Meesterworden In SWIR Line-scan Imaging: Geavanceerde Technieken & Toepassingen

Zichtbaar licht is slechts een minuscuul deel van het elektromagnetische spectrum. Gammastraling, Röntgenstraling, ultraviolett, infrarood, microgolf en radiogolven hebben elk hun eigen unieke eigenschappen en hun eigen plaats in het spectrum. In dit artikel richten we ons op SWIR, of short-wave infrared, wat één component is van infrarood (IR) licht. Infrarood golflengtes zijn die onder rood; het woord "infra" is Latijn voor "onder."

SWIR Imaging Gedefinieerd

Als mensen ervaren we infrarood licht grotendeels als onzichtbaar, maar we kunnen het als warmte voelen. Het IR spectrum is verdeeld in verschillende regio's, en elke regio heeft verschillende toepassingen. De vier veelvoorkomend gerefereerde regio's zijn near infrared (NIR) met golflengtes van 750 - 1.000 nm, short-wave infrared (SWIR) bij 1 - 3 µm, medium- of mid-wave infrared (MWIR) bij 3 - 5 µm en long-wave infrared (LWIR) klokt in op 8 - 15 µm (Figuur 1).

Behalve het feit dat je het niet met het blote oog kunt zien, is SWIR als zichtbaar licht in die fotonen gereflecteerd of geabsorbeerd worden door een object. Dit is in tegenstelling tot mid-wave en long-wave infrarood licht, waar warmte geëmiteerd wordt door het object zelf. SWIR imaging kan "defecten" benadrukken in een inspectie die zichtbare imaging niet kan. Bij imaging in SWIR, worden watervapor en bepaalde materialen meer of minder reflecterend, en meer of minder transmissief in het SWIR vs. het zichtbare. Bijvoorbeeld, silicium wordt transparant boven ~1 µm, maar water wordt eigenlijk meer absorberend in het SWIR — vooral rond banden bij 1,45 µm en 1,8 tot 2 µm. Dit betekent dat kleuren die er bijna identiek uitzien in zichtbaar licht, gemakkelijk gedifferentieerd kunnen worden in het SWIR.

Hoe Werken SWIR Visiesystemen?

SWIR cameras zijn vaak gebouwd rond Indium Gallium Arsenide (InGaAs) infrarood detectors. InGaAs sensoren kunnen extreem gevoelig gemaakt worden, en als resultaat zullen SWIR cameras werken in licht-arme condities.

Voor het grootste deel opereren SWIR visiesystemen op veel dezelfde manier als zichtbare systemen. Je hebt een doel, je hebt een lichtbron, en een detector om het beeld vast te leggen. Het beeld verschijnt als zwart-wit. Wat is dan het verschil tussen imaging met monochrome cameras en SWIR imaging? Nou, SWIR licht is onzichtbaar voor het menselijk oog en kan bepaalde kenmerken detecteren en benadrukken die moeilijk of onmogelijk te onderscheiden zijn met zichtbaar licht en zichtbare cameras. Bijvoorbeeld:

• SWIR kan helpen differentiëren tussen objecten die zeer vergelijkbaar in kleur zijn in het zichtbare spectrum;
• SWIR kan helpen door bepaalde objecten heen te kijken, zoals silicium;
• SWIR kan helpen objecten met zeer hoge temperaturen te zien.

Wat Maakt SWIR Imaging Mogelijk?

Mensen neigen SWIR te gebruiken omdat ze verschillende materialen beter kunnen zien. Een voorbeeld dat vaak gebruikt wordt is zout versus suiker. Ze zijn allebei kleine witte kristallen wanneer bekeken in zichtbaar licht, maar ze hebben heel verschillende reflectieve kwaliteiten in het SWIR.

SWIR kan ook gebruikt worden om watergehalte in materiaal te zoeken, wat nuttig kan zijn voor toepassingen in landbouw, voedselinspectie, en bosbouw. Elk object dat water bevat zal SWIR golflengtes absorberen op een van twee absorptielijnen — een is rond 1,45 micron, een andere op ongeveer 1,8 micron. Met SWIR imaging, verbetert de zichtbaarheid van objecten die vocht bevatten.

Met SWIR kun je hogere contrast beelden genereren in nevel, mist, regen, fog, en andere uitdagende atmosferische condities door minder verstrooiing naarmate je verder uit in het infrarood gaat. Echter, optimale effectiviteit voor SWIR is in een heel lichte mist of een heel lichte nevel; met een zware mist of nevel, kun je meer vertrouwen op warmtehandtekeningen van een thermische camera. SWIR kan ook warmte detecteren, maar bij meer dan 300 graden Celsius. Dus dit is nuttig voor het zoeken naar defecten in gesmolten glas en gesmolten metaal voordat het afkoelt.

Line Scan vs Area Toepassingen

Teledyne Imaging biedt zowel area als line scan cameras, en in juni 2020 introduceerde het zijn eerste SWIR line scan camera. Als herinnering, line scan cameras scannen een object lijn voor lijn terwijl het beweegt op een transportband of via andere gecontroleerde beweging, zoals het nemen van beelden tijdens het vliegen over een stationair object. Dit verschilt van area toepassingen, of "staring" toepassingen waar je een beeld van het object vastlegt.

Het is mogelijk om elke toepassing in een line scan toepassing te veranderen als je bereid bent de camera of de scène te verplaatsen. Een goed voorbeeld is appelinspectie. Je kunt een beeld van de hele appel maken en dat hele beeld verwerken, of effectiever, je kunt de appel op een transportband positioneren dat voorbij een line scan camera gaat en de data lijn voor lijn verwerken wat typisch resulteert in hogere resolutie en verwerkings-efficiëntie bij lagere kosten.

Waar SWIR Blinkt

SWIR toepassingen variëren wijd van voedsel sorteren en recycling tot zonnepaneel inspectie, landbouw, bosbouw, en surveillance. De voordelen van SWIR imaging zijn duidelijk. We kijken naar een paar van deze toepassingen en bespreken hoe SWIR unieke capaciteiten brengt om deze taken makkelijker te maken.

Voedsel Sorteren

Met SWIR imaging kunnen we opbrengsten verhogen, afval verminderen, en voedselkwaliteit verbeteren. SWIR imaging wordt het beste gebruikt voor hoogwaardige voedsel sortering toepassingen. Als voorbeeld, SWIR zou typisch niet gebruikt worden voor commodity gewassen zoals rijst, maar voor hogere waarde producten. SWIR is meer geschikt voor het sorteren van theebladen nadat ze geoogst en geroosterd zijn. Omdat de theebladen zwart zijn na roosteren, is het moeilijk om verontreinigingen te zien die met de theebladen gemengd kunnen zijn. Met SWIR kan het kwaliteitsinspectieproces effectief stelen, kleine stenen, of ander afval identificeren en elimineren uit het eindproduct.

Een andere manier waarop we SWIR kunnen gebruiken is in de detectie van vochtgehalte in voedsel sortering, waar vocht bederf of anders beschadigd product kan aangeven. Bijvoorbeeld, vochtgehalte in fruit wijst op een beuk. De beuk zou zichtbaar zijn in SWIR voordat een mens het kon detecteren.

SWIR kan ook helpen differentiëren producten die vergelijkbaar in kleur zijn (Figuur 2). In dit voorbeeld zijn er kaneel, koffiebonen, stenen, en rozijnen. Aan de rechterkant heb je een kleurbeeld waar sommige van die items er heel vergelijkbaar uitzien en, aan de linkerkant, kun je nu duidelijker differentiëren tussen deze met SWIR.

Recycling toepassingen gebruiken vergelijkbare sorteertechnieken om verschillende typen materialen te scheiden. In plastic sortering, worden SWIR multispectrale systemen gebruikt aan het einde van het sorteerproces omdat ze zo gevoelig zijn. Ze worden typisch tweemaal of vaker gedraaid om tot 99% zuiverheid van het gerecycled plasticmateriaal te bereiken.

Zonnepaneel Inspectie

Aangezien SWIR door silicium kan kijken, is een andere toepassing voor SWIR imagers zonnepaneel inspectie (Figuur 3). Met een globale duw naar meer duurzame energiebronnen, hebben zonnepanelen een significante toename in adoptie gezien. Fabrikanten moeten ervoor zorgen dat hun panelen vrij zijn van defecten, kraken, of zaagsporen aan de tegenovergestelde kant van de wafer. Bovendien kan SWIR gebruikt worden om dode plekken of zwakke gebieden op een zonnecel te identificeren en helpen de efficiëntie van de cel te bewijzen. Over het algemeen eindig je met een veel hoger kwaliteitsproduct wanneer SWIR gebruikt wordt voor kwaliteitsinspectie. Veel van deze zelfde technieken kunnen gebruikt worden in halfgeleiderinspectie.

Landbouw En Bosbouw

Veel airborne imaging met SWIR is gerelateerd aan landbouw- of bosbouwtoepassingen. In landbouw moeten boeren managen en reageren op een schijnbaar eindeloos aantal uitdagingen om hoge kwaliteit en hoge opbrengsten te garanderen. Weer, invasieve soorten, en ziekten kunnen havoc wreken op een gewas. Een boer zal de resultaten zien als een gewas begint te geelen en te verwelken, maar op dat moment is het vaak te laat om iets te doen om het gewas te redden. Met SWIR imaging kunnen wetenschappers precies waterabsorptie van de wortels in de bladeren monitoren en beslissingen nemen over hoe die gewassen te behandelen.

Data verzameld van imagery kan boeren en bosbouwers ook de inzichten geven die ze nodig hebben om beslissingen te nemen met betrekking tot additionele irrigatie of meststof, hen helpend om kosten te managen.

Militaire Inlichtingen Surveillance En Reconnaissance

Het leger steunt op SWIR voor inlichtingen, surveillance, en reconnaissance (ISR). Het Amerikaanse leger gebruikt SWIR voor laag-licht imaging, doelerkenning, en luchtverkenning. Een manier om luchtverkenning effectief te implementeren is met time delay and integration (TDI); een optelsomtechnologie voor line scan capture waar een camera onder een vliegtuig gemonteerd wordt en over een gebied gevlogen wordt om het in kaart te brengen. Omdat fotonen schaars zijn, levert het optellen van meerdere rijen een helder en compleet plaatje.

SWIR Opties En De Toekomst Van SWIR

Hoewel SWIR veel voordelen heeft, is de kosten van SWIR systemen nog steeds relatief hoog. Naarmate de technologie breder geadopteerd wordt en onderzoek en ontwikkeling voortgezet worden, wordt verwacht dat de kosten zullen dalen.

Sommige bedrijven kijken naar alternatieven voor de InGaAs sensor voor SWIR imaging. Quantum dot is een lagere-kost technologie, maar de kosten zijn niet zo laag als verwacht. Het grootste nadeel van quantum dot technologie is dat het lage quantum efficiëntie heeft. Dus de gevoeligheid voor licht is ten minste een factor vier lager dan InGaAs. Dit betekent dat op elke plek waar fotonen op een premium zijn en de klant het zich kan permitteren, InGaAs nog steeds de weg is. Vanuit ons perspectief, om quantum dot technologie te benutten, zou een klant bereid moeten zijn gevoeligheid in te ruilen voor lagere kosten. Ze zouden veel meer verlichting moeten toevoegen, wat additionele kosten zou betekenen. Tot nu toe zijn er weinig toepassingen die zouden profiteren van deze tradeoff.

Sony brengt ook hun eerste CMOS InGaAs SWIR detectors uit. Hoewel gebaseerd op InGaAs, nemen ze InGaAs en koppelen het met de CMOS readout circuit, pixel voor pixel, door het indiummetaal te vervangen door koper. Dus het is meer wat je een semiconductor soort proces zou noemen, waar ze een wafer van het CMOS circuit nemen. Ze leggen InGaAs chips erop en ze fusioneren de InGaAs en silicium via deze koperlagen. Dit stelt ook kleinere pixels toe dan wat bereikt kan worden met indium bump bonding, wat uiteindelijk ook kan gaan om kosten te verlagen voor een gegeven resolutie.

SWIR verlichting is duur — het verkleinen van pixelgrootte kan sensorenkosten verlagen, maar alleen als de kosten van de toegenomen verlichting om iets te kunnen zien niet sneller groeien. Het is een vergelijkbaar argument waarom quantum dot kosteneffectief zou kunnen zijn maar gebaseerd op pixelgrootte in plaats van op QE. Het doel om dat te doen is om de kosten te verlagen omdat het proces dichter bij een wafer-niveau proces is. Dit zijn area apparaten, geen line scan, en de pixels zijn erg klein, ongeveer 5 µm pixels vergeleken met de Teledyne DALSA Linea SWIR GigE line scan camera beschikbaar als een 1k resolutie camera met 12,5 µm pixels.

De SWIR technologie die de meeste mensen belovend lijkt in termen van het behouden van de prestaties van InGaAs maar kosten te verlagen is strained layer superlattice. Het is een multi-quantum level detector en je laat verschillende halfgeleiders samen groeien in verschillende lagen en engineer het bandgap om gevoeligheid te geven die correspondeert met fotonen in het SWIR — dit is mogelijk drie tot vijf jaar weg.

Concluderend, SWIR imaging technologie heeft meerdere voordelen, en kan presteren in gebieden waar andere imaging niet kan. SWIR kan helpen differentiëren tussen objecten die zeer vergelijkbaar in kleur zijn, het kan helpen eigenschappen of defecten door bepaalde objecten onthullen, en het kan helpen differentiëren tussen objecten bij zeer hoge temperaturen. Hoewel SWIR duur kan zijn om te implementeren, profiteren sommige hierboven uiteengezette toepassingen enorm van het gebruik. Naarmate toekomstige ontwikkelingen ontvouwen, verwachten we nog groter gebruik van SWIR imaging met nog meer kosteneffectiviteit.

Dit artikel is geschreven door Mike Grodzki, Product Manager, Teledyne DALSA (Waterloo, Canada). Voor meer informatie, neem contact op met Mr. Grodzki via teledyne.com, of bezoek hier.