fbpx
Назад
29 июня, 2021

SWIR камеры. Общий обзор по применению.

  • Камеры SWIR

Визуализация в коротковолновом инфракрасном диапазоне (SWIR) может быть полезна в ситуациях и приложениях, где камеры видимого или тепловизионного изображения неэффективны.  

В статье дается определение технологии коротковолнового инфракрасного излучения (SWIR) и обсуждаются общие вопросы по применению SWIR камер. Упомянутые общие вопросы будут включать себя контроль непрерывных процессов, таких как высокотемпературные производственные процессы, очистка и сортировка сельскохозяйственного сырья, переработка пластмасс для автомобилей и потребительских товаров, а также технология получения изображений различных биологических объектов, спектральная оптическая когерентная томография.

  

 

Введение

 

Коротковолновое инфракрасное излучение (SWIR) может быть определено как часть электромагнитного спектра с диапазоном длин волн от 0,9 до 1,7 мкм. Для работы в таком диапазоне спектра могут применяться фотоприёмники на основе германия (Ge), арсенида галлия-индия (InGaAs), антимонида индия (InSb), а также КРТ (MCT). Наиболее эффективными для использования в системах визуализации оказались фотоприёмники на основе InGaAs из-за своей высокой квантовой эффективности и низкого темнового тока при комнатной температуре.

 

Коротковолновый ИК-диапазон 

 

Электромагнитный спектр охватывает следующие диапазоны излучения: гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолет, видимый свет, инфракрасный, миллиметровый, микроволны и, наконец, радиоволны.

Инфракрасное излучение определяется как часть спектра с длинами волн больше, чем воспринимает человеческий глаз, примерно на 0,7 мкм, но короче, чем у субмиллиметрового диапазона, который номинально начинается с 300 нм.

Разные участки инфракрасного спектра, показанные на Рис.1 определяются комбинацией окон прозрачности атмосферы. Поглощение водяного пара и СО2 достаточно сильное в широком диапазоне.

 

Окна прозрачности атмосферы Земли
Рис.1 Окна прозрачности атмосферы Земли

 

Например, средневолновое инфракрасное излучение (MWIR) относится к области от 3 до 5 микрон, где используются как криогенно охлажденный фотоприёмник на основе InSb, так и HgCdTe; а длинноволновый инфракрасный диапазон (LWIR) - это область между 8 и 14 микронами, в которой используются фотоприёмники на основе HgCdTe и неохлаждаемые микроболометры. Фотоприёмники на основе  InSb и HgCdTe также могут быть изготовлены для работы в диапазоне до 1 мкм для использования в коротковолновой инфракрасной области, но с высокими затратами и фильтрами для ограничения помех от более длинноволнового излучения.

Фотоприёмники на основе InGaAs обеспечивают максимальную обнаружительную способность D* по сравнению с другими, которые могут использоваться в этом диапазоне длин волн. Поэтому ИК-камеры SWIR диапазона широко используются не только в системах наблюдения, но и в специальных системах технического зрения, например, сортировка переработанного пластика, контроль  сельскохозяйственной продукции для устранения загрязнений, камнями или частями упаковки, а также сортировка по уровню влажности или содержанию жира. Также ИК-камеры SWIR диапазона применяются для контроля  качества фармацевтической продукции до и после упаковки.

Хотя поглощение влагой сильно увеличивается в зависимости от длины волны, существует также много относительно прозрачных областей, например, на длинах волн  1,31 и 1,55 мкм. Поэтому ИК-камеры SWIR диапазона часто используются для наблюдения за невидимым лазерным светом для профилей луча, а также для проектирования и проверки оптических волноводов.

Ночное видение в безлунные ночи также возможно в SWIR диапазоне.

Излучение ночного неба позволяют вести наблюдение при получении изображений с помощью высококачественных матриц InGaAs с низким темновым током при комнатной температуре.

При использовании SWIR камер в системах целеуказания важно видеть выбранную цель на фоне окружающей среды. Использование в таких системах более мощного «безопасного для глаз» лазера с длиной волна 1,06 мкм предъявило новые требования к устройствам ночного видения. Камера SWIR диапазона GHOPTO  GH-SWU2 позволяет наблюдать такие лазеры на фоне окружающей обстановки (Рис.2).

 

Изображение пятна засветки лазерного дальномера с длиной волны 1,06 мкм. Изображение пятна засветки получено при помощи SWIR камеры GHOPTO GH-SWU2.
Рис. 2 Изображение пятна засветки лазерного дальномера с длиной волны 1,06 мкм. Изображение пятна засветки получено при помощи SWIR камеры GHOPTO GH-SWU2.

 

Еще одним преимуществом  SWIR-камер является их способность видеть дальше сквозь дымку по сравнению с устройствами визуализации видимого диапазона из-за уменьшения рассеяния по мере увеличения длины волны света (см. Рис. 3).

 

Сравнение изображений ТВ-камеры и SWIR камеры GHOPTO GH-SWU2 через туман. На изображении показаны два изображения, слева – ТВ-камера, справа – SWIR камера с объективом f=300 мм
Рис. 3 Сравнение изображений ТВ-камеры и SWIR камеры GHOPTO GH-SWU2 через туман. На изображении показаны два изображения, слева – ТВ-камера, справа – SWIR камера с объективом f=300 мм

 

Подобные эффекты рассеяния могут наблюдаться в биологических тканях, полупроводниках и печатных платах. Излучение с более длинной волной проникает глубже, чем излучение с короткой волной. Относительно новый метод получения изображений высокого разрешения в непрозрачных или полупрозрачных материалах, называемый оптической когерентной томографией (ОКТ) также начал использовать длины волн SWIR для увеличения глубины проникновения.

В офтальмологии для ОКТ-визуализации центра роговицы и сетчатки обычно используется излучение с максимумом длины волны 0,84 мкм. Однако периферия роговицы непрозрачна из-за рассеяния света, что не позволяет при диагностике обнаружить потенциальную причину глаукомы там, где роговица пересекается с радужной оболочкой. Переход излучателя на длину волны 1,04 мкм позволит  системам ОКТ на основе SWIR камер отображать это; осматривать сетчатку, даже если катаракта затуманивает хрусталик глаза; проводить осмотр кровеносных сосудов под сетчаткой для её исследования.

Для бесконтактной визуализации тканей кожи и внутренних органов при помощи SWIR камер можно использовать источники света с длиной волны 1,3 мкм для увеличения проникновения. Для промышленных применений, где водопоглощение не ограничивает глубину проникновения, источник света длиной в  1,55 мкм позволит проникнуть еще глубже в исследуемый материал для визуализации пустот или каких-либо других дефектов. На Рис.4 показан обнаруженный дефект при производстве солнечной батареи.

 

Пример изображения панели солнечной батареи. Слева показано изображение солнечной батареи, полученной при помощи ТВ-камеры, справа – изображение, полученное со SWIR камеры GHOPTO GH-SWU2, синим цветом показан обнаруженный дефект при производстве солнечной батареи.
Рис.4 Пример изображения панели солнечной батареи. Слева показано изображение солнечной батареи, полученной при помощи ТВ-камеры, справа – изображение, полученное со SWIR камеры GHOPTO GH-SWU2, синим цветом показан обнаруженный дефект при производстве солнечной батареи.

  

Еще одно биомедицинское применение, открывающееся для SWIR  камер – определение местоположения вены для проведения внутривенных инъекций или переливания крови. Хотя медсестры в основном находят вены на ощупь, иногда бывает трудно найти подходящие места у пожилых или маленьких пациентов, а также в условиях поля боя. На Рис. 5 показан пример изображения вен в SWIRдиапазоне.

 

Пример изображение вен полученных SWIR камерой GHOPTO  GH-SWU2 с объективом Computar f=25 мм. Изображение получено при естественном освещении без подсветки
Рис.5 Пример изображение вен полученных SWIR камерой GHOPTO  GH-SWU2 с объективом Computar f=25 мм. Изображение получено при естественном освещении без подсветки

 

 

Камеры и фотоприёмники

Поскольку фотоприёмники на основе InGaAs имеют лучшую обнаружительную  способность для построения изображений в SWIR диапазоне, в этой статье показаны результаты разработок матричных (2D) фотоприёмников на основе  InGaAs, а также с камерами, использующими эти матрицы. Наиболее значительными улучшениями за последнее время для коммерчески доступных продуктов GHOPTO являются:

  • Расширение диапазона длин волн высокочувствительных матриц на основе InGaAs до длин волн менее 0,8 мкм, охватывающего диапазон ближнего ИК-диапазона.
  • Новая интегральная схема считывания (ROIC) и фотоприёмник, обеспечивающая разрешение 1280 x 1024 пикселей.
  • Модульная конструкция компактной камеры добавила новые функции и форматы, включая форматы 640 x 512 и 1280 х 1024 пикселей в OEM-модуле, который имеет размеры 65 x 64,5 x 58 мм и вес менее 200 граммов. На этой платформе имеется несколько  коммерческих моделей с цифровыми (USB 2.0, USB 3.0, Camera Link и GigE) и аналоговым интерфейсом.

 

SWIR камера GHOPTO GH-SWU2
Рис. 6 SWIR камера GHOPTO GH-SWU2

 

 

SWIR/VisNIR камеры

 

Семейство высокопроизводительных SWIR камер производства компании GHOPTO основаны на фотоприёмнике InGaAs с разрешением 640 х 512 пикселей и 1280 х 1024 пикселей. Спектральный диапазон камер может быть как 0,9 – 1,7 мкм – SWIR, так и 0,4 – 1,7 мкм – VisNIR. Спектральные характеристики представлены ниже на Рис. 7 и Рис.8.

 

Спектральные характеристики SWIR
Рис. 7 Спектральные характеристики SWIR (слева) и VisNIR (справа) камер GHOPTO.

 

Одними из самых популярных моделей SWIR камер GHOPTO являются камеры с детектором 640 х 512 пикселей. Есть несколько вариантов исполнения таких камер: с интерфейсами USB 2.0, USB 3.0, Camera Link, GigE и аналоговым видеовыходом.

Все камеры отличаются высокой чувствительностью в диапазоне SWIR и VisNIR, камеры отлично подходят для различных приложений: видеонаблюдение, применение в системах безопасности, машинное зрение и мониторинг технологических процессов, контроль профиля лазерного пучка, неразрушающий контроль, контроль кремниевых пластин,  научные исследования и получение гиперспектральных изображений.

Все камеры имеют встроенный охладитель Пельтье для обеспечения низкокого темнового тока.

Кроме того, камеры имеют встроенные алгоритмы обработки изображений, различные режимы усиления и коррекции, которые позволяют улучшить получаемое изображение.    

 

 

Выводы

 

Расширение спектрального диапазона до 0,4 – 1,7 мкм позволило повысить качество изображения для систем наблюдения. Области применения SWIR камер продолжают расширяться и технические характеристики камер также постоянно улучшаются производителями, при этом SWIR  камеры всё больше находят своё применение как в промышленности, так и в военной сфере.

Каталог SWIR-камер

Рекомендованные товары