基于激光照明的短波紅外成像系統(tǒng)設(shè)計

來源：激光之窗

近日據(jù)麥姆斯咨詢介紹，從醫(yī)療診斷到自動駕駛汽車和機(jī)器人，光子學(xué)正在改變我們感知世界以及與世界互動的方式，使光學(xué)相機(jī)能夠捕捉到前所未有的細(xì)節(jié)水平的圖像。這些先進(jìn)的光學(xué)相機(jī)利用壓縮感知和計算成像算法等原理，從不同角度捕獲多張低分辨率圖像，并將它們組合成一張高分辨率圖像。由此產(chǎn)生的圖像展示了光子學(xué)如何增強(qiáng)分辨率能力，超越傳統(tǒng)相機(jī)的分辨率。

麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員已經(jīng)證明了光子學(xué)在改善醫(yī)學(xué)成像方面的作用，他們采用激光誘導(dǎo)超聲技術(shù)在無需侵入性操作或電離輻射暴露的情況下創(chuàng)建生物組織的細(xì)致圖像。該技術(shù)使用激光脈沖照射生物組織，通過光吸收產(chǎn)生聲脈沖（可被傳感器檢測），在組織內(nèi)誘導(dǎo)熱彈性應(yīng)力和弛豫。通過調(diào)節(jié)光學(xué)波長，可以對生物組織有選擇性的成像。像這樣的光子學(xué)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)在早期疾病檢測、更準(zhǔn)確地指導(dǎo)手術(shù)干預(yù)和監(jiān)測治療效果方面具有巨大潛力。

與此同時，汽車和機(jī)器人領(lǐng)域的新興解決方案包括TriEye的CMOS短波紅外（SWIR）圖像傳感器和Coherent的固態(tài)激光二極管。這兩家公司最近聯(lián)手展示了基于激光照明的短波紅外成像系統(tǒng)，適用于汽車前置攝像頭和后置攝像頭，以及工業(yè)和自主機(jī)器人中的視覺系統(tǒng)等。

一、基于光子學(xué)的COMS短波紅外（SWIR）圖像傳感器

TriEye聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官（CEO）Avi Bakal表示：“TriEye正在通過Raven（一種高清短波紅外圖像傳感器）和UltraBlaze（一種對人眼安全的短波紅外脈沖激光照明源）將短波紅外成像帶入量產(chǎn)應(yīng)用。

短波紅外(SWIR)相機(jī)可檢測肉眼不可見的產(chǎn)品缺陷及特定材料特性，為機(jī)器視覺解決方案開辟了廣泛的應(yīng)用空間:多數(shù)短波紅外相機(jī)搭載InGaAs(確化家)傳感器，SWIR圖像傳感器技術(shù)，將吸收可見光的InP（銦磷）層薄膜化，讓透過的光直達(dá)下方的InGaAs（銦鎵砷）層，在可見光波段也具備了較高的量子效率。由此，實現(xiàn)了檢測波長介于900 m至1,700 m之間，而傳統(tǒng)的CCD或CMos相機(jī)僅可檢測約1050 nm以下波長的光線。

一般來說，波長為400～780nm的光稱為可見光，波長為780nm～106nm的光稱為紅外線。SWIR的波段為900nm～2500nm，是紅外線中最接近于可見光的波段。

核心原理

1. 輻射收集：SWIR相機(jī)裝備特殊的光學(xué)透鏡和探測器，用于捕捉物體發(fā)出的SWIR輻射；

2. 光子探測：捕捉到的SWIR輻射被轉(zhuǎn)化為電子信號，這些信號被傳輸?shù)綀D像處理單元；

3. 圖像處理：圖像處理單元將電子信號轉(zhuǎn)化為可視化的圖像，使我們能夠看到物體的SWIR特征。

短波紅外具有以下一些優(yōu)點：

●高靈敏度

●高分辨率

●能在夜空輝光下觀測

●晝夜成像

●隱蔽照明

●能看到隱蔽的激光器和信標(biāo)

●無需低溫制冷

●可采用常規(guī)的低成本可見光透鏡

●尺寸小

●功率低

短波紅外成像技術(shù)有哪些優(yōu)勢

短波紅外成像技術(shù)相對于其他成像技術(shù)具有許多顯著的優(yōu)勢，它不僅可以穿透大多數(shù)材料，還能夠在低照明條件下工作，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。工業(yè)領(lǐng)域可以用于檢測缺陷和材料分析，農(nóng)業(yè)科學(xué)中用于監(jiān)測植物健康和土壤特性，醫(yī)療領(lǐng)域用于醫(yī)學(xué)成像和組織分析，安全和軍事應(yīng)用中用于夜視和目標(biāo)追蹤。

材料透過性

SWIR波段的光具有較高的穿透力，能夠穿透許多材料，包括塑料、玻璃、煙霧和霧氣等。這使得SWIR成像在透明或不透明材料背后捕捉圖像成為可能，這在其他波段的成像技術(shù)中往往難以實現(xiàn)。

2.低光條件下工作

SWIR相機(jī)能夠在低照明條件下工作，包括夜間和光線不足的環(huán)境。使得它在需要在黑暗或模糊條件下獲取圖像的應(yīng)用中非常有用，例如夜視和安全監(jiān)控。

TriEye的SEDAR（頻譜增強(qiáng)探測和測距）平臺將短波紅外光源和成像傳感器集成于一體，能夠?qū)囕v環(huán)境進(jìn)行成像和3D傳感，作為目前自主控制系統(tǒng)或高級駕駛輔助系統(tǒng)所采用的激光雷達(dá)（LiDAR）的替代方案。

TriEye聲稱SEDAR平臺可在所有天氣和照明條件下提供高清成像和確定性3D信息。SEDAR平臺與傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的不同之處在于，其顯著更高的分辨率使得能夠在更遠(yuǎn)的距離處檢測和分類物體。在短波紅外光譜中工作使SEDAR平臺能夠穿透霧、霾和雨，同時保持對環(huán)境噪聲的適應(yīng)能力。此外，該公司表示，SEDAR平臺的每像素深度計算方法增強(qiáng)了感知系統(tǒng)準(zhǔn)確評估相對距離的能力，并且無需任何移動部件。

二、基于激光照明的短波紅外成像

Coherent使用砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和銻化鎵（GaSb）材料制造半導(dǎo)體激光二極管，其波長范圍涵蓋750 nm至3μm的近紅外、短波紅外和中紅外（MIR）光譜。Coherent提供一系列激光二極管架構(gòu)，包括邊緣發(fā)射激光器（EEL）和垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）。

半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)

通過對入射出射平面拋光形成法布里-珀羅（F-P）諧振腔，另一對面弄粗糙消除其他方向激光作用。當(dāng)激光二極管施加正向偏壓時，就會產(chǎn)生自發(fā)輻射，隨著電壓上升，在半導(dǎo)體內(nèi)到達(dá)一個閾值電流時，開始發(fā)生受激輻射，從PN結(jié)就會發(fā)射出高定向性激光。

半導(dǎo)體激光器的特性：

改變激光波長：量子阱激光器的受激輻射來自導(dǎo)帶中的基態(tài)電子和價帶中基態(tài)空穴的復(fù)合，導(dǎo)帶和價帶中基態(tài)間的能極差隨勢阱寬度而改變，減小勢阱寬度課獲得短波長激光發(fā)射。

閾值電流小：允許帶中單位能量間隔內(nèi)的粒子密度較高，因而達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的閾值電流就小。

高溫度穩(wěn)定性：能帶之間存在禁帶，溫度在一定范圍內(nèi)變化時，不可能引起載流子分布的擴(kuò)展，從而大大提高了激光器工作的穩(wěn)定性。

高頻調(diào)制的單模性

提高效率

“與近紅外光相比，短波紅外光與物質(zhì)的相互作用不同。”Gerald Dahlmann表示，“這種獨特的特性可以增強(qiáng)透過薄霧或灰塵的可見度，使在近紅外光譜范圍內(nèi)原本看不見的物體變得可見。

短波紅外傳感技術(shù)給我們帶來了許多好處，例如，SEDAR平臺在1300 nm至1400 nm的短波紅外波長范圍內(nèi)工作，與傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)相比，具有的優(yōu)勢包括改善戶外環(huán)境中的信噪比、提高眼睛安全性、增強(qiáng)透過霧氣或灰塵的可見度等?！?/p>

TriEye與Coherent的合作時，Avi Bakal表示：“短波紅外傳感可以提供定位、測繪、識別、防撞等功能，使我們能夠以更加智能的方式與環(huán)境進(jìn)行交互?！?/p>

Coherent和TriEye相信他們的合作將為短波紅外成像開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。在機(jī)器人應(yīng)用中，短波紅外成像在定位、測繪、避免碰撞和整體安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

審核編輯：湯梓紅