感光元件技術

SWIR 相機 - 應用和技術

什麼隱藏在表面之下？

SWIR 相機通常配備特殊的 InGaAs 感光元件。利用短波紅外光 (SWIR) 的特性來產生影像。因此 SWIR 技術可以在品質保證方面開創全新的作業方式；可以精確區分材料、檢測溫度，或者進行表面下檢查。

網路研討會

多光譜與 SWIR 技術

在我們的網路研討會中，我們會回答 SWIR 和多光譜成像最核心的問題：

什麼是多光譜技術？什麼是 SWIR？
有什麼用途？
有哪些常見的解決方案，具備哪些優點和缺點？
最佳實務範例
邁向未來的觀點

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SWIR 是什麼？

SWIR 代表短波紅外光，是指 900 nm 至 2,500 nm (奈米) 波長範圍內的電磁輻射光譜。而肉眼可以感受約 400 nm 至 800 nm 的光。

SWIR 頻譜下的材料特性

SWIR 光具有與可見光相似的特性：光子與物體相互作用，成像時會創造對比度。每種材料反射、吸收或傳輸光線的方式，因波長而異。

例如，矽能反射可見光範圍內的幾乎所有輻射；對大於 1,100 nm 的波長，會傳輸更多的輻射，因而變得透明。同樣地，有色玻璃、某些塑膠或煙霧看起來是透明的。然而也有相反的效果：一些材料在 SWIR 光譜中吸收更多的輻射。這會導致波長較短者的對比度更高。

這種現象開創了影像處理新的可能性：可以區分鹽、糖、水和異丙醇，甚至是不同類型的塑膠。

溫度檢測 – 在 1,000 nm (NIR) 與 1,350 nm (SWIR) 下溫度約 400°C 的焊鐵。 — 在 1,000 nm (NIR) 與 1,350 nm (SWIR) 下溫度約 400°C 的焊鐵。

使用 SWIR 相機進行溫度偵測

另一個應用是熱差的檢測。溫度約 140°C 及以上的物體，會發射愈來愈多紅外線輻射，可以使用 SWIR 相機檢測到。物體越熱，發出的紅外線輻射越多，物體在影像中出現的亮度就越高。這表示 SWIR 技術可以在製程監控方面發揮決定性的優勢；因為可對材料和產品進行非接觸式溫度監控，在傳統溫度測量方法不切實際或有危險的環境中特別有用。

SWIR 視覺系統

SWIR 範圍內的影像擷取，需要對應短波紅外光譜的特殊產品。選擇合適的元件，對於 SWIR 成像的品質是很重要的，且需要了解個別應用的具體需求。

visSWIR 相機

SWIR 成像需要特殊的感光元件，因為傳統的矽感光元件的檢測上限約為 1,000 nm。銦鎵砷化物感光元件 (InGaAs) 特別適合這類用途，因其代表典型的 SWIR 光譜。

visSWIR 相機在可見光和 SWIR 範圍內都很靈敏。因此，visSWIR 相機可以同時拍下矽感光元件相機可拍攝的波長 (約 400 - 1,000 nm) 以及 SWIR 光譜的波長。過去的技術只能拍攝其中一種波長範圍，而這些新型感光元件適用於 400 nm 至 1,700 nm 的整個範圍。

SWIR 鏡頭

傳統鏡頭通常針對可見光譜進行最佳化，甚至完全過濾掉紅外線成分。這就是為什麼有特殊的 SWIR 鏡頭排除可見光範圍的原因。為了提供整個頻寬的清晰影像，有特別的visSWIR 相容光學元件。然而因為波長範圍極大，這些鏡頭多半都有所謂的焦點偏移現象。每種波長在鏡頭內的光路折射方向都略有不同，因此聚焦點會依光譜範圍沿著鏡片的光軸移動。為了要讓相機產生清晰的影像，就必須盡可能維持焦點不變。有些特殊鏡頭可以校正對焦偏移，但要是有限度的波長範圍就足敷使用的話，沒有校正過的成本最佳化鏡頭便已夠用。

SWIR 濾片

濾片在許多應用中發揮決定性的作用，因為濾片可以根據波長範圍來控制光的傳遞。特別是對於visSWIR 相機，阻擋環境光線在某些應用中是非常重要的，可以增加特定波長的對比度，並凸顯個別特徵。

SWIR 光源

室內用的 LED 照明通常不含任何 SWIR 光譜波長，因此額外的 SWIR 光源是必須的，例如具備寬頻譜範圍的鹵素燈，或是提供特定窄頻的 LED 光源。這類光源就讓感光元件得以感應 1,000 nm 以上的光。

如果要以特定波長進行檢驗，LED 由於具備窄帶光譜，因此可在不額外使用濾片的情況下來進行檢測。在只需檢查數個波長的情況下特別實用，因為可以閃爍不同的 LED 光譜，也無需更換濾鏡用的器械。LED 的成本比鹵素光源高，但更為耐用，因此適合工業使用。總之，光源的使用取決於最適合的應用。

SWIR 相機的應用

以下範例說明了 SWIR 技術在各行各業的可能應用範圍。使用 visSWIR 感光元件，能進一步擴大應用類別。

晶圓檢測

矽在 SWIR 光譜範圍內是透明的，因此在半導體的生產與檢測過程中，可以看到空隙、裂紋、雜質等缺陷。

太陽能電池檢測

‍在檢測單一矽區塊時，SWIR 技術可以用來偵測在可見光頻率範圍內無法看見的缺陷，這是生產光電池的關鍵步驟。

物料分揀

可以根據不同物料在 SWIR 光譜中的光學特性，來進行區分並分類。舉例來說，不同的塑膠材質就可以在回收過程中彼此分離。

‍充填控制

使用 SWIR 技術，可以輕鬆檢測填充於不透明材料中的液位高度。例如，製藥業進行塑膠瓶液體或泡殼包裝。

安全檢查

在製作紙幣和身分證明文件期間，可用以檢查安全功能，例如表面下的金屬條是否有錯誤或偽造，也可以檢測特殊印刷油墨。

食品品質控制

在農產品品質保證作業中，更容易檢測瘀傷或估算含糖量。SWIR 光譜範圍還可以更輕鬆地區分產品和雜質，例如馬鈴薯和石頭。

您是否需要針對特定應用的支援服務？我們很樂意透過個別諮詢，根據您的申請內容來介紹我們的客製化 SWIR 產品組合。

背後的技術是什麼？

過去，需要兩台相機或兩種感光元件技術，才能同時拍攝可見光和 SWIR 光譜影像。於此同時，所謂的 visSWIR 感光元件已經在市場上站穩腳步。這種感光元件能帶來高解析度的影像，影像品質也十分優良。

Sony 的 SenSWIR 技術

SWIR 相機使用 InGaAs (銦鎵砷) 或 CQD (Colloidal Quantum Dot，膠體量子點) 感光元件，而非 CMOS 感光元件。InGaAs 感光元件過去僅限於相當大的畫素尺寸和 SWIR 範圍。雖然CQD 感光元件的畫素較小，也能在可光見範圍內感光，但在 SWIR 範圍內的量子產量，顯著低於 InGaAs 感光元件。

使用 Sony SenSWIR 感光元件， visSWIR 也可以以 InGaAs 為基礎，在高達 1,700 nm的整個 visSWIR 範圍內具有一致的高量子效率。其特色是畫素較小，因此和傳統 InGaAs 感光元率相比，解析度更高，具有非常好的影像品質；可確保在許多應用中為檢測和品質控制帶來更高的準確性。這要歸功於 Sony 半導體製造廠生產的銅對銅連接；由於與傳統 SWIR 感光元件相比，磷酸銦層 (InP) 的厚度降低，使該感光元件在可見光譜中也很靈敏。

該感光元件系列具備不同大小與解析度：第一代的 IMX990 解析度為 1.3 MP、IMX991 解析度為 VGA，畫素大小為 5 µm。第二代的 IMX992 解析度為 5.3 MP、IMX993 解析度為 3.2 MP，畫素大小為 3.45 µm。都可以在 Basler ace 2 X visSWIR 各機型中找到。