浅析短波红外与成像系统

　　斗柄东指， 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。

　　自古以来人们对天体就充满好奇，并进行了无尽的探索与记载。

　　目前拥有的摄像机是否能突破时间与空间的限制，实现清晰成像？

　　短波红外成像系统能够实现

　　短波红外（SWIR）

　　SWIR的全称：short-wave length infrared band

　　短波红外，一般波长范围在1.4-3 μm，这个波段包含丰富的物质光谱信息，如：

　　氢氧根、H20、CO2、NH3、H2S等物质的吸收谱；

　　飞行器尾焰的红外辐射；

　　夜空中的月光、星光、大气辉光

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　　短波红外的广泛应用是依赖lnGaAs传感器的发展才逐渐成为现实。相比于碲镉汞（HgCdTe）或者锑化铟（InSb）之类材料制作的传感器需要工作在极低的温度下，InGaAs探测器则可以在室温下达到同样的灵敏度。

　　优 势

　　与MWIR和LWIR相比，SWIR波长较短，SWIR位于近红外（NIR）和长波红外（IR）之间的非可见光光谱中，有利于对比度较强的高分辨率图像，同时，其不受周边环境光弱的影响，也不依赖热发射率，不容易受到环境光线弱的影响，对可见光和其它红外成像方式来说是独特的存在。其成像效果更接近与可见光图像，而不是红外光谱的热能，与可见光相比，具有良好透雾能力。

　　高识别度、高分辨率

　　SWIR成像主要基于目标反射光成像原理，其成像与可见光灰度图像特征相似，成像对比度高，目标细节表达清晰，在目标识别方面，SWIR成像是热成像技术的重要补充。

　　光学配置简便

　　短波红外成像有一个其他技术无可比拟的主要优点，即它能够透过玻璃进行成像。对于短波红外相机来说，SWIR相机不需要特制外壳，只要装配一个保护窗口玻璃即可。这就使得它们的应用范围极其广泛。

　　微光夜视

　　短波红外在夜间光线微弱环境下有较大优势。被称为夜间天空辐亮度的大气现象所发出的光照度比星光强5至7倍，这种光照几乎都处在短波红外波长区，可以说，环境星光和背景辐射（夜光）是 SWIR 的天然发射器。所以，短波红外相机，再加上这种常常被称为夜气辉的夜间光照度，便能够在照明差的夜间很清楚地“看到”目标。

　　除此之外，SWIR相机还有无需低温制冷、尺寸小、功率低等特点。

　　应 用

　　SWIR以其独特的性能有广泛的应用。利用SWIR能为各行各业的客户提供数据，例如激光与通信、天文、生命科学、铁路等等；拥有极强的定量分析能力，能够识别人工材料、火灾扑救、发现矿藏；能广泛应用于军事领域：夜视侦查、遥感控制、红外成像制导……

　　小编挑选其中较为典型的向大家展示一番。

　　矿物识别

　　短波红外波段让精准识别矿物成为可能。根据矿物含量，不同成分会吸收光波的量，从而形成不同的反射率。根据不同的矿物对光波的吸收情况，反映出不同的光谱长度，根据波长探测含有 l-OH、Mg-OH、Fe-OH、Si-OH、碳酸盐、铵以及硫酸盐等离子组的物质，从而判断这些矿区具有哪些矿石。

　　产品的检测和分类

　　在该波长的物体图像中，水几乎是黑色的，因为它在1450纳米和1900纳米都有很强的吸附性。因此，使用合适的光源或过滤器可以清楚地显示受损水果、散装谷物或灌溉良好的作物的水分含量。

　　① 当水果被碰伤时，细胞壁会破裂，该区域的水分含量会更高。水在SWIR范围内吸收许多波段的光。这种吸收使得SWIR成像能够看到肉眼看不到的瘀伤。

　　② 在可见波长上不透明的多种塑料在SWIR范围内变成半透明。这种半透明为检测密封塑料容器内的产品体积提供了新的方法。SWIR光穿透塑料的能力也提供了多种方法来检测白色塑料瓶中物体的填充水平。

　　提供信息

　　通过在SWIR 波段检查绘画，人们可以跟随艺术家从最初的草图到绘画和成品的完善的思维过程。这幅画最初包括香蕉和最终图像中省略的框架。沿着右下方有可见波段中看不到的油漆斑点。以此可以推测也许艺术家开始用不同的材料绘制背景，或改变主意并在以后对这幅画进行了润色。

　　天体观测

　　由于SWIR穿透性强的特点，在天体观测时也发挥了很大的作用。例如，与可见光相机不同，短波红外相机可以透过覆盖火星表面的尘土，拍摄火星土地的细节。

　　半导体检测

　　半导体材料对于能量低、相对波长更长的短波红外光子吸收极少，在此波段内的光能够轻易透过半导体材料；而可见光光子则因具有更高的能量和相对更短的波长被硅材料吸收，无法透过。这使得短波红外在检测半导体材料的品质，硅锭和晶片成品的缺陷或裂纹检测，晶元切割过程中的激光精确对准等方向上大有所为。

　　激光分析

　　激光探测需要对激光的光斑形貌，激光的发射信息，激光经过光路系统后的变化进行捕捉探测以及分析，而由于其不可见性（红外激光）及高重频等特点，需要在红外相机或超高速相机帮助下来进行探测分析。

　　激光器发出的激光中，很大一部分的波长集中落在红外波段内，例如 1064nm，1350nm， 1550nm。常用的光通信波长1550nm，是短波红外最佳探测区域。直接将激光作用在镜头上，相机对光斑进行端面成像，用户就可对光斑进行分析处理。

　　附录-虹科SIRIS短波红外相机

　　虹科SIRIS（短波红外成像系统）是市场上用途最广的SWIR相机，具有高速和超低噪声的性SIRIS提供两种读出模式，即全线性和线性/对数模式，与非破坏性读出（NDRO）相结合，可实现比同产品领先的动态范围。三个可调整的增益水平确保了灵活性，以适应各种照明条件。可实现长达一小时的曝光时间。SIRIS相机在几分钟内就可以使用，这要归功于一个封闭循环的无振动、无维护的太空级认证无制冷剂冷却器。通过全速Cameraink数据接口和C-mount光学接口，可实现标准连接。由于其高尖端的性能，SIRIS是高端科学应用的完美工具，如天体物理观测、超光谱和生物成像、光谱学和半导体故障检测。

　　编辑：jq