【導(dǎo)讀】由于近紅外 (NIR) 波長(zhǎng)的光具有寶貴的光學(xué)特性，近紅外 (NIR) 成像長(zhǎng)期以來(lái)一直應(yīng)用于科學(xué)研究等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。例如，研究實(shí)驗(yàn)室使用 NIR 光源和相機(jī)進(jìn)行光譜測(cè)定。這種先進(jìn)形式的近紅外成像可以檢測(cè)和測(cè)量材料的特定物理或化學(xué)特性。在醫(yī)學(xué)診斷中，NIR 成像在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中用于分析樣本。例如，從分析中獲得的數(shù)據(jù)可以用于醫(yī)療狀況的診斷。
由于近紅外 (NIR) 波長(zhǎng)的光具有寶貴的光學(xué)特性，近紅外 (NIR) 成像長(zhǎng)期以來(lái)一直應(yīng)用于科學(xué)研究等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。例如，研究實(shí)驗(yàn)室使用 NIR 光源和相機(jī)進(jìn)行光譜測(cè)定。這種先進(jìn)形式的近紅外成像可以檢測(cè)和測(cè)量材料的特定物理或化學(xué)特性。在醫(yī)學(xué)診斷中，NIR 成像在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中用于分析樣本。例如，從分析中獲得的數(shù)據(jù)可以用于醫(yī)療狀況的診斷。
現(xiàn)在，工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用正利用智能手機(jī)行業(yè)首創(chuàng)的 3D 傳感技術(shù)，以開(kāi)發(fā)部署 NIR 成像的新方法。
這一趨勢(shì)得到了 NIR 照明器和傳感器制造商的支持，這些制造商正在推出為機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品和工業(yè)設(shè)備制造商帶來(lái) 3D 傳感功能的產(chǎn)品。機(jī)器視覺(jué)設(shè)備的設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，它可以幫助他們改進(jìn)功能，同時(shí)通常還能降低系統(tǒng)成本。
更豐富的信息，更有價(jià)值的特性
機(jī)器視覺(jué)傳統(tǒng)上使用基于在可見(jiàn)光譜中運(yùn)行的圖像傳感器的相機(jī)。例如，在工廠(chǎng)自動(dòng)化中，具有高幀速率的全局快門(mén)圖像傳感器可以在高速、大批量生產(chǎn)環(huán)境中對(duì)缺陷和不合格情況進(jìn)行目視檢查。
然而，平面 2D 可見(jiàn)圖像只能提供有關(guān)物體的有限信息：例如，檢查包裝盒上印刷的標(biāo)簽。相比之下，3D 成像系統(tǒng)不僅可以檢查標(biāo)簽，還可以提供有關(guān)位置和幾何形狀的附加數(shù)據(jù)，例如：
· 箱體尺寸
· 可能表明包裝盒已損壞的變形
· 盒子的方向，確保其沒(méi)有倒置或側(cè)放
如今的 3D 傳感通常通過(guò)立體視覺(jué)設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)：一對(duì)可見(jiàn)光數(shù)碼相機(jī)可以根據(jù)視差效果推斷深度，視差效果是每個(gè)相機(jī)產(chǎn)生的場(chǎng)景的略有不同的像素化表示。這種立體視覺(jué)技術(shù)模仿了人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)感知深度的方式。
3D 視覺(jué)解決方案也可以通過(guò)結(jié)構(gòu)光來(lái)實(shí)現(xiàn)：這里，圖案投影儀與單個(gè)相機(jī)結(jié)合使用。該投影儀使用衍射光學(xué)元件，這是一種將激光束分成多個(gè)微小光束的濾光片。該衍射光束形成預(yù)定義的圖案，通常是點(diǎn)圖案，該圖案被投影到觀察到的場(chǎng)景上。根據(jù)相機(jī)場(chǎng)景圖像中投影圖案的失真，可以推斷出物體的大小和位置。
如果將兩種 3D 技術(shù)結(jié)合起來(lái)，即 3D 立體視覺(jué)加結(jié)構(gòu)光，則可以捕獲更強(qiáng)大的 3D 圖像。這種技術(shù)稱(chēng)為主動(dòng)立體視覺(jué)。
這兩種 3D 掃描技術(shù)在 NIR 光譜（尤其是 850 nm 或 940 nm）中效果最佳，而不是在使用傳統(tǒng) RGB 圖像傳感器的可見(jiàn)光譜中：
· 陽(yáng)光在 850 nm 和 940 nm 處具有光譜間隙，可產(chǎn)生更好的信噪比 (SNR)，從而可以使用較低功率的照明器或投影儀。這種照明器往往比高功率光源具有更低的單位成本，并且功耗也更低，從而在遠(yuǎn)程監(jiān)控等電池供電應(yīng)用中提供更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間
· 光源（圖案投影儀或照明器）對(duì)人來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的
· 一些NIR 照明器和大多數(shù)NIR 圖像傳感器具有較窄的光譜帶寬：發(fā)射體的輸出和傳感器的靈敏度都可以具有接近其標(biāo)稱(chēng)波長(zhǎng)的窄峰值。這使得 NIR 系統(tǒng)能夠捕獲清晰、詳細(xì)的圖像數(shù)據(jù)，不受環(huán)境可見(jiàn)光或其他光源的干擾
NIR 成像系統(tǒng)的高信噪比對(duì)于機(jī)器視覺(jué)的挑戰(zhàn)性應(yīng)用尤其有價(jià)值，例如自動(dòng)車(chē)牌識(shí)別 (ANPR)，即使使用低功率照明器，它也必須經(jīng)常在昏暗或黑暗的條件下快速可靠地運(yùn)行。
除了這些更高分辨率的 3D 視覺(jué)系統(tǒng)外，還有所謂的飛行時(shí)間 (ToF) 系統(tǒng)：它們測(cè)量直接 ToF 或 dToF 系統(tǒng)中短激光脈沖發(fā)射之間的差異，或間接 ToF 或 iToF 系統(tǒng)中的連續(xù)相位調(diào)制光輸出之間的差異，以及傳感器陣列接收到的視野中物體的反射。ToF 傳感器可以測(cè)量非平面物體不同部分發(fā)射和反射的光子之間的飛行時(shí)間差，并將其轉(zhuǎn)換為深度圖。
盡管圖像分辨率不如立體視覺(jué)或結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)那么高，但 ToF 是一種經(jīng)驗(yàn)證的 3D 掃描技術(shù)。掃描結(jié)果的質(zhì)量取決于激光系統(tǒng)產(chǎn)生 dToF 超短脈沖或 iToF 穩(wěn)定相位調(diào)制的能力。在不需要高分辨率深度圖的應(yīng)用中，智能且節(jié)能的多區(qū)域 dToF 傳感器可以執(zhí)行直方圖計(jì)算，并指示在哪個(gè)區(qū)域檢測(cè)到障礙物以及距離有多遠(yuǎn)。
服務(wù)于工業(yè)市場(chǎng)3D 傳感的新元件
有多種元器件可用于實(shí)現(xiàn) 3D NIR 成像和傳感，包括可見(jiàn)光和紅外光譜中的高功率和低功率 LED。用于 3D 傳感的紅外激光器包括垂直腔表面發(fā)射激光器 (VCSEL)，工作波長(zhǎng)為 850 nm 和 940 nm，以及邊緣發(fā)射激光器 (EEL)，通常工作波長(zhǎng)為 905 nm。EEL 提供更高的功率輸出，可在更遠(yuǎn)的距離內(nèi)使用，例如傳統(tǒng)上部署在自動(dòng)導(dǎo)引車(chē) (AGV) 和移動(dòng)機(jī)器人中的 LiDAR 系統(tǒng)。事實(shí)上，每種 3D 傳感技術(shù)都適合不同的應(yīng)用要求和范圍。
用于人臉識(shí)別和生物特征識(shí)別的 3D 傳感通常在小于 1 m 的范圍內(nèi)運(yùn)行，并通過(guò) NIR 成像器與結(jié)構(gòu)光點(diǎn)投影儀配對(duì)實(shí)現(xiàn)，以提供防欺詐功能。
移動(dòng)家居機(jī)器人使用低成本多區(qū)域 dToF 傳感器，其工作范圍可達(dá) 5 m，用于障礙物檢測(cè)和導(dǎo)航。
高端機(jī)器人或生產(chǎn)檢測(cè)系統(tǒng)使用立體視覺(jué)或主動(dòng)立體視覺(jué)相機(jī)來(lái)生成詳細(xì)的 3D 深度圖。與源自立體視覺(jué)設(shè)置的更高分辨率圖像數(shù)據(jù)配合使用，這些系統(tǒng)可捕獲 0.5 m 至 10 m 以上范圍內(nèi)的場(chǎng)景詳細(xì)圖像。
對(duì)于任何這些類(lèi)型的 NIR 成像或傳感系統(tǒng)，艾邁斯歐司朗是所需的先進(jìn)光學(xué)元件的供應(yīng)商。艾邁斯歐司朗是由光學(xué)傳感器專(zhuān)業(yè)制造商艾邁斯與全球最大的發(fā)射體（包括 LED 和激光器）生產(chǎn)商之一歐司朗合并而成的公司。
圖 1：BELAGO1.1 投影儀，顯示產(chǎn)生點(diǎn)圖案的衍射器（圖片來(lái)源：艾邁斯歐司朗）
艾邁斯歐司朗的產(chǎn)品系列同樣適合工業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)。例如，BELAGO1.1 是一款專(zhuān)有的 940 nm 點(diǎn)圖案照明器，具有內(nèi)置的眼睛保護(hù)功能，如圖 1 所示。它發(fā)出無(wú)焦點(diǎn)、高對(duì)比度的點(diǎn)圖案，算法可使用該圖案生成高精度深度圖。BELAGO 照明器的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)是其特有的隨機(jī)點(diǎn)圖案，可具有 5,000 至 35,000 個(gè)點(diǎn)。該圖案減少了執(zhí)行深度圖計(jì)算的圖像處理器的計(jì)算負(fù)載。
艾邁斯歐司朗還提供 TARA 系列 IR VCSEL 發(fā)射體。TARA2000-AUT 是符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射體版本，適用于駕駛員監(jiān)控和手勢(shì)檢測(cè)等車(chē)內(nèi)傳感應(yīng)用，如圖 2 所示。VCSEL 的窄光譜帶寬可確保免受日光和車(chē)內(nèi)反射造成的干擾。該超緊湊模塊的尺寸僅為 4.1 mm x 4.1 mm，可提供各種照明選項(xiàng)。
圖 2：TARA2000-AUT，IR VCSEL 泛光照明器（圖片來(lái)源：艾邁斯歐司朗）
對(duì)于 3D 光學(xué)系統(tǒng)的圖像傳感器元件，艾邁斯歐司朗提供 Mira 系列全局快門(mén)近紅外圖像傳感器。Mira 系列圖像傳感器具有高量子效率，可在昏暗的照明條件下使用低功率發(fā)射體工作。
堆疊芯片設(shè)計(jì)采用艾邁斯歐司朗的背面照明技術(shù)來(lái)縮小芯片的面積，為空間受限產(chǎn)品的制造商提供更大的設(shè)計(jì)靈活性。Mira220 是一款 200 萬(wàn)像素圖像傳感器，可用于結(jié)構(gòu)照明系統(tǒng)以及其他應(yīng)用，尺寸僅為 5.3 mm x 5.3 mm，如圖 3 所示。
圖 3：220 萬(wàn)像素圖像傳感器 Mira220 的框圖（圖片來(lái)源：艾邁斯歐司朗）
全局快門(mén)可以無(wú)失真地捕捉快速移動(dòng)的物體，例如大批量制造過(guò)程中需要質(zhì)量保證的產(chǎn)品。Mira220 在 940 nm 處的量子效率高達(dá) 38%。某些應(yīng)用可以處理較低分辨率的圖像，并受益于不太復(fù)雜的算法，從而降低功耗。為此，艾邁斯歐司朗提供了 50 萬(wàn)像素圖像傳感器 Mira050。該傳感器提供額外的低功耗功能來(lái)提供喚醒觸發(fā)器，否則需要通過(guò)額外的存在檢測(cè)傳感電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
艾邁斯歐司朗還提供廣泛的單區(qū)域和多區(qū)域直接飛行時(shí)間 (dToF) 傳感器產(chǎn)品組合，其中包括 TMF8828，該傳感器可檢測(cè)最多 8x8 區(qū)域的用戶(hù)可配置陣列中的物體。
這些艾邁斯歐司朗光學(xué)產(chǎn)品以及來(lái)自 Luminus Devices、安森美、ROHM 和威世等制造商的照明器和圖像傳感器均由富昌電子的技術(shù)服務(wù)、工程設(shè)計(jì)和銷(xiāo)售團(tuán)隊(duì)全力支持。
（作者：Abhishek Gadgi，EMEA專(zhuān)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師（成像解決方案），富昌電子）
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