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。

自古以來人們對天體就充滿好奇，并進(jìn)行了無盡的探索與記載。

目前擁有的攝像機(jī)是否能突破時間與空間的限制，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，一般波長范圍在1.4-3 μm，這個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探測器則可以在室溫下達(dá)到同樣的靈敏度。

優(yōu) 勢

與MWIR和LWIR相比，SWIR波長較短，SWIR位于近紅外(NIR)和長波紅外(IR)之間的非可見光光譜中，有利于對比度較強(qiáng)的高分辨率圖像，同時，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，對可見光和其它紅外成像方式來說是獨(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，成像對比度高，目標(biāo)細(xì)節(jié)表達(dá)清晰，在目標(biāo)識別方面，SWIR成像是熱成像技術(shù)的重要補(bǔ)充。

光學(xué)配置簡便

短波紅外成像有一個其他技術(shù)無可比擬的主要優(yōu)點(diǎn)，即它能夠透過玻璃進(jìn)行成像。對于短波紅外相機(jī)來說，SWIR相機(jī)不需要特制外殼，只要裝配一個保護(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。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區(qū)，可以說，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。

礦物識別

短波紅外波段讓精準(zhǔn)識別礦物成為可能。根據(jù)礦物含量，不同成分會吸收光波的量，從而形成不同的反射率。根據(jù)不同的礦物對光波的吸收情況，反映出不同的光譜長度，根據(jù)波長探測含有 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)品的檢測和分類

在該波長的物體圖像中，水幾乎是黑色的，因為它在1450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，細(xì)胞壁會破裂，該區(qū)域的水分含量會更高。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檢測白色塑料瓶中物體的填充水平。

可見光 VS SWIR

提供信息

通過在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這幅畫進(jìn)行了潤色。

可見光 VS SWIR

天體觀測

由于SWIR穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，在天體觀測時也發(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

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

激光分析

激光探測需要對激光的光斑形貌，激光的發(fā)射信息，激光經(jīng)過光路系統(tǒng)后的變化進(jìn)行捕捉探測以及分析，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)幫助下來進(jìn)行探測分析。

激光器發(fā)出的激光中，很大一部分的波長集中落在紅外波段內(nèi)，例如 1064nm，1350nm, 1550nm。常用的光通信波長1550nm，是短波紅外最佳探測區(qū)域。直接將激光作用在鏡頭上，相機(jī)對光斑進(jìn)行端面成像，用戶就可對光斑進(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)先的動態(tài)范圍。三個可調(diào)整的增益水平確保了靈活性，以適應(yīng)各種照明條件。可實(shí)現(xiàn)長達(dá)一小時的曝光時間。SIRIS相機(jī)在幾分鐘內(nèi)就可以使用，這要?dú)w功于一個封閉循環(huán)的無振動、無維護(hù)的太空級認(rèn)證無制冷劑冷卻器。通過全速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、超光譜和生物成像、光譜學(xué)和半導(dǎo)體故障檢測。

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

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——SWIR系列

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