近红外成像：最新3D传感技术可降低成本并简化硬件架构

作者：Abhishek Gadgi，EMEA专业现场应用工程师（成像解决方案），富昌电子

由于近红外 (NIR) 波长的光具有宝贵的光学特性，近红外 (NIR) 成像长期以来一直应用于科学研究等专业领域。例如，研究实验室使用 NIR 光源和相机进行光谱测定。这种先进形式的近红外成像可以检测和测量材料的特定物理或化学特性。在医学诊断中，NIR 成像在实验室设备中用于分析样本。例如，从分析中获得的数据可以用于医疗状况的诊断。

现在，工业和商业应用正利用智能手机行业首创的 3D 传感技术，以开发部署 NIR 成像的新方法。

这一趋势得到了 NIR 照明器和传感器制造商的支持，这些制造商正在推出为机器视觉产品和工业设备制造商带来 3D 传感功能的产品。机器视觉设备的设计人员发现，它可以帮助他们改进功能，同时通常还能降低系统成本。

更丰富的信息，更有价值的特性

机器视觉传统上使用基于在可见光谱中运行的图像传感器的相机。例如，在工厂自动化中，具有高帧速率的全局快门图像传感器可以在高速、大批量生产环境中对缺陷和不合格情况进行目视检查。

然而，平面 2D 可见图像只能提供有关物体的有限信息：例如，检查包装盒上印刷的标签。相比之下，3D 成像系统不仅可以检查标签，还可以提供有关位置和几何形状的附加数据，例如：

· 箱体尺寸
· 可能表明包装盒已损坏的变形
· 盒子的方向，确保其没有倒置或侧放

如今的 3D 传感通常通过立体视觉设置来实现：一对可见光数码相机可以根据视差效果推断深度，视差效果是每个相机产生的场景的略有不同的像素化表示。这种立体视觉技术模仿了人类视觉系统感知深度的方式。

3D 视觉解决方案也可以通过结构光来实现：这里，图案投影仪与单个相机结合使用。该投影仪使用衍射光学元件，这是一种将激光束分成多个微小光束的滤光片。该衍射光束形成预定义的图案，通常是点图案，该图案被投影到观察到的场景上。根据相机场景图像中投影图案的失真，可以推断出物体的大小和位置。

如果将两种 3D 技术结合起来，即 3D 立体视觉加结构光，则可以捕获更强大的 3D 图像。这种技术称为主动立体视觉。

这两种 3D 扫描技术在 NIR 光谱（尤其是 850 nm 或 940 nm）中效果最佳，而不是在使用传统 RGB 图像传感器的可见光谱中：

· 阳光在 850 nm 和 940 nm 处具有光谱间隙，可产生更好的信噪比 (SNR)，从而可以使用较低功率的照明器或投影仪。这种照明器往往比高功率光源具有更低的单位成本，并且功耗也更低，从而在远程监控等电池供电应用中提供更长的运行时间
· 光源（图案投影仪或照明器）对人来说是不可见的
· 一些NIR 照明器和大多数NIR 图像传感器具有较窄的光谱带宽：发射体的输出和传感器的灵敏度都可以具有接近其标称波长的窄峰值。这使得 NIR 系统能够捕获清晰、详细的图像数据，不受环境可见光或其他光源的干扰

NIR 成像系统的高信噪比对于机器视觉的挑战性应用尤其有价值，例如自动车牌识别 (ANPR)，即使使用低功率照明器，它也必须经常在昏暗或黑暗的条件下快速可靠地运行。

除了这些更高分辨率的 3D 视觉系统外，还有所谓的飞行时间 (ToF) 系统：它们测量直接 ToF 或 dToF 系统中短激光脉冲发射之间的差异，或间接 ToF 或 iToF 系统中的连续相位调制光输出之间的差异，以及传感器阵列接收到的视野中物体的反射。ToF 传感器可以测量非平面物体不同部分发射和反射的光子之间的飞行时间差，并将其转换为深度图。

尽管图像分辨率不如立体视觉或结构光系统那么高，但 ToF 是一种经验证的 3D 扫描技术。扫描结果的质量取决于激光系统产生 dToF 超短脉冲或 iToF 稳定相位调制的能力。在不需要高分辨率深度图的应用中，智能且节能的多区域 dToF 传感器可以执行直方图计算，并指示在哪个区域检测到障碍物以及距离有多远。

服务于工业市场3D 传感的新元件

有多种元器件可用于实现 3D NIR 成像和传感，包括可见光和红外光谱中的高功率和低功率 LED。用于 3D 传感的红外激光器包括垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)，工作波长为 850 nm 和 940 nm，以及边缘发射激光器 (EEL)，通常工作波长为 905 nm。EEL 提供更高的功率输出，可在更远的距离内使用，例如传统上部署在自动导引车 (AGV) 和移动机器人中的 LiDAR 系统。事实上，每种 3D 传感技术都适合不同的应用要求和范围。

用于人脸识别和生物特征识别的 3D 传感通常在小于 1 m 的范围内运行，并通过 NIR 成像器与结构光点投影仪配对实现，以提供防欺诈功能。

移动家居机器人使用低成本多区域 dToF 传感器，其工作范围可达 5 m，用于障碍物检测和导航。

高端机器人或生产检测系统使用立体视觉或主动立体视觉相机来生成详细的 3D 深度图。与源自立体视觉设置的更高分辨率图像数据配合使用，这些系统可捕获 0.5 m 至 10 m 以上范围内的场景详细图像。

对于任何这些类型的 NIR 成像或传感系统，艾迈斯欧司朗是所需的先进光学元件的供应商。艾迈斯欧司朗是由光学传感器专业制造商艾迈斯与全球最大的发射体（包括 LED 和激光器）生产商之一欧司朗合并而成的公司。


图 1：BELAGO1.1 投影仪，显示产生点图案的衍射器（图片来源：艾迈斯欧司朗）

艾迈斯欧司朗的产品系列同样适合工业和消费市场。例如，BELAGO1.1 是一款专有的 940 nm 点图案照明器，具有内置的眼睛保护功能，如图 1 所示。它发出无焦点、高对比度的点图案，算法可使用该图案生成高精度深度图。BELAGO 照明器的一个特殊优点是其特有的随机点图案，可具有 5,000 至 35,000 个点。该图案减少了执行深度图计算的图像处理器的计算负载。

艾迈斯欧司朗还提供 TARA 系列 IR VCSEL 发射体。TARA2000-AUT 是符合汽车标准的发射体版本，适用于驾驶员监控和手势检测等车内传感应用，如图 2 所示。VCSEL 的窄光谱带宽可确保免受日光和车内反射造成的干扰。该超紧凑模块的尺寸仅为 4.1 mm x 4.1 mm，可提供各种照明选项。


图 2：TARA2000-AUT，IR VCSEL 泛光照明器（图片来源：艾迈斯欧司朗）

对于 3D 光学系统的图像传感器元件，艾迈斯欧司朗提供 Mira 系列全局快门近红外图像传感器。Mira 系列图像传感器具有高量子效率，可在昏暗的照明条件下使用低功率发射体工作。

堆叠芯片设计采用艾迈斯欧司朗的背面照明技术来缩小芯片的面积，为空间受限产品的制造商提供更大的设计灵活性。Mira220 是一款 200 万像素图像传感器，可用于结构照明系统以及其他应用，尺寸仅为 5.3 mm x 5.3 mm，如图 3 所示。


图 3：220 万像素图像传感器 Mira220 的框图（图片来源：艾迈斯欧司朗）

全局快门可以无失真地捕捉快速移动的物体，例如大批量制造过程中需要质量保证的产品。Mira220 在 940 nm 处的量子效率高达 38%。某些应用可以处理较低分辨率的图像，并受益于不太复杂的算法，从而降低功耗。为此，艾迈斯欧司朗提供了 50 万像素图像传感器 Mira050。该传感器提供额外的低功耗功能来提供唤醒触发器，否则需要通过额外的存在检测传感电路来实现。

艾迈斯欧司朗还提供广泛的单区域和多区域直接飞行时间 (dToF) 传感器产品组合，其中包括 TMF8828，该传感器可检测最多 8x8 区域的用户可配置阵列中的物体。

这些艾迈斯欧司朗光学产品以及来自 Luminus Devices、安森美、ROHM 和威世等制造商的照明器和图像传感器均由富昌电子的技术服务、工程设计和销售团队全力支持。