تصویربرداری SWIR – کاربردها و فناوری

چه چیزی در زیر سطح نهفته است؟

سیستم‌های بینایی SWIR از خواص منحصر به فرد نور مادون قرمز کوتاه موج (SWIR) برای آشکار کردن جزئیاتی که برای چشم انسان نامرئی هستند استفاده می‌کنند. این فناوری پیشرفته، رویکردهای نوآورانه‌ای را در تضمین کیفیت، مانند تمایز دقیق مواد، تشخیص دما و حتی توانایی دیدن زیر سطح، امکان‌پذیر می‌کند. تصویربرداری SWIR اغلب برای عملکرد بهینه در کاربردهای صنعتی به سنسورهای تخصصی InGaAs متکی است.

خواص مواد در طیف SWIR

نور SWIR دارای خواص مشابهی با نور مرئی است: فوتون‌ها با اجسام برهم‌کنش می‌کنند تا کنتراست در تصویر ایجاد کنند. هر ماده بسته به طول موج، نور را به روش‌های مختلف منعکس، جذب یا منتقل می‌کند.

به عنوان مثال، سیلیکون تقریباً تمام تابش در محدوده مرئی را منعکس می‌کند؛ برای طول موج‌های بالاتر از 1100 نانومتر، تابش بیشتری را منتقل می‌کند و در نتیجه شفاف می‌شود. به طور مشابه، شیشه رنگی، برخی از پلاستیک‌ها یا دود شفاف به نظر می‌رسند. با این حال، اثر مخالف نیز وجود دارد: برخی مواد تابش بیشتری را در طیف SWIR جذب می‌کنند. این منجر به کنتراست بالاتری می‌شود تا آنچه که بتوان با طول موج‌های کوتاه‌تر به دست آورد.

این امر امکانات جدیدی را در پردازش تصویر باز می‌کند: نمک و شکر، آب و ایزوپروپانول، یا حتی انواع مختلف پلاستیک قابل تشخیص هستند.

تشخیص دما با تصویربرداری SWIR

کاربرد دیگر، تشخیص اختلافات دما است. اجسامی با دمای تقریباً 140 درجه سانتی‌گراد و بالاتر، به طور فزاینده‌ای تابش مادون قرمز ساطع می‌کنند که می‌توان آن را با دوربین‌های SWIR تشخیص داد. هرچه جسم داغ‌تر باشد، تابش مادون قرمز بیشتری ساطع می‌کند و در تصویر روشن‌تر به نظر می‌رسد. این بدان معناست که فناوری SWIR می‌تواند مزایای قاطعی در نظارت بر فرآیندها ارائه دهد، زیرا امکان نظارت بدون تماس بر دمای مواد و محصولات را فراهم می‌کند. این امر به ویژه در محیط‌هایی مفید است که روش‌های اندازه‌گیری دمای سنتی غیرعملی یا خطرناک هستند.

 

سیستم‌های بینایی SWIR

برای اخذ تصویر در محدوده SWIR، به محصولات خاصی نیاز است که با طیف مادون قرمز کوتاه موج تنظیم شده باشند. انتخاب اجزای مناسب برای کیفیت تصویربرداری SWIR بسیار مهم است و نیازمند درک الزامات خاص کاربرد مربوطه است.

دوربین‌های visSWIR

برای تصویربرداری SWIR، به سنسورهای خاصی نیاز است، زیرا سنسورهای سیلیکونی معمولی دارای حد تشخیص بالایی در حدود 1000 نانومتر هستند. سنسورهای آرسنید گالیم ایندیم (InGaAs) به ویژه برای این اهداف مناسب هستند زیرا در طیف SWIR معمولی کار می‌کنند.

دوربین‌های visSWIR در هر دو محدوده مرئی و SWIR حساس هستند. بنابراین، یک دوربین visSWIR می‌تواند هم طول موج‌هایی را که یک دوربین با سنسور سیلیکونی می‌تواند ثبت کند (تقریباً 400-1000 نانومتر) و هم طول موج‌های طیف SWIR را ثبت کند. برخلاف فناوری‌های قبلی که فقط یکی از محدوده‌های طول موج را به دست می‌آورند، این سنسورهای جدید برای کل محدوده از 400 نانومتر تا 1700 نانومتر مناسب هستند.

لنزهای SWIR

لنزهای معمولی معمولاً برای طیف مرئی بهینه شده‌اند یا حتی کاملاً مؤلفه مادون قرمز را فیلتر می‌کنند. به همین دلیل، لنزهای SWIR خاصی وجود دارند که محدوده مرئی را حذف می‌کنند. برای ارائه تصویر واضح از کل پهنای باند، اپتیک‌های سازگار با visSWIR خاصی وجود دارد. با این حال، این لنزها تمایل دارند به دلیل دامنه بسیار بزرگ طول موج، دچار جابجایی فوکوس شوند. هر طول موج در مسیر نوری لنز کمی متفاوت شکسته می‌شود، به همین دلیل نقطه کانونی در طول محدوده طیفی در امتداد محور نوری لنز حرکت می‌کند. با این حال، برای تولید یک تصویر واضح در دوربین، نقطه کانونی باید تا حد امکان ثابت باشد. لنزهای خاصی وجود دارند که جابجایی فوکوس را تصحیح می‌کنند. با این حال، اگر محدوده طول موج محدودی کافی باشد، لنزهای بهینه شده از نظر هزینه بدون تصحیح معمولاً کافی هستند.

فیلتر SWIR

فیلترهای نوری نقش تعیین‌کننده‌ای در بسیاری از کاربردها ایفا می‌کنند، زیرا امکان کنترل انتقال نور را بسته به محدوده‌های طول موج فراهم می‌کنند. برای دوربین‌های visSWIR به ویژه، مسدود کردن نور محیط برای برخی کاربردها بسیار مهم است. این امر کنتراست را در یک طول موج خاص افزایش می‌دهد و ویژگی‌های فردی را برجسته می‌کند.

لایت SWIR

روشنایی LED در محیط داخلی معمولاً هیچ طول موجی در طیف SWIR ندارد. بنابراین، روشنایی اضافی SWIR ضروری است، به عنوان مثال لامپ‌های هالوژن با طیف پهن باند یا چراغ‌های LED ویژه که طیف مشخصی با پهنای باند باریک ارائه می‌دهند. این روشنایی امکان استفاده از حساسیت سنسور بالاتر از 1000 نانومتر را فراهم می‌کند.

اگر قرار است طول موج خاصی بررسی شود، می‌توان از LEDها بدون فیلترهای اضافی به لطف طیف باریک استفاده کرد. این امر به ویژه در صورتی که قرار است چندین طول موج بررسی شود عملی است: در این حالت، می‌توان طیف‌های مختلف LED را فلش کرد و دیگر نیازی به تغییر مکانیکی فیلتر نیست. LEDها نسبت به منابع نور هالوژن هزینه بیشتری دارند، اما بسیار بادوام‌تر هستند و بنابراین برای مصارف صنعتی مناسب هستند. در نهایت، تعیین اینکه کدام منبع نور مناسب‌ترین است به کاربرد بستگی دارد.

کاربردهای تصویربرداری SWIR

مثال‌های زیر دامنه وسیع کاربردهای ممکن با فناوری SWIR را در تمام صنایع نشان می‌دهد. استفاده از سنسورهای visSWIR تنوع کاربردها را بیشتر می‌کند.

بازرسی ویفر

سیلیکون در محدوده طیفی SWIR شفاف است، بنابراین نقص‌هایی مانند حفره‌ها، ترک‌ها و ناخالصی‌ها در حین تولید و بازرسی نیمه‌رساناها قابل مشاهده می‌شوند.

بازرسی خورشیدی

فناوری SWIR برای شناسایی نقص‌هایی که در محدوده طیفی مرئی قابل تشخیص نیستند، هنگام بازرسی بلوک‌های سیلیکونی منفرد برای تکمیل سلول‌های فتوولتائیک استفاده می‌شود.

جداسازی مواد

مواد مختلف را می‌توان بر اساس خواص نوری آنها در طیف SWIR تشخیص و مرتب کرد – به عنوان مثال، اجازه می‌دهد تا پلاستیک‌های مختلف در حین بازیافت از یکدیگر جدا شوند.

کنترل سطح

تشخیص سطوح پر شدن از طریق موادی که در غیر این صورت کدر هستند را می‌توان به راحتی با فناوری SWIR انجام داد. این شامل مواردی مانند بطری‌های پلاستیکی در پر کردن نوشیدنی یا بسته‌های تاوله‌ای در صنعت داروسازی می‌شود.

بررسی ایمنی

در حین تولید اسکناس و مدارک شناسایی، می‌توان ویژگی‌های امنیتی مانند نوارهای فلزی زیر سطح را برای خطاها یا جعل‌ها و همچنین جوهرهای چاپ ویژه بررسی کرد.

کنترل کیفیت مواد غذایی

در تضمین کیفیت محصولات کشاورزی، تشخیص کبودی یا تخمین میزان قند محصولات آسان‌تر است. محدوده طیفی SWIR همچنین تشخیص محصول و ناخالصی‌ها را آسان‌تر می‌کند – به عنوان مثال: سیب زمینی در مقابل سنگ.

فناوری پشت آن چیست؟

در گذشته، برای گرفتن تصاویر در هر دو طیف نور مرئی و SWIR به دو دوربین یا فناوری سنسور نیاز بود. از آن زمان، سنسورهای ترکیبی موسوم به visSWIR در بازار تثبیت شده‌اند. آن‌ها تصاویر با وضوح بالا با کیفیت تصویر خوب ارائه می‌دهند.

فناوری SenSWIR از سونی

دوربین‌های SWIR به جای سنسورهای CMOS از سنسورهای InGaAs (آرسنید گالیم ایندیم) یا CQD (کوانتوم دات کلوئیدی) استفاده می‌کنند. سنسورهای InGaAs قبلاً محدود به اندازه پیکسل‌های نسبتاً بزرگ و محدوده SWIR بودند. اگرچه سنسورهای CQD پیکسل‌های کوچک‌تری دارند و می‌توانند در محدوده مرئی نیز حساس باشند، اما بازده کوانتومی آن‌ها در محدوده SWIR به طور قابل توجهی کمتر از سنسورهای InGaAs است.

با استفاده از سنسورهای SenSWIR سونی، visSWIR نیز بر اساس InGaAs با بازده کوانتومی ثابت بالا در کل محدوده visSWIR تا 1700 نانومتر امکان‌پذیر است. آن‌ها با پیکسل‌های کوچکتر و در نتیجه وضوح بالاتر نسبت به سنسورهای معمولی InGaAs برای کیفیت تصویر بسیار خوب مشخص می‌شوند. این دقت بیشتری را برای بازرسی و کنترل کیفیت در بسیاری از کاربردها تضمین می‌کند. این امر به لطف اتصال مس به مس تولید شده در تأسیسات تولید نیمه‌رساناهای سونی امکان‌پیر است. به دلیل کاهش ضخامت لایه فسفید ایندیم (لایه InP) در مقایسه با سنسورهای معمولی SWIR، این سنسور در طیف مرئی نیز حساس است.

سنسورها از نظر اندازه و وضوح متفاوت هستند: نسل اول IMX990 با 1.3 مگاپیکسل و IMX991 با وضوح VGA به ترتیب با اندازه پیکسل 5 میکرومتر و نسل دوم IMX992 با 5.3 مگاپیکسل و IMX993 با وضوح 3.2 مگاپیکسل به ترتیب با اندازه پیکسل 3.45 میکرومتر. اینها برای مدل‌های Basler ace 2 X visSWIR استفاده می‌شوند.