圖像傳感器技術持續(xù)突破，短波紅外成像漸成主流

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，短波紅外（SWIR）成像技術已經在軍事、國防、衛(wèi)星成像、防偽和文物分析等領域應用了幾十年。然而，由于制造銦鎵砷（InGaAs）圖像傳感器的高成本和復雜性，直到現(xiàn)在，短波紅外相機還沒有在工業(yè)領域得到廣泛應用。不過，圖像傳感器近年取得的突破性進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，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技術采用銅-銅（Cu-Cu）直接鍵合互連技術，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。這些納米級半導體材料使基于CQD的傳感器能夠在400～1700nm波長范圍內成像，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與CQD技術相結合，進而以更低的成本和更大的產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大幅下降，但隨著此次安森美收購交易的達成，成本有望進一步下降，從而為機器視覺廠商提供更豐富、更經濟的短波紅外相機。事實上，短波紅外成像技術的進步和入門成本的降低，已經在機器視覺領域激起巨大反響。目前，短波紅外成像技術已躋身機器視覺市場增長最快的領域。市場研究公司YoleGroup預測，由于技術進步、需求穩(wěn)定和成本降低，短波紅外成像傳感器市場的復合年增長率將達到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。過去，傳統(tǒng)的InGaAs短波紅外傳感器在可見光范圍幾無響應，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，因此在機器視覺和成像領域被稱為“1μm障礙”。現(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，從而拓展了機器視覺市場的多光譜成像應用。

多光譜成像技術正在推動很多新興的成像和機器視覺應用，包括農業(yè)應用。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，多光譜成像技術在廢物回收領域的應用也越來越廣泛，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），而這種應用對于高光譜成像技術來說成本和數(shù)據(jù)量又過于高昂。

LED制造商的回應

即使在這些新技術開發(fā)之前，在需要可見光以外成像的機器視覺應用領域，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等。

對于在機器視覺技術方面經驗豐富的系統(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技術的局限性和相應的高成本，照明制造商的步伐比較緩慢。但如今，隨著技術的進步和需求的增長，LED制造商正在順應新的市場變化。新穎的短波紅外LED每瓦功率可產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品，但市場上已有數(shù)家廠商開始提供短波紅外波長的標準產品，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)照明產品。

多光源控制器推動多光譜技術向前發(fā)展

多光源控制器也是構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，以顯示目標物體在窄帶響應中的特性。檢測應用可能相對簡單，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行加、減或區(qū)分，以獲得所需要的成像結果。

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行編程。

利用這些新技術，用戶可以選擇從420nm到1650nm的波長，根據(jù)特定應用的需要單獨選擇每個可用通道。這些新進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。多光譜成像技術在更寬泛的波長上前景一片光明。

源自網(wǎng)絡