【光电智造】精密检测的新趋势，SWIR相机的各种应用方法

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概括

短波红外 (SWIR: Short Wave Infrared) 是一种比可见光波长更长的光。这些光不能通过“肉眼”看到，也不能用“普通相机”检测到。由于被检测物体的材料特性，一些在可见光下无法看到的特性，却能在近红外光下呈现出来，因此，可以通过短波红外相机对物体特征进行检测。

目前在SWIR相机广泛应用于工业、航空航天、生物、医疗、户外监控、化妆品等众多领域，其中半导体检测和食品检测是两大主要应用市场，分布占据40%和30%的市场份额。

图1：SWIR相机的应用。

AVALDATA提供各种SWIR相机，最近开发的搭载索尼IMX990传感器的ABA-013VIR，是市场上分辨率最高的一款SWIR相机，其拥有400~1700nm (VIS-SWIR)的宽波段覆盖范围，传感器的响应度平均超过80%。

ABA-013VIR主要特性：

• 感光波段：400~1700nm                            

• 分辨率：1280 x 1024，

• 像素尺寸：5μm

• 帧率：60fps(GigE接口)、125.26fps(CameraLink  接口)

• 配备TEC 1（Peliter cooling）

• 支持FFC功能

※  另有搭载SonyIMX991传感器的VGA像素的相机。

图2：ABA-013VIR相机的量子效率。

此外，AVAL DATA还提供其他SWIR面阵和线阵相机、中红外（MIR）和远红外（WIR）系列产品，如图3所示。 

图3：AVAL DATA提供的各种红外相机系列。

SWIR相机可用于很多领域，按照检测目的，可用于如下例子所示的各种应用。

1)分辨同色材料

 i. 粉末分辨

相同颜色的调味料、盐、糖混合时，我们很难用肉眼区分出每种物质。

但是，由于每种材料吸收光的特性不同，使用SWIR相机拍摄，它们的图像会显示不同的颜色，如图4所示。

图4：三种物质（调味料、盐、糖）在可见光和三种短波红外光下拍摄的图像对比。

ii. 液体分辨

通过SWIR相机来区分颜色相同的水和油时，水对短波红外光的吸收要比油更高，因此在SWIR成像中，水的颜色更深（黑），而油的颜色更浅（明亮）。这是使用SWIR相机分辨同色液体的方法。

图5：水和油在可见光和短波红外光下的成像对比。

 iii. 塑料分类

使用一般的RGB相机成像，很难区分为各种类型的白色塑料物质。然而使用SWIR相机成像时，由于每种物质对光的吸收不同，因此它们会呈现出不同的颜色。

例如，在图6所示的几种物质中，将尼龙（Nylon）分辨出来。由于尼龙在1200~1700nm波段对光的吸收率最高，因此尼龙在该波段的成像会非常暗，这样就能很容易地将其与其他物质区分开来。

可见光图像

1200-1700nm区域的尼龙

图6：PVC/PS/Nylon/PC/PP/ABS在可见光和短波红外光下的成像对比。

2)通过水分测量检测食品缺陷

使用SWIR相机测量食品中的水分含量，可以实现食品缺陷的检测。如图7所示，使用1450nm成像进行检测，潮湿的面包呈现的颜色比较深，而干燥的面包呈现的颜色比较浅。通过这种方法，我们可以预测一些食品中的水分含量，以及其是否为不良产品。

图7：标准面包（左）和干燥面包（右）在可见光和短波红外光下的成像对比。

图8的例子显示了使用SWIR相机成像，检测水果表面的瘀伤缺陷。在短波红外成像中，瘀伤部分会呈现出较暗的颜色。

图8：表面有瘀伤的橘子在可见光和短波红外光下的成像对比。

3) 材料渗透

i.晶圆测试

SWIR相机可用于检测晶圆内部缺陷和Alignment key的位置。晶圆缺陷和Alignment Key的尺寸大小为微米级（μm）和纳米级（nm），因此晶圆检测中使用的镜头必须为显微镜。

图9：晶圆在可见光和短波红外光下的成像对比。

ii. 包装内部缺陷检测

使用SWIR相机，可以透过包装检测内部物品的缺陷、物品位置以及异物等。但是，包装材料必须是短波红外光能够穿透的物质，见图10、图11。短波红外光不能穿透铝制包装，但是能穿透一些塑料包装；具体能否穿透，需要测试后确认。

图10.使用短波红外成像检测包装盒内部。

图11：使用短波红外成像检测瓶子内的化妆品含量。

将SWIR相机与其他产品一起使用时，可以设置最佳使用环境，这样可以提高检测精准率。

1) 红外偏光胶片的应用

如果使用背光照明，很容易显得成像目标的背景太亮，并且不知道目标是否在透射照明光；但如果使用红外偏光片，可以消除背光，目标的成像精度会有所提高。偏光片能抑制包装的反射光，通过阻挡散射光和反射光，可以获取清晰的图像来检测包装内部的物品。

图12：在使用偏光片和不使用偏光片的情况下，对包装内的食品进行成像的对比。

2) 截止滤波器的应用

图13：截止滤波器。

SonyIMX990传感器可响应VIS-SWIR波段，因此，如果只需要在近红外波段成像，可以使用可见光截止滤波器(cutfilter)。如果只想在特定波长范围内进行检测，可以使用过滤器（pass filter）来提高检测准确性。

3) 光源

图14：LED灯（左）和卤素灯（右）。

根据想要成像的波长范围选择光源。SWIR相机使用最多的光源是LED和卤素灯。

LED光源的优点是发热低、耗电低、与卤素灯相比寿命长。因此，一般长期使用的FA领域，LED是首选光源。

但是，LED光源与卤素灯相比光量不足，并且一个LED光源很难检测宽波长范围，增加光源量自然会增加成本。

卤素灯的缺点在于寿命短、发热量高。卤素灯与LED光源相比，光量高，波长宽。因此卤素灯通常适用于广泛的波长分析检测。

4）镜头

了解需要检测的波长范围，并选择能够覆盖该波长范围的镜头也很重要。一般在野外拍摄时，需要覆盖VIS-SWIR的镜头。虽然晚上不需要自然光，但白天需要自然光，因此野外拍摄需要能覆盖可见光波段的镜头。如果只需要SWIR成像检测，则需要使用SWIR专用镜头。

AVALDATA的ABA-013VIR支持C-mount接口的镜头，传感器大小为1/2英寸，因此必须使用支持1/2英寸以上的C-mount镜头。

根据上述内容(2.iii 废塑料分类)显示，SWIR相机能用于废塑料的分类。但是由于SWIR相机的感光范围仅为900~1700nm，因此很难分辨出多种不同的塑料材料。另外，如果需要在特定波段成像，则需要特定波段的滤光器或光源。

但是，如果使用高光谱相机（AHS-003VIR)，则可以在450~1700nm波段中一次拍摄，以18.8nm的分光分辨率同时获得以下各物质的512个频带的图像，并确认分光信息，如图15所示。

图15：使用高光谱相机拍摄的图像。

在图16中，Nylon从1700nm开始与其他物质光谱特点相似，因此很难区分。但通过高光谱相机(AHS-003VIR)拍摄，能看到1380~1600nm波段的成像与其他塑料不同。

Grey Level

Grey Level

图16：PVC/PS/Nylon/PC/PP/ABS的红外成像图。

AHS-003VIR主要特征:

• 感光波段：450~1700nm

• 分辨率：640（空间）x 512（光谱）

• Pushbroom 拍摄方式

• 光谱波段: 512bands 

• 光谱分辨率：18.8nm

• 最大帧率：240.6fps（CameraLink接口）

结论

图17：不适合用短波红外成像检测的物质。

到目前为止，我们已经研究了几个适合用SWIR相机检测的案例。然而，并非所有检测都适合使用SWIR相机，如图16所示，铝、纸、液体中的含量确认、气泡检测等，都无法用SWIR相机实现。

并不是所有材料都对红外波段有响应，因此提前了解被检测材料类型以及它对哪个波长有响应，是使用红外检测的前提之一。

即使理论上有些材料对红外波段有感应，也许会由于这是混合物或受到外部环境的原因，可能无法使用SWIR相机进行测试，因此现场测试很重要。

AVAL DATA支持产品测试，能提供多种IR相机和高光谱相机，以及镜头、光源等能够满足客户需求的一整套打包方案。

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