光学镜头—短波红外成像镜头
2020-10-08
“黑夜给了我黑色的镜头，我却用它寻找热量”，上期我们谈到了红外热成像镜头，这期我们来说说另一种红外成像镜头—短波红外成像镜头，它不仅能穿透黑暗，还能穿透物体，看到原本肉眼无法看到的现象。
一、短波红外光（SWIR）
光是一种电磁波，如上图所示，0.38－0.76um是可见光谱区，0.76-1000um是红外光谱区；而0.76－3.0um的部分称反射红外光，3.0－18um的部分称发射红外光。短波红外光SWIR位于近红外(NIR)和长波红外(IR)之间的非可见光光谱中，大约0.9－1.7um之间，作用类似于可见光范围内的光子；它的行为更像可见光，而不是红外光谱的热能。SWIR波长虽然较短，但在这个范围内的光子不太容易受到更小直径粒子引起的瑞利散射的影响，因为它们的波长又相对较长，这意味着SWIR光可以透过烟、雾或霾。
二、短波红外成像
与MWIR和LWIR相比，SWIR波长更短，其成像的特征更直观，不像低分辨率的红外热成像，能生成对比度较强的高分辨率图像，SWIR、MWIR和LWIR成像对比如下。
与可见光相比，被动SWIR成像与可见光成像相似，是利用目标物体的反射光而不是目标物体的热辐射，但SWIR波长更长，与原子结构的相互作用也不同，这也提供了一些新的、独特的成像视觉应用。例如半导体晶圆在SWIR光下变得透明，如下图，这将有助于许多与半导体制造过程相关的机器视觉应用。
基于InGaAs焦平面的SWIR成像技术主要具有以下特点。
1) 高识别度：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；
2) 全天候适应：SWIR成像受大气散射作用小，透烟、雾或霾能力较强，有效探测距离远，对气候条件和战场环境的适应性明显优于可见光成像；
3)微光夜视：在大气辉光的夜视条件下，光子辐照度主要分布在1.0-1.8um的SWIR波段范围内，这使得SWIR夜视成像相比于可见光夜视成像而言具有显著的先天优势；可较深的阴影中提取图像细节，并能穿透窗户玻璃进行成像，尤其适合在黑暗处或夜晚使用。
4)隐秘主动成像：在0.9-1.7um波段内，军用激光光源技术成熟(1.06um、1.55um)，这使得SWIR成像在隐秘主动成像应用中具有显著的对比优势；
5)光学配置简便：SWIR光能穿透玻璃，SWIR相机不需要特制外壳，只要装配一个保护窗口玻璃即可，当应用于某种特定平台或场合时，具有极大的灵活性。
短波红外成像由于可以提供可见光成像、微光夜视和红外热成像等常规方式所不能提供的特有目标图像信息，在填补微光夜视和中波红外成像之间的光谱空缺，实现在三个大气红外传输窗口的“无缝隙探测”,获取远距离目标的全面红外图像信息等方面有着重要意义。
三、短波红外成像镜头
短波红外成像镜头也是一种光学镜头，通过透镜组汇聚物体发射的短波红外光到图像传感器上，由芯片进行光电信号的转换，最后形成物体的灰度图像。SWIR镜头类似于可见光镜头，主要由光学玻璃透镜组成，但SWIR成像透镜组必须根据SWIR波长专门设计、优化和制备减反射膜（增透膜），通常要求在700-1900nm波段,透过率>75%，而在900-1700 nm波段,透过率>80%；如果使用设计用于可见光的透镜组进行SWIR成像，会导致低影像分辨率（分辨率大幅下降）和高光学像差（且光学像差变大）。SWIR镜头的透镜组和其它光学元件（滤光片、窗口片等） 可以使用与可见光镜头光学元件相同的制造工艺，因此可降低制造成本。
福特科的SWIR镜头具有多焦距可选（8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm）、大靶面（1英寸靶面）、大通光量（F1.4）、大视场（D25.2*H*V15.2）、宽光谱（T>90%@0.7-1.9um）、低畸变(-0.547%@φ16mm)等特点，可应用于半导体晶片、电子板或太阳能电池检查、夜晚/白天安全监控、激光光能分析、艺术品非破坏性检查、医学成像、生物识别技术、航拍、食品分拣等。
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