友思特案例 | 捕捉“五彩斑斕的黑”：鍺基短波紅外相機(jī)的多種成像應(yīng)用

紅外處于人眼可觀察范圍以外，為我們了解未知領(lǐng)域提供了新的途徑。紅外又可以根據(jù)波段范圍，分為短波紅外、中波紅外與長(zhǎng)波紅外。較短的SWIR波長(zhǎng)——大約900nm-1700nm——與可見光范圍內(nèi)的光子表現(xiàn)相似。雖然在SWIR中目標(biāo)的光譜含量不同，但所產(chǎn)生的圖像在其特征上仍然更加直觀，而不像中紅外和低紅外波段的低分辨率熱行為，這一優(yōu)勢(shì)更符合許多工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用的需求。

與MWIR和LWIR相比，SWIR波長(zhǎng)更短，可以獲得更高的分辨率和更強(qiáng)的對(duì)比度，這兩者都是檢查和分選的重要標(biāo)準(zhǔn)。此外，雖然在SWIR運(yùn)行的相機(jī)與可見光相機(jī)使用類似的光捕獲技術(shù)，但它們收集的圖像看起來與硅傳感器捕獲的圖像非常不同——即使是在成像同一物體時(shí)。

通過SWIR相機(jī)，我們可以獲取可見光范圍內(nèi)看不到的信息，使其在機(jī)器視覺中的應(yīng)用越來越多，因?yàn)樗峁┝霜?dú)特的檢測(cè)、分類和質(zhì)量控制功能，以及監(jiān)控和遙感等環(huán)境光應(yīng)用。

InGaAs傳感器是目前比較成熟的SWIR相機(jī)技術(shù)，具有靈敏度高、可室溫操作等優(yōu)點(diǎn)，然而其較高的成本導(dǎo)致其民用領(lǐng)域應(yīng)用受限等問題，亟需創(chuàng)新的短波紅外探測(cè)器工藝將這一應(yīng)用門檻降下來。

友思特 Beyonsense 短波紅外相機(jī)采用了新興的鍺基傳感器，使用選擇性外延生長(zhǎng)和犧牲填充層形成鍺島并通過鍺的熱氧化來降低表面粗糙度的方法，進(jìn)一步降低了短波紅外探測(cè)器的制造成本。這款相機(jī)實(shí)現(xiàn)了28mm超薄的小巧尺寸，可以通過藍(lán)牙連接到手機(jī)和電腦上進(jìn)行操作。

目前，BeyonSense 相機(jī)為128×128像素，適合的成像場(chǎng)景相對(duì)有限，以下將展示其實(shí)測(cè)效果，供大家參考。

一、光源成像

Beyonsense 1相機(jī)能夠?qū)Χ喾N光源做探測(cè)，包括LED燈、鹵素?zé)簟⒓t外激光等，可用于實(shí)驗(yàn)室紅外光源的光斑形態(tài)、光路情況等場(chǎng)景的觀察探測(cè)。

1. LED臺(tái)燈光源成像

不同成像設(shè)置下的LED光源 下圖可看到燈絲形態(tài)

2. 白熾燈光源

白熾燈燈絲

白熾燈帶鐵網(wǎng)

3. 鹵鎢燈光源

友思特MT光源為鹵鎢燈，光譜范圍350-2500nm，功率2-3W。當(dāng)給光源加上準(zhǔn)直鏡后（如右圖所示），校準(zhǔn)后的光斑對(duì)比度較好。

4. 紅外光源

友思特鹵鎢光源通過波長(zhǎng)選擇器僅輸出紅外波段的光905nm，以及880nm，BeyonSense 1相機(jī)對(duì)紅外光光斑成像。目前已有研究院的客戶將 BeyonSense 1 相機(jī)用于紅外激光光斑的觀測(cè)。

二、室外場(chǎng)景成像

SWIR相機(jī)在室外成像主要借助于目標(biāo)物體對(duì)太陽光、月光、星光、大氣輝光等光線的“夜天輻射”中的短波紅外輻射的反射作用。因此，需要借助自然環(huán)境下的光線。由于Beyonsense對(duì)紅外光的靈敏度與分辨率的差距，夜視較難實(shí)現(xiàn)。

在白日，需要在陽光較為充足的情況下，且被測(cè)物有較為明顯的光反射差別下，可以獲取到較好的成像效果。

以上對(duì)陽光照射下的大樓做成像，大樓的玻璃幕墻和白色外墻存在明顯的反射光差別，在相機(jī)上能顯示出大樓這兩個(gè)部分的輪廓。

三、室內(nèi)場(chǎng)景成像

基于SWIR成像原理，室內(nèi)成像則需要搭配高功率的含有短波紅外范圍的光源作為照明，才可以探測(cè)到樣品。光源可以選擇白熾燈/鹵素?zé)?紅外光源。此外，為了獲取均勻的背景光環(huán)境，建議采用白色反射背景布/板。

1. 穿透晶圓的燈絲成像

本成像應(yīng)用采用了300W白熾燈臺(tái)燈，以及白色漫反射織物。

實(shí)測(cè)結(jié)果：

帶有散熱網(wǎng)的白熾燈

白熾燈帶鐵網(wǎng)

放置硅片后，通過相機(jī)仍然能夠看到燈絲。說明白熾燈的短波紅外光穿透了硅片，使相機(jī)可以透過硅片觀察到燈絲狀態(tài)。

2. 油畫涂料下的logo

3. 穿透晶圓查看到背面的圖標(biāo)

大多數(shù)光源不適合均勻覆蓋大面積，需要在光源前放置了白色擴(kuò)散織物來克服這一挑戰(zhàn)，獲得相對(duì)均勻的背景光，這適合拍攝較大場(chǎng)景的圖片。如圖為400W鹵素?zé)艄庠磁c織物，光源放置在織物的背后。

4. 區(qū)分水和丙酮

400W鹵素?zé)艄庠磁c織物，光源放置在織物的背后。

總結(jié)

友思特Beyonsense 1 短波紅外相機(jī)采用鍺基材料作為探測(cè)器，128×128像素，探測(cè)范圍400-1600nm，優(yōu)勢(shì)在于藍(lán)牙連接、便攜迷你、成本較低，可實(shí)現(xiàn)基本的紅外探測(cè)與成像應(yīng)用?，F(xiàn)有型號(hào)的配置并不適合大分辨率要求以及動(dòng)態(tài)成像的工業(yè)場(chǎng)景，更適用于科研領(lǐng)域與企業(yè)實(shí)驗(yàn)室。

未來鍺基短波紅外相機(jī)將會(huì)在靈敏度與像素上做更多提升，敬請(qǐng)期待！

審核編輯 黃宇