光學鏡頭—短波紅外成像鏡頭

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光學鏡頭—短波紅外成像鏡頭

2020-10-08

引言

“黑夜給了我黑色的鏡頭，我卻用它尋找熱量”，上期我們談到了紅外熱成像鏡頭，這期我們來說說另一種紅外成像鏡頭—短波紅外成像鏡頭，它不僅能穿透黑暗，還能穿透物體，看到原本肉眼無法看到的現象。

一、短波紅外光（SWIR）

光是一種電磁波，如上圖所示，0.38－0.76um是可見光譜區，0.76-1000um是紅外光譜區；而0.76－3.0um的部分稱反射紅外光，3.0－18um的部分稱發射紅外光。短波紅外光SWIR位于近紅外(NIR)和長波紅外(IR)之間的非可見光光譜中，大約0.9－1.7um之間，作用類似于可見光范圍內的光子；它的行為更像可見光，而不是紅外光譜的熱能。SWIR波長雖然較短，但在這個范圍內的光子不太容易受到更小直徑粒子引起的瑞利散射的影響，因為它們的波長又相對較長，這意味著SWIR光可以透過煙、霧或霾。

二、短波紅外成像

與MWIR和LWIR相比，SWIR波長更短，其成像的特征更直觀，不像低分辨率的紅外熱成像，能生成對比度較強的高分辨率圖像，SWIR、MWIR和LWIR成像對比如下。

與可見光相比，被動SWIR成像與可見光成像相似，是利用目標物體的反射光而不是目標物體的熱輻射，但SWIR波長更長，與原子結構的相互作用也不同，這也提供了一些新的、獨特的成像視覺應用。例如半導體晶圓在SWIR光下變得透明，如下圖，這將有助于許多與半導體制造過程相關的機器視覺應用。

基于InGaAs焦平面的SWIR成像技術主要具有以下特點。
1) 高識別度：SWIR成像主要基于目標反射光成像原理，其成像與可見光灰度圖像特征相似，成像對比度高，目標細節表達清晰，在目標識別方面，SWIR成像是熱成像技術的重要補充；
2) 全天候適應：SWIR成像受大氣散射作用小，透煙、霧或霾能力較強，有效探測距離遠，對氣候條件和戰場環境的適應性明顯優于可見光成像；
3)微光夜視：在大氣輝光的夜視條件下，光子輻照度主要分布在1.0-1.8um的SWIR波段范圍內，這使得SWIR夜視成像相比于可見光夜視成像而言具有顯著的先天優勢；可較深的陰影中提取圖像細節，并能穿透窗戶玻璃進行成像，尤其適合在黑暗處或夜晚使用。
4)隱秘主動成像：在0.9-1.7um波段內，軍用激光光源技術成熟(1.06um、1.55um)，這使得SWIR成像在隱秘主動成像應用中具有顯著的對比優勢；
5)光學配置簡便：SWIR光能穿透玻璃，SWIR相機不需要特制外殼，只要裝配一個保護窗口玻璃即可，當應用于某種特定平臺或場合時，具有極大的靈活性。

短波紅外成像由于可以提供可見光成像、微光夜視和紅外熱成像等常規方式所不能提供的特有目標圖像信息，在填補微光夜視和中波紅外成像之間的光譜空缺，實現在三個大氣紅外傳輸窗口的“無縫隙探測”,獲取遠距離目標的全面紅外圖像信息等方面有著重要意義。

三、短波紅外成像鏡頭

短波紅外成像鏡頭也是一種光學鏡頭，通過透鏡組匯聚物體發射的短波紅外光到圖像傳感器上，由芯片進行光電信號的轉換，最后形成物體的灰度圖像。SWIR鏡頭類似于可見光鏡頭，主要由光學玻璃透鏡組成，但SWIR成像透鏡組必須根據SWIR波長專門設計、優化和制備減反射膜（增透膜），通常要求在700-1900nm波段,透過率>75%，而在900-1700 nm波段,透過率>80%；如果使用設計用于可見光的透鏡組進行SWIR成像，會導致低影像分辨率（分辨率大幅下降）和高光學像差（且光學像差變大）。SWIR鏡頭的透鏡組和其它光學元件（濾光片、窗口片等）可以使用與可見光鏡頭光學元件相同的制造工藝，因此可降低制造成本。
福特科的SWIR鏡頭具有多焦距可選（8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm）、大靶面（1英寸靶面）、大通光量（F1.4）、大視場（D25.2*H*V15.2）、寬光譜（T>90%@0.7-1.9um）、低畸變(-0.547%@φ16mm)等特點，可應用于半導體晶片、電子板或太陽能電池檢查、夜晚/白天安全監控、激光光能分析、藝術品非破壞性檢查、醫學成像、生物識別技術、航拍、食品分揀等。