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短波紅外(SWIR)的范圍占據(jù)了電磁頻譜略高于近紅外。在1050到2500納米之間——短波紅外范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了標(biāo)準(zhǔn)硅基成像傳感器的探測(cè)能力。

盡管存在這一缺點(diǎn)，但除了諸如監(jiān)視之類的環(huán)境光應(yīng)用之外，SWIR獨(dú)特的檢查、分類和質(zhì)量控制能力已經(jīng)越來(lái)越多地用于機(jī)器視覺(jué)。

硅的量子效率在800納米以上迅速衰減，因此，由于這種SWIR傳感器往往建立在替代化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，包括銦鎵砷化鎵(InGaAs)和汞碲化鎘(MCT)。更現(xiàn)代的SWIR成像儀也在利用單個(gè)傳感器架構(gòu)，比如量子點(diǎn)技術(shù)。正確的圖像模式取決于它的應(yīng)用，這使得選擇至關(guān)重要。

這些技術(shù)中的每一項(xiàng)都顯著提高了可見傳感器以外的成像能力 – 無(wú)論是通過(guò)它們打開的擴(kuò)展光譜，還是SWIR光改變熟悉材料呈現(xiàn)的獨(dú)特方式。

中波紅外(MWIR)光譜是MCT相機(jī)更有效的地方。位于該光譜附近的SWIR波長(zhǎng)具有該光譜區(qū)域捕捉物體發(fā)射能量的能力。在這個(gè)范圍內(nèi)的光子不太容易受到較小直徑粒子引起的瑞利散射的影響，因?yàn)樗鼈兊牟ㄩL(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)。這意味著SWIR成像儀可以透過(guò)煙霧、薄霧或霧看到東西。

SWIR波長(zhǎng)較短——大約在900納米到1700納米之間——作用類似于可見光范圍內(nèi)的光子。盡管SWIR中目標(biāo)的光譜含量不同，但生成的圖像在特征上更直觀，不太像MWIR和LWIR光帶的低分辨率熱行為。

這種質(zhì)量使它們更緊密地符合許多工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用程序的需求。與MWIR和LWIR相比，SWIR波長(zhǎng)較短，有利于對(duì)比度較強(qiáng)的高分辨率圖像;分類和檢驗(yàn)的重要標(biāo)準(zhǔn)。

此外，盡管在SWIR的淺部操作的相機(jī)具有與可見光相機(jī)類似的光捕獲技術(shù)，但這些相機(jī)與硅傳感器創(chuàng)建的相機(jī)之間的圖像非常不同，即使在成像相同的項(xiàng)目時(shí)也是如此。

物理和化學(xué)都是這一現(xiàn)象的原因。光與物質(zhì)的相互作用涉及能量的交換。當(dāng)電磁能量轉(zhuǎn)移到物體的分子時(shí)，它被物體表面吸收。如果這沒(méi)有發(fā)生，能量就會(huì)被反射。在一個(gè)波長(zhǎng)出現(xiàn)相似的材料在另一個(gè)波長(zhǎng)出現(xiàn)完全不同的材料，因?yàn)槊總€(gè)離散波長(zhǎng)都有自己獨(dú)特的能量定義。

因此，SWIR相機(jī)的獨(dú)特功能可以捕捉這些高分辨率的圖像熟悉的項(xiàng)目。這些圖像將完全不同于傳統(tǒng)的硅成像儀在可見范圍內(nèi)工作。

在SWIR范圍的900到1700納米窗口，InGaAs傳感器是目前流行的相機(jī)技術(shù)。與其他SWIR成像方式相比，它們具有較高的成本效率和成熟程度，是機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中最常用的分類、檢查和質(zhì)量控制技術(shù)。

InGaAs傳感器提供了高檢測(cè)性能和快速響應(yīng)速度，就像硅基探測(cè)器在可見范圍內(nèi)工作一樣，盡管它們的光敏度取決于波長(zhǎng)。它們是固態(tài)設(shè)備，沒(méi)有百葉窗或其他移動(dòng)部件，這使得它們能夠抵抗震動(dòng)，而震動(dòng)在工廠的地板上很常見。與針對(duì)熱成像應(yīng)用的SWIR相機(jī)相比，InGaAs設(shè)備不需要昂貴的硅或鍺透鏡來(lái)利用傳統(tǒng)的玻璃光學(xué)。

通常，針對(duì)工業(yè)機(jī)器視覺(jué)中SWIR應(yīng)用的InGaAs相機(jī)不需要冷卻。盡管如此，冷卻傳感器可以顯著降低暗電流，從而提高圖像質(zhì)量，在某些應(yīng)用中，還可以延長(zhǎng)曝光時(shí)間，這一點(diǎn)可以從三臺(tái)濱松InGaAs相機(jī)的比較中得到證明。

需要注意的是，基于量子點(diǎn)技術(shù)的攝像機(jī)作為一種相對(duì)較新的SWIR成像技術(shù)，也正在獲得越來(lái)越大的吸引力。這些設(shè)備工作在一個(gè)光譜波段，與InGaAs傳感器重疊，這使得量子點(diǎn)相機(jī)成為現(xiàn)有技術(shù)的直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

與InGaAs成像儀相比，量子點(diǎn)相機(jī)的量子效率(QE)較低是需要考慮的一個(gè)方面。由于這導(dǎo)致相機(jī)靈敏度較低，這可能被認(rèn)為是一個(gè)缺點(diǎn)。然而，這種靈敏度可能不像最初設(shè)想的那么有限，因?yàn)樵谑芸貦C(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，SWIR照明以及QE也可以合理地預(yù)期隨著技術(shù)的成熟而改進(jìn)這一事實(shí)。

由于量子點(diǎn)相機(jī)的相對(duì)新穎性，它們往往具有較高的附加成本;然而，隨著技術(shù)的成熟，這種情況也可能會(huì)減少。InGaAs相機(jī)也是如此:隨著人們對(duì)SWIR在機(jī)器視覺(jué)方面的潛力越來(lái)越感興趣，規(guī)模經(jīng)濟(jì)的改善、制造技術(shù)和更高的收益率都將成為降低這兩種相機(jī)技術(shù)成本的因素。

與可見光波段相比，SWIR波長(zhǎng)更長(zhǎng)，與原子結(jié)構(gòu)的相互作用非常不同，這為機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用提供了一些新的、獨(dú)特的成像可能性。當(dāng)圖像在SWIR光譜，熟悉的項(xiàng)目出現(xiàn)非常不同，所以強(qiáng)調(diào)工業(yè)機(jī)器視覺(jué)方面啟用了無(wú)數(shù)的應(yīng)用，這將是困難的或不可能的可見光和相機(jī)。

例如，當(dāng)硅分子的帶隙使材料吸收可見光和近紅外波長(zhǎng)時(shí)，硅傳輸較低的能量SWIR波長(zhǎng)，這使得半導(dǎo)體晶圓在這個(gè)光譜范圍內(nèi)變得透明。這拓寬了原材料工業(yè)應(yīng)用的選擇，比如硅晶圓內(nèi)部和表面的成像缺陷。這種質(zhì)量的SWIR光也可以通過(guò)兩個(gè)晶圓的背面看到校準(zhǔn)基準(zhǔn)標(biāo)記，提高了精度，這也有利于晶圓鍵合應(yīng)用。

產(chǎn)品的檢測(cè)和分類是SWIR最有前途的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用之一。在該波長(zhǎng)的物體圖像中，水幾乎是黑色的，因?yàn)樗?450納米和1900納米都有很強(qiáng)的吸附性。因此，使用合適的光源或過(guò)濾器可以清楚地顯示受損水果、散裝谷物或灌溉良好的作物的水分含量。

然而，水分檢測(cè)的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)瘀傷產(chǎn)品。這種SWIR成像可以分析染色織物或刨花板是否足夠干燥，以便進(jìn)一步加工。這種成像還可以檢查密封的完整性和貨物包裝的質(zhì)量，特別是如果高水分的項(xiàng)目包含在內(nèi)。

在可見波長(zhǎng)上不透明的多種塑料在SWIR范圍內(nèi)變成半透明。這種半透明為檢測(cè)密封塑料容器內(nèi)的產(chǎn)品體積提供了新的方法。SWIR光穿透塑料的能力也提供了多種方法來(lái)檢測(cè)白色塑料瓶中藥品的填充水平。

雖然“塑料”一詞可能適用于在可見范圍內(nèi)看起來(lái)相似的多種聚合物化學(xué)性質(zhì)，但SWIR光闡明了材料之間的關(guān)鍵區(qū)別，并易于識(shí)別。這種質(zhì)量在利用SWIR攝像機(jī)在1100到2200納米范圍內(nèi)工作的回收應(yīng)用中非常有用，因?yàn)樗鼈兛梢杂糜谠诜诌x輸送裝置上識(shí)別不同的聚合物。

SWIR光與多種材料之間獨(dú)特的相互作用目前正處于其發(fā)展?jié)摿Φ拈_端。雖然無(wú)法預(yù)測(cè)SWIR波長(zhǎng)將如何照亮和成像復(fù)雜的化學(xué)成分，如藥物，但很明顯，潛在的影響是廣泛和廣泛的。

檢查和其他操作通常受益于窄帶內(nèi)的主動(dòng)照明，以提高物體和特征的對(duì)比度，就像在可視范圍內(nèi)的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用一樣。

直到今天，包含在SWIR范圍內(nèi)的led通常都是低輸出的，并且在光譜中范圍相對(duì)較廣。最近的技術(shù)進(jìn)步使得在更可控、更窄的光譜范圍內(nèi)可以產(chǎn)生更高的輸出。SWIR發(fā)光二極管已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)階段，在這個(gè)階段它們可以被控制，亮度足以成像，盡管與可見光相比，它們的輸出功率會(huì)更低，光譜范圍會(huì)更廣。

這些光源的峰值波長(zhǎng)為1050、1200、1300、1450和1550納米，現(xiàn)在提供了足夠高的功率，為機(jī)器視覺(jué)照明提供了潛在的新選擇。

在SWIR范圍內(nèi)工作的LED光源在配置上可與傳統(tǒng)可視范圍機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用程序中使用的光源相媲美，與我們熟悉的可見LED照明相比，這種新技術(shù)具有相似之處。這些光源可以單獨(dú)或組合，很像可見光led，用于實(shí)現(xiàn)類似復(fù)雜的圖像捕獲。

InGaAs傳感器產(chǎn)量的增加和新的SWIR成像技術(shù)的發(fā)展將降低技術(shù)成本，并增加機(jī)器視覺(jué)集成商對(duì)這些選項(xiàng)的可訪問(wèn)性。廣泛采用SWIR成像的最大障礙可能僅僅是缺乏研究。

雖然寬頻帶光源對(duì)這一范圍內(nèi)的某些應(yīng)用程序很有用，但在特定波段內(nèi)捕獲數(shù)據(jù)通常會(huì)提供更適用或更合適的圖像數(shù)據(jù)。要問(wèn)的關(guān)鍵問(wèn)題是，哪種波長(zhǎng)對(duì)它們獨(dú)特的應(yīng)用最有效——當(dāng)然，SWIR光譜擁有的波長(zhǎng)比可見光多得多。即使是像高光譜光譜儀這樣的先進(jìn)工具，也必須經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能回答這個(gè)問(wèn)題。

然而，仍有許多積極因素。當(dāng)用戶為自己的應(yīng)用程序確定了最佳的SWIR波長(zhǎng)時(shí)，就有了更廣泛的成像選擇。當(dāng)縮小頻譜時(shí)，不再需要依賴濾波器或算法來(lái)最大化糟糕的成像方案。

SWIR發(fā)光二極管將能夠在廣泛選擇的SWIR波長(zhǎng)下提供強(qiáng)烈的照明，因此集成商有信心能夠?qū)⒆罴压庠雌ヅ涞剿麄兊南鄼C(jī)和應(yīng)用中。最終，許多人將能夠利用在SWIR光譜中等待他們的可能性。

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