Mi az a SWIR kamera? Így működik a rövidhullámú infravörös képalkotás a gépi látásban

Röviden: A SWIR kamera a rövidhullámú infravörös (short-wave infrared) fényt rögzíti – leggyakrabban a nagyjából 900 és 1700 nm közötti hullámhosszakat, amelyeket sem az emberi szem, sem a szabványos szilícium szenzorok nem érzékelnek. Speciális, többnyire indium-gallium-arzenid (InGaAs) szenzort használ, és a látható fényt használó kamerákhoz hasonlóan visszavert fénnyel dolgozik. A SWIR tartományban egyes, látható fényben átlátszatlan anyagok átlátszóvá válnak, a víz jól kirajzolódik, a hasonlónak tűnő anyagok pedig megkülönböztethetők – ezért alkalmazzák a SWIR képalkotást olyan félvezetőipari, élelmiszeripari, újrahasznosítási és minőségellenőrzési feladatokra, amelyeket a hagyományos kamerák nem tudnak megoldani.

Mi az a SWIR kamera?

A SWIR kamera (rövidhullámú infravörös kamera) olyan ipari vagy tudományos kamera, amelynek szenzora a spektrum rövidhullámú infravörös tartományára érzékeny. Képe egy monokróm fényképre hasonlít, de azt mutatja, hogyan verik vissza és nyelik el a tárgyak az infravörös – és nem a látható – fényt.

Fontos fogalmak:

• SWIR (rövidhullámú infravörös): a látható és a közeli infravörös (NIR) fény utáni infravörös sáv. Az Edmund Optics meghatározása szerint jellemzően 0,9–1,7 µm, tágabb értelmezésben 0,7–2,5 µm.
• InGaAs (indium-gallium-arzenid): a legtöbb SWIR szenzor félvezető anyaga.
• Visszavert és kibocsátott fény: a SWIR kamera a tárgyakról visszavert fényt látja, a hőkamera a tárgyak által kibocsátott hőt.

A SWIR kamera ugyanúgy gépi látó kamera: triggerrel indítják, gépi látó szoftverhez csatlakozik, és alkatrészek ellenőrzésére, mérésére vagy válogatására használják. Csak a spektrumtartomány más, amelyben dolgozik – és így az is, amit lát.

Hogyan működik a SWIR kamera?

A SWIR kamera úgy működik, mint egy látható fényű kamera, csak a spektrum egy távolabbi részén. A fény eléri a tárgyat, annak egy része visszaverődik, az objektív pedig ezt a visszavert SWIR fényt egy erre érzékeny szenzorra fókuszálja.

Ehhez három elem szükséges:

1. A szenzor. A szabványos szilícium CMOS és CCD szenzorok nagyjából 1000–1100 nm-nél megszűnnek érzékelni. A SWIR kamera ezért speciális, többnyire InGaAs szenzort használ, amely lefedi a rövidhullámú infravörös tartományt. Az Axiom Optics szerint a higany-kadmium-tellurid (MCT) szenzorok tovább bővítik a tartományt, de általában drágábbak és szűkebb alkalmazási körre valók.
2. Az optika. A SWIR fény áthalad az üvegen, így az objektívek, ablakok és szűrők a látható fényű optikákkal azonos technológiával készülhetnek. Az objektíveket azonban SWIR tartományra kell tervezni és bevonattal ellátni: a csak látható fényre készült objektív ebben a sávban gyengébb felbontást és több leképezési hibát ad.
3. A megvilágítás. Mivel a SWIR képalkotás visszavert fényre épül, a jelenetben SWIR fénynek kell lennie. Gyártósoron ez általában a feladathoz választott SWIR megvilágítást jelenti.

Az eredmény árnyékokat, éleket és kontrasztot mutató kép – elég éles ellenőrzéshez és méréshez, de a spektrum olyan részén készül, ahol az anyagok másként viselkednek.

Miért néznek ki másként az anyagok SWIR képalkotással?

Az anyagok másként verik vissza, nyelik el és engedik át a SWIR fényt, mint a látható fényt. Éppen ez a SWIR képalkotás értéke: olyan tulajdonságokat tesz láthatóvá, amelyeket egy látható fényű kamera nem rögzít.

Kamera- és optikai szakértők által bemutatott példák:

• A szilícium átlátszóvá válik. A szilícium átengedi a SWIR fényt, így a SWIR kamera belelát a szilíciumszeletekbe és napelemcellákba. Az 1stVision a szilíciumáramkörök apró felületi hibáinak felderítésére is említi a SWIR-t.
• A víz jól látszik. Ugyanezen forrás szerint a SWIR képalkotás kimutatja a gyümölcsökben felgyülemlett vizet.
• Rejtett hibák jelennek meg. Az Edmund Optics egy piros alma nyomódását mutatja be, amely SWIR-ben jól látható, látható fényben viszont alig.
• Egyes tárolók átlátszóvá válnak. Ugyanebben a forrásban egy műanyag hintőporos flakon SWIR-ben átlátszó, így látszik a por szintje.
• A hasonló színek elkülönülnek. A látható fényben szinte azonosnak tűnő anyagok SWIR-ben megkülönböztethetők.
• A pára és a köd kevésbé zavar. A vízgőz és a köd SWIR-ben átlátszó.

Mi a különbség a SWIR, a NIR és a hőkamerák között?

A SWIR a közeli infravörös (NIR) és a termikus infravörös tartomány között helyezkedik el, és inkább a látható fényhez hasonlóan viselkedik, mint a hőképalkotáshoz. A döntő különbség az, hogy a kamera visszavert fényt vagy kibocsátott hőt lát.

Források: Axiom Optics; Edmund Optics.

Röviden: SWIR-t akkor válasszon, ha azt kell látnia, miből van vagy mit tartalmaz valami; hőkamerát akkor, ha azt, mennyire meleg. Hőképalkotási feladatokra a hosszúhullámú infravörös kamerák – például a Hikrobot CI hosszúhullámú infravörös kamera – a megfelelő kategória, nem a SWIR.

Melyek a SWIR kamera fő alkalmazásai a gépi látásban?

A SWIR gépi látást ott alkalmazzák, ahol a hiba, az anyag vagy a tartalom a szabványos kamerák számára láthatatlan. Az Edmund Optics, az Axiom Optics és az 1stVision által említett alkalmazások öt csoportba sorolhatók.

Félvezető- és elektronikai ellenőrzés

Mivel a szilícium SWIR-ben átlátszó, a SWIR kamera nemcsak a felületen, hanem belülről is képes ellenőrizni a szilíciumszeleteket, napelemcellákat és elektronikai paneleket. Mindhárom forrás említi ezt a SWIR kamera alkalmazási csoportot, és természetes módon illeszkedik az elektronikai ipar feladataihoz.

Élelmiszer- és terményellenőrzés

A SWIR képalkotás kimutatja a gyümölcsök nyomódásait és a bennük felgyülemlett vizet, amelyet a látható fényű kamerák nem látnak. Ezért hasznos a termények ellenőrzésére és válogatására az élelmiszeripari gyártósorokon, ahol a rejtett hibák befolyásolják a minőségi besorolást.

Nedvességérzékelés és anyagazonosítás

A SWIR kamerákat nedvesség kimutatására és a látható fényben hasonlónak tűnő anyagok azonosítására használják. Az újrahasznosítás külön említett alkalmazási terület, ahol az anyagok megkülönböztetése az alapfeladat.

Folyamat- és minőségellenőrzés

A SWIR egyes tárolókon keresztül is megmutatja a tartalmat – ahogy a hintőporos flakon példája mutatja –, és támogatja a fém- és üvegellenőrzést. Ezek a feladatok olyan jellemzőkre is kiterjesztik a minőségellenőrzést, amelyeket egy szabványos kamera nem ér el.

Biztonság és hamisítás elleni védelem

Az Edmund Optics és az Axiom Optics egyaránt említi a hamisítás-felderítést és a megfigyelést, beleértve az éjszakai kültéri képalkotást természetes SWIR források, például az éjszakai égbolt fénye (nightglow) és a csillagfény segítségével.

Hogyan válasszunk SWIR kamerát gépi látáshoz?

Induljon ki abból az anyagtulajdonságból, amelyet látnia kell, és ehhez illessze a kamerát, az optikát és a megvilágítást. Egy SWIR rendszer csak akkor működik, ha mindhárom ugyanarra a hullámhossz-tartományra van tervezve.

1. Győződjön meg róla, hogy szükség van SWIR-re. Ha a jellemző egy szabványos kamerával is látható, a szilíciumalapú kamera egyszerűbb megoldás. A SWIR akkor indokolt, ha a hiba, az anyag vagy a tartalom látható fényben láthatatlan.
2. Ellenőrizze a hullámhossz-tartományt. A legtöbb SWIR kamera kb. 900–1700 nm-t fed le; egyes feladatokhoz kiterjesztett tartomány és más szenzor kell.
3. Válassza ki a kameraformátumot. Különálló alkatrészekhez az area scan, folyamatos anyagokhoz és válogatószalagokhoz a line scan kamera illik. Az előnyöket és hátrányokat az area scan és line scan kamerák összehasonlítása mutatja be.
4. Használjon SWIR-re méretezett optikát. Az objektíveket SWIR tartományra kell tervezni és bevonni; a látható fényre készült objektívek felbontást veszítenek.
5. Tervezze meg a megvilágítást. A SWIR képalkotás visszavert fényre épül, ezért a fényforrásnak a megfelelő sávban kell sugároznia. Az általános elveket az objektív és megvilágítás kiválasztásáról szóló útmutatónk foglalja össze.
6. Teszteljen valódi mintákkal. Az anyagok SWIR-beli viselkedése eltérő, ezért a döntés előtt ellenőrizze a kontrasztot valódi jó és hibás darabokon.

Milyen SWIR kamerák érhetők el ipari felhasználásra?

Ipari SWIR kamerák gépi látáshoz area scan kivitelben is elérhetők. A Hikrobot kínálatában az MV-CI050-Y1S-NN egy 5 MP-es ipari area scan kamera a rövidhullámú infravörös tartományhoz.

A szélesebb Hikrobot ipari kamerák kínálatának része, így ugyanarra a gyártósorra a SWIR és a szabványos kamerák egy beszállítótól szerezhetők be. Az ELVOTEC hivatalos Hikrobot-forgalmazóként segít a magyarországi és a régióbeli gyártóknak felmérni, hogy a SWIR megoldja-e az ellenőrzési feladatukat – vegye fel velünk a kapcsolatot, és beszéljük át az alkalmazását.