基于激光照明的短波红外成像系统设计

来源：激光之窗

近日据麦姆斯咨询介绍，从医疗诊断到自动驾驶汽车和机器人，光子学正在改变我们感知世界以及与世界互动的方式，使光学相机能够捕捉到前所未有的细节水平的图像。这些先进的光学相机利用压缩感知和计算成像算法等原理，从不同角度捕获多张低分辨率图像，并将它们组合成一张高分辨率图像。由此产生的图像展示了光子学如何增强分辨率能力，超越传统相机的分辨率。

麻省理工学院（MIT）的研究人员已经证明了光子学在改善医学成像方面的作用，他们采用激光诱导超声技术在无需侵入性操作或电离辐射暴露的情况下创建生物组织的细致图像。该技术使用激光脉冲照射生物组织，通过光吸收产生声脉冲（可被传感器检测），在组织内诱导热弹性应力和弛豫。通过调节光学波长，可以对生物组织有选择性的成像。像这样的光子学医学成像技术在早期疾病检测、更准确地指导手术干预和监测治疗效果方面具有巨大潜力。

与此同时，汽车和机器人领域的新兴解决方案包括TriEye的CMOS短波红外（SWIR）图像传感器和Coherent的固态激光二极管。这两家公司最近联手展示了基于激光照明的短波红外成像系统，适用于汽车前置摄像头和后置摄像头，以及工业和自主机器人中的视觉系统等。

一、基于光子学的COMS短波红外（SWIR）图像传感器

TriEye联合创始人兼首席执行官（CEO）Avi Bakal表示：“TriEye正在通过Raven（一种高清短波红外图像传感器）和UltraBlaze（一种对人眼安全的短波红外脉冲激光照明源）将短波红外成像带入量产应用。

短波红外(SWIR)相机可检测肉眼不可见的产品缺陷及特定材料特性，为机器视觉解决方案开辟了广泛的应用空间:多数短波红外相机搭载InGaAs(确化家)传感器，SWIR图像传感器技术，将吸收可见光的InP（铟磷）层薄膜化，让透过的光直达下方的InGaAs（铟镓砷）层，在可见光波段也具备了较高的量子效率。由此，实现了检测波长介于900 m至1,700 m之间，而传统的CCD或CMos相机仅可检测约1050 nm以下波长的光线。

一般来说，波长为400～780nm的光称为可见光，波长为780nm～106nm的光称为红外线。SWIR的波段为900nm～2500nm，是红外线中最接近于可见光的波段。

核心原理

1. 辐射收集：SWIR相机装备特殊的光学透镜和探测器，用于捕捉物体发出的SWIR辐射；

2. 光子探测：捕捉到的SWIR辐射被转化为电子信号，这些信号被传输到图像处理单元；

3. 图像处理：图像处理单元将电子信号转化为可视化的图像，使我们能够看到物体的SWIR特征。

短波红外具有以下一些优点：

●高灵敏度

●高分辨率

●能在夜空辉光下观测

●昼夜成像

●隐蔽照明

●能看到隐蔽的激光器和信标

●无需低温制冷

●可采用常规的低成本可见光透镜

●尺寸小

●功率低

短波红外成像技术有哪些优势

短波红外成像技术相对于其他成像技术具有许多显著的优势，它不仅可以穿透大多数材料，还能够在低照明条件下工作，适用于各种应用领域。工业领域可以用于检测缺陷和材料分析，农业科学中用于监测植物健康和土壤特性，医疗领域用于医学成像和组织分析，安全和军事应用中用于夜视和目标追踪。

材料透过性

SWIR波段的光具有较高的穿透力，能够穿透许多材料，包括塑料、玻璃、烟雾和雾气等。这使得SWIR成像在透明或不透明材料背后捕捉图像成为可能，这在其他波段的成像技术中往往难以实现。

2.低光条件下工作

SWIR相机能够在低照明条件下工作，包括夜间和光线不足的环境。使得它在需要在黑暗或模糊条件下获取图像的应用中非常有用，例如夜视和安全监控。

TriEye的SEDAR（频谱增强探测和测距）平台将短波红外光源和成像传感器集成于一体，能够对车辆环境进行成像和3D传感，作为目前自主控制系统或高级驾驶辅助系统所采用的激光雷达（LiDAR）的替代方案。

TriEye声称SEDAR平台可在所有天气和照明条件下提供高清成像和确定性3D信息。SEDAR平台与传统激光雷达系统的不同之处在于，其显著更高的分辨率使得能够在更远的距离处检测和分类物体。在短波红外光谱中工作使SEDAR平台能够穿透雾、霾和雨，同时保持对环境噪声的适应能力。此外，该公司表示，SEDAR平台的每像素深度计算方法增强了感知系统准确评估相对距离的能力，并且无需任何移动部件。

二、基于激光照明的短波红外成像

Coherent使用砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和锑化镓（GaSb）材料制造半导体激光二极管，其波长范围涵盖750 nm至3µm的近红外、短波红外和中红外（MIR）光谱。Coherent提供一系列激光二极管架构，包括边缘发射激光器（EEL）和垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。

半导体激光二极管的基本结构

通过对入射出射平面抛光形成法布里-珀罗（F-P）谐振腔，另一对面弄粗糙消除其他方向激光作用。当激光二极管施加正向偏压时，就会产生自发辐射，随着电压上升，在半导体内到达一个阈值电流时，开始发生受激辐射，从PN结就会发射出高定向性激光。

半导体激光器的特性：

改变激光波长：量子阱激光器的受激辐射来自导带中的基态电子和价带中基态空穴的复合，导带和价带中基态间的能极差随势阱宽度而改变，减小势阱宽度课获得短波长激光发射。

阈值电流小：允许带中单位能量间隔内的粒子密度较高，因而达到粒子数反转所需的阈值电流就小。

高温度稳定性：能带之间存在禁带，温度在一定范围内变化时，不可能引起载流子分布的扩展，从而大大提高了激光器工作的稳定性。

高频调制的单模性

提高效率

“与近红外光相比，短波红外光与物质的相互作用不同。”Gerald Dahlmann表示，“这种独特的特性可以增强透过薄雾或灰尘的可见度，使在近红外光谱范围内原本看不见的物体变得可见。

短波红外传感技术给我们带来了许多好处，例如，SEDAR平台在1300 nm至1400 nm的短波红外波长范围内工作，与传统激光雷达系统相比，具有的优势包括改善户外环境中的信噪比、提高眼睛安全性、增强透过雾气或灰尘的可见度等。”

TriEye与Coherent的合作时，Avi Bakal表示：“短波红外传感可以提供定位、测绘、识别、防撞等功能，使我们能够以更加智能的方式与环境进行交互。”

Coherent和TriEye相信他们的合作将为短波红外成像开辟新的应用领域。在机器人应用中，短波红外成像在定位、测绘、避免碰撞和整体安全方面发挥着关键作用。

审核编辑：汤梓红