Anwendungshinweis zur SWIR-Bildgebung
Autor: Bryan Ng – Marketingmanager
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1. Einleitung
Kurzwelliges Infrarotlicht (SWIR) ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, typischerweise im Wellenlängenbereich von 0.9 μm bis 2.5 μm (900 nm bis 2500 nm) und ist daher für das menschliche Auge unsichtbar.
SWIR-Licht interagiert mit Objekten ähnlich wie sichtbares Licht, indem Photonen vom Objekt selbst reflektiert werden. Aufgrund dieser Reflexionseigenschaft weisen die von SWIR-Licht erzeugten Bilder Kontraste und Schatten auf, die für hochauflösende Bildgebung unerlässlich sind.
SWIR unterscheidet sich von mittelwelligem Infrarotlicht (MWIR) und langwelligem Infrarotlicht (LWIR), das von einem Objekt als thermisches IR (Wärme) emittiert wird und daher eine geringere Auflösung hat und weniger detaillierte Bilder zeigt.
SWIR-Wellenlängen können nur von Sensoren wie Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) erfasst werden. Bilder von InGaAs-Kamerasensoren sind hinsichtlich Detailreichtum und Auflösung mit Bildern im sichtbaren Licht vergleichbar, jedoch nicht farbig. Dies ist einer der vielen Vorteile von SWIR, da Objekte dadurch leichter erkannt und individuell identifiziert werden können.
2. Funktionsprinzip
Um diese hochauflösenden Bilder zu erzielen, ist es unerlässlich, ein Objektiv zu verwenden, das speziell für den SWIR-Wellenlängenbereich entwickelt und beschichtet wurde.
Die Verwendung eines Objektivs, das für das sichtbare Spektrum ausgelegt ist, führt zu Bildern mit niedrigerer Auflösung und höheren optischen Aberrationen. Da SWIR-Wellenlängen durch Glas durchlässig sind, können Linsen und andere optische Komponenten (optische Filter, Fenster usw.), die für SWIR ausgelegt sind, mit den gleichen Techniken hergestellt werden, die für sichtbare Komponenten verwendet werden. Dies führt zu niedrigeren Herstellungskosten und ermöglicht die Verwendung von Schutzfenstern und Filtern innerhalb des optischen Systems.
3. Anwendungen der SWIR-Bildgebung
Eine große Anzahl von SWIR-Bildgebungsanwendungen, die mit sichtbarem Licht schwierig oder unmöglich durchzuführen sind, sind mit SWIR möglich.
3.1 Sehen bei schwachen Lichtverhältnissen – Nachtsicht
Das Bild links wurde zwei Stunden nach Sonnenuntergang in einer Vollmondnacht aus einer Entfernung von 250 Metern aufgenommen. Die Aufnahme im sichtbaren Licht erfolgte mit einer Canon 5D Mark III und einem 115-mm-Objektiv (f/4.5) bei einer Belichtungszeit von 1/30 Sekunde und ISO 12800.
Das Bild rechts wurde in einer Entfernung von 250 m, zwei Stunden nach Sonnenuntergang, bei Vollmond aufgenommen. Die SWIR-Aufnahme oben wurde mit einer hochauflösenden JSX-Kamera (1280 × 1024 Pixel) erstellt. Für die Aufnahme wurde ein 50-mm-Objektiv (f/1.4) mit SWIR-Optimierung und einer Belichtungszeit von 1/30 Sekunde verwendet. Dank der hohen Lichtintensität des Nachthimmels liefert die SWIR-Kamera mit hoher Verstärkung klare Nachtaufnahmen, die besser geeignet sind als Aufnahmen im sichtbaren Licht.
3.2 Durch Rauch und Feuer sehen
Licht mit längeren Wellenlängen durchdringt atmosphärische Trübstoffe wie Staub, Dunst und Rauch leichter. Da der SWIR-Bereich längere Wellenlängen als sichtbares Licht aufweist, können SWIR-Kameras Szenen hinter leichtem Rauch abbilden, wie das Bild des Waldbrandes rechts zeigt.
3.3 Maritime Anwendungen
Links: Eine Wärmebildkamera erfasst den Temperaturkontrast. Da Schwimmer eine ähnliche Temperatur wie das Wasser haben, verschmelzen sie leicht mit dem Hintergrund. Dieses Phänomen wird als thermische Überlappung bezeichnet.
Rechts: SWIR-Kameras erfassen reflektiertes Licht ähnlich wie Kameras für sichtbares Licht. Aufgrund der hohen Absorption von SWIR-Licht im Wasser weist der Schwimmer im SWIR-Bild einen hohen Kontrast auf und ist daher leichter zu erkennen.
3.4 Verkleidungserkennung
Das Bild im sichtbaren Licht (rechts) zeigt einen Schauspieler mit künstlichem Gesichtshaar, das für Kameras im sichtbaren Licht kaum erkennbar ist. Die SWIR-Aufnahme (rechts) entlarvt die Verkleidung des Schauspielers jedoch mühelos. Menschliches Haar und natürliche Stoffe (wie Baumwolle) reflektieren das SWIR-Licht stark. Man erkennt, wie im SWIR-Bild das natürliche Haar des Schauspielers auf das künstliche Gesichtshaar trifft. Außerdem erscheint der schwarze Anzug und das Hemd des Schauspielers im SWIR-Bild weiß.
3.5 Verbesserung der Fahrersicht
Links: Sichtbares Bild, aufgenommen aus einem Fahrzeug mit ausgeschalteten Scheinwerfern in einer nahezu mondlosen Nacht.
Rechts: Eine SWIR-Aufnahme derselben Szene, aufgenommen mit einem für das menschliche Auge unsichtbaren SWIR-Strahler. Die SWIR-Kameras von Sensors Infinity lassen sich in Fahrzeugplattformen integrieren und verbessern so die Sicht des Fahrers bei völliger Dunkelheit.
3.5 Durch Glas sehen
Links: Wärmebild eines Glasfensters, aufgenommen mit einer langwelligen Infrarotkamera (LWIR).
Rechts: SWIR-Aufnahme derselben Szene. SWIR-Licht interagiert mit Objekten ähnlich wie sichtbares Licht und erzeugt so vertraute Bilder durch Glasfenster. Man beachte, dass die Autos auf dem Parkplatz Schatten werfen, die denen einer Kamera für sichtbares Licht ähneln.
3.6 Industrielle Inspektion
Links: Sichtbares Bild des Wasserturms, aufgenommen mit einer Handykamera.
Rechts: SWIR-Aufnahme derselben Szene. SWIR-Kameras erfassen längere Wellenlängen des Lichts als Kameras für sichtbares Licht, wodurch die verschiedenen Farbschichten auf dem Wasserturm im SWIR-Bild sichtbar werden.
3.7 Gewerbliche/Gebäudediagnostik
Links: Sichtbares Bild der Innenwand eines Geschäftsgebäudes, aufgenommen mit einer Handykamera.
Rechts: Instandhaltungs- und Reparaturarbeiten sind für Eigentümer von Wohn- und Gewerbeimmobilien kostspielig. Jede Innen- und Außenwand birgt unter der gestrichenen Oberfläche wertvolle Informationen. Mit Infrarot-Inspektionskameras lassen sich Ständer und Bauelemente schnell identifizieren, und es entstehen detaillierte Informationen über Elektro-, Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, Wasser- und Sicherheitssysteme. Entdecken Sie versteckte Feuchtigkeitsmuster und erkennen Sie potenzielle Leckagen an Rohrleitungen oder der Außenfassade, bevor sie sich ausbreiten.
3.8 Lebensmittelinspektion
Links: Bild eines Apfels im sichtbaren und im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR). SWIR-Licht wird in Wasser stark absorbiert, wodurch die Druckstelle des Apfels im SWIR-Bereich gut erkennbar ist.
Rechts: Bild eines Apfels im sichtbaren und im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR). SWIR-Licht wird in Wasser stark absorbiert, wodurch die Druckstelle des Apfels im SWIR-Bereich gut erkennbar ist.
3.9 Tonardo-Forschung
Links: Die Basis einer Gewitterwolke, sichtbar in der Nähe von Lebanon, Indiana, am 15. Juni 2016.
Rechts: SWIR-Gewitterbasis in der Nähe von Lebanon, Indiana, am 15. Juni 2016, die einen höheren Dynamikbereich und verbesserte Wolkenstrukturdetails im SWIR-Bild zeigt.
3.10 Durchdringende atmosphärische Trübungsmittel
SWIR-InGaAs-Kameras können Bilder durch Regen, Dunst, Rauch und andere Sichtbehinderungen hindurch aufnehmen. Das sichtbare Bild links ist nicht erkennbar. Die SWIR-Kamera kann jedoch durch atmosphärische Hindernisse hindurchsehen und die Ursache ermitteln. Das Bild rechts wurde am Abend vor der Dämmerung in etwa 150 Metern Höhe aufgenommen. Die hier angegebene Entfernung beträgt etwa 1.5 Kilometer von der Kamera.
4. Fazit
Die SWIR-Bildgebung schließt die Lücke zwischen sichtbarem und thermischem Infrarotbereich und liefert hochauflösende, kontrastreiche Bilder auch unter schwierigen Licht- und Umgebungsbedingungen. Ihre Vielseitigkeit macht sie unverzichtbar für die industrielle Automatisierung, die Sicherheitstechnik, die Umweltüberwachung und die wissenschaftliche Forschung.
