不局限于生產和作物。SWIR成像可以幫助確認染色的紡織品或刨花板是否足夠干燥,以便進一步處理。它還可以檢查密封完整性和包裝的質量,特別是如果高濕度的貨物包含在內。

        塑料由各種不同的聚合物化學組成。雖然它們在可見范圍內看起來都很像,但不同的塑料在SWIR光照射下可以很容易地區分開來。這有助于回收設施利用SWIR相機從1100nm到2200nm識別不同的聚合物并通過分選輸送機。

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        【來源:Smart Vision Light】


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