據(jù)麥姆斯咨詢介紹，短波紅外（SWIR）成像技術(shù)已經(jīng)在軍事、國(guó)防、衛(wèi)星成像、防偽和文物分析等領(lǐng)域應(yīng)用了幾十年。然而，由于制造銦鎵砷（InGaAs）圖像傳感器的高成本和復(fù)雜性，直到現(xiàn)在，短波紅外相機(jī)還沒(méi)有在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。不過(guò)，圖像傳感器近年取得的突破性進(jìn)展帶來(lái)了具有擴(kuò)展光譜功能的低成本、緊湊型短波紅外相機(jī)，并在從食品飲料到廢物回收等機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

?短波紅外傳感器前景光明

過(guò)去，采用傳統(tǒng)的像素級(jí)凸點(diǎn)鍵合技術(shù)制造比工業(yè)級(jí)CMOS圖像傳感器像素更小的InGaAs圖像傳感器具有挑戰(zhàn)性。對(duì)于這種技術(shù)，需要一定的凸點(diǎn)間距才能將InGaAs光電二極管層鍵合到硅讀出電路層。索尼（Sony）開(kāi)發(fā)的新型SenSWIR技術(shù)采用銅-銅（Cu-Cu）直接鍵合互連技術(shù)，可以將堆疊式CMOS圖像傳感器的像素芯片和邏輯電路芯片直接互連，而無(wú)需專門(mén)的連接區(qū)域，因此可以制造出像素間距和像素更小的圖像傳感器。

隨著短波紅外傳感器（例如索尼SenSWIR）的發(fā)展，對(duì)于機(jī)器視覺(jué)廠商來(lái)說(shuō)，短波紅外相機(jī)的選擇更多了，而且價(jià)格更低。

索尼的混合短波紅外技術(shù)由于新冠疫情的影響在2021年被推遲發(fā)布，現(xiàn)在已開(kāi)始大規(guī)模投放市場(chǎng)。如今，許多機(jī)器視覺(jué)相機(jī)廠商都推出了體積更小、分辨率更高、成本更低的短波紅外相機(jī)，其探測(cè)波長(zhǎng)范圍覆蓋400～1700nm。

據(jù)麥姆斯報(bào)道，在短波紅外圖像傳感器領(lǐng)域，安森美（onsemi）最近收購(gòu)了SWIRVisionSystems公司，后者開(kāi)發(fā)的短波紅外傳感器基于在硅讀出晶圓上制造的膠體量子點(diǎn)（CQD）薄膜光電二極管。這些納米級(jí)半導(dǎo)體材料使基于CQD的傳感器能夠在400～1700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)成像，同時(shí)還能擴(kuò)展到2100nm。通過(guò)此次收購(gòu)，安森美計(jì)劃將其硅基CMOS圖像傳感器和制造技術(shù)與CQD技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而以更低的成本和更大的產(chǎn)量提供高度集成的短波紅外傳感器。

短波紅外相機(jī)的價(jià)格已經(jīng)大幅下降，但隨著此次安森美收購(gòu)交易的達(dá)成，成本有望進(jìn)一步下降，從而為機(jī)器視覺(jué)廠商提供更豐富、更經(jīng)濟(jì)的短波紅外相機(jī)。事實(shí)上，短波紅外成像技術(shù)的進(jìn)步和入門(mén)成本的降低，已經(jīng)在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域激起巨大反響。目前，短波紅外成像技術(shù)已躋身機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。市場(chǎng)研究公司YoleGroup預(yù)測(cè)，由于技術(shù)進(jìn)步、需求穩(wěn)定和成本降低，短波紅外成像傳感器市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到28%，市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的8900萬(wàn)美元快速增長(zhǎng)至2028年的3.95億美元。

打破成像障礙

索尼和安森美的新型短波紅外傳感器技術(shù)的另一個(gè)新穎之處在于，它們的傳感器現(xiàn)在都能跨越1μm成像障礙，提供400～1900nm的典型可用光譜響應(yīng)。過(guò)去，傳統(tǒng)的InGaAs短波紅外傳感器在可見(jiàn)光范圍幾無(wú)響應(yīng)，可用范圍在1μm左右。同樣，硅基CMOS圖像傳感器在1μm也失去響應(yīng)，因此在機(jī)器視覺(jué)和成像領(lǐng)域被稱為“1μm障礙”?，F(xiàn)在的新型短波紅外圖像傳感器能夠在可見(jiàn)光和短波紅外光譜范圍提供連續(xù)響應(yīng)，從而拓展了機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)的多光譜成像應(yīng)用。

多光譜成像技術(shù)正在推動(dòng)很多新興的成像和機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用，包括農(nóng)業(yè)應(yīng)用。例如，多光譜相機(jī)可用于區(qū)分顏色相似的綠植，將雜草與目標(biāo)作物區(qū)分開(kāi)來(lái)，識(shí)別葉片中的果實(shí)，從土壤中拾取石塊或其它物體，或判斷水分含量。在其它方面，多光譜成像技術(shù)在廢物回收領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，多光譜相機(jī)可以從廢棄物中挑選出特定類型的材料，例如高密度聚乙烯（HDPE），而這種應(yīng)用對(duì)于高光譜成像技術(shù)來(lái)說(shuō)成本和數(shù)據(jù)量又過(guò)于高昂。

LED制造商的回應(yīng)

即使在這些新技術(shù)開(kāi)發(fā)之前，在需要可見(jiàn)光以外成像的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用領(lǐng)域，短波紅外系統(tǒng)已被證明非常有用。例如，在食品檢測(cè)中，短波紅外相機(jī)可以識(shí)別表面下受損或碰傷的水果，或透過(guò)塑料包裝檢測(cè)食品。在其它應(yīng)用中，短波紅外相機(jī)也非常有用，例如檢測(cè)非透明容器中的填充量、識(shí)別包裝中的水分、含水量、防偽、晶圓以及太陽(yáng)能電池生產(chǎn)等。

對(duì)于在機(jī)器視覺(jué)技術(shù)方面經(jīng)驗(yàn)豐富的系統(tǒng)集成商而言，短波紅外相機(jī)的部署與可見(jiàn)光成像系統(tǒng)并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。如今，隨著成本門(mén)檻的降低，對(duì)短波紅外相機(jī)的需求和部署正在迅速增加，因?yàn)樵摷夹g(shù)為機(jī)器視覺(jué)用戶提供了一種非常有用的新工具。圖像傳感器的發(fā)展帶動(dòng)了短波紅外技術(shù)的普及，照明廠商也需要跟上節(jié)奏。

雖然已有廠商很快將適用于短波紅外成像系統(tǒng)的鏡頭推向市場(chǎng)，但由于短波紅外LED技術(shù)的局限性和相應(yīng)的高成本，照明制造商的步伐比較緩慢。但如今，隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求的增長(zhǎng)，LED制造商正在順應(yīng)新的市場(chǎng)變化。新穎的短波紅外LED每瓦功率可產(chǎn)生更多的光輸出和更少的熱量，同時(shí)還提高了短波紅外光輸出的絕對(duì)強(qiáng)度。

盡管短波紅外LED照明對(duì)于大多數(shù)照明制造商來(lái)說(shuō)還是定制或半定制產(chǎn)品，但市場(chǎng)上已有數(shù)家廠商開(kāi)始提供短波紅外波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，而且可選擇的數(shù)量也在增加。目前市場(chǎng)上的短波紅外照明產(chǎn)品波長(zhǎng)覆蓋了1050nm～1550nm，還有將不同波長(zhǎng)組合在一個(gè)外殼中的多區(qū)照明產(chǎn)品。

多光源控制器推動(dòng)多光譜技術(shù)向前發(fā)展

多光源控制器也是構(gòu)建下一代多光譜機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的必需組件。多光譜成像涉及在特定波長(zhǎng)拍攝多幅圖像，以顯示目標(biāo)物體在窄帶響應(yīng)中的特性。檢測(cè)應(yīng)用可能相對(duì)簡(jiǎn)單，像用軟件分析單個(gè)圖像，將其視為單色檢測(cè)。但更常見(jiàn)的情況是，通過(guò)加權(quán)濾波器將一系列圖像融合為一張多光譜圖像，或與參考圖像比對(duì)進(jìn)行加、減或區(qū)分，以獲得所需要的成像結(jié)果。

為了簡(jiǎn)化這些圖像的編程和獲取過(guò)程，新推出的照明控制器在單個(gè)封裝中提供了可編程序列和四通道恒流LED驅(qū)動(dòng)器。該控制器可與線形、環(huán)形或球形多通道照明匹配使用，每種都可提供三個(gè)或四個(gè)通道。通過(guò)TCP/IP接口，該控制器可以讓任何層級(jí)的用戶都能直觀地對(duì)任何類型的成像序列進(jìn)行編程。

利用這些新技術(shù)，用戶可以選擇從420nm到1650nm的波長(zhǎng)，根據(jù)特定應(yīng)用的需要單獨(dú)選擇每個(gè)可用通道。這些新進(jìn)展以及最新的短波紅外相機(jī)意味著，現(xiàn)在的機(jī)器視覺(jué)用戶比以往任何時(shí)候都能以更低的入門(mén)成本獲得更好、更豐富的多光譜成像技術(shù)。多光譜成像技術(shù)在更寬泛的波長(zhǎng)上前景一片光明。

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