Imaging a 900–1700 nm per silicio, plastiche scure e discriminazione dell’umidità
- Lunghezze d’onda LED SWIR discrete a 1050, 1200, 1300, 1450 e 1550 nm, corrispondenti a specifiche bande di assorbimento dei materiali.
- La trasparenza del silicio sopra i 1100 nm consente l’ispezione interna di wafer e semiconduttori incapsulati.
- L’assorbimento dell’acqua a 1450 nm consente la misura dell’umidità in prodotti alimentari, farmaceutici e agricoli.
- La trasmissione attraverso plastiche scure e confezioni opache rivela difetti nascosti, invisibili nel visibile o nel NIR.
- Sensori InGaAs necessari: in genere costano un ordine di grandezza in più rispetto ai sensori al silicio.
- Obiettivi corretti per SWIR (900–1700 nm) necessari per un imaging ad alte prestazioni; il vetro standard presenta aberrazione cromatica.
L’illuminazione a infrarosso a onde corte (SWIR) estende la visione artificiale all’intervallo spettrale compreso all’incirca tra 900 nm e 1700 nm, aprendo possibilità di ispezione impossibili alle lunghezze d’onda del visibile e del vicino infrarosso. La radiazione SWIR attraversa il silicio, le plastiche scure e alcuni materiali di confezionamento, consentendo l’ispezione di caratteristiche interne che altrimenti richiederebbero prove distruttive o radiografie a raggi X. La combinazione di illuminazione SWIR e sensori InGaAs ha trasformato il controllo qualità nella produzione di semiconduttori, nell’assemblaggio elettronico, in agricoltura, nella selezione alimentare e nell’ispezione farmaceutica.
Principio di funzionamento dell’illuminazione SWIR
L’illuminazione SWIR è prodotta da LED specializzati o da lampade alogene con filtraggio selettivo. Le sorgenti SWIR a LED sono disponibili a lunghezze d’onda discrete nelle bande 1050, 1200, 1300, 1450 e 1550 nm, ciascuna scelta per specifiche interazioni con i materiali. L’illuminazione SWIR alogena fornisce un’emissione a banda larga sull’intero intervallo SWIR, ma è meno efficiente e meno adatta al funzionamento impulsato.
La caratteristica principale dell’illuminazione SWIR è la capacità di trasmettersi attraverso materiali opachi alle lunghezze d’onda del visibile e del vicino infrarosso. Il silicio, ad esempio, diventa trasparente oltre il proprio limite di assorbimento di banda proibita, a circa 1100 nm, consentendo l’ispezione SWIR delle caratteristiche interne di wafer di silicio e dispositivi a semiconduttore incapsulati. Molte plastiche scure che assorbono fortemente la luce visibile trasmettono una frazione consistente dell’illuminazione SWIR, consentendo l’ispezione di componenti nascosti e la verifica dell’integrità di assemblaggio attraverso involucri neri.
Interazioni con i materiali nell’intervallo SWIR
L’acqua assorbe fortemente a 1450 nm, il che rende questa lunghezza d’onda utile per la misura del contenuto di umidità in prodotti alimentari, farmaceutici e agricoli. Molti idrocarburi assorbono tra 1200 e 1300 nm, offrendo un contrasto selettivo su plastiche, oli e contaminanti organici. I materiali inorganici come vetro e ceramica sono generalmente trasparenti sull’intero intervallo SWIR, mentre i metalli riflettono con elevata efficienza, in modo analogo al loro comportamento nel visibile.
Applicazioni industriali tipiche
L’illuminazione SWIR è essenziale per l’ispezione di wafer di silicio, celle fotovoltaiche e dispositivi a semiconduttore, dove difetti interni, contaminazioni e anomalie strutturali devono essere rilevati attraverso il substrato di silicio; per il controllo qualità di prodotti in plastica nera o scura dove l’imaging nel visibile è impossibile; per la misura del contenuto di umidità in prodotti alimentari, farmaceutici e agricoli; per la selezione delle plastiche riciclate in base al tipo di polimero; per l’ispezione di prodotti confezionati attraverso confezioni opache; per il controllo qualità di assemblaggi multistrato in cui gli strati interni devono essere verificati senza smontaggio; e per qualsiasi applicazione che richieda trasparenza attraverso materiali opachi nel visibile. Le geometrie specifiche per SWIR vengono progettate all’interno della gamma di illuminatori LED personalizzati.
Criteri di selezione e considerazioni progettuali
La scelta della lunghezza d’onda dipende dal materiale da ispezionare. La trasmissione attraverso il silicio richiede lunghezze d’onda superiori a 1100 nm, con 1300 nm come scelta standard per una buona trasmissione e un’adeguata sensibilità del sensore. La misura dell’umidità richiede la banda di assorbimento dell’acqua a 1450 nm. La discriminazione delle plastiche utilizza più lunghezze d’onda nell’intervallo da 1200 a 1700 nm. La caratterizzazione spettrofotometrica del materiale da ispezionare è essenziale prima di selezionare la lunghezza d’onda di ispezione.
Il sensore deve essere adeguato all’illuminazione SWIR. I sensori al silicio standard perdono ogni sensibilità oltre i 1100 nm. L’imaging SWIR richiede sensori InGaAs, sensibili all’incirca da 900 a 1700 nm ma con un costo superiore di un ordine di grandezza rispetto ai sensori al silicio equivalenti. Il costo del sensore è spesso la componente dominante di un sistema di ispezione SWIR e va considerato già in fase di pianificazione del progetto.
Componenti ottici per SWIR
Gli obiettivi in vetro standard assorbono in modo significativo oltre i 1700 nm circa e possono presentare aberrazione cromatica nell’intervallo SWIR. Per un imaging ad alte prestazioni sono necessari obiettivi corretti per SWIR, progettati per la banda 900-1700 nm. Anche beamsplitter, polarizzatori, filtri e altri componenti ottici devono essere specificati come compatibili SWIR, per evitare assorbimenti o aberrazioni imprevisti.
Integrazione e limiti
I sistemi di ispezione SWIR sono più costosi e più complessi dei sistemi nel visibile o nel NIR, principalmente a causa del costo dei sensori InGaAs e delle ottiche specifiche per SWIR. La scelta dello SWIR è giustificata solo quando il compito di ispezione richiede la penetrazione attraverso materiali opachi nel visibile, la sensibilità all’assorbimento dell’acqua o una discriminazione chimico-fisica non realizzabile a lunghezze d’onda inferiori.
L’altro limite è la risoluzione ridotta dei sensori InGaAs tipici rispetto ai sensori al silicio di costo equivalente. Le telecamere SWIR sono disponibili con risoluzioni VGA e SXGA, adeguate per molte applicazioni industriali ma potenzialmente insufficienti per caratteristiche molto piccole o campi di vista ampi. Per le applicazioni in cui si desidera la penetrazione SWIR ma è richiesta anche una risoluzione molto elevata, i sistemi ibridi che combinano imaging SWIR e imaging ad alta risoluzione nel visibile offrono un compromesso pratico.
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RODER Vision progetta illuminatori LED SWIR specifici per applicazione nell’intervallo 900–1700 nm, per l’ispezione industriale con visione artificiale che richiede la trasmissione attraverso silicio, plastiche scure e confezioni opache, oppure la discriminazione selettiva dei materiali basata sull’assorbimento.
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