fbpx
Назад
28 апреля, 2021

SWIR-камеры

На долю видимого излучения приходится лишь малая часть электромагнитного спектра. Для расширения восприятия окружающего мира человек научился использовать и другие диапазоны. В частности, для регистрации теплового излучения тел применяется инфракрасный диапазон.

Его делят на пять частей:

  • ближний (0,75 — 1 мкм);
  • коротковолновый (1 — 1,7 мкм);
  • средневолновый (3 — 5 мкм);
  • длинноволновый (8 — 15 мкм);
  • дальний (15 — 1000 мкм).

 

Излучение коротковолнового инфракрасного диапазона является отраженным, а не собственным тепловым излучением объектов. В этом оно более приближено к видимому и позволяет получить привычную картину, пусть и в черно-белом свете.

Аббревиатура SWIR расшифровывается как «short wave infrared» и обозначает устройства, диапазон чувствительности матрицы которых находится в районе 0,9 — 1,7 мкм.

 

 

Как устроена SWIR-камера

 

Максимум спектральной чувствительности кремниевых матриц находится в районе 800 нм, поэтому в SWIR-камерах в качестве сенсоров используют матрицы из InGaAs (арсенид индия-галлия). Существуют и другие типы матриц: например, из теллурида кадмия-ртути (HgCaTe). Но они требуют для работы охлаждения жидким азотом или элементами Стирлинга, что резко сужает область применения.

 

Спектральная чувствительность сенсоров из кремния и InGaAs

 

Сенсор на основе InGaAs состоит из нескольких слоев:

  1. Слой InGaAs.
  2. Слой атомов индия.
  3. КМОП-схема (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник).

 

Излучение поступает на матрицу через объектив, для которого может использоваться та же оптика, что и в камерах, работающих в видимом или ближнем ИК диапазонах. Система охлаждения, как правило, не требуется, либо используется термоэлектрическое охлаждение на базе элемента Пельтье.

Принцип работы камеры прост: отраженные от объектов фотоны через объектив попадают на слой арсенида индия-галлия и вызывают инжекцию электронов. Электроны через слой индия попадают на КМОП-сенсор, который формирует изображение.

SWIR-камеры отличаются сложностью в производстве, поскольку сборка детектора осуществляется с использованием нескольких материалов и включает в себя ряд этапов. В настоящее время не существует технологии, которая позволяла бы с требуемой точностью соединить светочувствительный модуль с модулем считывания. Поэтому довольно высок процент брака, изображение нередко нуждается в корректировке, а сами устройства дороги в производстве.

 

 

Достоинства SWIR-камер

 

Несмотря на сложность в изготовлении, в настоящее время SWIR-камеры активно используются, поскольку обладают целым рядом преимуществ и для ряда задач являются незаменимыми устройствами. 

Преимущества SWIR-камер:

  1. Возможность распознавать объекты в условиях ограниченной видимости. SWIR-камеры способны видеть сквозь дождь, туман, пыль, в условиях естественного освещения луной, звездами и солнцем. ИК-камеры других спектральных диапазонов улавливают тепловую сигнатуру наблюдаемых объектов на средних и дальних дистанциях, но плохо распознают цели и лица. SWIR-камере достаточно даже слабого освещения или инфракрасной подсветки, чтобы сформировать детализированное изображение.

 

Съемка SWIR-камерой (слева) и обычной камерой (справа). Источник фото: Фомин Ф.В. Современное состояние и перспективы развития зарубежных ИК-систем. Аналитический обзор. М.: ЗАО «МНИТИ», 2018

  

  1. Высокая чувствительность. Матрица SWIR-камеры позволяет регистрировать буквально одиночные фотоны, поэтому даже слабого освещения достаточно для формирования изображения. Подходит для круглосуточного наблюдения, а в пасмурную погоду или в другой ситуации, когда естественного освещения недостаточно, можно использовать скрытую ИК-подсветку.
  2. Пик спектральной чувствительности 1550 нм. Именно такое излучение циркулирует в телекоммуникационных сетях, что позволяет использовать SWIR-камеры для визуализации сигнала.
  3. Компактность и малый вес обеспечивают возможность установки SWIR-камер на беспилотные летательные аппараты (БПЛА).
  4. Отсутствие необходимости в охлаждении. За счет этого работают бесшумно и не требуют подведения хладагента.
  5. Небольшое потребление электроэнергии.

 

 

Применение SWIR-камер

 

Коротковолновый инфракрасный диапазон позволяет получить много дополнительной информации об окружающем мире. С появлением SWIR-камер возможности человека по визуализации окружающего пространства существенно расширились, а сами камеры стали применяться в самых разнообразных сферах: от военной до бытовой.

 

 

Ночное видение

 

Камеры видимого диапазона бессильны в ночное время, а устройства для средне- и длинноволнового диапазонов позволяют проводить обнаружение, а не идентификацию (за исключением ситуаций, когда тепловая сигнатура цели имеет характерный вид). SWIR-камеры прекрасно дополняют камеры прочих диапазонов, позволяя увидеть ночью то же, что и в видимом диапазоне днем.

 

 

Обнаружение лазерных целеуказателей

 

Лазерная подсветка целей давно и успешно используется в военной сфере для определения дальности и срытого наведения оружия. Наиболее распространенные длины волн для лазерных целеуказателей: 850, 1060 и 1550 нм. SWIR-камеры способны регистрировать все три.

 

 

Фиксация выстрела

 

Как правило, для этих целей используются акустические сенсоры, но они могут быть дополнены SWIR-детектором, который способен зарегистрировать образующиеся при выстреле горячие частицы и газы намного быстрее своего акустического конкурента.

 

 

Ведение разведки

 

Установка SWIR-камер на БПЛА и самолетах позволяет вести круглосуточную разведку и наблюдение. Обычный камуфляж менее эффективен в этом диапазоне, что открывает широкие возможности по обнаружению замаскированных целей.

 

 

Аутентификация банкнот 

 

С помощью излучения SWIR-диапазона можно видеть сквозь материалы, поглощающие видимый свет. Это применяется, например, для проверки подлинности банкнот или произведений искусства. В частности, используемые в живописи краски прозрачны для коротковолнового инфракрасного диапазона, что позволяет разглядеть карандашный набросок и распознать подделку.

 

 

Измерение влажности

 

Излучение с длиной волны 1,45 — 1,9 мкм хорошо поглощается водой. Это позволяет контролировать уровень наполненности непрозрачных емкостей, степени увлажненности различных материалов и других исследований, связанных определением содержания жидкости.

Также SWIR-камеры находят применение в сельскохозяйственной сфере для контроля качества продукции. В испорченных овощах и фруктах под кожурой содержится больше влаги, чем в свежих. И если человеческий взгляд не в состоянии определить разницу, то коротковолновой инфракрасной камере это под силу.

 

Так выглядит испорченный плод для человеческого глаза (слева) и для SWIR-камеры (справа). Источник фото: Птицын А. Что мы видим, а что не видим (НПК «Фотоника»)

 

 

Спектральный анализ

 

С помощью SWIR-камер можно контролировать качество кремниевых подложек для солнечных батарей на всем протяжении производственного цикла, поскольку максимум фотолюминесценции кремния приходится на 1150 нм, и это излучение хорошо улавливается InGaAs-матрицей. Мало того, кремний не прозрачен на этой длине волны, что позволяет дополнительно проконтролировать качество металлических покрытий и контактов.

 

Также спектральный SWIR-анализ используется в химии для:

  • структурного анализа неизвестных веществ;
  • определение концентрации примесей посредством количественного анализа;
  • химиометрики;
  • квалификации химических реактивов;
  • сортировки пластика.

 

 

Ситуация на рынке SWIR-оборудования

 

Согласно проведенному фирмой Esticast Research & Consulting исследованию, в период 2018 — 2025 гг. рынокSWIR-камер будет расти в среднем на 7,1% в год. Они играют важную роль в обеспечении безопасности, наблюдениях за лесными пожарами, в сельском хозяйстве, военной сфере, обеспечении машинного зрения и других областях.

 Поэтому крупнейшие поставщики SWIR-камер вкладывают немалые средства в проведение научно-исследовательских работ по повышению качества матриц на основе InGaAs, удешевлению и ускорению их производства.

 Напряженная обстановка в мире и вызовы, с которыми приходится сталкиваться службам безопасности, будут только подогревать интерес к этим системам. Поэтому рост рынка ожидается не только в США, но и в азиатских странах, особенно в Индии и Китае.

Прогноз оборота рынка SWIR-камер с экстраполяцией на 2019-2022 год (по данным 2018 года). Источник изображения: https://astrohn.ru/2018/06/22/swir/

 

На рынке SWIR-оборудования представлены модели многих известных брендов. Например, одним из ведущих китайских производителей оборудования для коротковолнового инфракрасного диапазона является компания Guohui OPTOelectronic (GHOPTO). Она специализируется на изготовлении высококачественных SWIR-камер с разрешением от 640x512 пикселей

В каталоге ООО «Лазерные компоненты» представлено несколько моделей из линейки камер GHOPTO:

  • SWIR GH-SW1280-GIGE;
  • SWIR GH-SWCL-15;
  • SWIR GH-SWU2;
  • SWIR GH-SWU3.

 

Все модели отличает компактность, низкое энергопотребление и высокое качество изображения. Возможность расширения диапазона чувствительности до 0,4 — 1,9 мкм позволяет существенно расширить их возможности и применять как на БПЛА в условиях дыма или тумана, так и для ведения круглосуточного видеонаблюдения или научных исследований.

 

 

Заключение

 

Камеры SWIR-диапазона обладают таким широким спектром применения, что будут востребованы на рынке всегда. В настоящее время спрос даже превышает предложение, и продажи камер постоянно растут. Потребность в безопасности, контроле качества продукции, проверке подлинности произведений искусства и денежных знаков, обеспечении видимости в сложных погодных условиях и других областях применения SWIR-детекторов будет всегда, что делает этот рынок привлекательным для инвестиций и вынуждает производителей совершенствовать выпускаемое оборудование. Такая ситуация позволяет им инвестировать большие объемы средств в проведение исследований и повышение качества матриц на основе InGaAs.

Если у вас возникла необходимость купить SWIR-камеру, то вы можете проконсультироваться с сотрудниками ООО «Лазерные компоненты» и подобрать подходящую модель из нашего каталога.  Обращайтесь по телефону +7 (499) 283-19-57 или пишите на почту sales@lasercomponents.ru