短波红外(SWIR)技术在多个领域的应用收藏

短波红外(SWIR)相机可检测肉眼不可见的产品缺陷及特定材料特性，为机器视觉解决方案开辟了广泛的应用空间：相比于搭载CMOS或CCD传感器的主流机器视觉相机，多数短波红外相机搭载InGaAs（砷化铟镓）传感器，检测波长介于900 nm至1,700 nm之间。

而最新上市的传感器更将其支持的光谱范围扩展至可见光谱，或超出1,700 nm，最高达到2,500 nm超出750 nm波长的光属于肉眼不可见光谱，传统的CCD或CMOS相机仅可检测约1050 nm以下波长的光线。

因此，短波红外相机的应用范围相比传统相机更为广泛，例如它可以轻松检测植物内部的积水或晶圆产品内部的缺陷

本文介绍了短波红外相机在多个领域的应用示例，如半导体行业、回收、金属和玻璃检验以及机载遥感等由于部分短波红外相机主要面向研究设施应用而设计，因此不仅需要提供工业应用不可或缺的高画质，还需具备工业级坚固设计以及机器视觉应用常用的相机功能。

半导体行业半导体行业已发展成为全球规模最大的行业之一，且增长势头有增无减晶圆集成电路（IC或芯片）生产是该行业的核心业务搭载InGaAs传感器的相机通常在900 nm至1,700 nm的短波红外光谱范围内运行，并可透过半导体材料（例如硅(Si)）实现大约1,150 nm波长的光谱成像。

因此，短波红外相机成为了检验过程必不可少的设备硅片透光成像是一种非破坏性检测方法，为生产流程提供了诸多益处现如今，半导体行业纷纷将InGaAs相机引入测试、检验和质量控制系统硅晶体和晶锭检验硅晶体和晶锭（也称为晶砖）检验是InGaAs相机在半导体行业的典型应用之一。

InGaAs相机可实现对硅基材料透光光谱(波长范围大于1,150 nm)进行成像，是检测生产过程中可能积聚在晶体或晶棒内杂质的理想解决方案晶棒需使用特殊的钻石切割刀切割成晶圆薄片，这一加工过程中，晶圆的纯度至关重要。

即使晶圆薄片之中仅含有一小块金属等夹杂物，都可能导致昂贵的钻石切割刀断裂报废而更换刀具不仅需要成本，还会导致生产效率和利润下降而短波红外相机的引入可以避免这一问题，确保生产流程顺畅进行晶圆检验或封装 短波红外相机的另一重要应用是晶圆检验。

在晶圆生产流程中，可能在晶圆顶部、底部，甚至晶圆内部或晶圆间出现颗粒物CCD或CMOS相机可检测顶部和底部的颗粒物，而InGaA相机则可透过硅基材料检测两片键合晶圆间的颗粒物InGaAs相机还可用于晶圆封装，即检测晶圆背面的排列与正面是否对齐。

短波红外技术可帮助对齐晶圆各层以及对齐晶圆基板和其他子产品，如IC、存储单元或晶体管光伏发电从硅晶体到晶棒/晶砖、晶圆、太阳能电池乃至太阳能模组，短波红外相机应用可覆盖整个供应链检验流程由于InGaAs相机可实现硅基材料透光成像，因此是检测硅基材料内部物理缺陷的最有效解决方案。

除了新近出现的短波红外成像检验技术外，光伏行业常用的其他重要技术和方法包括：光致发光(PL)和电致发光(EL)是两种常用检验方法PL成像利用光学激发（例如激光照射）生成电子-空穴对，通过辐射复合引起发射，从而引发相机感光成像。

1,150 nm左右带间发射提供了有关硅基材料内部缺陷和位错簇的信息此外，通过绘制约1,550 nm处的缺陷带发光图谱，可获得有关最终电池效率极限的结果因此，在900 nm至1,700 nm区间具有高检测灵敏度的InGaAs相机非常适合此类应用。

而电致发光是硅基材料内电子和空穴辐射复合的结果该技术将电压施加到太阳能电池上，并与可用空穴复合，最后根据吸波材料（硅1,150 nm）的带隙发射光子除晶体硅外，还可利用这一技术检查其他类型的太阳能电池或模组材料（又称薄膜太阳能电池）：700 nm至1,330 nm（取决于铟/镓比）波长范围检验二硒化铜铟镓(CIGS)；1,330 nm波长范围检验二硒化铜铟(CIS)。

相比于CCD和CMOS相机，短波红外的主要优势在于曝光时间更短，并在硅主发射波长范围内具有出色的量子效率(QE)，从而确保在生产流程中快速鉴定CCD或CMOS相机所需的曝光时间更长，长达30秒即便是NIR增强型CCD传感器，所需的曝光时间仍达到3秒甚至更久。

而短波红外相机仅需几毫秒，因此可大幅提升产能回收行业发达国家产生的废弃物数量不断增长，而可用资源数量却变得日益匮乏；因此，有必要开发行之有效的方法，从收集的废弃物中分离出高质量可回收材料塑料分选由于所有塑料废弃物的可见光谱大体类似，因此无法借助常规方法分离可回收材料。

但在短波红外范光谱围内，不同塑料材料的吸收光谱呈现出不同的特性因此，我们可以借助短波红外相机技术构建自动化分离系统，分离回收质量和性质相近的材料最新版短波红外相机的光谱范围扩展至2.5µm，可区分更多的材料类型。

为实现有效的自动化废弃物分离流程，首先将物料切成大小相近的小薄片随后借助传送带将薄片传送到检验系统——该系统由照明系统和搭载InGaAs传感器的短波红外相机组成由于不同塑料材料在短波红外下呈现不同的光谱特性，因此可利用这一特性区分不同的材料，并可基于光谱特性指定相应的塑料类型。

在传送带上，不同类型的塑料在一系列喷气口的作用下分离为实现精细的分离效果进而达到良好的回收率和高质量结果，可重复多次执行此步骤食品工业水果和蔬菜含有80％至90％的水分因此，其光谱响应特性主要体现在吸水带方面，在约1,450 nm处有一个波峰。

由于具有较强的吸光能力，水份在短波红外波段的成像结果明显更暗

食品分析与分选 每一种食品都有其独特的化学构成，因此在可见光谱和短波红外光谱下会呈现独有的光谱特性搭载InGaAs传感器的短波红外相机可对传送带上的食品进行在线检验光谱分析是最常用的食品分析方法之一但食品行业的最新发展趋势显示，高光谱和多光谱成像日渐兴起。

这一方法融合了数字成像与光谱分析技术，可获取跨多个电磁频谱范围的详细信息某些波长的反射和吸收率取决于食物的化学成分和分子结构短波红外相机通常应用于推扫式成像系统，搭配光谱仪（高光谱成像）使用如果区分的某些材料的波段数较少（<10），则可增设多个带通滤波器或专用照明装置（多光谱成像）。

相比于CCD或CMOS相机，短波红外相机的常用波长范围为900 nm至1,700 nm，可提供更丰富的光谱信息典型实例就是分选损伤苹果短波红外相机可检测苹果外部损伤——这些部分水分含量较高，因此在图像中显得更为暗淡。

这一技术有助于轻松分选出残次苹果榨汁，并筛选出品质完美的果品出售给终端客户金属和玻璃行业短波红外相机可对250°C至800°C之间的高温物体热成像金属和玻璃行业纷纷在其工艺和质量控制系统中引入短波红外相机。

熔融金属工艺监控与检验相比于CCD和CMOS相机，InGaAs相机的常用光谱范围为900 nm至1,700 nm，可检验铁水和炉渣之间的发射谱差异基于该信息，可检测制造流程中的炉渣差异这一功能有助于最大限度提升产能，同时又不会出现任何污染材料。

玻璃瓶监控与检验在玻璃瓶生产流程中，可利用InGaAs相机对其进行内外检查短波红外相机可对250°C至800°C之间的高温物体热成像，可监测玻璃温度均一性和冷却速率因此，制造商可借助其不断观测生产状况，最大限度提升产量和质量。

激光束分析激光应用浩如烟海例如，材料焊接和切割、医疗应用、光谱分析以及测绘如果应用得当，激光是不可多得的利器但随着使用时间和次数增加，激光器的性能和效率将逐步下降为确保发射的激光信号稳定，电信公司开始利用名为光谱分析仪的激光束分析设备。

为确保激光能够得到高效利用，监测光束位置、大小、功率和激光束光谱等参数并确保合规至关重要短波红外波长激光的光谱范围肉眼不可见而基于InGaAs传感器的光束分析仪是短波红外波长在900-1700 nm之间的激光测量分析的理想之选。

Allied Vision的Goldeye 短波红外相机基于InGaAs传感器技术（砷化铟镓），在900至1,700 nm 短波红外光谱范围内异常灵敏，因而是激光光束分析应用的理想之选农业光谱成像还可用于农业用途，尤其是在配合无人机(UAV)使用时。

农民可利用此技术远程检视作物，如草莓田：通过观察短波红外影像，可鉴别缺水、水分含量正佳或水分过多的植物或区域检测到的水分含量越高，在1,450 nm 波长处的吸收峰值越高，图像中的对应区域越暗因此，这类应用通常使用较窄的1450 nm带通滤光片增强这一效应。

机载遥感无人机在农业中应用得尤为普遍，但同样可用于其他用途，例如从空中检查多种材料每种无机材料均具有独特的化学组成和晶体结构，从而产生与其特定光吸收特性对应的独特光谱响应地质矿产检验 通过独特的光谱响应，可测绘全球各地的矿产分布。

此外，林业公司也可借助这一技术绘制林地地图高光谱成像可利用类似于食品分析的方法，帮助开展地质和矿物勘验结论搭载InGaAs传感器的短波红外相机具备强大的功能，过去5年在机器视觉市场得到了广泛普及和普遍认可。

尤其值得赞赏的是，如今这类相机支持的机器视觉标准与主流可见光相机并无二异，如GigE Vision或GenICam这一特性有助于大幅减轻系统集成难度，确保短波红外成像系统安装之后即可直接使用未来，短波红外相机的应用领域将进一步扩展，而传感器技术发展在其中扮演着重要作用。

个别情况下，一些应用只能使用一台相机，而延伸至可见光谱范围之外（400 nm-1,700 nm）的传感器可帮助降低系统复杂性短波红外灵敏度扩展至2,500 nm范围的相机则可检测到其他类型的材料或特征最后，像素尺寸较小的传感器还可以更高的空间分辨率、更低的成本拍摄物体。

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