Note d'application sur l'imagerie SWIR
Auteur : Bryan Ng – Responsable marketing
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1. Introduction
La lumière infrarouge à ondes courtes (SWIR) fait partie du spectre électromagnétique, généralement dans la gamme de longueurs d'onde de 0.9 μm à 2.5 μm (900 nm à 2500 nm) et est donc invisible à l'œil humain.
Cependant, la lumière SWIR interagit avec les objets de manière similaire aux longueurs d'onde visibles : les photons sont réfléchis par l'objet lui-même. De ce fait, les images produites par la lumière SWIR présentent du contraste et des ombres, éléments essentiels à l'imagerie haute résolution.
Le SWIR est différent de la lumière infrarouge à ondes moyennes (MWIR) et infrarouge à ondes longues (LWIR), qui est émise par un objet sous forme d'IR thermique (chaleur) et a donc une résolution inférieure et affiche des images moins détaillées.
Les longueurs d'onde SWIR ne sont visibles que par des capteurs tels que ceux à base d'arséniure d'indium-gallium (InGaAs). Les images issues de capteurs InGaAs offrent un niveau de détail et une résolution comparables à ceux des images en lumière visible, mais elles sont en noir et blanc. C'est là l'un des nombreux avantages du SWIR : il permet une reconnaissance et une identification plus aisées des objets.
2. Principe de fonctionnement
Pour obtenir ces images haute résolution, il est essentiel d'utiliser un objectif spécialement conçu et traité pour la gamme de longueurs d'onde SWIR.
L'utilisation d'un objectif conçu pour le spectre visible se traduira par des images de résolution inférieure et des aberrations optiques plus élevées. Étant donné que les longueurs d'onde SWIR sont transmissibles à travers le verre, les lentilles et autres composants optiques (filtres optiques, fenêtres, etc.) conçus pour le SWIR peuvent être fabriqués en utilisant les mêmes techniques que celles utilisées pour les composants visibles. Cela conduit à des coûts de fabrication inférieurs et permet l'utilisation de fenêtres et de filtres de protection dans le système optique.
3. Applications d'imagerie SWIR
Un grand nombre d'applications d'imagerie SWIR, difficiles voire impossibles à réaliser avec la lumière visible, sont possibles grâce à l'imagerie SWIR.
3.1 Vision nocturne
L'image de gauche a été prise deux heures après le coucher du soleil, par une nuit de pleine lune, à une distance de 250 mètres. Elle a été capturée en lumière visible avec un Canon 5D Mark III équipé d'un objectif 115 mm f/4.5, avec une exposition forcée de 1/30 seconde et une sensibilité ISO de 12 800.
L'image de droite a été prise à 250 m de distance, deux heures après le coucher du soleil, par une nuit de pleine lune. L'image SWIR ci-dessus a été capturée à l'aide d'une caméra JSX haute définition 1280 × 1024. La prise de vue a été réalisée avec un objectif 50 mm f/1.4 optimisé pour le SWIR et un temps d'exposition de 1/30 s. Grâce à l'irradiance ambiante du ciel nocturne, la caméra SWIR à gain élevé produit des images nocturnes nettes, supérieures à celles prises en lumière visible.
3.2 Voir à travers la fumée et le feu
La lumière de grande longueur d'onde traverse plus facilement les éléments obscurcissant l'atmosphère, comme la poussière, la brume et la fumée. Grâce à ses longueurs d'onde supérieures à celles de la lumière visible, la bande SWIR permet aux caméras SWIR d'imager des scènes à travers une légère fumée, comme le montre l'image d'un feu de forêt à droite.
3.3 Applications maritimes
À gauche : une caméra thermique détecte les contrastes de température. Les nageurs ayant une température similaire à celle de l’eau, ils se fondent facilement dans le décor. Ce phénomène est appelé « convergence thermique ».
À droite : les caméras SWIR détectent la lumière réfléchie de la même manière que les caméras à lumière visible. Grâce au fort taux d’absorption de la lumière SWIR dans l’eau, le nageur visible sur l’image SWIR présente un contraste élevé, ce qui facilite sa détection.
3.4 Détection de déguisement
L'image en lumière visible (à côté) montre un acteur portant une fausse barbe, quasiment indétectable par les caméras optiques. L'imagerie SWIR (à droite) révèle aisément le déguisement de l'acteur. Les cheveux et les tissus naturels (comme le coton) sont très réfléchissants en SWIR. On remarque, sur l'image SWIR, que les cheveux naturels de l'acteur se confondent avec la fausse barbe. On constate également que son costume et sa chemise noirs apparaissent blancs en SWIR.
3.5 Amélioration de la vision du conducteur
À gauche : Image visible prise depuis un véhicule dont les phares sont éteints par une nuit presque sans lune.
À droite : Image SWIR de la même scène, capturée à l’aide d’un illuminateur SWIR invisible à l’œil nu. Les caméras SWIR de Sensors Infinity peuvent être intégrées aux plateformes de véhicules pour améliorer la visibilité du conducteur dans l’obscurité totale.
3.5 Voir à travers le verre
À gauche : Image thermique d'une vitre utilisant un imageur infrarouge à ondes longues (LWIR).
À droite : Imagerie SWIR de la même scène. La lumière SWIR interagit avec les objets de la même manière que la lumière visible, produisant ainsi des images familières à travers les vitres. Remarquez que les ombres des voitures sur le parking sont similaires à celles produites par un appareil photo utilisant la lumière visible.
3.6 Inspection industrielle
À gauche : Image visible du château d'eau prise avec un appareil photo de téléphone portable.
À droite : Imagerie SWIR de la même scène. Les caméras SWIR détectent des longueurs d’onde plus longues que les caméras à lumière visible, ce qui permet de distinguer les différentes couches de peinture du château d’eau sur l’image SWIR.
3.7 Diagnostic commercial / bâtiment
À gauche : Image visible du mur intérieur d'un bâtiment commercial, prise avec un appareil photo de téléphone portable.
À droite : Les travaux d’entretien et de réparation représentent un coût important pour les propriétaires d’immeubles résidentiels et commerciaux. Chaque mur, intérieur comme extérieur, recèle des informations précieuses sous sa peinture. Utilisez des caméras d’inspection infrarouge pour identifier rapidement les montants et les éléments structurels, ainsi que des informations détaillées sur les systèmes électriques, de chauffage, de ventilation et de climatisation, d’eau et de sécurité. Détectez les traces d’humidité cachées et repérez les fuites potentielles de plomberie ou les infiltrations d’eau avant qu’elles ne s’étendent.
3.8 Inspection des aliments
À gauche : image d’une pomme en lumière visible et en infrarouge à ondes courtes (SWIR). La lumière SWIR est fortement absorbée par l’eau, ce qui rend la partie abîmée de la pomme facilement détectable en SWIR.
À droite : Image d’une pomme en lumière visible et en infrarouge à ondes courtes (SWIR). La lumière SWIR est fortement absorbée par l’eau, ce qui rend la partie abîmée de la pomme facilement détectable en SWIR.
3.9 Recherche Tonardo
À gauche : La base d'un nuage d'orage visible près de Lebanon, dans l'Indiana, le 15 juin 2016.
À droite : Base d'un orage SWIR près de Lebanon, dans l'Indiana, le 15 juin 2016, montrant une gamme dynamique plus élevée et des détails de texture nuageuse améliorés dans l'image SWIR.
3.10 Agents obscurcissants pénétrant l'atmosphère
Les caméras SWIR InGaAs sont capables de capturer des images à travers la pluie, la brume, la fumée et autres obscurcissements. L'image visible à gauche est indétectable. Cependant, la caméra SWIR peut voir à travers les obscurcissements atmosphériques pour en déterminer la cause. L'image de droite a été prise en fin d'après-midi, avant le crépuscule, à environ 150 mètres du sol. La distance indiquée ici est d'environ 1.5 kilomètres par rapport à la caméra.
4. Conclusion
L'imagerie SWIR comble le fossé entre la détection visible et l'infrarouge thermique, offrant une imagerie haute résolution et à contraste élevé même dans des conditions d'éclairage et environnementales difficiles. Sa polyvalence la rend indispensable dans l'automatisation industrielle, la sécurité, la surveillance environnementale et la recherche scientifique.
