SWIR成像实现多种类型的机器视觉应用

短波红外（SWIR）成像允许机器视觉专业人员开发那些利用可见光不容易实现的应用。SWIR是电磁波谱中的一个波段，这个波段不在人类可见的光谱范围之内。有些专家通常将SWIR定义在900~1700nm波长范围内的光；但也有一些专家将SWIR定义在700~2500nm波段。MachineVisionSource公司创始人DavidDechow在一次针对SWIR话题的演讲中表示，在大多数情况下，SWIR光的行为“与你所了解的可见光是相同的”。尽管SWIR光的行为通常与可见光相同，但它照在一些常见物质（如水、塑料和玻璃）上的表现却与可见光不同。这种特性使得SWIR在涉及这些物质的机器视觉应用中，比可见光更有用。例如，一些SWIR波长会被水吸收，这意味着在SWIR相机拍摄的图像中，水会呈现出黑色。另一方面，SWIR光能够穿透某些类型的塑料，导致这些塑料在SWIR相机拍摄得图片中无法显示出来。利用这些特性，工程师们可以开发出SWIR成像的应用，以检测完全不透明的塑料容器内的水性成分（比如固体白色奶瓶中的牛奶）。Dechow解释说，这些SWIR相机也适用于检测水果等含水量较高的食品，可以发现瘀伤或软点等质量问题。AlliedVisionTechnologies公司SWIR成像业务开发经理JensHashagen认为：“随着越来越多的用户了解到，许多材料能够通过在SWIR范围内的光谱响应来彼此区分，SWIR成像也因此在许多应用中获得青睐。”图2：AlliedVision公司的GoldeyeSWIR相机系列，采用了索尼公司的SenSWIRInGaAs图像传感器。湿度检测除了用于测量容器中液体的液位之外，利用SWIR与水之间的作用方式，还可以识别衣物中的水分含量。PrincetonInfraredTechnologies公司总裁兼首席执行官MartinH.Ettenberg解释说：“利用SWIR成像检测衣物中的湿度，涉及捕获光反射模式的细微变化，因为水分会改变1400nm波长处光的反射率。SWIR成像可以识别织物中的水分存在的位置和含量，这对纺织品制造的质量控制意义重大。”医学成像AlliedVision公司的Hashagen介绍了SWIR成像在另一项重要应用中的作用：“在医学成像领域，SWIR成像具有光明的应用前景，因为水、脂肪和胶原蛋白等人体重要成分在SWIR波段具有明显的吸收峰。SWIR在医学成像中通常被称为NIR-II窗口；SWIR增加了成像深度，并大幅减少了400~950nm波段发生的自体荧光和光子散射现象。与可见光范围内的透明或半透明图像不同，SWIR提供了极具特色的高对比度图像，对临床前和临床应用非常有帮助。”检测甲烷SWIR也用于监测污染。例如，PrincetonInfraredTechnologies公司的Ettenberg表示：“SWIR技术对甲烷检测大有帮助。SWIR对甲烷气体非常敏感，可以使用多个波长的SWIR光，检测出即使是很微量的这种温室气体。SWIR对甲烷气体的灵敏度，对于检测甲烷的来源和甲烷存在的区域至关重要。”他还补充说，SWIR是此类应用的最佳选择，因为SWIR在室温操作条件下具有较高的量子效率（QE）和较低的读取噪声，这也有助于创建一个最终可以放置在卫星上的、体积更小、重量更轻的系统。检测太阳能电池板TeledyneDALSA公司CMOS传感器研发主管MatthiasMoser表示：“虽然太阳能电池的检测并不是什么新事物，但是SWIR在这一领域的应用正在不断发展。预计随着电动汽车的需求和应用增长，全球范围内的电力需求也会增加。随着电力成本的上涨，为满足日益增长的电力需求，太阳能电池板和太阳能发电场形式的太阳能供电方案，将取代价格较高的电力，帮助满足充电用电的需求。”图3：TeledyneDALSA公司的LineaSWIR相机。探测矿产资源SpecimSpectralImagingOy公司首席应用专家MathieuMarmion博士指出：“SWIR技术最重要的应用领域之一，仍然是采矿业和矿物识别。这是因为许多基本矿物中存在OH分子链，与MWIR（中波红外）和LWIR（长波红外）探测相比，其中一些分子链仅在SWIR波段可被识别。”SWIR成像可用于从空中探测大面积的岩石。Specim公司的网站上显示，该技术还可用于分析岩芯和地质样本。自由空间的光通信AlliedVision公司透露了SWIR成像的一个未来应用案例：自由空间光通信（FSOC）。这是一种使用激光在大气层和太空中无线传输数据的通信方法。然而，通常激光传输应用中使用的激光器，也没有解决FSOC用于地面通信时的一个问题：FSOC传输可能会受到大气层的干扰，如雨、雾、雪或大气污染引起的大气层对光波的吸收和散射等问题。它们也容易受到包括太阳光在内的背景光源的干扰。Hashagen认为，使用SWIR激光器可以解决上述问题。他说，工作在1550nm波段的激光器非常适合于FSOC，这个波段的红外光在大气中受到的干扰较小，能够进行远程数据传输，对人的眼睛来说比较安全，并且高质量发射器和探测器器件具有很高的可用性，因为在电信行业中，这些器件已经在光纤通信中使用。SWIR激光器可以与SWIR相机一起部署，SWIR相机在FSOC应用中用作接收器。“在FSOC系统中使用SWIR相机来调整自适应光学系统（AO），以进一步增强信号检测能力，并优化系统的性能和可靠性。SWIR相机的关键性能特征在于，在1550nm的高灵敏度、低噪声以及支持高帧率。此外，相机没有传感器玻璃，有助于提高信号功率，防止由于玻璃内部的反射和传感器玻璃防反射层中的污染导致的图像失真。”Hashagen说道。SWIR成像器件为了利用SWIR成像，工程师和专业技术人员使用了包括传感器在内的专业产品。因为SWIR光能够直接穿透硅材料传输，因此SWIR传感器使用的材料与可见光传感器不同。SWIR传感器最常见的材料是砷化铟镓（InGaAs）。胶体量子点（CQD）和铜-铜键合材料也是适合用于SWIR传感器。根据PrincetonInfraredTechnologies公司的数据，InGaAs在950~1650nm波段的量子效率（QE）大于80%，而胶体量子点材料在大部分SWIR波段上的量子效率不足10%。然而，SWIRVisionSystems公司全球销售经理SamWyman表示，虽然CQDSWIR传感器目前的量子效率可能低于商用的InGaAsSWIR传感器，但重要的、特别要强调的是，人们已经在提高下一代CQDSWIR传感器的量子传输效率方面取得了实质性的进展。Wyman还指出，CQD传感器通常比InGaAs传感器具有更宽的光谱范围，这使得它们能够用单个传感器支持多个光谱范围。无论传感器材料如何，专家们预计，随着技术的不断改进，SWIR的使用案例都会增加。正如Specim公司的Marmion所说：“SWIR相机在过去几年的发展都遵循了一个共同的趋势，即研发出速度更快、价格更实惠、像素更多、更适合工业生产线系统的相机，使客户能够更广泛地应用SWIR技术，从而在不同应用领域实现更准确的材料检测和质量控制。”图4：Specim公司的SWIR相机在1000~2500nm波段工作。Dechow介绍说，尽管一些相机制造商使用线扫描方法成像，但面阵传感器仍是SWIR成像中最常见的类型。涉及SWIR成像的机器视觉应用，也使用其他常用的器件，如光源、滤波器和镜头。市面上的SWIR成像产品TeledyneDalsa公司的LineaSWIRCMOSGigE线扫相机，采用InGaAs图像传感器，有12.5µm像素1k分辨率或25µm像素512分辨率两种配置。两者都具有40kHz的最大线速率。相机感光范围950~1700nm。JAI公司Sweep+系列相机中的SWIR线扫相机SW-4010Q-MCL，可同时捕获RGB和SWIR图像数据，相机采用四传感器线扫技术，允许在三个独立的CMOS传感器上同时收集红、绿和蓝图像数据，第四个基于InGaAs的传感器，用于收集来自SWIR光谱的图像数据。SW-4010Q-MCL相机的InGaAsSWIR传感器具有1024像素分辨率，传感器宽度为25.6mm，全分辨率扫描速率为39kHz。图5：JAI公司的SWIR相机，可同时捕捉RGB和SWIR图像数据。AlliedVision公司的GoldeyeSWIR相机系列，配备索尼SenSWIRInGaAs图像传感器，像素尺寸5μm×5μm，采用单级传感器冷却，无风扇设计。相机感光范围400~1700nm，还包括一些图像校正功能。相机兼容CameraLink或GigEVision接口。其中，GoldeyeG-030相机配备IMX991传感器，帧率为234fps，分辨率为656×520像素；GoldyeeG-130相机配备IMX990传感器，分辨率为1280×1024像素，最大帧率为94fps。SWIRVisionSystems公司的AcurosSWIR相机采用CQD-on-CMOS传感器，并且可以在可见光、近红外（NIR）和SWIR波段成像。相机配备USB3.0接口或GigEVision接口，提供三种分辨率：2.1MP、1920×1080格式传感器；1.2MP、1280×1024格式传感器；和VGA分辨率，640×512格式传感器。图6：SWIRVisionSystems的AcurosSWIR相机采用CQD-on-CMOS传感器，并且可以在可见光、近红外（NIR）和SWIR波段成像。NewImagingTechnologies公司的SenS1280HDSWIR相机智能版本，分辨率为1280×1024像素，帧率为60Hz全帧，QE（量子效率）超过80%。它具有图像处理功能，无需