在日常生活中，人们习惯用肉眼捕捉可见光范围内的世界。然而，不可见光的世界同样丰富多彩，如紫外光、红外光和微波。这些不可见光成像技术能够揭示隐藏在可见光之外的更多细节。工业相机课堂的第四课中将深入探索红外相机的世界，了解近红外、短波红外等不同类型的红外相机及其应用和实际案例。

红外光谱

电磁波谱是物理学的最基础的内容之一，也在人们的生活中扮演着重要的角色。可见光只是电磁波谱中的一小部分。由于光的波长和能量的不同，每个波段都有其独特的特性和功能。从太阳辐射出来的光可以分为以下几个主要波段：

▌紫外光（UV）

波长范围约在10-400 nm之间。紫外光可以杀菌和消毒，但对皮肤和眼睛有潜在的伤害，特别是在过度暴露的情况下。

▌可见光（Visible Light）

波长范围约在400-700 nm之间。可见光是人眼能够感知到的光谱部分，它决定了我们所看到的颜色，并且在许多应用中被用作主要的光源。

▌红外光（IR）

波长范围约在700 nm到1 mm之间。红外光主要用于热成像、夜视设备和一些遥感技术，因为它能够穿透烟雾和云层，并感知物体的温度变化。

▌微波（Microwave）

波长范围从1 mm到1 m。微波用于无线通信、雷达以及家用微波炉。

▌无线电波（Radio Waves）

波长范围在1米以上。射电波主要用于广播、通信和天文学中的无线电望远镜。

每个光谱波段都在科学研究和各种实际应用中扮演着重要角色。

不同波段电磁波波长的大致范围及其应用案例（图片来源：Physicsteam）

红外辐射波长介于可见光和微波之间, 并且具有较强的感光能力，热效应明显。这一频段涵盖了 0.75 μm - 14 μm 波长范围，分为：

• 近红外 (NIR – Near Infrared)

• 短波红外 (SWIR – Short wave infrared)

• 中波红外 (MWIR – middle wave infrared)

• 长波红外 (LWIR – Long wave infrared)

以下的图片展示了在不同温度下，红外光谱和不同温度的关系。

红外相机成像原理

红外相机的成像方式主要分为两种：热成像原理（Thermal Imaging）和反射原理（Reflective Imaging）。

▌热成像原理

热成像红外相机主要利用物体自身发射的红外辐射进行成像。所有温度高于绝对零度（-273.15°C）的物体都会发出红外辐射，其辐射强度和波长分布与物体的温度相关。热成像相机不依赖外部光源，可以在全黑条件下工作，常用于温度监测和热分析。

▌反射原理

反射式红外相机（如近红外和短波红外相机）主要利用外部光源（如太阳光或人工光源）在物体表面的反射光进行成像。相机内部通常配备近红外或短波红外滤光片或特定的传感器来捕捉特定波段的光，从而生成图像。

红外相机类型及经典应用

不同物体在可见光（左）和短波红外（右）下的成像

优点及成本

▌近红外 (NIR – Near Infrared)

优点

价格相对较低，成像清晰度和灵敏度对比其他红外相机较高。

缺点

通常较低，因为硅基传感器较为成熟且成本低廉。

▌短波红外 (SWIR – Short wave infrared）

优点

能够穿透一些物质（如雾霾，硅片），对温度变化有较好的响应。

缺点

相对较高，因为铟镓砷（ InGaAs） 传感器的制造成本较高。

▌中波红外 (MWIR – middle wave infrared) 

优点

适合在黑暗中工作，无需外部光源。能够检测较高温度的物体。

缺点

较高，因需要低温冷却探测器（如液氮冷却），设备和维护成本较高。

▌长波红外 (LWIR – Long wave infrared)

优点

能够检测较低温度的物体，并适合全天候工作。

缺点

中等到较高，非制冷的微测辐射热计较为经济，但制冷型长波红外探测器仍然价格较贵。

短波红外相机实际案例

Allied Vision Goldeye SWIR  - 半导体材料穿透检测

Goldeye短波红外相机

背景

硅晶圆是一种薄的半导体材料基材，用于制造电子集成电路，是电子器件中最常用的一种半导体材料。

挑战

硅晶圆会积累在生长、切割、研磨、蚀刻、抛光过程中的残余应力。因此，硅晶圆在整个制造过程中可能产生裂纹，如果裂纹未被检测到，那些含有裂纹的晶圆就在后续生产阶段中产生无效的产品。裂纹也可能在将集成电路分割成单独 IC 时产生。因此，若要降低制造成本，在进一步的加工前，检查原材料基材的杂质，裂纹以及在加工过程中检测缺陷非常重要。

解决方案

新加坡集成电路（IC）制造商 Radiant Optronics 公司专注于将最新技术发展成果应用于故障分析应用，并重点聚焦亚洲地区的半导体、晶圆制造、服务实验室、包装和 PCB 装配等领域。公司利用其红外成像显微镜结合 Allied Vision Goldeye  短波红外相机来检测IC制造过程中可能产生的 IC 内部缺陷或裂纹。

来源：Allied Vision工业相机

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