图像传感器技术持续突破，短波红外成像渐成主流
2024-11-28 15:42:00   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，短波红外（SWIR）成像技术已经在军事、国防、卫星成像、防伪和文物分析等领域应用了几十年。然而，由于制造铟镓砷（InGaAs）图像传感器的高成本和复杂性，直到现在，短波红外相机还没有在工业领域得到广泛应用。不过，图像传感器近年取得的突破性进展带来了具有扩展光谱功能的低成本、紧凑型短波红外相机，并在从食品饮料到废物回收等机器视觉应用中得到了验证。

短波红外传感器前景光明

过去，采用传统的像素级凸点键合技术制造比工业级CMOS图像传感器像素更小的InGaAs图像传感器具有挑战性。对于这种技术，需要一定的凸点间距才能将InGaAs光电二极管层键合到硅读出电路层。索尼（Sony）开发的新型SenSWIR技术采用铜-铜（Cu-Cu）直接键合互连技术，可以将堆叠式CMOS图像传感器的像素芯片和逻辑电路芯片直接互连，而无需专门的连接区域，因此可以制造出像素间距和像素更小的图像传感器。

随着短波红外传感器（例如索尼SenSWIR）的发展，对于机器视觉厂商来说，短波红外相机的选择更多了，而且价格更低。

索尼的混合短波红外技术由于新冠疫情的影响在2021年被推迟发布，现在已开始大规模投放市场。如今，许多机器视觉相机厂商都推出了体积更小、分辨率更高、成本更低的短波红外相机，其探测波长范围覆盖400～1700 nm。

据麦姆斯报道，在短波红外图像传感器领域，安森美（onsemi）最近收购了SWIR Vision Systems公司，后者开发的短波红外传感器基于在硅读出晶圆上制造的胶体量子点（CQD）薄膜光电二极管。这些纳米级半导体材料使基于CQD的传感器能够在400～1700 nm波长范围内成像，同时还能扩展到2100 nm。通过此次收购，安森美计划将其硅基CMOS图像传感器和制造技术与CQD技术相结合，进而以更低的成本和更大的产量提供高度集成的短波红外传感器。

短波红外相机的价格已经大幅下降，但随着此次安森美收购交易的达成，成本有望进一步下降，从而为机器视觉厂商提供更丰富、更经济的短波红外相机。事实上，短波红外成像技术的进步和入门成本的降低，已经在机器视觉领域激起巨大反响。目前，短波红外成像技术已跻身机器视觉市场增长最快的领域。市场研究公司Yole Group预测，由于技术进步、需求稳定和成本降低，短波红外成像传感器市场的复合年增长率将达到28%，市场规模将从2022年的8900万美元快速增长至2028年的3.95亿美元。

打破成像障碍

索尼和安森美的新型短波红外传感器技术的另一个新颖之处在于，它们的传感器现在都能跨越1 µm成像障碍，提供400～1900 nm的典型可用光谱响应。过去，传统的InGaAs短波红外传感器在可见光范围几无响应，可用范围在1 µm左右。同样，硅基CMOS图像传感器在1 µm也失去响应，因此在机器视觉和成像领域被称为“1 µm障碍”。现在的新型短波红外图像传感器能够在可见光和短波红外光谱范围提供连续响应，从而拓展了机器视觉市场的多光谱成像应用。

短波红外相机可帮助检测饼干生产过程中不必要的水分

多光谱成像技术正在推动很多新兴的成像和机器视觉应用，包括农业应用。例如，多光谱相机可用于区分颜色相似的绿植，将杂草与目标作物区分开来，识别叶片中的果实，从土壤中拾取石块或其它物体，或判断水分含量。在其它方面，多光谱成像技术在废物回收领域的应用也越来越广泛，多光谱相机可以从废弃物中挑选出特定类型的材料，例如高密度聚乙烯（HDPE），而这种应用对于高光谱成像技术来说成本和数据量又过于高昂。

LED制造商的回应

即使在这些新技术开发之前，在需要可见光以外成像的机器视觉应用领域，短波红外系统已被证明非常有用。例如，在食品检测中，短波红外相机可以识别表面下受损或碰伤的水果，或透过塑料包装检测食品。在其它应用中，短波红外相机也非常有用，例如检测非透明容器中的填充量、识别包装中的水分、含水量、防伪、晶圆以及太阳能电池生产等。

短波红外相机可以识别苹果表皮以下的受损或碰伤

对于在机器视觉技术方面经验丰富的系统集成商而言，短波红外相机的部署与可见光成像系统并无本质区别。如今，随着成本门槛的降低，对短波红外相机的需求和部署正在迅速增加，因为该技术为机器视觉用户提供了一种非常有用的新工具。图像传感器的发展带动了短波红外技术的普及，照明厂商也需要跟上节奏。

虽然已有厂商很快将适用于短波红外成像系统的镜头推向市场，但由于短波红外LED技术的局限性和相应的高成本，照明制造商的步伐比较缓慢。但如今，随着技术的进步和需求的增长，LED制造商正在顺应新的市场变化。新颖的短波红外LED每瓦功率可产生更多的光输出和更少的热量，同时还提高了短波红外光输出的绝对强度。

尽管短波红外LED照明对于大多数照明制造商来说还是定制或半定制产品，但市场上已有数家厂商开始提供短波红外波长的标准产品，而且可选择的数量也在增加。目前市场上的短波红外照明产品波长覆盖了1050 nm～1550 nm，还有将不同波长组合在一个外壳中的多区照明产品。

多光源控制器推动多光谱技术向前发展

多光源控制器也是构建下一代多光谱机器视觉系统的必需组件。多光谱成像涉及在特定波长拍摄多幅图像，以显示目标物体在窄带响应中的特性。检测应用可能相对简单，像用软件分析单个图像，将其视为单色检测。但更常见的情况是，通过加权滤波器将一系列图像融合为一张多光谱图像，或与参考图像比对进行加、减或区分，以获得所需要的成像结果。

为了简化这些图像的编程和获取过程，新推出的照明控制器在单个封装中提供了可编程序列和四通道恒流LED驱动器。该控制器可与线形、环形或球形多通道照明匹配使用，每种都可提供三个或四个通道。通过TCP/IP接口，该控制器可以让任何层级的用户都能直观地对任何类型的成像序列进行编程。

利用这些新技术，用户可以选择从420 nm到1650 nm的波长，根据特定应用的需要单独选择每个可用通道。这些新进展以及最新的短波红外相机意味着，现在的机器视觉用户比以往任何时候都能以更低的入门成本获得更好、更丰富的多光谱成像技术。多光谱成像技术在更宽泛的波长上前景一片光明。

延伸阅读：

《新兴图像传感器技术及市场-2024版》

《汽车红外摄像头技术及市场-2024版》

《先进半导体封装技术及市场-2024版》