光電入門系列 #02
SWIR 看得到什麼？可見光看不到的那一層
把一片矽晶圓拿在手上，它是不透光的灰色。可是在 SWIR 相機底下，同一片晶圓像一塊毛玻璃——你能直接看到它裡面有沒有裂痕。
這不是什麼特殊處理，只是換了一個波段。短波紅外（SWIR，Short-Wave Infrared，本文取 0.9–1.7 µm）的成像原理和可見光完全一樣：都是反射光成像、都有陰影和明暗對比、都需要照明。差別只在於，這個波段的光和材料的互動方式不同——於是有些東西變透明了，有些東西變得看得見了。
這篇談 SWIR 實際能做到、而可見光做不到的四件事。如果你對光電這個領域還不熟，可以先看本系列的第一篇〈光電是什麼？〉。
一、第一件事：矽會變透明
矽是半導體，它的能隙是 1.12 eV。光子能量高於能隙才會被吸收，換算成波長：
λ = 1240 / 1.12 = 1107 nm ≈ 1.11 µm
波長比 1.11 µm 長的光，光子能量不足以把電子推過能隙，矽就不再吸收，變成半透明。這個轉折非常陡——不是慢慢變透明，而是在 1.1 µm 附近幾十奈米的範圍內從幾乎全吸收變成大致穿透。
這件事在半導體業有幾個直接用途：
- 晶圓內部裂痕與微裂——切割、研磨或搬運造成的內部損傷，表面看不出來，SWIR 一照就現形
- 鍵合對位檢查——兩片晶圓貼合後，可以隔著上層看下層的對位標記
- 覆晶封裝的背面檢查——從矽基板背面看進去，確認凸塊接合狀況
- MEMS 結構檢查——密封在矽腔體裡的可動結構，不拆開就能看
二、第二件事：水會吸光
水在短波紅外區有兩個明顯的吸收帶：約 1.45 µm 與 1.94 µm。前者落在標準 InGaAs 的響應範圍（0.9–1.7 µm）內，後者則需要延伸波長型的感測器。在吸收帶上，含水的區域會變暗；在吸收帶之外，同一個區域是亮的。兩張影像相減，就是一張含水量分布圖。
這比「秤重量測含水率」快得多，而且是非接觸、全視野、即時的。實務上的用途包括：
- 乾燥製程的即時監控——哪一區還沒乾
- 塗佈與塗裝的濕膜厚度均勻性
- 食品與農產的含水率分級
- 包裝密封的滲漏檢查——漏出來的水在 SWIR 下很明顯
順帶一提，這也是為什麼在波段對照表裡，1.45 µm 附近被標成大氣吸收較強的區段——空氣中的水氣吸的是同一條帶。長距離觀測時這是麻煩，近距離量測時這是工具。
三、第三件事：很多塑膠是透明的
聚乙烯、聚丙烯這一類常見的包裝塑膠，在 SWIR 大多有相當的穿透率——即使它們在可見光下是不透明的白色或有色塑膠。於是：
- 不透明瓶罐的液位檢查——不用拆封、不用秤重，直接看液面在哪
- 密封包裝內的異物偵測
- 多層膜的層間缺陷
要注意的是「大多」不是「全部」。含碳黑的塑膠（很多黑色塑膠件都是）在 SWIR 一樣不透明，因為碳黑是寬頻吸收。所以這一類應用我們一律建議先拿實際樣品拍過再談規格——同樣叫「黑色塑膠外殼」，兩家供應商的配方可能給出完全不同的結果。
四、第四件事：看得見不可見的雷射
工業與通訊上最常用的兩個雷射波長——1064 nm（Nd:YAG）與 1550 nm（光纖通訊與人眼安全測距）——都在 SWIR 範圍內，而且都是肉眼完全看不見的。
用 SWIR 相機可以直接做：
- 光斑輪廓量測——光束的形狀、能量分布、是否對稱
- 光路對準——不用靠螢光卡片一段一段試
- 光纖端面與耦合檢查——出光位置對不對、有沒有漏光
這是很單純但很實用的一項：把看不見的東西變成畫面，對準工作從「憑經驗」變成「看著調」。
五、一個常見的誤會：SWIR 不是熱像
SWIR 是反射成像，需要照明；LWIR 是自發輻射成像，不需要照明。
這是選型時最容易搞混的一點。把兩者並排比較：
| SWIR（0.9–1.7 µm） | LWIR 熱像（8–14 µm） | |
|---|---|---|
| 看的是什麼 | 物體反射的光 | 物體自己發出的輻射 |
| 需要照明嗎 | 需要 | 不需要 |
| 影像長相 | 像黑白照片，有陰影與材質紋理 | 像溫度分布圖，沒有陰影 |
| 常溫物體 | 要打光才看得到 | 本來就看得到 |
| 偵測器 | InGaAs | 非製冷微測輻射熱計 |
| 典型任務 | 看穿、看材質、看不可見雷射 | 看溫度、看熱異常 |
所以「我想看物體有沒有發熱」要用 LWIR，「我想看物體裡面有什麼」要用 SWIR。兩者都叫紅外線，用途幾乎不重疊。
中間地帶是溫度很高的物體：數百 °C 以上的玻璃、金屬與熔湯，短波輻射的尾端已經延伸進 SWIR，這時 SWIR 相機不打光也拍得到，而且因為波長短，空間解析度比 LWIR 好得多。玻璃業與金屬熔煉的製程監控常用這一招。
六、什麼時候該選 SWIR
回到最實際的問題。以下情況值得考慮 SWIR：
- 要看的東西在矽或塑膠裡面
- 要判別的是含水量或成分差異，而不是形狀
- 要觀測的是 1064 或 1550 nm 的雷射
- 被測物溫度很高，需要比 LWIR 更好的空間解析度
不值得的情況也很明確：純粹的尺寸量測、字元辨識、表面刮傷——這些可見光相機做得更好也更便宜。SWIR 相機的成本通常是同級可見光相機的一個數量級以上（InGaAs 感測器的製程與良率所致），不該用在可見光就能解決的題目上。
結語：換一個波段，換一個問題
光電系統整合的核心工作，說穿了就是「決定用哪一段電磁波去問這個問題」。同一件事，在可見光下是不可能的任務，換到 SWIR 可能只是打一盞燈的事；反過來，在 SWIR 硬做可見光的題目，只是把成本墊高十倍。
所以選型階段的價值，往往比後面所有的硬體採購加起來還高——因為它決定的是這件事到底做不做得到。