掌握SWIR线扫描成像：先进技术与应用

可见光仅是电磁波谱微小部分。伽马射线、X射线、紫外、红外、微波、无线电波各有独特性质和波谱位置。本文聚焦SWIR（短波红外），红外光一分量。红外波长在红光下方，“infra”拉丁文为“下方”。

SWIR成像定义

人类主要不可见红外光，但可感知为热。红外光谱分不同区域，各有应用。四常引用区域：近红外（NIR）750-1000nm，短波红外（SWIR）1-3μm，中波红外（MWIR）3-5μm，长波红外（LWIR）8-15μm（图1）。

除肉眼不可见外，SWIR像可见光一样：光子被物体反射或吸收。这不同于中长波红外——热由物体自身发射。SWIR成像能凸显可见光成像无法发现的“缺陷”。SWIR成像中，水蒸气和某些材料反射率和透射率在SWIR与可见光下异。如硅在~1μm后透明，水在SWIR中吸收更强——特别在1.45μm和1.8-2μm波段。这意味着可见光下颜色近似的物体在SWIR中易区分。

SWIR视觉系统如何工作？

SWIR相机常围绕砷化铟镓（InGaAs）红外探测器构建。InGaAs传感器可做极高灵敏度，故SWIR相机能在微光条件工作。

大部分SWIR视觉系统工作方式同可见光系统：有目标、光源、探测器捕获图像。图像呈黑白。单色相机成像与SWIR成像区别何在？SWIR光人眼不可见，能检测高亮可见光和可见光相机难以或无法区分的特征。例如：

• SWIR帮助区分可见光谱中颜色极似物体；
• SWIR帮助透视某些物体，如硅；
• SWIR帮助看清极高温度物体。

SWIR成像能实现什么？

人们用SWIR因能更好看清不同材质。常用例：盐vs糖。可见光下均为小白晶体，但SWIR反射特性截然不同。

SWIR也可检测材料水分，利于农业、食品检测、林业。含水物体在两吸收线吸收SWIR波长——一约1.45微米，另一近1.8微米。SWIR成像增强含水物体可见度。

SWIR因红外向外散射减少，能在霾、雾、雨、雾等恶劣大气条件下生成高对比度图像。但SWIR最佳效果在极轻雾或轻霾；浓雾霾下更依赖热成像仪热特征。SWIR也能探测热，但需>300°C。这利于冷却前检测熔融玻璃和熔融金属缺陷。

线扫描vs面阵应用

Teledyne Imaging提供面阵和线扫描相机，2020年6月推出首款SWIR线扫描相机。复习：线扫描相机随传送带或受控运动逐行扫描物体，如飞越固定物体成像。这不同于面阵应用或“凝视”应用——捕获整个物体图像。

若愿移动相机或场景，任何应用可变线扫描。好例：苹果检测。可整个苹果成像处理整图，或更有效：苹果置传送带经线扫描相机逐行处理数据，通常产生更高分辨率、处理效率、更低成本。

SWIR大显身手领域

SWIR应用广泛：食品分拣、回收、光伏板检测、农业、林业、监控。SWIR成像优势明显。看几应用及SWIR如何带来独特能力简化任务。

食品分拣

SWIR成像可增产、减废、提食品质。最适高价值食品分拣。如SWIR通常不用于大米等大宗作物，而用于高价值产品。茶叶采摘烘焙后变黑，难见混入杂质。SWIR质检能有效识别梗、小石子等杂质并剔除成品。

另一用法：分拣中检测水分含量，水分指示腐烂或受损农产品。如水果水分含量指示瘀伤。瘀伤在人眼察觉前SWIR可见。

SWIR也帮助区分颜色相似产品（图2）。例中有肉桂、咖啡豆、石头、葡萄干。右侧彩色图部分项极似，左侧SWIR下清晰区分。

回收应用用类似分拣技术分离不同材料。塑料分拣中，SWIR多光谱系统用于分拣末端，因极灵敏。通常跑两遍以上达99%再生塑料纯度。

光伏板检测

因SWIR透过硅，另一应用是光伏板检测（图3）。全球推可持续能源，光伏板采用显著增加。制造商需确保面板无缺陷、裂纹、晶圆背面锯痕。此外SWIR可识别电池死区或弱区，帮助证明电池功效。总体用SWIR质检得更高质量产品。许多相同技术可用半导体检测。

农业与林业

大量机载SWIR成像关联农业林业。农业中农民需管理应对似无穷挑战确保高质高产。天气、入侵物种、疾病能毁作物。农民看作物发黄枯萎时往往太晚无法挽救。SWIR成像让科学家精准监测水分从根吸收至叶，决定如何处理作物。

影像数据也为农民林业者提供洞察，决定额外灌溉或施肥，帮助成本管理。

军事情报监视侦察

军方依赖SWIR做情报、监视、侦察（ISR）。美军用SWIR做弱光成像、目标识别、空中侦察。有效实施空中侦察方式：时延积分（TDI）；线扫描求和技术，相机装飞机下飞越区域测绘。因光子短缺，多行求和提供清晰完整图像。

SWIR选项与未来

虽SWIR优势多，但系统成本仍相对高。随技术广泛采用和研发持续，预期成本下降。

一些公司探索InGaAs传感器替代方案。量子点是种低成本技术，但成本未如预期低。量子点最大缺点：量子效率低。光灵敏度比InGaAs低至少4倍。故光子溢价且客户负担得起处，InGaAs仍首选。我方视角，利用量子点技术，客户需愿牺牲灵敏度换低成本。需大幅增加照明，意味额外成本。迄今鲜有应用受益此权衡。

Sony也发布首款CMOS InGaAs SWIR探测器。虽基于InGaAs，但将InGaAs与CMOS读出电路逐像素结合，用铜替代铟金属。更像半导体工艺：取CMOS电路晶圆，上置InGaAs芯片，经铜层实际融合InGaAs和硅。这也允许比铟凸块键合更小像素，最终可降低给定分辨率成本。

SWIR照明昂贵——减小像素可降传感器成本，但仅当增加照明成本不增长更快。类似量子点可能具成本效益但基于像素尺寸而非QE论证。目标因工艺更接近晶圆级而降成本。这些是面阵器件非线扫描，像素极小，约5μm，对比Teledyne DALSA Linea SWIR GigE线扫描相机1k分辨率12.5μm像素。

多数人认为在保持InGaAs性能同时降成本最有前景SWIR技术是应变层超晶格。多量子能级探测器，将不同半导体不同层生长并工程化能隙，给予对应SWIR光子灵敏度——可能3-5年后。

结论：SWIR成像技术多重优势，能在其他成像无法处理领域发挥作用。SWIR助区分颜色极似物体、透视某些物体揭示属性缺陷、区分极高温物体。虽实施成本高，但文中列举应用极受益。随未来发展，预期SWIR成像用途更广、成本效益更高。

本文由Teledyne DALSA产品经理Mike Grodzki撰写。更多信息请联系Mr. Grodzki：teledyne.com，或访问here .