SWIR相机 - 应用与技术
透过表面看本质
SWIR相机通常配备特殊的InGaAs芯片，它利用短波红外光的特性生成图像。因此，SWIR技术为质量保证工序实现了全新的作业流程：它可精确区分材料、检测温度或者观察物体表面之下的情况。
多光谱和SWIR技术
什么是SWIR？
SWIR是Short Wave Infrared（短波红外线）的英文缩写，它指的是介于900 nm - 2,500 nm之间的电磁辐射光谱范围。人眼能感知的光线范围约为400 nm - 800 nm。
材料在SWIR光谱中的特性
SWIR具有与可见光类似的特性：通过光子与物体之间的相互作用，在成像中形成对比度。每种材料对光的反射、吸收或投射表现都会因波长而异。
例如，硅几乎能反射可见光范围内的所有辐射。当波长超过1100 nm时，硅能让更多的辐射穿过，从而变得透明。同样，有色玻璃、某些塑料或烟雾看起来也是透明的。不过，也可能出现相反的效果：部分材料会吸收更多的SWIR光谱辐射，从而获得比在短波光谱辐射下更高的对比度。
这些特性为图像处理带来了新的可能性：盐与糖、水与异丙醇，甚至各种不同类型的塑料都可通过这种方法进行区分。
使用SWIR相机进行温度检测
SWIR相机的另一种应用是检测热量差异。约为140 °C 及以上的物体会随着温度升高而发出更多的红外辐射，这种特性可以用SWIR相机检出。物体温度越高，发出的红外辐射越多，在图像中显示的亮度也越高。这表示SWIR技术在流程监控方面具有决定性的优势，因为它可以对材料和产品进行非接触式温度监控，在传统温度测量方法不适用或危险环境中尤其能派上用场。
SWIR视觉系统
要在SWIR范围内获取图像，需要借助专门针对短波红外光谱进行调谐的产品。选择合适的组件对SWIR成像质量至关重要，因此需要了解相关应用的具体要求。
visSWIR相机
SWIR成像需要使用特殊的芯片，因为传统硅芯片的检测上限约为1,000 nm。砷化镓铟(InGaAs)芯片能覆盖典型的SWIR光谱范围，因此特别适用于此类用途。
visSWIR相机在可见光和SWIR范围内均具有灵敏度。因此，visSWIR相机既能采集硅芯片相机所能采集的波长（约400 - 1,000 nm），也能采集SWIR光谱的波长。这类新型芯片适用于从400 nm - 1,700 nm的整个波长范围，比以往只能采集其中部分波长范围的技术更具优势。
SWIR镜头
传统镜头通常针对可见光谱进行优化，甚至完全过滤了红外部分。因此，有些特殊的SWIR镜头可以排除可见光范围。为了在整个带宽范围内提供清晰的图像，有专门的与visSWIR兼容的光学配件。然而，由于波长覆盖范围非常广，此类型的镜头往往会出现焦距偏移问题。每种波长在镜头光路中的折射率略有不同，所以聚焦点会沿着镜头光轴在光谱范围内移动。但是，要想在相机中生成清晰的图像，聚焦点必须尽可能保持恒定。有些特殊的镜头可以校正焦距偏移问题。不过，如果只需在限定的波长范围内工作，通常选用不带校正功能的成本优化型镜头就足够了。
SWIR滤光片
光学滤光片在许多应用中起着决定性作用，因为它可以根据波长范围来控制透光率。特别是对于visSWIR相机来说，隔绝环境光对某些应用至关重要。这样可以提高特定波长的对比度，突出个别特征。
SWIR光源
室内的LED光源通常不会发出任何属于SWIR光谱范围的光线。因此，需要借助额外的 SWIR光源 ，例如：具有宽光谱的卤素灯或者提供窄带、预定义光谱的特殊LED光源。这些光源设备可以充分发挥芯片对1000 nm以上范围光线的灵敏度。
如果需要检测特定波长，窄光谱LED无需额外滤光片即可直接使用。在需要检测多个波长时，这个特点尤为实用。在这种应用情景下可闪烁不同的LED光谱，无需再机械更换滤光片。LED的成本虽然高于卤素光源，但也更加耐用，因此适用于工业用途。最终，还是要依据具体应用来确定哪种光源最合适。
可使用SWIR相机的应用
以下例子说明了SWIR技术在各行各业的广泛应用。使用visSWIR芯片进一步增加了应用的多样性。
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背后的技术驱动力
过去，需要两台相机或两种芯片技术才能拍摄可见光和SWIR光谱的图像。如今，将两者相结合的visSWIR芯片已经确立了市场地位。它可提供高分辨率图像，并且成像质量优秀。
Sony（索尼）SenSWIR技术
SWIR相机使用了InGaAs（砷化镓铟）或者CQD（胶体量子点）芯片来取代CMOS芯片。InGaAs芯片以前仅限用于较大的像素尺寸以及SWIR范围。虽然CQD芯片的像素较小，在可见光范围内也具备灵敏度，但它在SWIR范围内的量子产率则明显低于InGaAs芯片。
借助Sony（索尼）SenSWIR芯片，也能够在InGaAs的基础上实现visSWIR技术，并且在最高可达1,700 nm的整个visSWIR波长范围内，始终保持较高的量子效率。与传统的InGaAs芯片相比，SenSWIR芯片的像素更小，因此分辨率更高，成像质量非常好，在许多应用的检测和质量控制工序中确保更高精度。这得益于Sony（索尼）半导体制造工厂的铜互连 (copper-to-copper interconnects) 技术，SenSWIR芯片的磷酸铟层（InP层）厚度薄于传统的SWIR芯片，在可见光谱中也具有优秀的灵敏度。
此类芯片的尺寸和分辨率各不相同：第一代IMX990为130万像素，IMX991为VGA分辨率，像素尺寸均为5 µm；第二代IMX992为530万像素，IMX993为320万像素，像素尺寸均为3.45 µm。Basler ace 2 X visSWIR相机所使用的就是这些芯片型号。
