铜 - 铜混合直接键合以及量子点短波红外技术的发展推动了多光谱成像的蓬勃发展。

短波红外（SWIR）成像技术在军事、国防、卫星成像、防伪以及文化遗产分析等诸多应用领域中已经存在了数十年。直至最近，由于制造铟镓砷（InGaAs）图像传感器成本高昂且过程复杂，短波红外相机在工业领域尚未得到广泛应用。但如今，图像传感器技术取得的突破已经催生出了成本更低、结构更紧凑且具备扩展光谱能力的短波红外相机，并且这些相机在从食品饮料到废物回收等众多机器视觉应用中被证明极为有效。

短波红外（SWIR）传感器照亮前行之路

过去，利用传统的像素级凸点键合技术来制造像素比当今工业用互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器更小的短波红外（SWIR）图像传感器一直颇具挑战性。在这种传统技术中，需要特定的凸点间距来将铟镓砷（InGaAs）光电二极管层与硅读出电路层进行键合。索尼的新型 SenSWIR 技术采用铜 - 铜（Cu-Cu）直接键合互连方式，利用铜端子直接连接堆叠式 CMOS 传感器的像素芯片和逻辑电路芯片，这就消除了对专门连接区域的需求，因此能够制造出具有更精细像素间距和更小像素的图像传感器。

图1：随着索尼 Sen SWIR 等短波红外（SWIR）传感器的发展，机器视觉领域的用户如今拥有了比以往更多的短波红外相机可供选择，并且价格也更低了。

索尼的混合短波红外（SWIR）技术在2021年新冠疫情期间遭遇了延迟，但如今正大规模推向市场。许多机器视觉相机公司现在都能提供体积更小、分辨率更高且成本更低的短波红外相机，其感光范围可达400至1700nm。

在短波红外图像传感器领域的其他方面，安森美（onsemi）近期收购了短波红外视觉系统公司（SWIR Vision Systems），这是一家基于在硅读出晶圆上制造的胶体量子点（CQD）薄膜光电二极管来研发短波红外相机的公司。这些纳米级半导体材料使得基于胶体量子点的相机能够对400至1700nm范围进行成像，同时还可将成像范围扩展至2100nm。通过此次收购，安森美计划将其基于硅的互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器以及制造专长与胶体量子点技术相结合，以 “更低成本、更大产量提供高度集成的短波红外传感器”。

短波红外（SWIR）相机的价格一直在大幅下降，而有了这笔交易，成本很可能会进一步降低，这将使机器视觉领域的消费者能够以可承受的价格，在短波红外相机方面拥有更广泛的选择。事实上，这些技术进步以及进入短波红外成像领域的较低入门成本，已经在机器视觉领域引发了强烈反响。如今，短波红外成像已成为机器视觉市场中增长最快的细分领域之一。市场研究公司尤利集团（Yole Group）预测，由于技术不断进步、需求稳定以及成本不断缩减，短波红外成像将实现28% 的复合年增长率，其市场规模将从2022年的8900万美元增长至2028 年的3.95 亿美元。

突破成像障碍

索尼和安森美（onsemi）新型短波红外（SWIR）传感器技术的另一个新颖特点在于，这两种传感器如今都突破了 1 μm（1000 nm）成像界限，能提供从 400 nm到 1900 nm的典型可用响应范围。此前，传统的铟镓砷（InGaAs）短波红外传感器在可见光范围内没有响应，其可用范围大约在 1 μm（1000 nm）左右。同样地，基于硅的互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器在达到1微米处就失去响应了，这也导致了在机器视觉和成像领域出现了“1  μm界限” 这一说法。这些新型传感器能够在可见光和短波红外光谱范围内实现连续响应的能力，推动了机器视觉市场中多光谱成像应用的拓展。

图 2：短波红外相机有助于在饼干生产过程中检测出多余的水分。

多光谱成像正在推动多个新兴的成像及机器视觉应用，其中就包括农业应用。例如，这些相机可用于区分颜色相近的绿叶，以便将杂草从目标作物中分离出来，还能识别枝叶中的果实、从土壤中挑出石块或其他物体，或者判断水分含量。在其他领域，多光谱成像应用在废物回收方面也日益受到重视，利用相机可以从废弃物流中挑出特定类型的材料，比如高密度聚乙烯（HDPE），而在此类应用中，高光谱成像方案可能成本过高且数据量过大。

LED制造商的回应

即便在最新的传感器技术取得进展之前，短波红外（SWIR）系统在机器视觉领域对于那些需要对可见光波长范围之外进行成像的应用而言，就已被证明是相当有用的。例如在食品检测方面，短波红外相机能够识别出表皮之下受损或有瘀伤的水果，或者透过塑料包装对食品进行检测。在其他方面，短波红外相机在诸如检测不透明容器的灌装液位、识别包装中的水分、测量植物含水量、防伪、晶圆及太阳能电池生产等诸多应用中都很有用处。

对于在机器视觉技术方面经验丰富的系统集成商来说，就部署而言，短波红外系统与可见光成像系统本质上并无不同。如今，随着成本障碍不断降低，短波红外相机的需求和部署正迅速增加，因为这项技术为机器视觉工具箱提供了一种实用且新颖的工具。虽然短波红外技术的广泛应用是由图像传感器的发展所引领的，但照明公司也必须跟上步伐。

尽管各公司在推出适用于短波红外成像系统的镜头方面动作更快，但照明制造商的行动则较为迟缓，这主要是由于短波红外LED技术存在局限以及相应的高昂成本所致。如今随着技术的进步和需求的增加，LED 制造商正在适应市场的这一变化。此外，较新的短波红外LED每消耗一瓦功率能产生更多的光输出且产生更少的热量，同时还能提高其短波红外光输出的绝对强度。

虽然对于大多数照明制造商来说，短波红外LED 照明一直是定制或半定制的选项，但市场上已有几家公司提供短波红外波长的标准产品，而且可供选择的产品数量也有所增加。如今市场上的短波红外照明产品的波长范围从 1050 nm到 1550 nm不等，还有将不同波长集成在一个外壳内的多区域照明灯具。 

多光源控制器推动多光谱成像向前发展。

多光源控制器对于构建下一代多光谱机器视觉系统也是必不可少的。多光谱成像涉及在特定波长下拍摄多幅图像，以展现给定物体在该窄波段响应下的特性。检测应用可能很简单，比如软件分析单幅图像，并将其当作单色检测来处理。但更常见的情况是，通过加权滤波器将这一系列图像融合成一幅多光谱图像，或者将图像与参考图像进行加、减或差分运算来得到想要的结果。

为了简化对这些图像序列进行编程及采集的流程，一款新推出的照明控制器可在单个封装内提供可编程的序列控制以及四通道恒流LED驱动器。该控制器能够与匹配的多通道照明设备搭配使用，这些照明设备有线性、环形或穹顶形等多种形式，每种形式都提供四个通道中的三个。借助传输控制协议 / 网际协议（TCP/IP）接口，该控制器能让任何水平的用户都能直观地对任何类型的成像序列进行编程。

借助这些新技术，用户可以根据特定应用的需求，从 420 nm到 1650 nm的波长范围内选择相应波长，分别填充到每个可用通道中。这些进展，再加上最新的短波红外（SWIR）相机，意味着如今机器视觉用户能够以比以往更低的入门成本获得更多的多光谱成像技术。多光谱成像的未来确实一片光明，而且涵盖更多的波长范围。