Maîtriser l'imagerie ligne SWIR : techniques avancées et applications

L'imagerie SWIR définie

La lumière visible n'est qu'une infime partie du spectre électromagnétique. Rayons gamma, X, ultraviolets, infrarouges, micro-ondes, ondes radio ont chacun propriétés uniques et place dans le spectre. Ici, nous nous concentrons sur SWIR, infrarouge à ondes courtes, composante de la lumière infrarouge (IR). Les longueurs d'onde infrarouges sont celles sous le rouge ; « infra » est latin pour « sous ».

Le spectre IR est divisé en régions différentes, chacune avec applications différentes. Quatre régions couramment référencées : proche infrarouge (NIR) 750-1000 nm, infrarouge ondes courtes (SWIR) 1-3 µm, infrarouge ondes moyennes (MWIR) 3-5 µm, infrarouge ondes longues (LWIR) 8-15 µm (Figure 1).

Hormis qu'on ne le voit pas à l'œil nu, le SWIR est comme la lumière visible : photons réfléchis ou absorbés par un objet. Contrairement aux infrarouges ondes moyennes/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. En imagerie SWIR, vapeur d'eau et certains matériaux deviennent plus ou moins réfléchissants, plus ou moins transmissifs en SWIR vs visible. Par exemple, le silicium devient transparent au-delà ~1 µm, mais l'eau devient plus absorbante en SWIR — surtout autour bandes 1,45 µm et 1,8-2 µm. Cela signifie que couleurs quasi identiques en lumière visible peuvent être facilement différenciées en SWIR.

Comment fonctionnent systèmes vision SWIR

Caméras SWIR sont souvent construites autour de détecteurs infrarouges Indium Gallium Arsenide (InGaAs). Capteurs InGaAs peuvent être rendus extrêmement sensibles, et par conséquent, caméras SWIR fonctionnent en conditions de faible luminosité.

Pour la plupart, systèmes vision SWIR opèrent comme systèmes visibles. Vous avez cible, source lumière, détecteur capture image. Image apparaît noir et blanc. Quelle différence entre caméras monochrome et imagerie SWIR ? La lumière SWIR est invisible à l'œil humain et peut détecter/mettre en évidence certaines caractéristiques difficiles/impossibles à distinguer avec lumière visible et caméras visibles. Par exemple :

• SWIR différencie objets très similaires en couleur dans spectre visible
• SWIR voit à travers certains objets, comme silicium
• SWIR voit objets à très hautes températures

Ce que l'imagerie SWIR permet

On utilise SWIR car on voit différents matériaux mieux. Exemple classique : sel vs sucre. Tous deux petits cristaux blancs en lumière visible, mais qualités réfléchissantes très différentes en SWIR.

SWIR peut aussi chercher teneur en eau dans matériaux, bénéfique pour agriculture, inspection alimentaire, foresterie. Tout objet contenant eau absorbe longueurs d'onde SWIR à l'une de deux lignes absorption — ~1,45 microns, autre ~1,8 microns. Imagerie SWIR améliore visibilité objets contenant humidité.

Avec SWIR, images plus contraste dans brume, brouillard, pluie, brouillard, conditions atmosphériques difficiles grâce à moins de diffusion en allant vers infrarouge. Cependant, efficacité optimale SWIR dans brouillard très léger ou brume très légère ; brouillard/brume épais, mieux vaut signatures thermiques caméra thermique. SWIR détecte aussi chaleur, mais >300°C. Utile pour défauts verre fondu et métal fondu avant refroidissement.

Ligne de balayage vs applications surface

Teledyne Imaging offre caméras surface et ligne de balayage, et en juin 2020, introduit sa première caméra ligne SWIR. Rappel : caméras ligne balayage scannent objet ligne par ligne pendant qu'il bouge sur convoyeur ou mouvement contrôlé, ex: prise images en survolant objet stationnaire. Différent applications surface (« staring ») où on capture image objet entier.

Possible transformer toute application en ligne balayage si prêt à bouger caméra ou scène. Bon exemple : inspection pommes. Pourriez prendre image pomme entière et traiter toute image, ou plus efficacement, positionner pomme sur convoyeur passant caméra ligne balayage et traiter données ligne par ligne — généralement résout en résolution plus haute et efficacité traitement à coût moindre.

Où SWIR excelle

Applications SWIR vont largement : tri alimentaire, recyclage, inspection panneaux solaires, agriculture, foresterie, surveillance. Bénéfices évidents. Examinons certaines applications et comment SWIR apporte capacités uniques.

Tri alimentaire

Imagerie SWIR augmente rendements, réduit gaspillage, améliore qualité alimentaire. Meilleur pour tri alimentaire haute valeur. Exemple : SWIR pas typiquement utilisé cultures commodité comme riz, mais produits haute valeur. SWIR plus adapté tri feuilles thé récoltées et torréfiées. Feuilles thé noires après torréfaction, difficile voir contaminants mélangés. Avec SWIR, inspection qualité identifie efficacement tiges, petites pierres, débris et les élimine produit fini.

Autre utilisation SWIR : détection teneur humidité tri alimentaire, où humidité montre pourriture ou produits endommagés. Exemple : teneur humidité fruit indique ecchymose. Ecchymose visible SWIR avant détection humaine.

SWIR aide aussi différencier produits similaires en couleur (Figure 2). Exemple : cannelle, grains café, roches, raisins. À droite image couleur où items ressemblent, à gauche différenciation claire SWIR.

Applications recyclage utilisent techniques tri similaires séparer différents matériaux. Tri plastique, systèmes SWIR multispectraux utilisés fin processus car très sensibles. Typiquement passés 2+ fois pour atteindre 99% pureté plastique recyclé.

Inspection panneaux solaires

Puisque SWIR voit à travers silicium, autre application imagers SWIR : inspection panneaux solaires (Figure 3). Poussée globale vers énergie durable, panneaux solaires adoption significative. Fabricants doivent s'assurer panneaux sans défauts, fissures, marques sciage face opposée wafer. De plus, SWIR identifie points morts ou zones faibles cellule solaire et prouve efficacité cellule. Globalement, produit bien plus qualité quand SWIR utilisé inspection qualité. Mêmes techniques utilisables inspection semiconducteurs.

Agriculture et foresterie

Beaucoup imagerie aéroportée SWIR liée applications agriculture/foresterie. Agriculture : fermiers gèrent défis infinis pour qualité/rendements élevés. Météo, espèces invasives, maladies ravagent cultures. Fermier voit résultats quand culture jaunit/fane, mais souvent trop tard pour sauver. Imagerie SWIR : scientifiques surveillent précisément absorption eau racines vers feuilles et décident comment traiter cultures.

Données imagerie donnent aussi fermiers/forestiers insights pour décisions irrigation/engrais additionnels, gérant coûts.

Renseignement militaire surveillance reconnaissance

Militaire compte sur SWIR pour renseignement, surveillance, reconnaissance (ISR). US military utilise SWIR imagerie faible lumière, reconnaissance cibles, reconnaissance aérienne. Une façon efficace reconnaissance aérienne : délai temps et intégration (TDI) ; technologie sommation pour capture ligne balayage où caméra montée sous avion survol zone pour cartographier. Photons rares, sommation multiples rangées donne image claire complète.

Options SWIR et futur

Bien que SWIR ait nombreux avantages, coût systèmes SWIR encore relativement haut. Adoption plus large et R&D continue, coûts devraient baisser.

Certaines entreprises regardent alternatives capteur InGaAs pour imagerie SWIR. Quantum dot technologie coût inférieur, mais pas aussi bas qu'anticipé. Plus gros inconvénient : faible efficacité quantique. Sensibilité lumière au moins facteur 4 inférieure InGaAs. Donc où photons prime et client peut se le permettre, InGaAs reste voie. Pour tirer parti quantum dot, client devrait accepter sacrifier sensibilité pour coût inférieur. Besoin beaucoup plus d'illumination, coûts additionnels. À ce jour, peu applications bénéficieraient ce compromis.

Sony lance aussi premiers détecteurs SWIR CMOS InGaAs. Basés InGaAs mais mariant InGaAs avec circuit lecture CMOS, pixel par pixel, remplaçant indium par cuivre. Processus plus semi-conducteur : wafer circuit CMOS, puces InGaAs dessus, fusion InGaAs/silicium via couches cuivre. Permet pixels plus petits que bump bonding indium, ultimement réduction coût pour résolution donnée.

Illumination SWIR coûteuse — réduire taille pixel réduit coût capteur, mais seulement si coût illumination accrue pour voir quelque chose ne croît pas plus vite. Argument similaire pourquoi quantum dot pourrait être coût-efficace mais basé taille pixel pas QE. But : réduire coût car processus plus proche processus wafer. Ce sont dispositifs surface, pas ligne balayage, pixels très petits ~5 µm vs caméra Teledyne DALSA Linea SWIR GigE ligne balayage 1k résolution pixels 12,5 µm.

Technologie SWIR la plus prometteuse pour maintenir performance InGaAs mais réduire coût : super-réseau à couches contraintes. Détecteur multi-niveau quantique : croître différents semiconducteurs ensemble en couches différentes et ingénier gap bande pour sensibilité photons SWIR — possiblement 3-5 ans.

En conclusion, technologie imagerie SWIR a multiples bénéfices, performe où autres imageries ne peuvent. SWIR différencie objets couleur similaire, révèle propriétés/défauts à travers certains objets, différencie objets très hautes températures. Bien que SWIR coûteux à implémenter, certaines applications ici en bénéficient grandement. Futurs développements : usages encore plus grands SWIR avec plus coût-efficacité.

Cet article a été rédigé par Mike Grodzki, Responsable Produit, Teledyne DALSA (Waterloo, Canada). Pour plus d'informations, contactez M. Grodzki à teledyne.com, ou visitez le site web.