Cahaya tampak hanyalah sebagian kecil dari spektrum elektromagnetik. Sinar gamma, sinar-X, ultraviolet, inframerah, gelombang mikro, dan gelombang radio masing-masing memiliki sifat unik dan tempatnya sendiri dalam spektrum. Pada artikel ini, kita akan fokus pada SWIR, atau inframerah gelombang pendek, yang merupakan salah satu komponen cahaya inframerah (IR). Panjang gelombang inframerah adalah yang di bawah merah; kata “infra” adalah bahasa Latin untuk “bawah.”
Sebagai manusia, kita mengalami cahaya inframerah yang sebagian besar tidak terlihat, tetapi kita dapat merasakannya sebagai panas. Spektrum IR dibagi menjadi wilayah yang berbeda, dan setiap wilayah memiliki aplikasi yang berbeda. Empat daerah yang sering direferensikan adalah inframerah dekat (NIR) dengan panjang gelombang 750 - 1.000 nm, inframerah gelombang pendek (SWIR) pada 1 - 3 m, inframerah gelombang menengah atau menengah (MWIR) pada 3 - 5 m dan panjang- gelombang inframerah (LWIR) clocking pada 8 - 15 m (Gambar 1).
Kecuali kenyataan bahwa Anda tidak dapat melihatnya dengan mata telanjang, SWIR seperti cahaya tampak di mana foton dipantulkan atau diserap oleh suatu objek. Ini tidak seperti cahaya inframerah gelombang menengah dan gelombang panjang, di mana panas dipancarkan dari objek itu sendiri. Pencitraan SWIR dapat menyoroti "cacat" dalam pemeriksaan yang tidak dapat dilakukan oleh pencitraan yang terlihat. Saat pencitraan di SWIR, uap air dan bahan tertentu menjadi lebih atau kurang reflektif, dan kurang lebih transmisif di SWIR vs terlihat. Misalnya, silikon menjadi transparan melebihi ~1 m, tetapi air sebenarnya menjadi lebih menyerap di SWIR – terutama di sekitar pita pada 1,45 m dan 1,8 hingga 2 m. Ini berarti warna yang tampak hampir identik dalam cahaya tampak dapat dengan mudah dibedakan di SWIR.
Kamera SWIR sering dibuat di sekitar detektor inframerah Indium Gallium Arsenide (InGaAs). Sensor InGaAs dapat dibuat sangat sensitif, dan sebagai hasilnya, kamera SWIR akan bekerja dalam kondisi kekurangan cahaya.
Untuk sebagian besar, sistem visi SWIR beroperasi dengan cara yang sama seperti sistem yang terlihat. Anda memiliki target, Anda memiliki sumber cahaya, dan detektor untuk menangkap gambar. Gambar muncul sebagai hitam dan putih. Jadi, apa perbedaan antara pencitraan dengan kamera monokrom dan pencitraan SWIR? Nah, cahaya SWIR tidak terlihat oleh mata manusia dan dapat mendeteksi dan menyorot fitur-fitur tertentu yang sulit atau sangat tidak mungkin untuk dibedakan dengan cahaya tampak dan kamera tampak. Misalnya:
SWIR dapat membantu membedakan antara objek yang sangat mirip warnanya dalam spektrum yang terlihat;
SWIR dapat membantu untuk melihat melalui objek tertentu, seperti silikon;
SWIR dapat membantu melihat objek dengan suhu yang sangat tinggi.
Orang cenderung menggunakan SWIR karena mereka dapat melihat bahan yang berbeda dengan lebih baik. Contoh yang sering digunakan adalah garam versus gula. Keduanya adalah kristal putih kecil jika dilihat dalam cahaya tampak, tetapi memiliki kualitas reflektif yang sangat berbeda di SWIR.
SWIR juga dapat digunakan untuk mencari kandungan air dalam bahan, yang dapat bermanfaat untuk aplikasi di bidang pertanian, inspeksi pangan, dan kehutanan. Objek apa pun yang mengandung air akan menyerap panjang gelombang SWIR di salah satu dari dua garis serapan – satu sekitar 1,45 mikron, satu lagi mendekati 1,8 mikron. Dengan pencitraan SWIR, ini meningkatkan visibilitas objek yang mengandung kelembapan.
Dengan SWIR, Anda dapat menghasilkan gambar dengan kontras yang lebih tinggi dalam kabut, kabut, hujan, kabut, dan kondisi atmosfer menantang lainnya karena hamburan yang lebih sedikit saat Anda bergerak lebih jauh ke inframerah. Namun, efektivitas optimal untuk SWIR adalah dalam kabut yang sangat ringan atau kabut yang sangat ringan; dengan kabut tebal atau kabut, Anda dapat lebih mengandalkan tanda panas dari kamera termal. SWIR juga dapat mendeteksi panas, tetapi pada suhu lebih dari 300 derajat Celcius. Jadi, ini berguna untuk mencari cacat pada kaca cair dan logam cair sebelum didinginkan.
Teledyne Imaging menawarkan kamera pemindaian area dan garis, dan pada bulan Juni 2020, memperkenalkan kamera pemindaian garis SWIR pertamanya. Sebagai penyegar, kamera pemindai garis memindai objek baris demi baris saat bergerak di atas ban berjalan atau melalui gerakan terkontrol lainnya, seperti mengambil gambar saat terbang di atas objek yang tidak bergerak. Ini berbeda dengan aplikasi area, atau aplikasi "menatap" tempat Anda mengambil gambar objek.
Dimungkinkan untuk membuat aplikasi apa pun menjadi aplikasi pemindaian garis jika Anda ingin memindahkan kamera atau memindahkan adegan. Contoh yang baik adalah inspeksi apel. Anda dapat mengambil gambar seluruh apel dan memproses seluruh gambar tersebut, atau lebih efektif lagi, Anda dapat memposisikan apel di atas ban berjalan menggunakan kamera pemindai garis dan memproses data baris demi baris yang biasanya menghasilkan resolusi dan efisiensi pemrosesan yang lebih tinggi dengan biaya lebih rendah.
Aplikasi SWIR sangat beragam mulai dari penyortiran dan daur ulang makanan hingga inspeksi panel surya, pertanian, kehutanan, dan pengawasan. Manfaat pencitraan SWIR terbukti. Kami akan melihat beberapa aplikasi ini dan mendiskusikan bagaimana SWIR menghadirkan kemampuan unik untuk mempermudah tugas ini.
Dengan pencitraan SWIR, kita dapat meningkatkan hasil, mengurangi limbah, dan meningkatkan kualitas makanan. Pencitraan SWIR paling baik digunakan untuk aplikasi penyortiran makanan bernilai tinggi. Sebagai contoh, SWIR biasanya tidak digunakan untuk komoditas tanaman seperti beras, tetapi untuk produk bernilai lebih tinggi. SWIR lebih cocok untuk menyortir daun teh setelah dipanen dan disangrai. Karena daun teh berwarna hitam setelah dipanggang, sulit untuk melihat kontaminan yang mungkin tercampur dengan daun teh. Dengan SWIR, proses pemeriksaan kualitas dapat secara efektif mengidentifikasi batang, batu kecil, atau kotoran lainnya dan menghilangkannya dari produk jadi.
Cara lain yang dapat kita gunakan SWIR adalah dalam mendeteksi kadar air dalam penyortiran makanan, di mana kelembaban dapat menunjukkan pembusukan atau produk yang rusak. Misalnya, kadar air dalam buah menunjukkan memar. Memar akan terlihat di SWIR sebelum manusia dapat mendeteksinya.
SWIR juga dapat membantu membedakan produk yang memiliki kesamaan warna (Gambar 2). Dalam contoh ini ada kayu manis, biji kopi, batu, dan kismis. Di sebelah kanan Anda memiliki gambar berwarna di mana beberapa item tersebut terlihat sangat mirip dan, di sebelah kiri, Anda sekarang dapat membedakannya dengan lebih jelas dengan SWIR.
Aplikasi daur ulang menggunakan teknik penyortiran yang serupa untuk memisahkan berbagai jenis bahan. Dalam penyortiran plastik, sistem multispektral SWIR digunakan menjelang akhir proses penyortiran karena sangat sensitif. Mereka biasanya dijalankan dua kali atau lebih untuk mencapai kemurnian hingga 99% dari bahan plastik daur ulang.
Karena SWIR dapat melihat menembus silikon, aplikasi lain untuk pencitra SWIR adalah inspeksi panel surya (Gambar 3). Dengan dorongan global menuju sumber energi yang lebih berkelanjutan, panel surya telah mengalami peningkatan adopsi yang signifikan. Pabrikan perlu memastikan panel mereka bebas dari cacat, retak, atau bekas gergaji di sisi berlawanan dari wafer. Selain itu, SWIR dapat digunakan untuk mengidentifikasi titik mati atau area lemah pada sel surya dan membantu membuktikan kemanjuran sel. Secara keseluruhan, Anda mendapatkan produk dengan kualitas yang jauh lebih tinggi ketika SWIR digunakan untuk pemeriksaan kualitas. Banyak dari teknik yang sama ini dapat digunakan dalam inspeksi semikonduktor.
Banyak pencitraan udara dengan SWIR terkait dengan aplikasi pertanian atau kehutanan. Di bidang pertanian, petani perlu mengelola dan menanggapi sejumlah tantangan yang tampaknya tak ada habisnya untuk memastikan kualitas tinggi dan hasil tinggi. Cuaca, spesies invasif, dan penyakit dapat mendatangkan malapetaka pada tanaman. Seorang petani akan melihat hasilnya saat tanaman mulai menguning dan layu, tetapi pada saat itu seringkali sudah terlambat untuk melakukan apa pun untuk menyelamatkan tanaman. Dengan pencitraan SWIR, para ilmuwan dapat secara tepat memantau penyerapan air dari akar ke daun dan membuat keputusan tentang cara merawat tanaman tersebut.
Data yang dikumpulkan dari citra juga dapat memberi petani dan rimbawan wawasan yang mereka butuhkan untuk membuat keputusan terkait irigasi atau pupuk tambahan, membantu mereka mengelola biaya.
Militer mengandalkan SWIR untuk intelijen, pengawasan, dan pengintaian (ISR). Militer AS menggunakan SWIR untuk pencitraan cahaya rendah, pengenalan target, dan pengintaian udara. Salah satu cara untuk menerapkan pengintaian udara secara efektif adalah dengan waktu tunda dan integrasi (TDI); teknologi penjumlahan untuk pengambilan pemindaian garis di mana kamera dipasang di bawah pesawat dan diterbangkan di atas area untuk memetakannya. Karena persediaan foton terbatas, penjumlahan beberapa baris memberikan gambaran yang jelas dan lengkap.
Meskipun SWIR memiliki banyak keunggulan, biaya sistem SWIR masih relatif tinggi. Karena teknologi diadopsi lebih luas dan penelitian dan pengembangan dilanjutkan, diharapkan biaya akan berkurang.
Beberapa perusahaan sedang mencari alternatif untuk sensor InGaAs untuk pencitraan SWIR. Quantum dot adalah salah satu teknologi berbiaya lebih rendah, tetapi biayanya tidak serendah yang diharapkan. Kelemahan terbesar dari teknologi quantum dot adalah efisiensi kuantumnya rendah. Jadi, kepekaannya terhadap cahaya setidaknya empat faktor lebih rendah dari InGaAs. Ini berarti di mana pun foton berada pada harga premium dan pelanggan mampu membelinya, InGaAs masih merupakan jalan yang harus ditempuh. Dari sudut pandang kami, untuk memanfaatkan teknologi quantum dot, pelanggan harus rela melepaskan sensitivitasnya dengan imbalan biaya yang lebih rendah. Mereka perlu menambahkan lebih banyak penerangan, yang berarti biaya tambahan. Sampai saat ini, ada beberapa aplikasi yang akan mendapat manfaat dari tradeoff ini.
Sony juga merilis detektor SWIR CMOS InGaAs pertama mereka. Meskipun berdasarkan InGaAs, mereka mengambil InGaAs dan mengawinkannya dengan rangkaian pembacaan CMOS, piksel demi piksel, dengan mengganti logam indium dengan tembaga. Jadi, ini lebih dari apa yang Anda sebut jenis proses semikonduktor, di mana mereka mengambil wafer sirkuit CMOS. Mereka menempatkan chip InGaAs di atas dan mereka benar-benar menggabungkan InGaAs dan silikon melalui lapisan tembaga ini. Hal ini juga memungkinkan piksel yang lebih kecil daripada yang dapat dicapai dengan bonding bump indium, yang pada akhirnya juga dapat mengurangi biaya untuk resolusi tertentu.
Penerangan SWIR mahal – mengurangi ukuran piksel dapat mengurangi biaya sensor, tetapi hanya jika biaya peningkatan iluminasi untuk dapat melihat sesuatu tidak bertambah lebih cepat. Ini adalah argumen yang mirip dengan mengapa quantum dot mungkin hemat biaya tetapi berdasarkan ukuran piksel dan bukan pada QE. Tujuannya adalah untuk mengurangi biaya karena prosesnya lebih dekat dengan proses tingkat wafer. Ini adalah perangkat area, bukan pemindaian garis, dan pikselnya sangat kecil, sekitar 5 m piksel dibandingkan dengan kamera pemindai garis Teledyne DALSA Linea SWIR GigE yang tersedia sebagai kamera resolusi 1k dengan piksel 12,5 m.
Teknologi SWIR yang menurut sebagian besar orang tampaknya paling menjanjikan dalam hal mempertahankan kinerja InGaAs tetapi mengurangi biaya adalah superlattice lapisan tegang. Ini adalah detektor level multi-kuantum dan Anda menumbuhkan semikonduktor yang berbeda bersama-sama di lapisan yang berbeda dan merekayasa celah pita untuk memberi Anda sensitivitas yang sesuai dengan foton di SWIR – ini mungkin tiga hingga lima tahun lagi.
Kesimpulannya, teknologi pencitraan SWIR memiliki banyak manfaat, dan dapat bekerja di area yang tidak dapat dilakukan oleh pencitraan lain. SWIR dapat membantu membedakan antara objek yang sangat mirip dalam warna, dapat membantu untuk mengungkapkan sifat atau cacat melalui objek tertentu, dan dapat membantu untuk membedakan antara objek pada suhu yang sangat tinggi. Meskipun SWIR bisa mahal untuk diterapkan, beberapa aplikasi yang diuraikan di sini sangat diuntungkan dari penggunaannya. Seiring perkembangan masa depan, kami mengantisipasi penggunaan pencitraan SWIR yang lebih besar lagi dengan efektivitas biaya yang lebih tinggi.
Artikel ini ditulis oleh Mike Grodzki, Manajer Produk, Teledyne DALSA (Waterloo, Kanada). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Mr. Grodzki di teledyne.com, atau kunjungi di sini .
Sensor
Gambar:Printer 3D M2 Carbon [ Sumber:Karbon] Paragon Rapid Technologies, spesialis pencetakan 3D dan pelanggan AMFG, telah mengumumkan kemitraannya dengan produsen pencetakan 3D Carbon, untuk menghadirkan Digital Light Synthesis (DLS) milik perusahaan teknologi ke pasar Inggris. Kemitraan in
Foto chip GaP-on-insulator dengan perangkat terintegrasi yang diukur dengan serat optik. Cahaya hijau adalah cahaya harmonik ketiga yang dihasilkan saat memompa salah satu resonator cincin dengan laser. Dalam makalah “Integrated gallium phosphide nonlinier photonics”, baru-baru ini diterbitkan dala
Dilaporkan pada bulan Desember bahwa, untuk membantu produsen komponen termoplastik memanfaatkan peningkatan permintaan untuk produk mereka —terutama dengan pergeseran ke e-mobilitas dan ekonomi sirkular— Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Jerman) telah meningkatkan aplikasi dan fleksibilitas komponen da
Bayangkan sebuah kamera yang dirancang untuk menangkap gambar dengan resolusi satu foton pada 24.000 frame per detik. Berkat rana elektronik yang dapat tetap terbuka hanya selama 3,8 ns dan yang dapat disinkronkan dengan pulsa laser cepat dengan durasi hanya beberapa picodetik, seseorang dapat benar
