Menguasai Citra Garis SWIR: Teknik & Aplikasi Canggih

Cahaya terlihat hanya bagian kecil dari spektrum elektromagnetik. Sinar gamma, X-ray, ultraviolet, inframerah, gelombang mikro, dan gelombang radio masing-masing memiliki properti unik dan tempatnya sendiri dalam spektrum. Dalam artikel ini, kita akan fokus pada SWIR, atau short-wave infrared, yang merupakan satu komponen dari cahaya inframerah (IR). Panjang gelombang inframerah adalah di bawah merah; kata “infra” adalah Latin untuk “di bawah.”

Definisi Citra SWIR

Sebagai manusia, kita merasakan cahaya inframerah sebagai sebagian besar tidak terlihat, tetapi kita dapat merasakannya sebagai panas. Spektrum IR dibagi menjadi berbagai wilayah, dan setiap wilayah memiliki aplikasi yang berbeda. Empat wilayah yang sering dirujuk adalah near infrared (NIR) dengan panjang gelombang 750 - 1,000 nm, short-wave infrared (SWIR) pada 1 - 3 μm, medium- atau mid-wave infrared (MWIR) pada 3 - 5 μm dan long-wave infrared (LWIR) pada 8 - 15 μm (Gambar 1).

Kecuali fakta bahwa Anda tidak dapat melihatnya dengan mata telanjang, SWIR mirip dengan cahaya terlihat karena foton direfleksikan atau diserap oleh objek. Ini berbeda dengan cahaya inframerah mid-wave dan long-wave, di mana panas dipancarkan dari objek itu sendiri. Citra SWIR dapat menyoroti “cacat” dalam inspeksi yang tidak dapat dilihat oleh citra terlihat. Saat citra dalam SWIR, uap air dan bahan tertentu menjadi lebih atau kurang refleksif, dan lebih atau kurang transmisif dalam SWIR dibandingkan terlihat. Misalnya, silikon menjadi transparan di luar ~1 μm, tetapi air sebenarnya menjadi lebih absorptif dalam SWIR – terutama di sekitar pita 1.45 μm dan 1.8 hingga 2 μm. Ini berarti warna yang tampak hampir identik dalam cahaya terlihat dapat dengan mudah dibedakan dalam SWIR.

Bagaimana Sistem Visi SWIR Bekerja?

Kamera SWIR sering dibangun di sekitar detektor inframerah Indium Gallium Arsenide (InGaAs). Sensor InGaAs dapat dibuat sangat sensitif, dan sebagai akibatnya, kamera SWIR akan bekerja dalam kondisi cahaya terbatas.

Sebagian besar, sistem visi SWIR bekerja dengan cara yang sama seperti sistem terlihat. Anda memiliki sasaran, Anda memiliki sumber cahaya, dan detektor untuk menangkap citra. Citra muncul sebagai hitam dan putih. Jadi, apa perbedaan antara citra dengan kamera monokrom dan citra SWIR? Nah, cahaya SWIR tidak terlihat oleh mata manusia dan dapat mendeteksi serta menyoroti fitur tertentu yang sulit atau sangat tidak dapat dibedakan dengan cahaya terlihat dan kamera terlihat. Misalnya:

• SWIR dapat membantu membedakan objek yang sangat mirip warna dalam spektrum terlihat;

• SWIR dapat membantu melihat melalui objek tertentu, seperti silikon;

• SWIR dapat membantu melihat objek dengan suhu sangat tinggi.

Apa yang Dapat Dilakukan oleh Citra SWIR?

Orang cenderung menggunakan SWIR karena mereka dapat melihat berbagai bahan dengan lebih baik. Contoh yang sering digunakan adalah garam versus gula. Keduanya adalah kristal putih kecil ketika dilihat dalam cahaya terlihat, tetapi mereka memiliki kualitas refleksi yang sangat berbeda dalam SWIR.

SWIR juga dapat digunakan untuk mencari kandungan air dalam bahan, yang dapat bermanfaat untuk aplikasi dalam pertanian, inspeksi pangan, dan kehutanan. Setiap objek yang mengandung air akan menyerap panjang gelombang SWIR pada salah satu dua garis absorpsi – satu sekitar 1,45 mikron, yang lain mendekati 1,8 mikron. Dengan citra SWIR, ini meningkatkan visibilitas objek yang mengandung kelembaban.

Dengan SWIR, Anda dapat menghasilkan citra kontras lebih tinggi di kabut, kabut, hujan, kabut tebal, dan kondisi atmosfer tantangan lainnya karena kurang pencahayaan saat Anda bergerak lebih jauh ke inframerah. Namun, efektivitas optimal untuk SWIR adalah di kabut ringan atau kabut ringan; dengan kabut tebal atau kabut tebal, Anda dapat bergantung lebih pada tanda panas dari kamera termal. SWIR juga dapat mendeteksi panas, tetapi pada suhu lebih dari 300 derajat Celsius. Jadi, ini berguna untuk mencari cacat dalam kaca cair dan logam cair sebelum mendingin.

Line Scan vs Aplikasi Area

Teledyne Imaging menawarkan kamera area dan line scan, dan pada Juni 2020, memperkenalkan kamera line scan SWIR pertamanya. Untuk pengingat, kamera line scan memindai objek baris demi baris saat bergerak pada konveyor atau melalui gerakan terkontrol lainnya, seperti mengambil citra saat terbang di atas objek stasioner. Ini berbeda dari aplikasi area, atau aplikasi “menatap” di mana Anda menangkap citra objek.

Mungkin untuk membuat setiap aplikasi menjadi aplikasi line scan jika Anda bersedia memindahkan kamera atau memindahkan scene. Contoh yang baik adalah inspeksi apel. Anda dapat mengambil citra seluruh apel dan memproses seluruh citra itu, atau lebih efektif, Anda dapat menempatkan apel pada konveyor yang lewat kamera line scan dan memproses data baris demi baris yang biasanya menghasilkan resolusi dan efisiensi pemrosesan yang lebih tinggi dengan biaya lebih rendah.

Di Mana SWIR Unggul

Aplikasi SWIR bervariasi secara luas dari pengurutan makanan dan daur ulang hingga inspeksi panel surya, pertanian, kehutanan, dan pengawasan. Manfaat citra SWIR jelas. Kita akan melihat beberapa aplikasi ini dan membahas bagaimana SWIR membawa kemampuan unik untuk membuat tugas-tugas ini lebih mudah.

Pengurutan Makanan

Dengan citra SWIR, kita dapat meningkatkan hasil, mengurangi limbah, dan meningkatkan kualitas makanan. Citra SWIR paling baik digunakan untuk aplikasi pengurutan makanan bernilai tinggi. Sebagai contoh, SWIR biasanya tidak akan digunakan untuk komoditas tanaman seperti padi, tetapi untuk produk bernilai lebih tinggi. SWIR lebih cocok untuk mengurutkan daun teh setelah dipanen dan dipanggang. Karena daun teh hitam setelah dipanggang, sulit untuk melihat kontaminan yang mungkin tercampur dengan daun teh. Dengan SWIR, proses inspeksi kualitas dapat secara efektif mengidentifikasi batang, batu kecil, atau puing lainnya dan menghapusnya dari produk akhir.

Cara lain kita dapat menggunakan SWIR adalah dalam deteksi kandungan kelembaban dalam pengurutan makanan, di mana kelembaban dapat menunjukkan kerusakan atau hasil produksi yang rusak. Misalnya, kandungan kelembaban dalam buah menunjukkan luka lumer. Luka lumer akan terlihat dalam SWIR sebelum manusia dapat mendeteksinya.

SWIR juga dapat membantu membedakan produk yang mirip warna (Gambar 2). Dalam contoh ini ada kayu manis, biji kopi, batu, dan kismis. Di kanan Anda memiliki citra warna di mana beberapa item tersebut terlihat sangat mirip dan, di kiri, Anda sekarang dapat lebih jelas membedakannya dengan SWIR.

Aplikasi daur ulang menggunakan teknik pengurutan yang sama untuk memisahkan berbagai jenis bahan. Dalam pengurutan plastik, sistem multispektral SWIR digunakan di akhir proses pengurutan karena mereka sangat sensitif. Biasanya dijalankan dua kali atau lebih untuk mencapai hingga 99% keutuhan plastik daur ulang.

Inspeksi Panel Surya

Karena SWIR dapat melihat melalui silikon, aplikasi lain untuk citra SWIR adalah inspeksi panel surya (Gambar 3). Dengan dorongan global menuju sumber energi yang lebih berkelanjutan, panel surya telah melihat peningkatan signifikan dalam adopsi. Produsen perlu memastikan panel mereka bebas dari cacat, retakan, atau tanda gerinda di sisi seberang wafer. Selain itu, SWIR dapat digunakan untuk mengidentifikasi titik mati atau area lemah pada sel surya dan membantu membuktikan efektivitas sel. Secara keseluruhan, Anda akhirnya mendapatkan produk yang jauh lebih berkualitas ketika SWIR digunakan untuk inspeksi kualitas. Banyak teknik yang sama dapat digunakan dalam inspeksi semikonduktor.

Pertanian dan Kehutanan

Banyak citra udara dengan SWIR terkait dengan aplikasi pertanian atau kehutanan. Dalam pertanian, petani perlu mengelola dan merespons sejumlah tantangan yang tampak tak berujung untuk memastikan kualitas dan hasil yang tinggi. Cuaca, spesies invasif, dan penyakit dapat menyebabkan kerusakan pada tanaman. Petani akan melihat hasilnya saat tanaman mulai menguning dan layu, tetapi pada saat itu biasanya terlambat untuk melakukan sesuatu untuk menyelamatkan tanaman. Dengan citra SWIR, ilmuwan dapat memantau dengan presisi penyerapan air dari akar ke daun dan membuat keputusan tentang cara merawat tanaman tersebut.

Data yang dikumpulkan dari citra juga dapat memberikan petani dan pengusaha kehutanan wawasan yang mereka butuhkan untuk membuat keputusan terkait irigasi tambahan atau pupuk, membantu mereka mengelola biaya.

Intelijen Militer, Pengawasan, dan Rekognisi

Militer mengandalkan SWIR untuk intelijen, pengawasan, dan rekognisi (ISR). Militer AS menggunakan SWIR untuk citra cahaya rendah, pengenalan target, dan rekognisi udara. Salah satu cara untuk efektif menerapkan rekognisi udara adalah dengan time delay and integration (TDI); teknologi penjumlahan untuk pengambilan citra garis di mana kamera dipasang di bawah pesawat dan terbang di atas area untuk memetanya. Karena foton terbatas, penjumlahan beberapa baris memberikan gambar yang jelas dan lengkap.

Opsi SWIR dan Masa Depan SWIR

Meskipun SWIR memiliki banyak keuntungan, biaya sistem SWIR masih relatif tinggi. Seiring teknologi ini diadopsi lebih luas dan penelitian serta pengembangan dilanjutkan, diharapkan biaya akan menurun.

Beberapa perusahaan sedang mencari alternatif untuk sensor InGaAs untuk citra SWIR. Titik kuantum adalah satu teknologi yang lebih murah, tetapi biaya tidak seendapan yang diantisipasi. Kelemahan terbesar dari teknologi titik kuantum adalah bahwa efisiensi kuantumnya rendah. Jadi, sensitivitasnya terhadap cahaya setidaknya empat kali lebih rendah dari InGaAs. Ini berarti di setiap tempat di mana foton berharga tinggi dan pelanggan mampu membayar, InGaAs masih adalah pilihan yang tepat. Dari sudut pandang kami, untuk memanfaatkan teknologi titik kuantum, pelanggan harus bersedia menyerahkan sensitivitas imbal biaya yang lebih rendah. Mereka perlu menambahkan iluminasi yang jauh lebih banyak, yang akan berarti biaya tambahan. Sampai saat ini, ada sedikit aplikasi yang akan mendapatkan manfaat dari perdagangan ini.

Sony juga merilis detektor SWIR CMOS InGaAs pertamanya. Meskipun didasarkan pada InGaAs, mereka mengambil InGaAs dan mematukannya dengan sirkuit baca CMOS, piksel demi piksel, dengan mengganti logam indium dengan tembaga. Jadi, ini lebih seperti proses semikonduktor, di mana mereka mengambil wafer sirkuit CMOS. Mereka meletakkan chip InGaAs di atas dan sebenarnya memadukan InGaAs dan silikon melalui lapisan tembaga ini. Ini juga memungkinkan piksel yang lebih kecil daripada yang dapat dicapai dengan indium bump bonding, yang pada akhirnya juga dapat tentang mengurangi biaya untuk resolusi tertentu.

Iluminasi SWIR mahal – mengurangi ukuran piksel dapat mengurangi biaya sensor, namun hanya jika biaya iluminasi yang ditingkatkan untuk dapat melihat sesuatu tidak tumbuh lebih cepat. Ini adalah argumen yang sama dengan mengapa titik kuantum mungkin hemat biaya berdasarkan ukuran piksel daripada pada QE. Tujuan untuk melakukan itu adalah untuk mengurangi biaya karena prosesnya lebih dekat ke proses tingkat wafer. Ini adalah perangkat area, bukan line scan, dan pikselnya sangat kecil, sekitar 5 μm piksel dibandingkan kamera line scan SWIR GigE Teledyne DALSA Linea yang tersedia sebagai kamera resolusi 1k dengan piksel 12.5 μm.

Teknologi SWIR yang sebagian besar orang merasa paling menjanjikan dalam hal mempertahankan kinerja InGaAs tetapi mengurangi biaya adalah strained layer superlattice. Ini adalah detektor multi-level kuantum dan Anda menanamkan berbagai semikonduktor bersama dalam lapisan yang berbeda dan merancang band gap untuk memberikan sensitivitas yang sesuai dengan foton dalam SWIR – ini mungkin tiga hingga lima tahun lagi.

Simpulan, teknologi citra SWIR memiliki banyak manfaat, dan dapat melakukan di area di mana citra lain tidak dapat. SWIR dapat membantu membedakan objek yang sangat mirip warna, ia dapat membantu mengungkap properti atau cacat melalui objek tertentu, dan ia dapat membantu membedakan objek pada suhu sangat tinggi. Meskipun SWIR dapat mahal untuk diimplementasikan, beberapa aplikasi yang diuraikan di sini sangat mendapat manfaat dari penggunaannya. Seiring perkembangan masa depan, kami mengantisipasi penggunaan yang lebih besar dari citra SWIR dengan efisiensi biaya yang lebih besar.

Artikel ini ditulis oleh Mike Grodzki, Product Manager, Teledyne DALSA (Waterloo, Kanada). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Tn. Grodzki di teledyne.com, atau kunjungi di sini .