虹科|短波紅外與成像系統(tǒng)—-小波段大乾坤

斗柄東指, 天下皆春;

斗柄南指, 天下皆夏;

斗柄西指, 天下皆秋;

斗柄北指, 天下皆冬。

自古以來(lái)人們對(duì)天體就充滿好奇，并進(jìn)行了無(wú)盡的探索與記載。

目前擁有的攝像機(jī)是否能突破時(shí)間與空間的限制，實(shí)現(xiàn)清晰成像？

短波紅外成像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)

短波紅外（SWIR）

SWIR的全稱：short-wave length infrared band

短波紅外，一般波長(zhǎng)范圍在1.4-3 μm，這個(gè)波段包含豐富的物質(zhì)光譜信息，如：

氫氧根、H₂0、CO₂、NH₃、H₂S等物質(zhì)的吸收譜；

飛行器尾焰的紅外輻射；

夜空中的月光、星光、大氣輝光

……

短波紅外的廣泛應(yīng)用是依賴lnGaAs傳感器的發(fā)展才逐漸成為現(xiàn)實(shí)。相比于碲鎘汞（HgCdTe)或者銻化銦（InSb)之類材料制作的傳感器需要工作在極低的溫度下，InGaAs探測(cè)器則可以在室溫下達(dá)到同樣的靈敏度。

優(yōu) 勢(shì)

與MWIR和LWIR相比，SWIR波長(zhǎng)較短，SWIR位于近紅外(NIR)和長(zhǎng)波紅外(IR)之間的非可見光光譜中，有利于對(duì)比度較強(qiáng)的高分辨率圖像，同時(shí)，其不受周邊環(huán)境光弱的影響，也不依賴熱發(fā)射率，不容易受到環(huán)境光線弱的影響，對(duì)可見光和其它紅外成像方式來(lái)說(shuō)是獨(dú)特的存在。其成像效果更接近與可見光圖像，而不是紅外光譜的熱能，與可見光相比，具有良好透霧能力。

高識(shí)別度、高分辨率

SWIR成像主要基于目標(biāo)反射光成像原理，其成像與可見光灰度圖像特征相似，成像對(duì)比度高，目標(biāo)細(xì)節(jié)表達(dá)清晰，在目標(biāo)識(shí)別方面，SWIR成像是熱成像技術(shù)的重要補(bǔ)充。

光學(xué)配置簡(jiǎn)便

短波紅外成像有一個(gè)其他技術(shù)無(wú)可比擬的主要優(yōu)點(diǎn)，即它能夠透過(guò)玻璃進(jìn)行成像。對(duì)于短波紅外相機(jī)來(lái)說(shuō)，SWIR相機(jī)不需要特制外殼，只要裝配一個(gè)保護(hù)窗口玻璃即可。這就使得它們的應(yīng)用范圍極其廣泛。

微光夜視

短波紅外在夜間光線微弱環(huán)境下有較大優(yōu)勢(shì)。被稱為夜間天空輻亮度的大氣現(xiàn)象所發(fā)出的光照度比星光強(qiáng)5至7倍，這種光照幾乎都處在短波紅外波長(zhǎng)區(qū)，可以說(shuō)，環(huán)境星光和背景輻射（夜光）是 SWIR 的天然發(fā)射器。所以，短波紅外相機(jī)，再加上這種常常被稱為夜氣輝的夜間光照度，便能夠在照明差的夜間很清楚地“看到”目標(biāo)。

除此之外，SWIR相機(jī)還有無(wú)需低溫制冷、尺寸小、功率低等特點(diǎn)。

應(yīng) 用

SWIR以其獨(dú)特的性能有廣泛的應(yīng)用。利用SWIR能為各行各業(yè)的客戶提供數(shù)據(jù)，例如激光與通信、天文、生命科學(xué)、鐵路等等；擁有極強(qiáng)的定量分析能力，能夠識(shí)別人工材料、火災(zāi)撲救、發(fā)現(xiàn)礦藏；能廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域：夜視偵查、遙感控制、紅外成像制導(dǎo)……

小編挑選其中較為典型的向大家展示一番。

礦物識(shí)別

短波紅外波段讓精準(zhǔn)識(shí)別礦物成為可能。根據(jù)礦物含量，不同成分會(huì)吸收光波的量，從而形成不同的反射率。根據(jù)不同的礦物對(duì)光波的吸收情況，反映出不同的光譜長(zhǎng)度，根據(jù)波長(zhǎng)探測(cè)含有 l-OH、Mg-OH、Fe-OH、Si-OH、碳酸鹽、銨以及硫酸鹽等離子組的物質(zhì)，從而判斷這些礦區(qū)具有哪些礦石。

可見光 VS SWIR

產(chǎn)品的檢測(cè)和分類

在該波長(zhǎng)的物體圖像中，水幾乎是黑色的，因?yàn)樗?450納米和1900納米都有很強(qiáng)的吸附性。因此，使用合適的光源或過(guò)濾器可以清楚地顯示受損水果、散裝谷物或灌溉良好的作物的水分含量。

① 當(dāng)水果被碰傷時(shí)，細(xì)胞壁會(huì)破裂，該區(qū)域的水分含量會(huì)更高。水在SWIR范圍內(nèi)吸收許多波段的光。這種吸收使得SWIR成像能夠看到肉眼看不到的瘀傷。

② 在可見波長(zhǎng)上不透明的多種塑料在SWIR范圍內(nèi)變成半透明。這種半透明為檢測(cè)密封塑料容器內(nèi)的產(chǎn)品體積提供了新的方法。SWIR光穿透塑料的能力也提供了多種方法來(lái)檢測(cè)白色塑料瓶中物體的填充水平。

可見光 VS SWIR

提供信息

通過(guò)在SWIR 波段檢查繪畫，人們可以跟隨藝術(shù)家從最初的草圖到繪畫和成品的完善的思維過(guò)程。這幅畫最初包括香蕉和最終圖像中省略的框架。沿著右下方有可見波段中看不到的油漆斑點(diǎn)。以此可以推測(cè)也許藝術(shù)家開始用不同的材料繪制背景，或改變主意并在以后對(duì)這幅畫進(jìn)行了潤(rùn)色。

可見光 VS SWIR

天體觀測(cè)

由于SWIR穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，在天體觀測(cè)時(shí)也發(fā)揮了很大的作用。例如，與可見光相機(jī)不同，短波紅外相機(jī)可以透過(guò)覆蓋火星表面的塵土，拍攝火星土地的細(xì)節(jié)。

火星塵暴（2018年）

可見光 VS SWIR

半導(dǎo)體檢測(cè)

半導(dǎo)體材料對(duì)于能量低、相對(duì)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的短波紅外光子吸收極少，在此波段內(nèi)的光能夠輕易透過(guò)半導(dǎo)體材料；而可見光光子則因具有更高的能量和相對(duì)更短的波長(zhǎng)被硅材料吸收，無(wú)法透過(guò)。這使得短波紅外在檢測(cè)半導(dǎo)體材料的品質(zhì)，硅錠和晶片成品的缺陷或裂紋檢測(cè)，晶元切割過(guò)程中的激光精確對(duì)準(zhǔn)等方向上大有所為。

激光分析

激光探測(cè)需要對(duì)激光的光斑形貌，激光的發(fā)射信息，激光經(jīng)過(guò)光路系統(tǒng)后的變化進(jìn)行捕捉探測(cè)以及分析，而由于其不可見性（紅外激光）及高重頻等特點(diǎn)，需要在紅外相機(jī)或超高速相機(jī)幫助下來(lái)進(jìn)行探測(cè)分析。

激光器發(fā)出的激光中，很大一部分的波長(zhǎng)集中落在紅外波段內(nèi)，例如 1064nm，1350nm, 1550nm。常用的光通信波長(zhǎng)1550nm，是短波紅外最佳探測(cè)區(qū)域。直接將激光作用在鏡頭上，相機(jī)對(duì)光斑進(jìn)行端面成像，用戶就可對(duì)光斑進(jìn)行分析處理。

附錄-虹科SIRIS短波紅外相機(jī)

虹科SIRIS（短波紅外成像系統(tǒng)）是市場(chǎng)上用途最廣的SWIR相機(jī)，具有高速和超低噪聲的性SIRIS提供兩種讀出模式，即全線性和線性/對(duì)數(shù)模式，與非破壞性讀出（NDRO）相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)比同產(chǎn)品領(lǐng)先的動(dòng)態(tài)范圍。三個(gè)可調(diào)整的增益水平確保了靈活性，以適應(yīng)各種照明條件?？蓪?shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)一小時(shí)的曝光時(shí)間。SIRIS相機(jī)在幾分鐘內(nèi)就可以使用，這要?dú)w功于一個(gè)封閉循環(huán)的無(wú)振動(dòng)、無(wú)維護(hù)的太空級(jí)認(rèn)證無(wú)制冷劑冷卻器。通過(guò)全速Cameraink數(shù)據(jù)接口和C-mount光學(xué)接口，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)連接。由于其高尖端的性能，SIRIS是高端科學(xué)應(yīng)用的完美工具，如天體物理觀測(cè)、超光譜和生物成像、光譜學(xué)和半導(dǎo)體故障檢測(cè)。

如果想要了解更多，請(qǐng)實(shí)時(shí)關(guān)注本公眾號(hào)，或者瀏覽虹科光電網(wǎng)站，了解光電行業(yè)前沿知識(shí)。

References:

rp-photonicsEncyclopedia——Infrared Light

搜狐——短波紅外應(yīng)用——與激光照射的完美結(jié)合應(yīng)用案例

知乎——帶你走進(jìn)短波紅外的世界

Edmund Optics——What is SWIR?

百度文庫(kù)——SWIR系列

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