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title: 剖析紫外线
description: 紫外成像能够发现那些在可见光下难以观察到的极小的表面特征和缺陷。
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- 剖析紫外线
# 剖析紫外线
By [JAI](https://news.jai.com/blog/cn/author/jai) | February 9, 2023
# 紫外线在电磁波谱中的位置
人眼可感知的电磁波仅占电磁波谱中很小的一部分，即波长在400nm（紫色）至700nm（红色）这个区间，也就是我们所说的可见光。有的动物可以看到超过这个区间的电磁波：例如，蜜蜂眼睛可以感知紫外线，并借此来寻找花粉，还有很多动物能够通过红外辐射（本质上是体温）在晚上寻找猎物。而人类则需要通过诸如专业相机等设备才能感知到非可见光波谱的电磁波。
大部分人应该都听过夜视热像仪或夜视望远镜。它们可以通过捕捉红外辐射形式的“热信号”来发现隐藏的人、野生动物及其他目标等。而对于波长在10至400nm的紫外辐射，则了解的人并不多，因为面向大众销售的紫外线设备比较少。
# 探测肉眼看不到的东西
相机成像的理论基础是一个叫做“反射定律”的物理学原理。无论可见光还是非可见光波长的电磁辐射，它们都会像扔向墙壁的网球一样，在碰到物体表面后会以撞击时相同的角度反射回来。
反射定律
更重要的是，在微观（或纳米）水平上，大多数物体的表面并不是绝对光滑的，而这一点提供了成像的可能性，因为这些凹凸不平的表面会产生“漫反射”。虽然每条光线仍旧遵循反射定律，但是这些光线与物体表面接触的角度却各不相同，所以它们会朝四面八方反射开来，其中有一部分光线会返回观察者的眼睛或相机。
漫反射
粗糙的表面特征会引起漫反射。物体表面特征的大小则取决于到达表面的光线波长。如果表面特征小于光线波长的八分之一左右，则物体表面表现为光滑，光线会全部以相同方向反射出去，发生镜面作用。这样的话，微小的表面特征便难以被肉眼或相机观察到。
在粗糙程度微小的表面，波长较短的紫外线可以发生散射，而波长更长的光波则不能。因此，紫外成像能够发现那些在可见光下难以观察到的极小的表面特征和缺陷。
短波长光线在微小的表面特征上发生散射
短波长的紫外线在微小的表面特征上反射的特点已经被应用于越来越多的工业领域，例如各种半导体的检测（掩模检测、晶片缺陷检测、图案缺陷识别与分类等）；塑料和金属表面的微观缺陷检测；以及太阳能电池板检测等等。
特定油墨和材料可吸收紫外线或在紫外线下发出荧光。利用这些特点，紫外成像也被应用到了其他领域，例如，药品包装、护照、钞票的印刷检测；废品分类；材料无损检测（缺陷和杂质）；用荧光分析进行欺诈检测、刑事取证；医疗诊断等等。紫外成像还可用于高压输电线路的电晕检测，以及各种科学研究领域，如天文学、显微学、紫外光谱学等。
图1：晶圆的生产
图1显示了紫外成像在电子工业中的应用。晶圆反射表面上的激光刻印码必须可靠地读取，才能确保在生产过程中精确定位和跟踪每个晶圆，否则就会导致生产链停止，造成严重损失。紫外成像能可靠地读取这些刻印码。这是传统的机器视觉系统所做不到的。
[图2：紫外成像应用于芯片/引线键合。图片作者：](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:071R01.jpg)[Mister\_rf](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:071R01.jpg)
图2显示了紫外成像在半导体行业中的校准应用。紫外成像应用确保了半导体制造过程中晶圆检测、晶圆切割、引线框架检测，以及芯片/引线键合等过程的正常运行。
图3：激光束轮廓测量。图片来源: [Photonics.com](https://www.photonics.com/Articles/Industrial_Applications_of_Laser_Profiling/a57146)
上面图3显示，激光束的形状、大小等指标的精确性会影响其向目标传递的能量。激光束的畸变由光路中的污染、装配误差、环境因素等引起。在光束路径中插入紫外相机，可以呈现出光束中各部分的相对强度并给予校正。
在视觉系统中装备紫外工业相机
上文所述的众多紫外光学检查应用，随着市场对其需求的增多，极大地拓宽了紫外成像相机的应用领域。在视觉系统中装备带有紫外成像传感器的相机，可以捕获普通相机所无法捕获的特殊视觉信息。例如，一些典型的工业和科学领域的应用系统，需要配置紫外兼容镜头和紫外光源。还有激光轮廓测量系统，移除了相机镜头甚至传感器的保护玻璃，最大限度地减少了光学失真。
行业应用的需求也促使紫外传感器不断进步，实现了对波长越来越短的紫外线进行成像。过去的紫外应用主要集中在紫外光谱上波长在320至400nm区段，即UVA区段。不过，现代半导体上的特征尺寸更小，要求传感器能够感知280至320nm波长的UVB区段，甚至是190nm左右至280nm波长的UVC区段。现在有些系统就是专门针对200nm以下波长的。尽管这些UVC系统（亦称作深紫外或DUV系统）属于前沿市场，但仍有很多针对UVB和UVA区段而设计的紫外应用系统。紫外传感器和紫外相机适用的紫外光谱区段十分广泛，为应用系统的研发团队提供了极大的灵活性。
例如，下图展示了JAI的GO-8105M-5GE-UV相机的灵敏性。它在UVB区段和UVA区段的量子效率达到了惊人的40-50%左右，并有足够的QE延伸到UVC区段。这款相机足可替代那些用于科学研究中的昂贵的紫外相机，例如天文学研究中所用的相机。要注意的是，虽然这款相机的光谱感知范围也覆盖了可见光和近红外区域，但在这些区域中，寄生光敏度（PLS）并未得到最优化，因此建议进行紫外成像时，使用可阻挡可见光和红外光的滤波器。
GO-8105M-5GE-UV的光谱响应
\*\*灵敏度延伸到200nm以下，但未测量特定的量子效率。
上图所显示的这种广泛的紫外光谱响应，让新型相机在许多基于紫外线的机器视觉应用中有了大显身手的机会。最大的机会在于制造各种半导体检测系统（如，半导体掩模检测系统）的企业。以半导体掩模检测应用为例，Go系列的新款相机GO-8105M-5GE-UV功能强大，可检查曝光前半导体上的光刻胶是否涂抹均匀。这些都是昂贵的系统，必须确保最好的制造质量。它要求用很短的波长来发现极小的表面特征，并检测晶圆、掩模及其他相关物件上的缺陷。这些系统设备的制造商会发现这款新型紫外相机很有吸引力，因为它功能强大，已经覆盖到了UVC紫外波段。
GO-8105M-5GE-UV相机还有无玻璃的版本，其传感器上的保护玻璃可以拆下，以适用于激光轮廓测量以及即便是兼容紫外的石英玻璃也会影响效果的应用场景，
总之，紫外相机已成为各种工业和科学应用中的必备设备。然而，尽管紫外成像已开始成为很多工业流程的检测工具，对基于可见光或近红外光的机器视觉系统而言，该领域仍处于起步阶段。但随着商用紫外硬件价格的下降以及种类的增加，紫外机器视觉的应用领域会不断扩大。
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