短波红外 (SWIR: Short Wave Infrared) 是一种比可见光波长更长的光。这些光不能通过“肉眼”看到，也不能用“普通相机”检测到。由于被检测物体的材料特性，一些在可见光下无法看到的特性，却能在近红外光下呈现出来，因此，可以通过短波红外相机对物体特征进行检测。

目前在SWIR相机广泛应用于工业、航空航天、生物、医疗、户外监控、化妆品等众多领域，其中半导体检测和食品检测是两大主要应用市场，分布占据40%和30%的市场份额。

图1 SWIR相机的应用

AVAL DATA的SWIR相机

AVALDATA提供各种SWIR相机，最近开发的搭载索尼IMX990传感器的ABA-013VIR，是市场上分辨率最高的一款SWIR相机，其拥有400~1700nm (VIS-SWIR)的宽波段覆盖范围，传感器的响应度平均超过80%。

ABA-013VIR主要特性：

· 感光波段：400~1700nm                            

· 分辨率：1280 x 1024，

· 像素尺寸：5μm

· 帧率：60fps(GigE接口)、125.26fps(Camerali nk  接口)

· 配备TEC 1（Peliter cooling）

· 支持FFC功能

※  另有搭载SonyIMX991传感器的VGA像素的相机。

图2 ABA-013VIR相机的量子效率

此外，AVAL DATA还提供其他SWIR面阵和线阵相机、中红外（MIR）和远红外（WIR）系列产品，如图3所示。 

图3 AVAL DATA提供的各种红外相机系列

SWIR相机的应用

SWIR相机可用于很多领域，按照检测目的，可用于如下例子所示的各种应用。

1)分辨同色材料

i. 粉末分辨

相同颜色的调味料、盐、糖混合时，我们很难用肉眼区分出每种物质。但是，由于每种材料吸收光的特性不同，使用SWIR相机拍摄，它们的图像会显示不同的颜色，如图4所示。

图4 三种物质（调味料、盐、糖）在可见光和三种短波红外光下拍摄的图像对比

ii. 液体分辨

通过SWIR相机来区分颜色相同的水和油时，水对短波红外光的吸收要比油更高，因此在SWIR成像中，水的颜色更深（黑），而油的颜色更浅（明亮）。这是使用SWIR相机分辨同色液体的方法。

图5 水和油在可见光和短波红外光下的成像对比

 iii. 塑料分类

使用一般的RGB相机成像，很难区分为各种类型的白色塑料物质。然而使用SWIR相机成像时，由于每种物质对光的吸收不同，因此它们会呈现出不同的颜色。例如，在图6所示的几种物质中，将尼龙（Nylon）分辨出来。由于尼龙在1200~1700nm波段对光的吸收率最高，因此尼龙在该波段的成像会非常暗，这样就能很容易地将其与其他物质区分开来。

可见光图像

1200-1700nm区域的尼龙

图6 PVC/PS/Nylon/PC/PP/ABS在可见光和短波红外光下的成像对比

2)通过水分测量检测食品缺陷

使用SWIR相机测量食品中的水分含量，可以实现食品缺陷的检测。如图7所示，使用1450nm成像进行检测，潮湿的面包呈现的颜色比较深，而干燥的面包呈现的颜色比较浅。通过这种方法，我们可以预测一些食品中的水分含量，以及其是否为不良产品。

图7 标准面包（左）和干燥面包（右）在可见光和短波红外光下的成像对比

图8的例子显示了使用SWIR相机成像，检测水果表面的瘀伤缺陷。在短波红外成像中，瘀伤部分会呈现出较暗的颜色。

图8 表面有瘀伤的橘子在可见光和短波红外光下的成像对比

3) 材料渗透

i.晶圆测试

SWIR相机可用于检测晶圆内部缺陷和Alignment key的位置。晶圆缺陷和Alignment Key的尺寸大小为微米级（μm）和纳米级（nm），因此晶圆检测中使用的镜头必须为显微镜。

图9 晶圆在可见光和短波红外光下的成像对比

ii. 包装内部缺陷检测

使用SWIR相机，可以透过包装检测内部物品的缺陷、物品位置以及异物等。但是，包装材料必须是短波红外光能够穿透的物质，见图10、图11。短波红外光不能穿透铝制包装，但是能穿透一些塑料包装；具体能否穿透，需要测试后确认。

图10 使用短波红外成像检测包装盒内部

图11 使用短波红外成像检测瓶子内的化妆品含量

与SWIR相机配套使用的产品

将SWIR相机与其他产品一起使用时，可以设置最佳使用环境，这样可以提高检测精准率。

1) 红外偏光胶片的应用

如果使用背光照明，很容易显得成像目标的背景太亮，并且不知道目标是否在透射照明光；但如果使用红外偏光片，可以消除背光，目标的成像精度会有所提高。偏光片能抑制包装的反射光，通过阻挡散射光和反射光，可以获取清晰的图像来检测包装内部的物品。

图12 在使用偏光片和不使用偏光片的情况下对包装内的食品进行成像的对比。

2) 截止滤波器的应用

图13 截止滤波器

SonyIMX990传感器可响应VIS-SWIR波段，因此，如果只需要在近红外波段成像，可以使用可见光截止滤波器(cutfilter)。如果只想在特定波长范围内进行检测，可以使用过滤器（pass filter）来提高检测准确性。

3) 光源

图14 LED灯（左）和卤素灯（右）

根据想要成像的波长范围选择光源。SWIR相机使用最多的光源是LED和卤素灯。LED光源的优点是发热低、耗电低、与卤素灯相比寿命长。因此，一般长期使用的FA领域，LED是首选光源。但是，LED光源与卤素灯相比光量不足，并且一个LED光源很难检测宽波长范围，增加光源量自然会增加成本。卤素灯的缺点在于寿命短、发热量高。卤素灯与LED光源相比，光量高，波长宽。因此卤素灯通常适用于广泛的波长分析检测。

4）镜头

了解需要检测的波长范围，并选择能够覆盖该波长范围的镜头也很重要。一般在野外拍摄时，需要覆盖VIS-SWIR的镜头。虽然晚上不需要自然光，但白天需要自然光，因此野外拍摄需要能覆盖可见光波段的镜头。如果只需要SWIR成像检测，则需要使用SWIR专用镜头。

AVALDATA的ABA-013VIR支持C-mount接口的镜头，传感器大小为1/2英寸，因此必须使用支持1/2英寸以上的C-mount镜头。

适用于塑料分类检测的高光谱相机

根据上述内容(2.iii 废塑料分类)显示，SWIR相机能用于废塑料的分类。但是由于SWIR相机的感光范围仅为900~1700nm，因此很难分辨出多种不同的塑料材料。另外，如果需要在特定波段成像，则需要特定波段的滤光器或光源。

但是，如果使用高光谱相机（AHS-003VIR)，则可以在450~1700nm波段中一次拍摄，以18.8nm的分光分辨率同时获得以下各物质的512个频带的图像，并确认分光信息，如图15所示。

图15 使用高光谱相机拍摄的图像

在图16中，Nylon从1700nm开始与其他物质光谱特点相似，因此很难区分。但通过高光谱相机(AHS-003VIR)拍摄，能看到1380~1600nm波段的成像与其他塑料不同。

Grey Level

Grey Level

图16 PVC/PS/Nylon/PC/PP/ABS的红外成像图

AHS-003VIR主要特征:

· 感光波段：450~1700nm

· 分辨率：640（空间）x 512（光谱）

· Pushbroom 拍摄方式

· 光谱波段: 512bands 

· 光谱分辨率：18.8nm

· 最大帧率：240.6fps（Camerali nk接口）

结论

图17 不适合用短波红外成像检测的物质

到目前为止，AVAL已经研究了几个适合用SWIR相机检测的案例。然而，并非所有检测都适合使用SWIR相机，如图16所示，铝、纸、液体中的含量确认、气泡检测等，都无法用SWIR相机实现。

并不是所有材料都对红外波段有响应，因此提前了解被检测材料类型以及它对哪个波长有响应，是使用红外检测的前提之一。即使理论上有些材料对红外波段有感应，也许会由于这是混合物或受到外部环境的原因，可能无法使用SWIR相机进行测试，因此现场测试很重要。