传感器技术的最新突破显示出短波红外（SWIR）技术进入机器视觉主流市场的巨大前景。
据麦姆斯咨询报道，长期以来SWIR成像为工业机器视觉提供了诸多令人感兴趣的功能，但应用进展缓慢。SWIR可提供许多有用的特性，既可以使在白光下不可见的对象变得可见，也可以使在白光下不透明的对象变得透明。这样便可让机器视觉镜头“看到”它们原本无法看到的物体，还可增加看似相同的物体间的对比度。但尽管具备这些优势，SWIR的应用进度却非常缓慢。
然而，传感器技术的最新突破表明了SWIR技术进入机器视觉主流市场的巨大前景。这些新突破激发出从可见光到SWIR波段的新型成像传感器，具有高量子效率（QE）（注：QE表征了入射光转换为电信号的效率）。可见光和SWIR的高灵敏度已经引起了众多研究者的兴趣和讨论，但这类传感器的其他特性对于其在工业机器视觉和检测中的应用也非常重要。
可见光到SWIR波段的新型传感器有何与众不同？
除了0.4μm到1.7μm波段具有较高QE外，这类新型传感器还可提供更小的像元（5μm）、低噪声以及高像素质量。这些品质都是工业CMOS传感器在可见光波段所预计达到的，但在SWIR传感器中却少有符合。这意味着SWIR传感器正在接近机器视觉和检测行业所要求的品质。
更小的像元意味着给定尺寸传感器将容纳更多的像素，这样就体现出了多个重要优势。首先是可以降低传感器的成本，因为更小的传感器尺寸意味着单片半导体晶圆可以制造更多数量的传感器。其次，这也将影响光学元件的成本。随着传感器尺寸的缩减，任何给定视场角角度的透镜焦距也将减小，这样就会减少所需光学元件的尺寸和成本。最后，更小的像元将促进制造物理尺寸更小、质量更轻的光学元件，从而更易集成到工业环境中。
低噪声则是机器视觉的关键参数，这是因为噪声会导致测量错误、决策缓慢和错误决策。减少传感器噪声也可加快检测速度，这是因为对数据进行较少的降噪平均。
高像素质量或无像素缺陷一直是可见光工业传感器的标准要求，但该因素过去在SWIR InGaAs传感器中一直是重大问题。低像素质量会导致需要进一步的图像处理，以发现并忽略来自坏像素的数据，从而减慢处理速度并导致有用信息减少。
良好的QE是工业机器视觉传感器的重要要求。高QE意味着产生更强的电学信号需要更少的光子。QE越高，所需曝光时间就越短，这意味着在工业应用中，快速移动部件可以以运动模糊最小值通过相机。当QE高时，所需的光源更少或使用更小孔径的透镜。对于SWIR成像来说，高QE尤为重要。
虽然对于SWIR传感器来说高QE是独特的，但在可见光中具有高QE，对于机器视觉来说却并不是那么令人兴奋。因此，尽管这是探讨最多的特性，但对于采用新传感器来说，它可能并不像上述其他优势特性那样重要。
SWIR成像的应用
SWIR光与许多材料的相互作用不同于可见光。有些对象在SWIR中是透明或半透明的，但在可见光中不透明。有些塑料在SWIR中是透明的，但在可见光中是不透明的，利用SWIR可检查不透明白色瓶子中的内容物（如图1）。同样，硅衬底在SWIR中是透明的，这样就可以检查在可见光中可能被遮挡的组件。有些物体会吸收可反射可见光的SWIR光，从而使在可见光中为白色的物体在SWIR中显得较暗。该特性可用于识别和分离在可见光中看起来完全相同的材料。SWIR还可以穿透许多有机材料的表面，允许对如农产品碰压伤等表面以下的物体成像（如图2）。
图1 SWIR成像系统可以穿透这个不透明的白色瓶子成像，揭示瓶子内容物的轮廓（图片来源：爱特蒙特光学）
图2 SWIR波长可以显示在可见光检查农产品时看不见的碰压伤（图片来源：爱特蒙特光学）
这些现象都利用了SWIR不同于可见光的与物质间相互作用的方式，同时只有当传感器捕获SWIR光时才能看到它们。如果传感器除了SWIR之外还看到可见光图像，那么可见光信息将会覆盖SWIR的信息，从而失去对比度或使其完全模糊。为避免这种情况发生，要么在光源中只使用SWIR光，要么通过滤光片来阻挡可见光。许多应用中只需要SWIR信息，因此仅使用SWIR光源或仅通过SWIR光的滤光片即可。
有些应用则需要从可见光到SWIR光的交替信息。例如，在前文产品检查示例中，SWIR仅用于寻找农产品碰压伤，但可见光可用于检查产品颜色。在这类应用可以使用交替光源，但这将要求物体仅由经过滤除的光源（控制光源）照射，而没有额外的环境光源。对于不完全受控光源的应用来说，滤光步骤是必要的。但交替滤光片难以实现自动化且成本高，因此使用多台相机通常更简便、经济，尤其针对一台相机只能看到可见光的情况下。同等分辨率下，可见光相机和镜头将比SWIR相机和镜头更便宜。
对于SWIR和可见光波段的成像，还有需要考虑另一个因素——色差。即使对于简单的可见光镜头，也存在“色差现象”，这种现象会降低成像性能。该因素由一种被称为色散的物理特性所引起，来源于成像组件透镜所使用的玻璃；色散是玻璃的弯曲能力相对于波长的变化。这种色散会引起色差，在色差中不同的波长会被透镜以不同方式聚焦。在镜头设计中，通过仔细平衡不同色散值的材料来影响每个波长的聚焦位置，可以将色差降至最低。绝大多数现成的相机和镜头都是针对可见光进行颜色校正的。仅在SWIR中，为色彩校正而优化镜头的数量就较少。这些镜头的价格往往比类似的可见光镜头贵数倍（如图3）。许多因素导致了镜头成本的增加，主要因素还是校正SWIR中色差的复杂性。在SWIR中校正色差更加困难，因为光学玻璃在该波段的作用不同，并且也没有理想的色散来平衡色差。其中使用了许多透镜元件，使得设计更加复杂且昂贵，这是因为校正色差的色散选择不太理想。当以单色方式或在相对较小的波段使用时，未针对SWIR进行色彩校正的镜头仍可充分预成型。正因如此，当使用窄带光源（如LED）的窄带滤光片时，可在SWIR系统中使用为可见光设计的镜头。
图3 可见光和SWIR波段成像镜头的色差校正可以实现，但这相比于对较小波段镜头进行校正更加复杂且昂贵（图片来源：爱特蒙特光学）
然而，如果想要同时使用可见光和SWIR光，就需要进行非常复杂的色彩校正。这是可能实现的，市场上也确实存在这种性能优异的镜头。但是，这种镜头非常复杂，因此价格昂贵。完成从可见光至SWIR波段色彩校正的镜头成本是SWIR色彩校正镜头成本的数倍。
需要同时使用可见光和SWIR的应用可以使用“新型SWIR传感器 + 可见光至SWIR波段经过色彩校正的单个镜头”，并在两者之间设置交替光源或移动滤光器。另一方案：新型SWIR传感器与SWIR镜头与SWIR滤光片一同使用，并带有标准可见光镜头的可见光相机，从而显著节省成本，而无需移动部件或交替光源。
新型可见光-SWIR传感器进入市场，为SWIR工业机器视觉带来了如小像元、良好QE、低像素缺陷、低噪声等显著优势，即使该特定市场不关注可见光的灵敏度，也能体现其巨大发展潜力。
延伸阅读：
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
