SWIR成像實現(xiàn)多種類型的機(jī)器視覺應(yīng)用

短波紅外（SWIR）成像允許機(jī)器視覺專業(yè)人員開發(fā)那些利用可見光不容易實現(xiàn)的應(yīng)用。SWIR是電磁波譜中的一個波段，這個波段不在人類可見的光譜范圍之內(nèi)。有些專家通常將SWIR定義在900~1700nm波長范圍內(nèi)的光；但也有一些專家將SWIR定義在700~2500nm波段。MachineVisionSource公司創(chuàng)始人DavidDechow在一次針對SWIR話題的演講中表示，在大多數(shù)情況下，SWIR光的行為“與你所了解的可見光是相同的”。盡管SWIR光的行為通常與可見光相同，但它照在一些常見物質(zhì)（如水、塑料和玻璃）上的表現(xiàn)卻與可見光不同。這種特性使得SWIR在涉及這些物質(zhì)的機(jī)器視覺應(yīng)用中，比可見光更有用。例如，一些SWIR波長會被水吸收，這意味著在SWIR相機(jī)拍攝的圖像中，水會呈現(xiàn)出黑色。另一方面，SWIR光能夠穿透某些類型的塑料，導(dǎo)致這些塑料在SWIR相機(jī)拍攝得圖片中無法顯示出來。利用這些特性，工程師們可以開發(fā)出SWIR成像的應(yīng)用，以檢測完全不透明的塑料容器內(nèi)的水性成分（比如固體白色奶瓶中的牛奶）。Dechow解釋說，這些SWIR相機(jī)也適用于檢測水果等含水量較高的食品，可以發(fā)現(xiàn)瘀傷或軟點等質(zhì)量問題。AlliedVisionTechnologies公司SWIR成像業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理JensHashagen認(rèn)為：“隨著越來越多的用戶了解到，許多材料能夠通過在SWIR范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)來彼此區(qū)分，SWIR成像也因此在許多應(yīng)用中獲得青睞?！眻D2：AlliedVision公司的GoldeyeSWIR相機(jī)系列，采用了索尼公司的SenSWIRInGaAs圖像傳感器。濕度檢測除了用于測量容器中液體的液位之外，利用SWIR與水之間的作用方式，還可以識別衣物中的水分含量。PrincetonInfraredTechnologies公司總裁兼首席執(zhí)行官MartinH.Ettenberg解釋說：“利用SWIR成像檢測衣物中的濕度，涉及捕獲光反射模式的細(xì)微變化，因為水分會改變1400nm波長處光的反射率。SWIR成像可以識別織物中的水分存在的位置和含量，這對紡織品制造的質(zhì)量控制意義重大?！贬t(yī)學(xué)成像AlliedVision公司的Hashagen介紹了SWIR成像在另一項重要應(yīng)用中的作用：“在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，SWIR成像具有光明的應(yīng)用前景，因為水、脂肪和膠原蛋白等人體重要成分在SWIR波段具有明顯的吸收峰。SWIR在醫(yī)學(xué)成像中通常被稱為NIR-II窗口；SWIR增加了成像深度，并大幅減少了400~950nm波段發(fā)生的自體熒光和光子散射現(xiàn)象。與可見光范圍內(nèi)的透明或半透明圖像不同，SWIR提供了極具特色的高對比度圖像，對臨床前和臨床應(yīng)用非常有幫助?！睓z測甲烷SWIR也用于監(jiān)測污染。例如，PrincetonInfraredTechnologies公司的Ettenberg表示：“SWIR技術(shù)對甲烷檢測大有幫助。SWIR對甲烷氣體非常敏感，可以使用多個波長的SWIR光，檢測出即使是很微量的這種溫室氣體。SWIR對甲烷氣體的靈敏度，對于檢測甲烷的來源和甲烷存在的區(qū)域至關(guān)重要。”他還補(bǔ)充說，SWIR是此類應(yīng)用的最佳選擇，因為SWIR在室溫操作條件下具有較高的量子效率（QE）和較低的讀取噪聲，這也有助于創(chuàng)建一個最終可以放置在衛(wèi)星上的、體積更小、重量更輕的系統(tǒng)。檢測太陽能電池板TeledyneDALSA公司CMOS傳感器研發(fā)主管MatthiasMoser表示：“雖然太陽能電池的檢測并不是什么新事物，但是SWIR在這一領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷發(fā)展。預(yù)計隨著電動汽車的需求和應(yīng)用增長，全球范圍內(nèi)的電力需求也會增加。隨著電力成本的上漲，為滿足日益增長的電力需求，太陽能電池板和太陽能發(fā)電場形式的太陽能供電方案，將取代價格較高的電力，幫助滿足充電用電的需求。”圖3：TeledyneDALSA公司的LineaSWIR相機(jī)。探測礦產(chǎn)資源SpecimSpectralImagingOy公司首席應(yīng)用專家MathieuMarmion博士指出：“SWIR技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，仍然是采礦業(yè)和礦物識別。這是因為許多基本礦物中存在OH分子鏈，與MWIR（中波紅外）和LWIR（長波紅外）探測相比，其中一些分子鏈僅在SWIR波段可被識別?！盨WIR成像可用于從空中探測大面積的巖石。Specim公司的網(wǎng)站上顯示，該技術(shù)還可用于分析巖芯和地質(zhì)樣本。自由空間的光通信AlliedVision公司透露了SWIR成像的一個未來應(yīng)用案例：自由空間光通信（FSOC）。這是一種使用激光在大氣層和太空中無線傳輸數(shù)據(jù)的通信方法。然而，通常激光傳輸應(yīng)用中使用的激光器，也沒有解決FSOC用于地面通信時的一個問題：FSOC傳輸可能會受到大氣層的干擾，如雨、霧、雪或大氣污染引起的大氣層對光波的吸收和散射等問題。它們也容易受到包括太陽光在內(nèi)的背景光源的干擾。Hashagen認(rèn)為，使用SWIR激光器可以解決上述問題。他說，工作在1550nm波段的激光器非常適合于FSOC，這個波段的紅外光在大氣中受到的干擾較小，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，對人的眼睛來說比較安全，并且高質(zhì)量發(fā)射器和探測器器件具有很高的可用性，因為在電信行業(yè)中，這些器件已經(jīng)在光纖通信中使用。SWIR激光器可以與SWIR相機(jī)一起部署，SWIR相機(jī)在FSOC應(yīng)用中用作接收器?！霸贔SOC系統(tǒng)中使用SWIR相機(jī)來調(diào)整自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)（AO），以進(jìn)一步增強(qiáng)信號檢測能力，并優(yōu)化系統(tǒng)的性能和可靠性。SWIR相機(jī)的關(guān)鍵性能特征在于，在1550nm的高靈敏度、低噪聲以及支持高幀率。此外，相機(jī)沒有傳感器玻璃，有助于提高信號功率，防止由于玻璃內(nèi)部的反射和傳感器玻璃防反射層中的污染導(dǎo)致的圖像失真。”Hashagen說道。SWIR成像器件為了利用SWIR成像，工程師和專業(yè)技術(shù)人員使用了包括傳感器在內(nèi)的專業(yè)產(chǎn)品。因為SWIR光能夠直接穿透硅材料傳輸，因此SWIR傳感器使用的材料與可見光傳感器不同。SWIR傳感器最常見的材料是砷化銦鎵（InGaAs）。膠體量子點（CQD）和銅-銅鍵合材料也是適合用于SWIR傳感器。根據(jù)PrincetonInfraredTechnologies公司的數(shù)據(jù)，InGaAs在950~1650nm波段的量子效率（QE）大于80%，而膠體量子點材料在大部分SWIR波段上的量子效率不足10%。然而，SWIRVisionSystems公司全球銷售經(jīng)理SamWyman表示，雖然CQDSWIR傳感器目前的量子效率可能低于商用的InGaAsSWIR傳感器，但重要的、特別要強(qiáng)調(diào)的是，人們已經(jīng)在提高下一代CQDSWIR傳感器的量子傳輸效率方面取得了實質(zhì)性的進(jìn)展。Wyman還指出，CQD傳感器通常比InGaAs傳感器具有更寬的光譜范圍，這使得它們能夠用單個傳感器支持多個光譜范圍。無論傳感器材料如何，專家們預(yù)計，隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，SWIR的使用案例都會增加。正如Specim公司的Marmion所說：“SWIR相機(jī)在過去幾年的發(fā)展都遵循了一個共同的趨勢，即研發(fā)出速度更快、價格更實惠、像素更多、更適合工業(yè)生產(chǎn)線系統(tǒng)的相機(jī)，使客戶能夠更廣泛地應(yīng)用SWIR技術(shù)，從而在不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更準(zhǔn)確的材料檢測和質(zhì)量控制。”圖4：Specim公司的SWIR相機(jī)在1000~2500nm波段工作。Dechow介紹說，盡管一些相機(jī)制造商使用線掃描方法成像，但面陣傳感器仍是SWIR成像中最常見的類型。涉及SWIR成像的機(jī)器視覺應(yīng)用，也使用其他常用的器件，如光源、濾波器和鏡頭。市面上的SWIR成像產(chǎn)品TeledyneDalsa公司的LineaSWIRCMOSGigE線掃相機(jī)，采用InGaAs圖像傳感器，有12.5μm像素1k分辨率或25μm像素512分辨率兩種配置。兩者都具有40kHz的最大線速率。相機(jī)感光范圍950~1700nm。JAI公司Sweep+系列相機(jī)中的SWIR線掃相機(jī)SW-4010Q-MCL，可同時捕獲RGB和SWIR圖像數(shù)據(jù)，相機(jī)采用四傳感器線掃技術(shù)，允許在三個獨立的CMOS傳感器上同時收集紅、綠和藍(lán)圖像數(shù)據(jù)，第四個基于InGaAs的傳感器，用于收集來自SWIR光譜的圖像數(shù)據(jù)。SW-4010Q-MCL相機(jī)的InGaAsSWIR傳感器具有1024像素分辨率，傳感器寬度為25.6mm，全分辨率掃描速率為39kHz。圖5：JAI公司的SWIR相機(jī)，可同時捕捉RGB和SWIR圖像數(shù)據(jù)。AlliedVision公司的GoldeyeSWIR相機(jī)系列，配備索尼SenSWIRInGaAs圖像傳感器，像素尺寸5μm×5μm，采用單級傳感器冷卻，無風(fēng)扇設(shè)計。相機(jī)感光范圍400~1700nm，還包括一些圖像校正功能。相機(jī)兼容CameraLink或GigEVision接口。其中，GoldeyeG-030相機(jī)配備IMX991傳感器，幀率為234fps，分辨率為656×520像素；GoldyeeG-130相機(jī)配備IMX990傳感器，分辨率為1280×1024像素，最大幀率為94fps。SWIRVisionSystems公司的AcurosSWIR相機(jī)采用CQD-on-CMOS傳感器，并且可以在可見光、近紅外（NIR）和SWIR波段成像。相機(jī)配備USB3.0接口或GigEVision接口，提供三種分辨率：2.1MP、1920×1080格式傳感器；1.2MP、1280×1024格式傳感器；和VGA分辨率，640×512格式傳感器。圖6：SWIRVisionSystems的AcurosSWIR相機(jī)采用CQD-on-CMOS傳感器，并且可以在可見光、近紅外（NIR）和SWIR波段成像。NewImagingTechnologies公司的SenS1280HDSWIR相機(jī)智能版本，分辨率為1280×1024像素，幀率為60Hz全幀，QE（量子效率）超過80%。它具有圖像處理功能，無需