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，短波紅外相機還沒有在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。不過，圖像傳感器近年取得的突破性進(jìn)展帶來了具有擴展光譜功能的低成本、緊湊型短波紅外相機，并在從食品飲料到廢物回收等機器視覺應(yīng)用中得到了驗證。

?短波紅外傳感器前景光明

過去，采用傳統(tǒng)的像素級凸點鍵合技術(shù)制造比工業(yè)級CMOS圖像傳感器像素更小的InGaAs圖像傳感器具有挑戰(zhàn)性。對于這種技術(shù)，需要一定的凸點間距才能將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，而無需專門的連接區(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，對于機器視覺廠商來說，短波紅外相機的選擇更多了，而且價格更低。

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)在已開始大規(guī)模投放市場。如今，許多機器視覺相機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，其探測波長范圍覆蓋400～1700nm。

據(jù)麥姆斯報道，在短波紅外圖像傳感器領(lǐng)域，安森美（onsemi）最近收購了SWIRVisionSystems公司，后者開發(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（CQD）薄膜光電二極管。這些納米級半導(dǎo)體材料使基于CQD的傳感器能夠在400～1700nm波長范圍內(nèi)成像，同時還能擴展到2100nm。通過此次收購，安森美計劃將其硅基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。

短波紅外相機的價格已經(jīng)大幅下降，但隨著此次安森美收購交易的達(dá)成，成本有望進(jìn)一步下降，從而為機器視覺廠商提供更豐富、更經(jīng)濟的短波紅外相機。事實上，短波紅外成像技術(shù)的進(jìn)步和入門成本的降低，已經(jīng)在機器視覺領(lǐng)域激起巨大反響。目前，短波紅外成像技術(shù)已躋身機器視覺市場增長最快的領(lǐng)域。市場研究公司YoleGroup預(yù)測，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的復(fù)合年增長率將達(dá)到28%，市場規(guī)模將從2022年的8900萬美元快速增長至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)。過去，傳統(tǒng)的InGaAs短波紅外傳感器在可見光范圍幾無響應(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)，因此在機器視覺和成像領(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光和短波紅外光譜范圍提供連續(xù)響應(yīng)，從而拓展了機器視覺市場的多光譜成像應(yīng)用。

多光譜成像技術(shù)正在推動很多新興的成像和機器視覺應(yīng)用，包括農(nóng)業(yè)應(yīng)用。例如，多光譜相機可用于區(qū)分顏色相似的綠植，將雜草與目標(biāo)作物區(qū)分開來，識別葉片中的果實，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)用也越來越廣泛，多光譜相機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)用對于高光譜成像技術(shù)來說成本和數(shù)據(jù)量又過于高昂。

LED制造商的回應(yīng)

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

對于在機器視覺技術(shù)方面經(jīng)驗豐富的系統(tǒng)集成商而言，短波紅外相機的部署與可見光成像系統(tǒng)并無本質(zhì)區(qū)別。如今，隨著成本門檻的降低，對短波紅外相機的需求和部署正在迅速增加，因為該技術(shù)為機器視覺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，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，LED制造商正在順應(yīng)新的市場變化。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，同時還提高了短波紅外光輸出的絕對強度。

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

多光源控制器推動多光譜技術(shù)向前發(fā)展

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

為了簡化這些圖像的編程和獲取過程，新推出的照明控制器在單個封裝中提供了可編程序列和四通道恒流LED驅(qū)動器。該控制器可與線形、環(huán)形或球形多通道照明匹配使用，每種都可提供三個或四個通道。通過TCP/IP接口，該控制器可以讓任何層級的用戶都能直觀地對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，根據(jù)特定應(yīng)用的需要單獨選擇每個可用通道。這些新進(jìn)展以及最新的短波紅外相機意味著，現(xiàn)在的機器視覺用戶比以往任何時候都能以更低的入門成本獲得更好、更豐富的多光譜成像技術(shù)。多光譜成像技術(shù)在更寬泛的波長上前景一片光明。

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