Camere SWIR ad alta risoluzione ed alte prestazioni Serie ARTCAM di ARTRAY
La luce in banda SWIR (Short-Wave Infrared) è sempre più utilizzata in applicazioni di ispezione, misura e monitoraggio che mirano a rendere visibile il mondo invisibile.
Il range SWIR consente l'osservazione dettagliata di strutture interne e proprietà dei materiali non possibile attraverso la luce visibile. Di conseguenza, è ampiamente utilizzato in applicazioni industriali come l'ispezione dei semiconduttori, il controllo di qualità dei prodotti agricoli e l'imaging medico.
Il nostro partner scientifico ARTRAY Co., Ltd. ha recentemente lanciato sul mercato le nuove camere SWIR Serie ARTCAM-992SWIR e Serie ARTCAM-993SWIR, disponibili anche in versione con sistema di raffreddamento termoelettrico (-TEC), basate sui sensori di immagine InGaAs per applicazioni industriali con la più alta risoluzione1 sul mercato IMX992 e IMX993 della Sony (Sony Semiconductor Solutions Corporation, SSS).
Il sensore IMX992 ha una risoluzione di 5.32 Mpixels mentre l'IMX993 di 3.21 Mpixels, entrambi con pixels di dimensione 3.45 µm. Questo formato è ampiamente utilizzato per i sensori con global shutter e compatibili con il formato C-mount, ma questi rappresentano i primi sensori di immagine SWIR per uso industriale a raggiungere specifiche simili. L'imaging ad alta risoluzione consente di catturare chiaramente anche oggetti molto piccoli o a grande distanza migliorando notevolmente la precisione dei processi di ispezione, misura e monitoraggio remoto nel range infrarosso a onde corte.
Questi sensori di immagine si avvalgono della tecnologia SenSWIR proprietaria di Sony per limitare la dimensione dei pixel a soli 3.45 μm, il più piccolo sul mercato1. La struttura dei pixel è stata ottimizzata per garantire una raccolta efficiente della luce e quindi risultati in alta definizione dalla banda visibile fino a quella infrarossa a onde corte invisibile in un ampio range di lunghezze d’onda da 0.4 a 1.7 μm.
SenSWIR è una tecnologia implementata da Sony nei sensori di immagini SWIR ad alta sensibilità e larga banda spettrale mediante la combinazione di fotodiodi semiconduttori InGaAs e circuiti di readout al silicio tramite collegamenti Cu-Cu (rame-rame).
La produzione di sensori SWIR con pixel più piccoli rispetto agli attuali sensori di immagine CMOS industriali ha richiesto la riduzione dello spessore della saldatura a bump (bump bonding) convenzionale, necessaria per il collegamento dello strato del fotodiodo in indio-gallio-arseniuro (InGaAs) con lo strato in silicio del circuito di lettura. Con la tecnologia avanzata SenSWIR, l’interfaccia Cu-Cu (Cu-Cu bonding) consente interconnessioni più dense e permette la produzione di sensori con pixel più piccoli e pixel pitch ridotto.
Figura 1. Lo strato superiore di indio-fosforo (InP) assorbe inevitabilmente parte della luce visibile ma, l'applicazione della tecnologia dei sensori SWIR di Sony, rende questo strato più sottile in modo che una maggiore quantità di luce possa raggiungere lo strato InGaAs sottostante. I sensori presentano un'elevata efficienza quantica anche nelle lunghezze d'onda visibili permettendo l’imaging in un ampio range spettrale da 400 a 1700 nm. Una singola telecamera ARTRAY ARTCAM dotata di sensore Sony può ora lavorare contemporaneamente sia nello spettro VIS che in quello SWIR, cosa che in precedenza richiedeva l’impiego di telecamere separate.
Ciò si traduce in costi di sistema inferiori ed un’elaborazione delle immagini più rapida.
Le nuove camere SWIR Serie ARTCAM restituiscono immagini di qualità superiore rispetto ai sensori tradizionali disponibili sul mercato, con un livello di rumore drasticamente ridotto anche in applicazioni con livelli di luce estremamente bassi, ed offrono una risoluzione e prestazioni ancora più elevate.
Negli ultimi anni, la produzione industriale sta facendo i conti con l’esigenza sempre più pressante di migliorare la produttività ed evitare che dagli stabilimenti escano prodotti difettosi o contaminati. In questo contesto, la capacità di rilevare la luce non solo visibile, ma anche invisibile, è più importante che mai e spiega la crescente diffusione dei sensori d’immagine SWIR, che sono in grado di coprire senza soluzione di continuità un ampio spettro elettromagnetico dal range VIS allo SWIR. Le camere SWIR Serie ARTCAM di ARTRAY basate sui sensori Sony sono già utilizzate in moltissimi processi industriali tra i quali:
1. Ispezione Industriale e Machine Vision
- Ispezione dei semiconduttori: per rilevare i difetti all’interno dei wafer o per l’allineamento dei chip durante il processo di produzione.
- Rilevamento di umidità: per il monitoraggio del livello di riempimento di contenitori opachi o per l’individuazione di zone umide nei processi di asciugatura industriale.
- Controllo Qualità alimentare: per individuare corpi estranei (come plastica o pietre) e contaminanti dai prodotti alimentari o per individuare ammaccature nella frutta non ancora visibili esternamente.
2. Ricerca Scientifica e Medicale
- Imaging laser: per monitorare e allineare fasci laser invisibili come quelli a 1064 nm, utilizzati per la lavorazione dei materiali o per quelli a 1550 nm utilizzati per le comunicazioni ottiche.
- Bio-imaging: in ambito medico, permettono una maggiore penetrazione nei tessuti biologici rispetto alla luce visibile, facilitando la ricerca su vasi sanguigni o lesioni interne.
3. Settore Energetico e Riciclo
- Smistamento della plastica: per separare negli impianti di riciclo i diversi tipi di polimeri che riflettono la luce SWIR in modi specifici.
- Celle Solari: per identificare i difetti e aree inefficienti nei pannelli fotovoltaici tramite elettroluminescenza o fotoluminescenza.
4. Sicurezza e Difesa
- Visione attraverso ostacoli: le onde SWIR possono penetrare nebbia, fumo, foschia e polvere molto meglio della luce visibile, rendendole ideali per la sorveglianza a lungo raggio in condizioni atmosferiche avverse.
- Identificazione di materiali: consentono di distinguere materiali che appaiono identici nel visibile, come vernici mimetiche rispetto al fogliame naturale, o tessuti sintetici da quelli naturali.
Figura 2. Confronto di immagini SWIR con diverse risoluzioni
Grazie ai sensori Sony, le camere SWIR ARTCAM possono acquisire immagini in un'ampia gamma di lunghezze d'onda, che comprende la banda visibile e quella SWIR da 400 nm a 1700 nm. Ciò significa che le ispezioni che in precedenza richiedevano telecamere separate per la luce visibile e la luce SWIR possono ora essere eseguite con una sola telecamera, riducendo così i costi del sistema di imaging e migliorando la produttività grazie a un'elaborazione più rapida delle immagini che non richiede dunque un processo di correzione del pixel shift dovuto alla sovrapposizione delle due immagini.
Figura 3. Nel monitoraggio remoto, poiché il particolato atmosferico può causare sfocature negli oggetti lontani, a volte è difficile acquisire immagini di buona qualità a lunga distanza. Poiché la luce nella banda dell'infrarosso a lunghezza d'onda corta (SWIR) ha una lunghezza d'onda maggiore rispetto alla luce visibile, è meno influenzata dalle particelle sottili sospese in aria.
Rispetto a camere con risoluzione equivalente, con le camere SWIR ARTRAY basate sui sensori Sony IMX992 e IMX993 è possibile catturare chiaramente immagini vivide di oggetti distanti. L'imaging SWIR non è influenzato dal particolato atmosferico o dalla nebbia.
Figura 4. Oltre a rendere possibile l’imaging ad alta risoluzione grazie ai sensori di immagine SWIR con pixel miniaturizzati, le nuove camere ARTRAY sfruttano le caratteristiche della luce infrarossa a onde corte ed offrono eccellenti prestazioni in ambienti scarsamente illuminati, dove consentono di ottenere immagini di qualità superiore in molti settori come l'ispezione alimentare, l'ispezione di prodotti per la ricerca di corpi estranei, l’ispezione per la ricerca di difetti nella produzione dei semiconduttori, il monitoraggio della temperatura e il processo di riconoscimento e smistamento dei materiali, favorendo la produttività industriale.
Tipiche applicazioni per la tecnologia SWIR
 | L'acqua non è trasparente alla radiazione infrarossa e risulta scura in un'immagine acquisita con una camera SWIR a 1450 nm perché assorbe la luce a questa lunghezza d'onda. Questa caratteristica può essere sfruttata per rilevare l'umidità degli oggetti e nella frutta. |
| La riflettanza e l'assorbanza infrarosse variano a diverse lunghezze d'onda da un materiale all'altro. Utilizzando questa caratteristica, è possibile distinguere un materiale specifico da altri materiali, come la plastica, che possono apparire molto simili tra loro alla luce visibile. |  |
 | Determinati materiali sono trasparenti alla radiazione SWIR e questo è stato sfruttato in ambito produttivo, come l'ispezione per trasmissione dei semiconduttori. |
| Alcuni sensori possono convertire il calore (radiazione infrarossa) emesso da un corpo, oggetto o persona, in un’immagine dettagliata. I sensori SWIR sono adatti all'osservazione di calore oltre i 250 °C. |  |
ARTRAY Co., Ltd. è un’azienda giapponese con sede a Tokyo e presente sul mercato dal 1989 che sviluppa e produce sistemi per l’imaging scientifico e industriale. L'ampia gamma di camere offerte comprende detector basati su sensori CCD/CMOS, monochrome o a colori, e InGaAs di diversi produttori e disponibili con diversi formati del sensore, pixels size e interfaccia con il PC di controllo.
1 Tra i sensori d’immagine SWIR con arseniuro di indio-gallio (InGaAs). Secondo una ricerca SSS. Dato aggiornato al 29 novembre 2023.
