Exploitation de la technologie d'imagerie par balayage linéaire SWIR

La lumière visible ne représente qu'une infime partie du spectre électromagnétique. Les rayons gamma, les rayons X, les ultraviolets, les infrarouges, les micro-ondes et les ondes radio ont chacun leurs propres propriétés uniques et leur propre place dans le spectre. Dans cet article, nous nous concentrerons sur SWIR, ou infrarouge à ondes courtes, qui est un composant de la lumière infrarouge (IR). Les longueurs d'onde infrarouges sont celles inférieures au rouge; le mot "infra" est latin pour "ci-dessous".

Définition de l'imagerie SWIR

En tant qu'êtres humains, nous ressentons la lumière infrarouge comme presque invisible, mais nous pouvons la ressentir sous forme de chaleur. Le spectre IR est divisé en différentes régions, et chaque région a des applications différentes. Les quatre régions couramment référencées sont le proche infrarouge (NIR) avec des longueurs d'onde de 750 à 1 000 nm, l'infrarouge à ondes courtes (SWIR) à 1 - 3 μm, l'infrarouge à ondes moyennes ou moyennes (MWIR) à 3 - 5 μm et l'infrarouge à ondes longues. ondes infrarouges (LWIR) cadencées à 8 - 15 μm (Figure 1).

À l'exception du fait que vous ne pouvez pas le voir à l'œil nu, SWIR est comme la lumière visible en ce que les photons sont réfléchis ou absorbés par un objet. Ceci est différent de la lumière infrarouge à ondes moyennes et à ondes longues, où la chaleur est émise par l'objet lui-même. L'imagerie SWIR peut mettre en évidence des « défauts » dans une inspection que l'imagerie visible ne peut pas mettre en évidence. Lors de l'imagerie en SWIR, la vapeur d'eau et certains matériaux deviennent plus ou moins réfléchissants et plus ou moins transmissifs dans le SWIR par rapport au visible. Par exemple, le silicium devient transparent au-delà d'environ 1 μm, mais l'eau devient en fait plus absorbante dans le SWIR - en particulier autour des bandes à 1,45 μm et 1,8 à 2 μm. Cela signifie que les couleurs qui semblent presque identiques à la lumière visible peuvent être facilement différenciées dans le SWIR.

Comment fonctionnent les systèmes de vision SWIR ?

Les caméras SWIR sont souvent construites autour de détecteurs infrarouges à l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs). Les capteurs InGaAs peuvent être rendus extrêmement sensibles et, par conséquent, les caméras SWIR fonctionneront dans des conditions de manque de lumière.

Pour la plupart, les systèmes de vision SWIR fonctionnent à peu près de la même manière que les systèmes visibles. Vous avez une cible, vous avez une source de lumière et un détecteur pour capturer l'image. L'image apparaît en noir et blanc. Alors, quelle est la différence entre l'imagerie avec des caméras monochromes et l'imagerie SWIR ? Eh bien, la lumière SWIR est invisible à l'œil humain et peut détecter et mettre en évidence certaines caractéristiques difficiles ou très impossibles à distinguer avec la lumière visible et les caméras visibles. Par exemple :

• SWIR peut aider à différencier les objets dont la couleur est très similaire dans le spectre visible ;

• SWIR peut aider à voir à travers certains objets, comme le silicium ;

• SWIR peut aider à voir des objets avec des températures très élevées.

Qu'est-ce que l'imagerie SWIR permet ?

Les gens ont tendance à utiliser SWIR car ils peuvent mieux voir différents matériaux. Un exemple souvent utilisé est le sel par rapport au sucre. Ce sont tous deux de petits cristaux blancs lorsqu'ils sont vus dans la lumière visible, mais ils ont des qualités de réflexion assez différentes dans le SWIR.

Le SWIR peut également être utilisé pour rechercher la teneur en eau des matériaux, ce qui peut être bénéfique pour les applications dans l'agriculture, l'inspection des aliments et la foresterie. Tout objet contenant de l'eau absorbera les longueurs d'onde SWIR à l'une des deux lignes d'absorption - l'une est d'environ 1,45 microns, l'autre à plus près de 1,8 microns. Avec l'imagerie SWIR, cela améliore la visibilité des objets contenant de l'humidité.

Avec SWIR, vous pouvez générer des images à contraste plus élevé dans la brume, la brume, la pluie, le brouillard et d'autres conditions atmosphériques difficiles en raison d'une moindre diffusion lorsque vous vous déplacez plus loin dans l'infrarouge. Cependant, l'efficacité optimale de SWIR est dans un brouillard très léger ou une brume très légère; avec un épais brouillard ou une brume, vous pouvez vous fier davantage aux signatures thermiques d'une caméra thermique. SWIR peut également détecter la chaleur, mais à plus de 300 degrés Celsius. C'est donc utile pour rechercher des défauts dans le verre fondu et le métal fondu avant qu'il ne soit refroidi.

Analyse linéaire vs applications de zone

Teledyne Imaging propose à la fois des caméras matricielles et linéaires et, en juin 2020, a présenté sa première caméra linéaire SWIR. Pour rappel, les caméras à balayage linéaire balayent un objet ligne par ligne lorsqu'il se déplace sur un tapis roulant ou via un autre mouvement contrôlé, comme la prise d'images en survolant un objet stationnaire. Ceci est différent des applications de zone ou des applications "fixes" où vous capturez une image de l'objet.

Il est possible de transformer n'importe quelle application en une application de balayage linéaire si vous souhaitez déplacer la caméra ou déplacer la scène. Un bon exemple est l'inspection des pommes. Vous pouvez prendre une image de la pomme entière et traiter cette image entière, ou plus efficacement, vous pouvez positionner la pomme sur un tapis roulant passant par une caméra à balayage linéaire et traiter les données ligne par ligne, ce qui se traduit généralement par une résolution et une efficacité de traitement plus élevées. à moindre coût.

Où SWIR brille

Les applications SWIR vont du tri et du recyclage des aliments à l'inspection des panneaux solaires, à l'agriculture, à la foresterie et à la surveillance. Les avantages de l'imagerie SWIR sont évidents. Nous examinerons certaines de ces applications et discuterons de la manière dont SWIR apporte des fonctionnalités uniques pour faciliter ces tâches.

Trier les aliments

Avec l'imagerie SWIR, nous pouvons augmenter les rendements, réduire les déchets et améliorer la qualité des aliments. L'imagerie SWIR est mieux utilisée pour les applications de tri des aliments de grande valeur. Par exemple, SWIR ne serait généralement pas utilisé pour des cultures de base comme le riz, mais pour des produits de plus grande valeur. SWIR est plus adapté au tri des feuilles de thé une fois qu'elles sont récoltées et torréfiées. Parce que les feuilles de thé sont noires après la torréfaction, il est difficile de voir les contaminants qui peuvent être mélangés avec les feuilles de thé. Avec SWIR, le processus d'inspection de la qualité peut identifier efficacement les tiges, les petites pierres ou d'autres débris et les éliminer du produit fini.

Une autre façon d'utiliser SWIR est la détection de la teneur en humidité dans le tri des aliments, où l'humidité peut montrer une détérioration ou des produits autrement endommagés. Par exemple, la teneur en humidité des fruits indique une ecchymose. L'ecchymose serait visible dans SWIR avant qu'un humain ne puisse la détecter.

SWIR peut également aider à différencier les produits de couleur similaire (Figure 2). Dans cet exemple, il y a de la cannelle, des grains de café, des cailloux et des raisins secs. Sur la droite, vous avez une image en couleur où certains de ces éléments se ressemblent beaucoup et, sur la gauche, vous pouvez maintenant les différencier plus clairement avec SWIR.

Les applications de recyclage utilisent des techniques de tri similaires pour séparer différents types de matériaux. Dans le tri du plastique, les systèmes multispectraux SWIR sont utilisés vers la fin du processus de tri car ils sont très sensibles. Ils sont généralement exécutés deux fois ou plus pour atteindre jusqu'à 99 % de pureté du matériau plastique recyclé.

Inspection des panneaux solaires

Étant donné que SWIR peut voir à travers le silicium, une autre application des imageurs SWIR est l'inspection des panneaux solaires (Figure 3). Avec une poussée mondiale vers des sources d'énergie plus durables, les panneaux solaires ont connu une augmentation significative de leur adoption. Les fabricants doivent s'assurer que leurs panneaux sont exempts de défauts, de fissures ou de marques de scie sur le côté opposé de la plaquette. De plus, SWIR peut être utilisé pour identifier les points morts ou les zones faibles sur une cellule solaire et aider à prouver l'efficacité de la cellule. Dans l'ensemble, vous vous retrouvez avec un produit de bien meilleure qualité lorsque SWIR est utilisé pour l'inspection de la qualité. Bon nombre de ces mêmes techniques peuvent être utilisées dans l'inspection des semi-conducteurs.

Agriculture et foresterie

Une grande partie de l'imagerie aéroportée avec SWIR est liée à des applications agricoles ou forestières. Dans l'agriculture, les agriculteurs doivent gérer et répondre à un nombre apparemment infini de défis pour garantir une qualité et des rendements élevés. Les conditions météorologiques, les espèces envahissantes et les maladies peuvent faire des ravages sur une culture. Un agriculteur verra les résultats lorsqu'une culture commence à jaunir et à flétrir, mais à ce moment-là, il est souvent trop tard pour faire quoi que ce soit pour sauver la récolte. Grâce à l'imagerie SWIR, les scientifiques peuvent surveiller avec précision l'absorption d'eau des racines aux feuilles et prendre des décisions sur la manière de traiter ces cultures.

Les données recueillies à partir d'images peuvent également fournir aux agriculteurs et aux forestiers les informations dont ils ont besoin pour prendre des décisions concernant l'irrigation ou les engrais supplémentaires, ce qui les aide à gérer les coûts.

Surveillance et reconnaissance du renseignement militaire

L'armée s'appuie sur SWIR pour le renseignement, la surveillance et la reconnaissance (ISR). L'armée américaine utilise SWIR pour l'imagerie en basse lumière, la reconnaissance de cibles et la reconnaissance aérienne. Une façon de mettre en œuvre efficacement la reconnaissance aérienne consiste à retarder et à intégrer (TDI); une technologie de sommation pour la capture par balayage linéaire où une caméra est montée sous un avion et survolée une zone pour la cartographier. Comme les photons sont rares, la sommation de plusieurs lignes fournit une image claire et complète.

Les options SWIR et l'avenir du SWIR

Bien que SWIR présente de nombreux avantages, le coût des systèmes SWIR est encore relativement élevé. À mesure que la technologie est adoptée plus largement et que la recherche et le développement se poursuivent, on s'attend à ce que les coûts diminuent.

Certaines entreprises étudient des alternatives au capteur InGaAs pour l'imagerie SWIR. Le point quantique est une technologie à moindre coût, mais le coût n'est pas aussi bas que prévu. Le plus gros inconvénient de la technologie des points quantiques est qu'elle a une faible efficacité quantique. Ainsi, sa sensibilité à la lumière est au moins un facteur quatre inférieure à InGaAs. Cela signifie que partout où les photons sont rares et où le client peut se le permettre, InGaAs reste la voie à suivre. De notre point de vue, pour tirer parti de la technologie des points quantiques, un client devrait être prêt à renoncer à la sensibilité en échange d'un coût moindre. Ils auraient besoin d'ajouter beaucoup plus d'éclairage, ce qui signifierait des coûts supplémentaires. À ce jour, peu d'applications bénéficieraient de ce compromis.

Sony lance également ses premiers détecteurs CMOS InGaAs SWIR. Bien que basés sur InGaAs, ils prennent InGaAs et l'associent au circuit de lecture CMOS, pixel par pixel, en remplaçant le métal indium par du cuivre. Donc, c'est plus ce que vous appelleriez une sorte de processus semi-conducteur, où ils prennent une tranche du circuit CMOS. Ils mettent des puces InGaAs sur le dessus et ils fusionnent en fait l'InGaAs et le silicium via ces couches de cuivre. Cela permet également d'obtenir des pixels plus petits que ceux qui peuvent être obtenus avec la liaison par bosses à l'indium, ce qui peut également permettre de réduire les coûts pour une résolution donnée.

L'éclairage SWIR est coûteux - la réduction de la taille des pixels peut réduire le coût du capteur, mais seulement si le coût de l'augmentation de l'éclairage pour pouvoir voir quelque chose n'augmente pas plus rapidement. C'est un argument similaire à la raison pour laquelle le point quantique pourrait être rentable, mais basé sur la taille des pixels plutôt que sur le QE. L'objectif est de réduire les coûts car le processus est plus proche d'un processus au niveau de la plaquette. Ce sont des appareils de zone, pas de balayage linéaire, et les pixels sont très petits, environ 5 μm de pixels par rapport à la caméra à balayage linéaire Teledyne DALSA Linea SWIR GigE disponible en tant que caméra de résolution 1k avec 12,5 μm de pixels.

La technologie SWIR que la plupart des gens semblent ressentir est la plus prometteuse en termes de maintien des performances de l'InGaAs, mais la réduction des coûts est le super-réseau à couche contrainte. C'est un détecteur de niveau multi-quantique et vous développez différents semi-conducteurs ensemble dans différentes couches et concevez la bande interdite pour vous donner une sensibilité qui correspond aux photons dans le SWIR - c'est peut-être dans trois à cinq ans.

En conclusion, la technologie d'imagerie SWIR présente de multiples avantages et peut fonctionner dans des domaines où d'autres imageries ne le peuvent pas. SWIR peut aider à différencier des objets de couleur très similaire, il peut aider à révéler des propriétés ou des défauts à travers certains objets et il peut aider à différencier des objets à des températures très élevées. Bien que SWIR puisse être coûteux à mettre en œuvre, certaines applications décrites ici bénéficient grandement de son utilisation. Au fur et à mesure des développements futurs, nous prévoyons des utilisations encore plus importantes de l'imagerie SWIR avec une rentabilité encore plus grande.

Cet article a été rédigé par Mike Grodzki, chef de produit, Teledyne DALSA (Waterloo, Canada). Pour plus d'informations, contactez M. Grodzki à teledyne.com, ou visitez ici .