Σημείωση εφαρμογής απεικόνισης SWIR

Συγγραφέας: Bryan Ng – Διευθυντής Μάρκετινγκ

1. Εισαγωγή

Το υπέρυθρο φως βραχέων κυμάτων (SWIR) αποτελεί μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, συνήθως στην περιοχή μήκους κύματος από 0.9 μm έως 2.5 μm (900nm έως 2500nm) και ως εκ τούτου είναι αόρατο στο ανθρώπινο μάτι.

Ωστόσο, το φως SWIR αλληλεπιδρά με τα αντικείμενα με παρόμοιο τρόπο με τα ορατά μήκη κύματος, καθώς τα φωτόνια ανακλώνται από το ίδιο το αντικείμενο. Ως αποτέλεσμα αυτής της ανακλαστικής φύσης, το φως SWIR έχει αντίθεση και σκιές στις εικόνες που παράγει, οι οποίες αποτελούν απαραίτητη προϋπόθεση για την απεικόνιση υψηλής ανάλυσης.

Το SWIR είναι σε αντίθεση με το υπέρυθρο φως μεσαίου κύματος (MWIR) και το υπέρυθρο φως μεγάλου κύματος (LWIR), το οποίο εκπέμπεται από ένα αντικείμενο ως θερμικό IR (θερμότητα) και επομένως έχει χαμηλότερη ανάλυση και δείχνει λιγότερο λεπτομερείς εικόνες.

Τα μήκη κύματος SWIR είναι ορατά μόνο από αισθητήρες όπως το Ινδιο-Γάλλιο-Αρσενίδιο (InGaAs). Οι εικόνες από τους αισθητήρες κάμερας InGaAs είναι συγκρίσιμες σε λεπτομέρεια και ανάλυση με τις εικόνες ορατού φωτός, αλλά δεν είναι έγχρωμες. Αυτό είναι ένα από τα πολλά πλεονεκτήματα του SWIR, καθώς επιτρέπει την ευκολότερη αναγνώριση και την ατομική αναγνώριση των αντικειμένων.

2. Αρχή Λειτουργίας

Για να επιτύχετε αυτές τις εικόνες υψηλής ανάλυσης, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε έναν φακό που είναι ειδικά σχεδιασμένος και επικαλυμμένος για το εύρος μήκους κύματος SWIR.

Η χρήση φακού σχεδιασμένου για το ορατό φάσμα θα έχει ως αποτέλεσμα εικόνες χαμηλότερης ανάλυσης και υψηλότερες οπτικές εκτροπές. Δεδομένου ότι τα μήκη κύματος SWIR μεταδίδονται μέσω γυαλιού, τότε οι φακοί και άλλα οπτικά εξαρτήματα (οπτικά φίλτρα, παράθυρα κ.λπ.) που έχουν σχεδιαστεί για SWIR μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας τις ίδιες τεχνικές που χρησιμοποιούνται για ορατά εξαρτήματα. Αυτό οδηγεί σε χαμηλότερο κόστος κατασκευής και επιτρέπει τη χρήση προστατευτικών παραθύρων και φίλτρων εντός του οπτικού συστήματος.

3. Εφαρμογές απεικόνισης SWIR

Ένας μεγάλος αριθμός εφαρμογών απεικόνισης SWIR που είναι δύσκολο ή αδύνατο να εκτελεστούν χρησιμοποιώντας ορατό φως είναι εφικτός χρησιμοποιώντας SWIR.

3.1 Όραση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού – Νυχτερινή όραση

Η εικόνα στα αριστερά τραβήχτηκε δύο ώρες μετά τη δύση του ηλίου, μια νύχτα με πανσέληνο, σε απόσταση 250 μέτρων. Η εικόνα ορατού φωτός τραβήχτηκε χρησιμοποιώντας μια Canon 5D Mark III με φακό 115mm f/4.5, με εξαναγκασμένη έκθεση 1/30 του δευτερολέπτου και ISO 12800.

Η εικόνα στα δεξιά τραβήχτηκε σε απόσταση 250 μέτρων, δύο ώρες μετά τη δύση του ηλίου, μια νύχτα με πανσέληνο. Η παραπάνω απεικόνιση SWIR τραβήχτηκε χρησιμοποιώντας μια κάμερα JSX υψηλής ευκρίνειας 1280×1024. Η εικόνα τραβήχτηκε χρησιμοποιώντας έναν φακό 50mm f/1.4 βελτιστοποιημένο για SWIR με ρύθμιση έκθεσης 1/30 του δευτερολέπτου. Λόγω της περιβαλλοντικής ακτινοβολίας του νυχτερινού ουρανού, η κάμερα SWIR υψηλής απολαβής μπορεί να παράγει καθαρές νυχτερινές εικόνες σε σχέση με τις εικόνες ορατού φωτός.

3.2 Βλέποντας μέσα από καπνό και φωτιά

Το φως με μεγαλύτερα μήκη κύματος μπορεί να περάσει πιο εύκολα μέσα από ατμοσφαιρικά σκιώδη στοιχεία όπως σκόνη, ομίχλη και καπνό. Επειδή η ζώνη SWIR έχει μεγαλύτερα μήκη κύματος από το ορατό φως, οι κάμερες SWIR μπορούν να απεικονίσουν σκηνές πίσω από ελαφρύ καπνό, όπως φαίνεται στην εικόνα δασικής πυρκαγιάς στα δεξιά.

3.3 Ναυτιλιακές Εφαρμογές

Αριστερά: Μια θερμική κάμερα ανιχνεύει την αντίθεση θερμοκρασίας. Επειδή οι κολυμβητές έχουν παρόμοια θερμοκρασία με το νερό, μπερδεύονται εύκολα με το φόντο. Αυτό ονομάζεται θερμική διασταύρωση.

Δεξιά: Οι κάμερες SWIR ανιχνεύουν το ανακλώμενο φως παρόμοια με τις κάμερες ορατού φωτός. Λόγω του υψηλού ρυθμού απορρόφησης του φωτός SWIR στο νερό, ο κολυμβητής που φαίνεται στην απεικόνιση SWIR παρουσιάζει υψηλή αντίθεση εικόνας, γεγονός που καθιστά ευκολότερη την ανίχνευσή του.

3.4 Ανίχνευση απόκρυψης

Η εικόνα ορατού φωτός στο πλάι δείχνει έναν ηθοποιό που φοράει τεχνητές τρίχες προσώπου, οι οποίες είναι σχεδόν μη ανιχνεύσιμες από τις κάμερες ορατού φωτός. Η απεικόνιση SWIR (δεξιά) αναιρεί εύκολα τη μεταμφίεση που φοράει ο ηθοποιός. Τα ανθρώπινα μαλλιά και τα φυσικά υφάσματα (όπως το βαμβάκι) είναι ιδιαίτερα ανακλαστικά στο SWIR. Παρατηρήστε πώς στην απεικόνιση SWIR, τα φυσικά μαλλιά του ηθοποιού συναντούν τις τεχνητές τρίχες προσώπου που φοριούνται στη μεταμφίεση. Σημειώστε επίσης πώς το μαύρο κοστούμι και το πουκάμισο του ηθοποιού φαίνονται λευκά στο SWIR.

3.5 Βελτίωση Όρασης Οδηγού

Αριστερά: Ορατή εικόνα από όχημα με σβηστά τα φώτα του σε μια σχεδόν χωρίς φεγγάρι νύχτα.

Δεξιά: Απεικόνιση SWIR της ίδιας σκηνής που καταγράφηκε χρησιμοποιώντας φωτιστικό SWIR που δεν ανιχνεύεται από το ανθρώπινο μάτι. Οι κάμερες Sensors Infinity SWIR μπορούν να ενσωματωθούν σε πλατφόρμες οχημάτων για να βελτιώσουν την όραση του οδηγού σε απόλυτο σκοτάδι.

3.5 Βλέποντας μέσα από γυαλί

Αριστερά: Θερμική εικόνα ενός γυάλινου παραθύρου χρησιμοποιώντας έναν απεικονιστή υπέρυθρης ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος (LWIR).

Δεξιά: Απεικόνιση SWIR της ίδιας σκηνής. Το φως SWIR αλληλεπιδρά με αντικείμενα παρόμοια με το ορατό φως, παράγοντας έτσι οικείες εικόνες μέσα από γυάλινα παράθυρα. Παρατηρήστε ότι τα αυτοκίνητα στο πάρκινγκ έχουν σκιές παρόμοιες με αυτές που παράγονται από μια κάμερα ορατού φωτός.

3.6 Βιομηχανική Επιθεώρηση

Αριστερά: Ορατή εικόνα του πύργου νερού που τραβήχτηκε με κάμερα κινητού τηλεφώνου.

Δεξιά: Απεικόνιση SWIR της ίδιας σκηνής. Οι κάμερες SWIR ανιχνεύουν μεγαλύτερα μήκη κύματος φωτός από τις κάμερες ορατού φωτός, με αποτέλεσμα τα διάφορα στρώματα χρώματος στον πύργο νερού να εμφανίζονται στην εικόνα SWIR.

3.7 Εμπορική / Κτιριακή Διάγνωση

Αριστερά: Ορατή εικόνα του εσωτερικού τοίχου ενός εμπορικού κτιρίου που τραβήχτηκε με κάμερα κινητού τηλεφώνου.

Δεξιά: Οι εργασίες συντήρησης και επισκευής είναι δαπανηρές για τους ιδιοκτήτες κατοικιών και εμπορικών κτιρίων. Κάθε εσωτερικός και εξωτερικός τοίχος περιέχει πολύτιμες πληροφορίες κάτω από τη βαμμένη επιφάνεια. Χρησιμοποιήστε υπέρυθρες κάμερες επιθεώρησης για να εντοπίσετε γρήγορα ορθοστάτες και δομικά στοιχεία, καθώς και λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τα ηλεκτρικά, HVAC, ύδρευση και συστήματα ασφαλείας. Ανακαλύψτε κρυμμένα μοτίβα υγρασίας και εντοπίστε πιθανές υδραυλικές ή εξωτερικές διαρροές πριν εξαπλωθούν.

3.8 Επιθεώρηση Τροφίμων

Αριστερά: Ορατή και SWIR εικόνα ενός μήλου. Το φως SWIR απορροφάται σε μεγάλο βαθμό από το νερό, καθιστώντας το μελανιασμένο τμήμα του μήλου εύκολα ανιχνεύσιμο στο SWIR.

Δεξιά: Ορατή και SWIR εικόνα ενός μήλου. Το φως SWIR απορροφάται σε μεγάλο βαθμό από το νερό, καθιστώντας το μελανιασμένο τμήμα του μήλου εύκολα ανιχνεύσιμο στο SWIR.

3.9 Έρευνα Tonardo

Αριστερά: Η βάση ενός σύννεφου καταιγίδας ορατό κοντά στο Λίβανο της Ιντιάνα, στις 15 Ιουνίου 2016.

Δεξιά: Βάση καταιγίδας SWIR κοντά στο Λίβανο της Ιντιάνα, στις 15 Ιουνίου 2016, που δείχνει υψηλότερο δυναμικό εύρος και βελτιωμένη λεπτομέρεια υφής νεφών στην εικόνα SWIR.

3.10 Διεισδυτικά Σκοτειντικά της Ατμόσφαιρας

Οι κάμερες SWIR InGaAs είναι ικανές να καταγράφουν εικόνες μέσα από βροχή, ομίχλη, καπνό και άλλα σκιώδη στοιχεία. Η ορατή εικόνα στα αριστερά δεν μπορεί να ανιχνευθεί. Ωστόσο, η κάμερα SWIR μπορεί να δει μέσα από τα ατμοσφαιρικά σκιώδη στοιχεία για να προσδιορίσει την αιτία. Η εικόνα στα δεξιά τραβήχτηκε το βράδυ πριν από το σούρουπο, περίπου 150 πόδια πάνω από το έδαφος. Η απόσταση που φαίνεται εδώ είναι περίπου 1.5 μίλια από την κάμερα.

4. Σύναψη

Η απεικόνιση SWIR γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ της ορατής και της θερμικής υπέρυθρης ανίχνευσης, παρέχοντας απεικόνιση υψηλής ανάλυσης και αντίθεσης σε απαιτητικές συνθήκες φωτισμού και περιβάλλοντος. Η ευελιξία της την καθιστά απαραίτητη στον βιομηχανικό αυτοματισμό, την ασφάλεια, την περιβαλλοντική παρακολούθηση και την επιστημονική έρευνα.