短波紅外（SWIR）成像已存在數(shù)十年，應用于軍事、國防、衛(wèi)星成像、防偽和文化遺產(chǎn)分析等領(lǐng)域。然而，直到最近，由于制造砷化銦（InGaAs）圖像傳感器的成本和復雜性，SWIR相機尚未在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應用。但現(xiàn)在，圖像傳感器的突破催生了成本更低、緊湊型且具備擴展光譜能力的單紅外相機，這些相機在從食品飲料到廢棄物回收等機器視覺應用中表現(xiàn)出極高的效果。

SWIR傳感器照亮前進道路

過去，制造比當今工業(yè)CMOS傳感器像素更小的單紅外圖像傳感器，在傳統(tǒng)的像素級凸起鍵合上存在挑戰(zhàn)。在該技術(shù)中，需要一定的凸起間距來將InGaAs光電二極管層與硅讀出電路層結(jié)合。索尼的新SenSWIR技術(shù)采用銅-銅（Cu-Cu）直接鍵合互連，直接連接堆疊CMOS傳感器的像素芯片和邏輯電路芯片，采用銅端子，消除了專用連接區(qū)域的需求，因此圖像傳感器可以制造更細的像素間距和更小的像素。 

索尼的混合型單紅外（SWIR）技術(shù)在2021年新冠疫情期間被推遲，但現(xiàn)在正大規(guī)模投入市場。許多機器視覺攝像公司現(xiàn)在提供更小、高分辨率、成本更低的單紅外相機，靈敏度范圍在400至1700納米之間。

在短波紅外圖像傳感器領(lǐng)域的其他領(lǐng)域，安塞米最近收購了SWIR Vision Systems，該公司開發(fā)基于膠體量子點（CQD）薄膜光電二極管，制造在硅讀出晶圓上的短波紅外相機。這些納米級半導體材料使基于CQD的相機能夠成像400至1700納米的范圍，同時還能擴展至2100納米的成像范圍。通過此次收購，安賽米計劃將其基于硅的CMOS傳感器和制造專業(yè)知識與CQD技術(shù)結(jié)合，以“以更低成本和更大產(chǎn)量提供高度集成的單紅外傳感器”。

SWIR攝像頭價格一直在大幅下降，但通過這項協(xié)議，成本很可能進一步下降，為機器視覺消費者提供多樣且價格合理的SWIR攝像頭選擇。事實上，這些進步和降低的入門成本引發(fā)了機器視覺界的熱烈響應。SWIR成像現(xiàn)已成為機器視覺市場中增長最快的細分領(lǐng)域之一。市場調(diào)研公司Yole Group預測，由于技術(shù)進步、需求穩(wěn)定和成本下降，SWIR成像的復合年增長率將達到28%，從2022年的8900萬美元增長到2028年的3.95億美元。

打破成像障礙

索尼和Onsemi的新型單波紅外傳感器技術(shù)的另一個新穎特點是，兩款傳感器現(xiàn)在都跨越了1 μm/1000 nm成像門檻，提供了400至1900 nm的典型可用響應。此前，傳統(tǒng)的InGaAs單波紅外傳感器在可見光范圍內(nèi)響應不佳，可用范圍約為1 μm/1000 nm。同樣，基于硅的CMOS傳感器響應速度下降了1微米，這也導致了機器視覺和成像領(lǐng)域中“1微米障礙”這一術(shù)語的產(chǎn)生。這些新傳感器能夠在可見光和短波紅外光譜中實現(xiàn)連續(xù)響應，推動了多光譜成像在機器視覺市場中的擴展。 

多光譜成像正在推動多種新興的成像和機器視覺應用，包括農(nóng)業(yè)應用。例如，這些相機可用于定義顏色相似的綠色葉片，以區(qū)分目標作物中的雜草，識別葉片中的果實，從土壤中挑取巖石或其他物體，或判斷水分含量。在其他領(lǐng)域，多光譜成像應用在廢棄物回收領(lǐng)域日益流行，攝像頭可以從垃圾流中識別特定類型的物質(zhì)，如高密度聚乙烯（HDPE），而高光譜成像選項可能成本高且數(shù)據(jù)量過大。

LED制造商回應

即使在最新傳感器發(fā)展之前，單波紅外系統(tǒng)在機器視覺領(lǐng)域已證明非常有用，適用于需要超越可見波段成像的應用。例如，在食品檢測中，SWIR攝像頭可以識別表面下受損或受損的水果，或通過塑料包裝檢查食品。在其他領(lǐng)域，短波紅外相機在檢查非透明容器的填充量、檢測包裝中的水分、測量工廠含水量、防偽、晶圓和太陽能電池生產(chǎn)等領(lǐng)域非常有用。

對于有機器學習技術(shù)經(jīng)驗的系統(tǒng)集成商來說，SWIR在部署上本質(zhì)上與可見成像系統(tǒng)無異。如今，隨著成本壁壘的降低，SWIR相機的需求和部署迅速增長，這項技術(shù)為機器視覺工具箱提供了一種有用且新穎的工具。雖然深波紅外技術(shù)的普及主要由圖像傳感器的發(fā)展引領(lǐng)，照明公司也必須跟進。

雖然公司在推出適合SWIR成像系統(tǒng)的鏡頭方面更快上市，但照明制造商的進展卻較慢，主要原因是SWIR LED技術(shù)的限制以及相應的高昂成本。然而，隨著技術(shù)進步和需求的增加，LED制造商正在適應市場的變化。此外，較新的單紅外LED每投入一瓦功率，能產(chǎn)生更多光輸出和更少的熱量，同時提升其單波紅外光的絕對強度。

雖然大多數(shù)照明制造商對SWIR LED照明來說是定制或半定制的選項，但市場上有幾家公司提供標準的SWIR波長產(chǎn)品，且選項數(shù)量也在增加。目前市場上的SWIR照明選項范圍從1050到1550納米不等，同時還有多區(qū)燈具，將不同波長組合在同一燈體中。

多光控制器推動多光譜向前發(fā)展

多光控制器對于構(gòu)建下一波多光譜機器視覺系統(tǒng)也至關(guān)重要。多光譜成像涉及在不同波長拍攝多張圖像，以展示該窄帶響應內(nèi)給定物體的特性。檢測應用可以簡單到軟件分析單個圖像，將其視為單色檢測。但更常見的是，圖像序列通過加權(quán)濾鏡融合成單一多光譜圖像，或?qū)⒖紙D像進行加減或區(qū)分以獲得期望結(jié)果。

為了簡化這些圖像序列的編程和獲取流程，新推出的照明控制器在一封裝中提供了可編程序列和四通道恒流LED驅(qū)動器。控制器可以與匹配的多通道燈光配對，這些多通道燈具有線性、環(huán)形或穹頂燈格式，每種燈具提供三到四個通道。通過TCP/IP接口，控制器可以讓任何類型的成像序列編程對任何級別的用戶來說都變得直觀。

借助這些新技術(shù)，用戶可以選擇420 nm至1650 nm的波長，根據(jù)特定應用單獨填充每個可用通道。這些發(fā)展，加上最新的短波紅外相機，使得機器視覺用戶如今擁有比以往任何時候都更低的多光譜成像技術(shù)。多光譜成像的未來確實非常光明，波長更多。