Poznámka k aplikaci SWIR zobrazování

Autor: Bryan Ng – marketingový manažer

1. Úvod

Krátkovlnné infračervené (SWIR) světlo je součástí elektromagnetického spektra, obvykle v rozsahu vlnových délek 0.9 μm až 2.5 μm (900 nm až 2500 nm), a proto je pro lidské oko neviditelné.

SWIR světlo však interaguje s objekty podobným způsobem jako viditelné vlnové délky v tom smyslu, že fotony se odrážejí od samotného objektu. V důsledku této reflexní povahy má SWIR světlo v produkovaných obrazech kontrast a stíny, což je nezbytný požadavek pro zobrazování s vysokým rozlišením.

SWIR je na rozdíl od Mid-Wave Infrared (MWIR) a Long-Wave Infrared (LWIR) světla, které je vyzařováno z objektu jako tepelné IR (teplo), a proto má nižší rozlišení a zobrazuje méně detailní snímky.

Vlnové délky SWIR lze pozorovat pouze senzory, jako je indium-gallium-arsenid (InGaAs). Snímky z kamerových senzorů InGaAs jsou co do detailů a rozlišení srovnatelné se snímky ve viditelném světle, ale nejsou barevné. To je jedna z mnoha výhod SWIR, protože umožňuje snadnější rozpoznání a individuální identifikaci objektů.

2. Princip činnosti

K dosažení těchto snímků s vysokým rozlišením je nezbytné použít čočku, která je speciálně navržena a potažena pro rozsah vlnových délek SWIR.

Použití čočky navržené pro viditelné spektrum bude mít za následek snímky s nižším rozlišením a vyšší optické aberace. Vzhledem k tomu, že vlnové délky SWIR jsou propustné přes sklo, lze čočky a další optické komponenty (optické filtry, okna atd.) určené pro SWIR vyrábět pomocí stejných technik, jaké se používají pro viditelné komponenty. To vede ke snížení výrobních nákladů a umožňuje použití ochranných oken a filtrů v optickém systému.

3. Aplikace SWIR zobrazování

SWIR umožňuje velké množství zobrazovacích aplikací SWIR, které je obtížné nebo nemožné provádět pomocí viditelného světla.

3.1 Vidění za slabého osvětlení – Noční vidění

Snímek vlevo byl pořízen dvě hodiny po západu slunce za úplňku ze vzdálenosti 250 metrů. Snímek ve viditelném světle byl pořízen fotoaparátem Canon 5D Mark III s objektivem 115 mm f/4.5, s nucenou expozicí 1/30 sekundy a citlivostí ISO 12800.

Snímek vpravo byl pořízen ze vzdálenosti 250 m, dvě hodiny po západu slunce, za úplňku. Snímek SWIR výše byl pořízen pomocí kamery JSX s vysokým rozlišením 1280×1024. Snímek byl pořízen pomocí objektivu 50 mm f/1.4 optimalizovaného pro SWIR s nastavením expozice 1/30 sekundy. Díky okolnímu záření noční oblohy dokáže kamera SWIR s vysokým ziskem produkovat jasné noční snímky oproti snímkům ve viditelném světle.

3.2 Vidět skrz kouř a oheň

Světlo s delšími vlnovými délkami snáze prochází atmosférickými obskuranty, jako je prach, opar a kouř. Protože pásmo SWIR má delší vlnové délky než viditelné světlo, kamery SWIR dokáží zachytit scény za lehkým kouřem, jak je znázorněno na snímku lesního požáru vpravo.

3.3 Námořní aplikace

Vlevo: Termokamera detekuje teplotní kontrast. Protože plavci mají podobnou teplotu jako voda, snadno splývají s pozadím. Tomu se říká teplotní křížení.

Vpravo: Kamery SWIR detekují odražené světlo podobně jako kamery s viditelným světlem. Vzhledem k vysoké míře absorpce SWIR světla ve vodě vykazuje plavec zobrazený na SWIR snímku vysoký kontrast obrazu, což usnadňuje jeho detekci.

3.4 Detekce převleků

Snímek ve viditelném světle na boku ukazuje herce s umělým ochlupením na obličeji, které je pro kamery pracující s viditelným světlem téměř nepostřehnutelné. Snímek SWIR (vpravo) snadno odhaluje převlek, který herec nosí. Lidské vlasy a přírodní látky (například bavlna) jsou v SWIR vysoce reflexní. Všimněte si, jak se na snímku SWIR setkávají hercovy přirozené vlasy s umělým ochlupením na obličeji, které herec nosí v převleku. Všimněte si také, jak hercův černý oblek a košile vypadají v SWIR bílé.

3.5 Zlepšení výhledu řidiče

Vlevo: Viditelný snímek pořízený z vozidla s vypnutými světlomety za téměř bezměsíčné noci.

Vpravo: SWIR snímek stejné scény pořízený pomocí SWIR iluminátoru, který je pro lidské oko nedetekovatelný. Snímače Kamery Infinity SWIR lze začlenit do platforem vozidel pro zlepšení výhledu řidiče v úplné tmě.

3.5 Vidět skrz sklo

Vlevo: Termální snímek skleněného okna pořízený pomocí dlouhovlnného infračerveného (LWIR) zobrazovače.

Vpravo: SWIR snímání stejné scény. SWIR světlo interaguje s objekty podobně jako viditelné světlo, a tak vytváří známé obrazy skrz skleněná okna. Všimněte si, že auta na parkovišti mají stíny podobné těm, které vytváří kamera snímající viditelné světlo.

3.6 Průmyslová kontrola

Vlevo: Viditelný snímek vodárenské věže pořízený fotoaparátem mobilního telefonu.

Vpravo: SWIR snímek stejné scény. SWIR kamery detekují delší vlnové délky světla než kamery s viditelným světlem, což způsobuje, že se na SWIR snímku objevují různé vrstvy barvy na vodárenské věži.

3.7 Diagnostika komerčních prostor / budov

Vlevo: Viditelný snímek vnitřní stěny komerční budovy pořízený fotoaparátem mobilního telefonu.

Vpravo: Údržba a opravy jsou pro majitele bytových i komerčních budov nákladné. Každá vnitřní i vnější stěna obsahuje pod natřeným povrchem cenné informace. Pomocí infračervených inspekčních kamer můžete rychle identifikovat sloupky a konstrukční prvky a také podrobné informace o elektrických, HVAC, vodovodních a bezpečnostních systémech. Objevte skryté vzorce vlhkosti a identifikujte potenciální instalatérské nebo vnější netěsnosti dříve, než se rozšíří.

3.8 Inspekce potravin

Vlevo: Viditelný a SWIR snímek jablka. SWIR světlo je ve vodě silně absorbováno, takže potlučená část jablka je v SWIR snadno detekovatelná.

Vpravo: Viditelný a SWIR snímek jablka. SWIR světlo je ve vodě silně absorbováno, takže potlučená část jablka je v SWIR snadno detekovatelná.

3.9 Výzkum Tonardo

Vlevo: Základna bouřkového mraku viditelná poblíž Lebanonu v Indianě 15. června 2016.

Vpravo: Základna bouřek SWIR poblíž Lebanonu v Indianě z 15. června 2016, která na snímku SWIR ukazuje vyšší dynamický rozsah a vylepšené detaily textury oblaků.

3.10 Pronikající zatemňovače atmosféry

Kamery SWIR InGaAs jsou schopny zachytit snímky i přes déšť, mlhu, kouř a další obskuranty. Viditelný obraz vlevo nelze detekovat. Kamera SWIR však dokáže vidět i přes atmosférické obskuranty a určit jejich příčinu. Snímek vpravo byl pořízen večer před soumrakem, přibližně 150 metrů nad zemí. Zobrazená vzdálenost je přibližně 1.5 km od kamery.

4. závěr

SWIR zobrazování překlenuje mezeru mezi viditelným a tepelným infračerveným snímáním a poskytuje snímky s vysokým rozlišením a vysokým kontrastem v náročných světelných a environmentálních podmínkách. Díky své všestrannosti je nepostradatelné v průmyslové automatizaci, bezpečnosti, monitorování životního prostředí a vědeckém výzkumu.