Nutzung der SWIR-Zeilenscan-Bildgebungstechnologie

Sichtbares Licht ist nur ein winziger Teil des elektromagnetischen Spektrums. Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, Ultraviolett-, Infrarot-, Mikrowellen- und Radiowellen haben jeweils ihre eigenen einzigartigen Eigenschaften und ihren eigenen Platz im Spektrum. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf SWIR oder kurzwelliges Infrarot, das eine Komponente von Infrarotlicht (IR) ist. Infrarotwellenlängen sind diejenigen unterhalb von Rot; das Wort „infra“ ist lateinisch für „unten“.

SWIR-Bildgebung definiert

Als Menschen erleben wir Infrarotlicht als größtenteils unsichtbar, aber wir können es als Wärme spüren. Das IR-Spektrum ist in verschiedene Regionen unterteilt, und jede Region hat unterschiedliche Anwendungen. Die vier allgemein genannten Regionen sind nahes Infrarot (NIR) mit Wellenlängen von 750–1.000 nm, kurzwelliges Infrarot (SWIR) bei 1–3 μm, mittel- oder mittelwelliges Infrarot (MWIR) bei 3–5 μm und langwelliges Infrarot (MWIR). Wave Infrared (LWIR) Taktung bei 8 - 15 μm (Abbildung 1).

Abgesehen davon, dass Sie es mit bloßem Auge nicht sehen können, ist SWIR wie sichtbares Licht, da Photonen von einem Objekt reflektiert oder absorbiert werden. Dies ist anders als bei mittelwelligem und langwelligem Infrarotlicht, bei dem Wärme vom Objekt selbst abgegeben wird. Die SWIR-Bildgebung kann „Defekte“ in einer Inspektion hervorheben, die eine sichtbare Bildgebung nicht kann. Bei der Bildgebung im SWIR werden Wasserdampf und bestimmte Materialien mehr oder weniger reflektierend und mehr oder weniger durchlässig im SWIR gegenüber dem Sichtbaren. Beispielsweise wird Silizium jenseits von ~1 μm transparent, aber Wasser wird im SWIR tatsächlich absorbierender – insbesondere um die Bänder bei 1,45 μm und 1,8 bis 2 μm. Das bedeutet, dass Farben, die im sichtbaren Licht fast identisch erscheinen, im SWIR leicht unterschieden werden können.

Wie funktionieren SWIR-Sichtsysteme?

SWIR-Kameras werden häufig um Infrarotdetektoren aus Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) herum gebaut. InGaAs-Sensoren können extrem empfindlich gemacht werden, und als Ergebnis funktionieren SWIR-Kameras unter lichtarmen Bedingungen.

Zum größten Teil funktionieren SWIR-Bildverarbeitungssysteme ähnlich wie sichtbare Systeme. Sie haben ein Ziel, eine Lichtquelle und einen Detektor, um das Bild aufzunehmen. Das Bild wird schwarz-weiß angezeigt. Was ist also der Unterschied zwischen der Bildgebung mit Monochromkameras und der SWIR-Bildgebung? Nun, SWIR-Licht ist für das menschliche Auge unsichtbar und kann bestimmte Merkmale erkennen und hervorheben, die mit sichtbarem Licht und sichtbaren Kameras nur schwer oder gar nicht zu unterscheiden sind. Zum Beispiel:

• SWIR kann dabei helfen, zwischen Objekten mit sehr ähnlicher Farbe im sichtbaren Spektrum zu unterscheiden;

• SWIR kann helfen, durch bestimmte Objekte zu sehen, wie z. B. Silikon;

• SWIR kann helfen, Objekte mit sehr hohen Temperaturen zu sehen.

Was ermöglicht die SWIR-Bildgebung?

Menschen neigen dazu, SWIR zu verwenden, weil sie verschiedene Materialien besser sehen können. Ein häufig verwendetes Beispiel ist Salz versus Zucker. Sie sind beide kleine weiße Kristalle, wenn sie im sichtbaren Licht betrachtet werden, aber sie haben ganz unterschiedliche Reflexionseigenschaften im SWIR.

SWIR kann auch verwendet werden, um den Wassergehalt in Materialien zu suchen, was für Anwendungen in der Landwirtschaft, Lebensmittelkontrolle und Forstwirtschaft von Vorteil sein kann. Jedes Objekt, das Wasser enthält, absorbiert SWIR-Wellenlängen bei einer von zwei Absorptionslinien – eine liegt bei etwa 1,45 Mikrometer, eine andere näher bei 1,8 Mikrometer. Mit der SWIR-Bildgebung verbessert dies die Sichtbarkeit von Objekten, die Feuchtigkeit enthalten.

Mit SWIR können Sie Bilder mit höherem Kontrast bei Dunst, Dunst, Regen, Nebel und anderen herausfordernden atmosphärischen Bedingungen erzeugen, da weniger Streuung entsteht, wenn Sie sich weiter in den Infrarotbereich bewegen. Die optimale Wirksamkeit für SWIR liegt jedoch in einem sehr leichten Nebel oder einem sehr leichten Dunst; Bei starkem Nebel oder Dunst können Sie sich mehr auf die Wärmesignaturen einer Wärmebildkamera verlassen. SWIR kann auch Hitze erkennen, jedoch bei mehr als 300 Grad Celsius. Dies ist also nützlich, um nach Defekten in geschmolzenem Glas und geschmolzenem Metall zu suchen, bevor es abgekühlt ist.

Linienscan vs. Flächenanwendungen

Teledyne Imaging bietet sowohl Flächen- als auch Zeilenkameras an und stellte im Juni 2020 seine erste SWIR-Zeilenkamera vor. Zur Auffrischung scannen Zeilenkameras ein Objekt Zeile für Zeile, während es sich auf einem Förderband bewegt, oder durch andere gesteuerte Bewegungen, wie z. B. das Aufnehmen von Bildern, während es über ein stationäres Objekt fliegt. Dies unterscheidet sich von Bereichsanwendungen oder „starrenden“ Anwendungen, bei denen Sie ein Bild des Objekts erfassen.

Es ist möglich, jede Anwendung in eine Zeilenscan-Anwendung umzuwandeln, wenn Sie bereit sind, die Kamera oder die Szene zu bewegen. Ein gutes Beispiel ist die Apfelinspektion. Sie könnten ein Bild des gesamten Apfels aufnehmen und dieses gesamte Bild verarbeiten, oder, effektiver, Sie könnten den Apfel auf einem Förderband positionieren, das an einer Zeilenkamera vorbeiläuft, und die Daten Zeile für Zeile verarbeiten, was normalerweise zu einer höheren Auflösung und Verarbeitungseffizienz führt zu geringeren Kosten.

Wo SWIR leuchtet

SWIR-Anwendungen reichen von der Lebensmittelsortierung und -recycling bis hin zur Inspektion von Solarmodulen, Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Überwachung. Die Vorteile der SWIR-Bildgebung liegen auf der Hand. Wir werden uns einige dieser Anwendungen ansehen und erörtern, wie SWIR einzigartige Funktionen bietet, um diese Aufgaben zu vereinfachen.

Lebensmittelsortierung

Mit SWIR-Bildgebung können wir die Erträge steigern, Abfall reduzieren und die Lebensmittelqualität verbessern. Die SWIR-Bildgebung eignet sich am besten für hochwertige Lebensmittelsortieranwendungen. Beispielsweise würde SWIR normalerweise nicht für Massenpflanzen wie Reis verwendet werden, sondern für höherwertige Produkte. SWIR eignet sich besser zum Sortieren von Teeblättern nach der Ernte und Röstung. Da die Teeblätter nach dem Rösten schwarz sind, ist es schwierig, Verunreinigungen zu erkennen, die mit den Teeblättern vermischt sein könnten. Mit SWIR kann der Qualitätsprüfprozess Stängel, kleine Steine ​​oder andere Ablagerungen effektiv identifizieren und aus dem fertigen Produkt entfernen.

Eine andere Möglichkeit, SWIR einzusetzen, ist die Erkennung des Feuchtigkeitsgehalts bei der Lebensmittelsortierung, wo Feuchtigkeit Verderb oder anderweitig beschädigte Produkte anzeigen kann. Zum Beispiel weist der Feuchtigkeitsgehalt in Obst auf einen blauen Fleck hin. Der Bluterguss wäre in SWIR sichtbar, bevor ein Mensch ihn erkennen könnte.

SWIR kann auch dabei helfen, farblich ähnliche Produkte zu unterscheiden (Abbildung 2). In diesem Beispiel gibt es Zimt, Kaffeebohnen, Steine ​​und Rosinen. Auf der rechten Seite sehen Sie ein Farbbild, auf dem einige dieser Artikel sehr ähnlich aussehen, und auf der linken Seite können Sie diese jetzt mit SWIR deutlicher unterscheiden.

Recyclinganwendungen verwenden ähnliche Sortiertechniken, um verschiedene Arten von Materialien zu trennen. In der Kunststoffsortierung werden SWIR-Multispektralsysteme gegen Ende des Sortierprozesses eingesetzt, weil sie so empfindlich sind. Sie werden in der Regel zweimal oder öfter ausgeführt, um eine Reinheit des recycelten Kunststoffmaterials von bis zu 99 % zu erreichen.

Solarpanel-Inspektion

Da SWIR durch Silizium sehen kann, ist eine weitere Anwendung für SWIR-Imager die Inspektion von Solarmodulen (Abbildung 3). Mit einem weltweiten Vorstoß in Richtung nachhaltigerer Energiequellen haben Solarmodule eine deutliche Zunahme der Akzeptanz erfahren. Hersteller müssen sicherstellen, dass ihre Panels auf der gegenüberliegenden Seite des Wafers frei von Defekten, Rissen oder Sägespuren sind. Darüber hinaus kann SWIR verwendet werden, um tote Stellen oder Schwachstellen auf einer Solarzelle zu identifizieren und die Wirksamkeit der Zelle nachzuweisen. Insgesamt erhalten Sie ein viel hochwertigeres Produkt, wenn SWIR zur Qualitätsprüfung verwendet wird. Viele dieser gleichen Techniken können bei der Halbleiterinspektion verwendet werden.

Land- und Forstwirtschaft

Ein Großteil der luftgestützten Bildgebung mit SWIR bezieht sich auf land- oder forstwirtschaftliche Anwendungen. In der Landwirtschaft müssen Landwirte eine scheinbar endlose Anzahl von Herausforderungen bewältigen und darauf reagieren, um hohe Qualität und hohe Erträge zu gewährleisten. Wetter, invasive Arten und Krankheiten können eine Ernte verheeren. Ein Landwirt sieht die Ergebnisse, wenn eine Ernte gelb wird und welk wird, aber zu diesem Zeitpunkt ist es oft zu spät, etwas zu tun, um die Ernte zu retten. Mit SWIR-Bildgebung können Wissenschaftler die Wasseraufnahme von den Wurzeln in die Blätter genau überwachen und Entscheidungen zur Behandlung dieser Pflanzen treffen.

Aus Bilddaten gesammelte Daten können Landwirten und Förstern auch die Erkenntnisse liefern, die sie benötigen, um Entscheidungen in Bezug auf zusätzliche Bewässerung oder Düngemittel zu treffen, und ihnen helfen, die Kosten zu kontrollieren.

Militärische Geheimdienstüberwachung und -aufklärung

Das Militär verlässt sich auf SWIR für Informationen, Überwachung und Aufklärung (ISR). Das US-Militär verwendet SWIR für Low-Light-Imaging, Zielerkennung und Luftaufklärung. Eine Möglichkeit, Luftaufklärung effektiv zu implementieren, ist die Zeitverzögerung und Integration (TDI); eine Summierungstechnologie für die Zeilenscan-Erfassung, bei der eine Kamera unter einem Flugzeug montiert und über ein Gebiet geflogen wird, um es zu kartieren. Da Photonen knapp sind, liefert die Summierung mehrerer Zeilen ein klares und vollständiges Bild.

SWIR-Optionen und die Zukunft von SWIR

Obwohl SWIR viele Vorteile hat, sind die Kosten von SWIR-Systemen immer noch relativ hoch. Mit zunehmender Verbreitung der Technologie und fortgesetzter Forschung und Entwicklung werden die Kosten voraussichtlich sinken.

Einige Unternehmen suchen nach Alternativen zum InGaAs-Sensor für die SWIR-Bildgebung. Quantum Dot ist eine kostengünstigere Technologie, aber die Kosten sind nicht so niedrig wie erwartet. Der größte Nachteil der Quantenpunkttechnologie ist ihre geringe Quanteneffizienz. Damit ist seine Lichtempfindlichkeit mindestens um den Faktor vier geringer als bei InGaAs. Das bedeutet, dass überall dort, wo Photonen hoch im Kurs stehen und der Kunde es sich leisten kann, InGaAs immer noch der richtige Weg ist. Aus unserer Sicht müsste ein Kunde bereit sein, im Austausch für niedrigere Kosten auf Empfindlichkeit zu verzichten, um die Quantenpunkttechnologie nutzen zu können. Sie müssten viel mehr Beleuchtung hinzufügen, was zusätzliche Kosten bedeuten würde. Bis heute gibt es nur wenige Anwendungen, die von diesem Kompromiss profitieren würden.

Sony bringt auch seine ersten CMOS InGaAs SWIR-Detektoren auf den Markt. Obwohl sie auf InGaAs basieren, nehmen sie InGaAs und verbinden es Pixel für Pixel mit der CMOS-Ausleseschaltung, indem sie das Indiummetall durch Kupfer ersetzen. Es ist also eher eine Art Halbleiterprozess, bei dem sie einen Wafer der CMOS-Schaltung aufnehmen. Sie legen InGaAs-Chips darauf und verschmelzen tatsächlich das InGaAs und das Silizium über diese Kupferschichten. Dies ermöglicht auch kleinere Pixel, als dies mit Indium-Bump-Bonden erreicht werden kann, was letztendlich auch dazu führen kann, die Kosten für eine bestimmte Auflösung zu reduzieren.

SWIR-Beleuchtung ist teuer – eine Reduzierung der Pixelgröße kann die Sensorkosten senken, aber nur, wenn die Kosten für die erhöhte Beleuchtung, um etwas sehen zu können, nicht schneller steigen. Es ist ein ähnliches Argument dafür, warum Quantenpunkte kostengünstig sein könnten, aber eher auf der Pixelgröße als auf QE basieren. Das Ziel dabei ist, die Kosten zu reduzieren, da der Prozess näher an einem Wafer-Level-Prozess liegt. Dies sind Flächengeräte, kein Zeilenscan, und die Pixel sind sehr klein, etwa 5 μm Pixel im Vergleich zur Teledyne DALSA Linea SWIR GigE-Zeilenkamera, die als Kamera mit 1k-Auflösung und 12,5 μm Pixeln erhältlich ist.

Die SWIR-Technologie, von der die meisten Menschen glauben, dass sie am vielversprechendsten ist, um die Leistung von InGaAs aufrechtzuerhalten, aber die Kosten zu senken, ist das Übergitter mit verspannten Schichten. Es ist ein Multi-Quanten-Level-Detektor und Sie züchten verschiedene Halbleiter in verschiedenen Schichten zusammen und konstruieren die Bandlücke, um Ihnen eine Empfindlichkeit zu geben, die Photonen im SWIR entspricht – das ist möglicherweise drei bis fünf Jahre entfernt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die SWIR-Bildgebungstechnologie mehrere Vorteile hat und in Bereichen eingesetzt werden kann, in denen andere Bildgebungsverfahren dies nicht können. SWIR kann helfen, zwischen Objekten mit sehr ähnlicher Farbe zu unterscheiden, es kann helfen, Eigenschaften oder Defekte durch bestimmte Objekte aufzudecken, und es kann helfen, zwischen Objekten bei sehr hohen Temperaturen zu unterscheiden. Obwohl die Implementierung von SWIR kostspielig sein kann, profitieren einige hier skizzierte Anwendungen stark von seiner Verwendung. Im Zuge zukünftiger Entwicklungen erwarten wir eine noch größere Nutzung der SWIR-Bildgebung mit noch größerer Kosteneffizienz.

Dieser Artikel wurde von Mike Grodzki, Produktmanager, Teledyne DALSA (Waterloo, Kanada) verfasst. Wenden Sie sich für weitere Informationen an Herrn Grodzki unter teledyne.com oder besuchen Sie hier .