概括

短波紅外 (SWIR: Short Wave Infrared) 是一種比可見(jiàn)光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光。這些光不能通過(guò)“肉眼”看到，也不能用“普通相機(jī)”檢測(cè)到。由于被檢測(cè)物體的材料特性，一些在可見(jiàn)光下無(wú)法看到的特性，卻能在近紅外光下呈現(xiàn)出來(lái)，因此，可以通過(guò)短波紅外相機(jī)對(duì)物體特征進(jìn)行檢測(cè)。

目前在SWIR相機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天、生物、醫(yī)療、戶外監(jiān)控、化妝品等眾多領(lǐng)域，其中半導(dǎo)體檢測(cè)和食品檢測(cè)是兩大主要應(yīng)用市場(chǎng)，分布占據(jù)40%和30%的市場(chǎng)份額。

AVAL DATA的SWIR相機(jī)

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

圖2：ABA-013VIR相機(jī)的量子效率。

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

圖3：AVAL DATA提供的各種紅外相機(jī)系列。

SWIR相機(jī)的應(yīng)用

SWIR相機(jī)可用于很多領(lǐng)域，按照檢測(cè)目的，可用于如下例子所示的各種應(yīng)用。

1)分辨同色材料

i.粉末分辨

相同顏色的調(diào)味料、鹽、糖混合時(shí)，我們很難用肉眼區(qū)分出每種物質(zhì)。

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

圖4：三種物質(zhì)（調(diào)味料、鹽、糖）在可見(jiàn)光和三種短波紅外光下拍攝的圖像對(duì)比。

ii.液體分辨

通過(guò)SWIR相機(jī)來(lái)區(qū)分顏色相同的水和油時(shí)，水對(duì)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(jī)分辨同色液體的方法。

iii.塑料分類

使用一般的RGB相機(jī)成像，很難區(qū)分為各種類型的白色塑料物質(zhì)。然而使用SWIR相機(jī)成像時(shí)，由于每種物質(zhì)對(duì)光的吸收不同，因此它們會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色。

例如，在圖6所示的幾種物質(zhì)中，將尼龍（Nylon）分辨出來(lái)。由于尼龍?jiān)?200~1700nm波段對(duì)光的吸收率最高，因此尼龍?jiān)谠摬ǘ蔚某上駮?huì)非常暗，這樣就能很容易地將其與其他物質(zhì)區(qū)分開(kāi)來(lái)。

可見(jiàn)光圖像

1200-1700nm區(qū)域的尼龍

圖6：PVC/PS/Nylon/PC/PP/ABS在可見(jiàn)光和短波紅外光下的成像對(duì)比。

2)通過(guò)水分測(cè)量檢測(cè)食品缺陷

使用SWIR相機(jī)測(cè)量食品中的水分含量，可以實(shí)現(xiàn)食品缺陷的檢測(cè)。如圖7所示，使用1450nm成像進(jìn)行檢測(cè)，潮濕的面包呈現(xiàn)的顏色比較深，而干燥的面包呈現(xiàn)的顏色比較淺。通過(guò)這種方法，我們可以預(yù)測(cè)一些食品中的水分含量，以及其是否為不良產(chǎn)品。

圖7：標(biāo)準(zhǔn)面包（左）和干燥面包（右）在可見(jiàn)光和短波紅外光下的成像對(duì)比。

圖8的例子顯示了使用SWIR相機(jī)成像，檢測(cè)水果表面的瘀傷缺陷。在短波紅外成像中，瘀傷部分會(huì)呈現(xiàn)出較暗的顏色。

圖8：表面有瘀傷的橘子在可見(jiàn)光和短波紅外光下的成像對(duì)比。

3)材料滲透

i.晶圓測(cè)試

SWIR相機(jī)可用于檢測(cè)晶圓內(nèi)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(jí)（μm）和納米級(jí)（nm），因此晶圓檢測(cè)中使用的鏡頭必須為顯微鏡。

圖9：晶圓在可見(jiàn)光和短波紅外光下的成像對(duì)比。

ii.包裝內(nèi)部缺陷檢測(cè)

使用SWIR相機(jī)，可以透過(guò)包裝檢測(cè)內(nèi)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(zhì)，見(jiàn)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(cè)試后確認(rèn)。

圖10.使用短波紅外成像檢測(cè)包裝盒內(nèi)部。

圖11：使用短波紅外成像檢測(cè)瓶子內(nèi)的化妝品含量。

與SWIR相機(jī)配套使用的產(chǎn)品

將SWIR相機(jī)與其他產(chǎn)品一起使用時(shí)，可以設(shè)置最佳使用環(huán)境，這樣可以提高檢測(cè)精準(zhǔn)率。

1) 紅外偏光膠片的應(yīng)用

如果使用背光照明，很容易顯得成像目標(biāo)的背景太亮，并且不知道目標(biāo)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(biāo)的成像精度會(huì)有所提高。偏光片能抑制包裝的反射光，通過(guò)阻擋散射光和反射光，可以獲取清晰的圖像來(lái)檢測(cè)包裝內(nèi)部的物品。

圖12：在使用偏光片和不使用偏光片的情況下，對(duì)包裝內(nèi)的食品進(jìn)行成像的對(duì)比。

2) 截止濾波器的應(yīng)用

SonyIMX990傳感器可響應(yīng)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(jiàn)光截止濾波器(cutfilter)。如果只想在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，可以使用過(guò)濾器（pass filter）來(lái)提高檢測(cè)準(zhǔn)確性。

3)光源

根據(jù)想要成像的波長(zhǎng)范圍選擇光源。SWIR相機(jī)使用最多的光源是LED和鹵素?zé)簟?/p>

LED光源的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)熱低、耗電低、與鹵素?zé)粝啾葔勖L(zhǎng)。因此，一般長(zhǎng)期使用的FA領(lǐng)域，LED是首選光源。

但是，LED光源與鹵素?zé)粝啾裙饬坎蛔悖⑶乙粋€(gè)LED光源很難檢測(cè)寬波長(zhǎng)范圍，增加光源量自然會(huì)增加成本。

鹵素?zé)舻娜秉c(diǎn)在于壽命短、發(fā)熱量高。鹵素?zé)襞cLED光源相比，光量高，波長(zhǎng)寬。因此鹵素?zé)敉ǔ＿m用于廣泛的波長(zhǎng)分析檢測(cè)。

4）鏡頭

了解需要檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍，并選擇能夠覆蓋該波長(zhǎng)范圍的鏡頭也很重要。一般在野外拍攝時(shí)，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(jiàn)光波段的鏡頭。如果只需要SWIR成像檢測(cè)，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(cè)的高光譜相機(jī)

根據(jù)上述內(nèi)容(2.iii 廢塑料分類)顯示，SWIR相機(jī)能用于廢塑料的分類。但是由于SWIR相機(jī)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(jī)（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(shí)獲得以下各物質(zhì)的512個(gè)頻帶的圖像，并確認(rèn)分光信息，如圖15所示。

圖15：使用高光譜相機(jī)拍攝的圖像。

在圖16中，Nylon從1700nm開(kāi)始與其他物質(zhì)光譜特點(diǎn)相似，因此很難區(qū)分。但通過(guò)高光譜相機(jī)(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(jié)論

圖17：不適合用短波紅外成像檢測(cè)的物質(zhì)。

到目前為止，我們已經(jīng)研究了幾個(gè)適合用SWIR相機(jī)檢測(cè)的案例。然而，并非所有檢測(cè)都適合使用SWIR相機(jī)，如圖16所示，鋁、紙、液體中的含量確認(rèn)、氣泡檢測(cè)等，都無(wú)法用SWIR相機(jī)實(shí)現(xiàn)。

并不是所有材料都對(duì)紅外波段有響應(yīng)，因此提前了解被檢測(cè)材料類型以及它對(duì)哪個(gè)波長(zhǎng)有響應(yīng)，是使用紅外檢測(cè)的前提之一。

即使理論上有些材料對(duì)紅外波段有感應(yīng)，也許會(huì)由于這是混合物或受到外部環(huán)境的原因，可能無(wú)法使用SWIR相機(jī)進(jìn)行測(cè)試，因此現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試很重要。

AVAL DATA支持產(chǎn)品測(cè)試，能提供多種IR相機(jī)和高光譜相機(jī)，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