SWIR 이미징 애플리케이션 노트
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1. 소개
단파 적외선 (SWIR)은 전자기 스펙트럼의 일부로, 일반적으로 0.9μm에서 2.5μm(900nm에서 2500nm)의 파장 범위에 속하므로 인간의 눈에는 보이지 않습니다.
그러나 SWIR 빛은 가시광선 파장과 유사한 방식으로 물체와 상호 작용합니다. 즉, 광자가 물체 자체에 의해 반사됩니다. 이러한 반사 특성으로 인해 SWIR 빛은 생성되는 이미지에 대비와 그림자를 발생시키는데, 이는 고해상도 이미징에 필수적인 요소입니다.
SWIR은 MWIR(Mid-Wave Infrared) 및 LWIR(Long-Wave Infrared)과는 달리 물체에서 열 IR(열)로 방출되므로 해상도가 낮고 이미지가 덜 상세합니다.
SWIR 파장은 인듐갈륨비소(InGaAs)와 같은 센서에서만 볼 수 있습니다. InGaAs 카메라 센서의 이미지는 가시광선 이미지와 세부 묘사 및 해상도 면에서 비슷하지만, 컬러 이미지는 아닙니다. 이는 SWIR의 많은 장점 중 하나로, 물체를 더 쉽게 인식하고 개별적으로 식별할 수 있도록 해줍니다.
2. 작동 원리
이러한 고해상도 이미지를 얻으려면 SWIR 파장 범위용으로 특별히 설계되고 코팅된 렌즈를 사용하는 것이 필수적입니다.
가시 스펙트럼용으로 설계된 렌즈를 사용하면 이미지 해상도가 낮아지고 광학 수차가 높아집니다. SWIR 파장은 유리를 통해 투과될 수 있으므로 SWIR용으로 설계된 렌즈 및 기타 광학 부품(광 필터, 창 등)은 가시 부품에 사용되는 것과 동일한 기술을 사용하여 제조할 수 있습니다. 이로 인해 제조 비용이 절감되고 광학 시스템 내에서 보호 창과 필터를 사용할 수 있습니다.
3. SWIR 이미징 응용 분야
가시광선을 사용해서는 수행하기 어렵거나 불가능한 많은 SWIR 이미징 응용 프로그램이 SWIR을 사용하면 가능합니다.
3.1 어두운 곳에서의 시력 – 야간 시력
왼쪽 이미지는 보름달 밤 일몰 후 2시간 후, 250m 거리에서 촬영되었습니다. 가시광선 이미지는 115mm f/4.5 렌즈가 장착된 Canon 5D Mark III를 사용하여 1/30초의 강제 노출과 ISO 12800으로 촬영되었습니다.
오른쪽 이미지는 보름달이 뜬 밤, 일몰 후 2시간 후 250m 거리에서 촬영되었습니다. 위의 SWIR 이미지는 고화질 1280×1024 JSX 카메라를 사용하여 촬영했습니다. 이 이미지는 SWIR에 최적화된 50mm f/1.4 렌즈를 사용하여 노출 시간을 1/30초로 설정하여 촬영했습니다. 밤하늘의 주변 조도 덕분에 고이득 SWIR 카메라는 가시광선 이미지보다 선명한 야간 이미지를 생성할 수 있습니다.
3.2 연기와 불을 꿰뚫어 보는 것
파장이 긴 빛은 먼지, 연무, 연기와 같은 대기의 장애물을 더 쉽게 통과할 수 있습니다. SWIR 대역은 가시광선보다 파장이 길기 때문에 SWIR 카메라는 오른쪽 산불 사진에서 볼 수 있듯이 옅은 연기 뒤의 장면도 촬영할 수 있습니다.
3.3 해양 응용
왼쪽: 열화상 카메라는 온도 대비를 감지합니다. 수영하는 사람의 체온은 물과 비슷하기 때문에 배경에 쉽게 섞입니다. 이를 열 교차라고 합니다.
오른쪽: SWIR 카메라는 가시광선 카메라와 유사하게 반사광을 감지합니다. 물속에서 SWIR 빛의 높은 흡수율로 인해, SWIR 이미지에 표시된 수영자는 높은 이미지 대비를 나타내어 감지가 더 쉽습니다.
3.4 변장 감지
측면의 가시광선 이미지는 배우가 인조 수염을 기른 모습을 보여주는데, 가시광선 카메라로는 거의 감지할 수 없습니다. SWIR 이미지(오른쪽)는 배우가 입은 변장을 쉽게 가려줍니다. 사람의 머리카락과 천연 섬유(예: 면)는 SWIR에서 반사율이 높습니다. SWIR 이미지에서 배우의 천연 머리카락이 변장에 기른 인조 수염과 어떻게 만나는지 주목하십시오. 또한 배우의 검은색 정장과 셔츠가 SWIR에서 흰색으로 보이는 것도 주목하십시오.
3.5 운전자 시야 향상
왼쪽: 달이 거의 없는 밤에 헤드라이트를 끄고 차량에서 찍은 눈에 보이는 이미지입니다.
오른쪽: 사람의 눈으로는 감지할 수 없는 SWIR 조명을 사용하여 촬영한 동일 장면의 SWIR 영상. 센서 Infinity SWIR 카메라는 차량 플랫폼에 통합되어 완전한 어둠 속에서도 운전자의 시야를 확보할 수 있습니다.
3.5 유리를 통해 보는 것
왼쪽: 장파 적외선(LWIR) 이미저를 사용하여 촬영한 유리창의 열화상.
오른쪽: 같은 장면의 SWIR 이미지. SWIR 빛은 가시광선과 유사하게 물체와 상호 작용하여 유리창을 통해 익숙한 이미지를 생성합니다. 주차장의 차량 그림자가 가시광선 카메라에서 생성된 그림자와 유사한 것을 확인할 수 있습니다.
3.6 산업 검사
왼쪽: 휴대폰 카메라로 촬영한 급수탑의 모습.
오른쪽: 같은 장면의 SWIR 이미지. SWIR 카메라는 가시광선 카메라보다 더 긴 파장의 빛을 감지하기 때문에 급수탑의 다양한 페인트 층이 SWIR 이미지에 나타납니다.
3.7 상업/건물 진단
왼쪽: 휴대폰 카메라로 촬영한 상업용 건물 내부 벽의 가시광선 이미지.
오른쪽: 유지 보수 및 수리 작업은 주거 및 상업용 건물 소유주에게 큰 비용이 듭니다. 모든 내외부 벽에는 페인트칠된 표면 아래에 귀중한 정보가 담겨 있습니다. 적외선 검사 카메라를 사용하여 스터드와 구조 요소를 신속하게 식별하고 전기, HVAC, 수도 및 보안 시스템에 대한 자세한 정보를 확인하세요. 숨겨진 습기 패턴을 파악하고 잠재적인 배관 또는 외부 누수를 확산되기 전에 파악하세요.
3.8 식품 검사
왼쪽: 사과의 가시광선과 SWIR 이미지. SWIR은 물에 매우 잘 흡수되므로 SWIR에서 사과의 멍든 부분을 쉽게 감지할 수 있습니다.
오른쪽: 사과의 가시광선과 SWIR 이미지. SWIR은 물에 매우 잘 흡수되므로 SWIR에서 사과의 멍든 부분을 쉽게 감지할 수 있습니다.
3.9 토나르도 연구
왼쪽: 2016년 6월 15일 인디애나주 레바논 근처에서 보이는 뇌우 구름의 바닥.
오른쪽: 2016년 6월 15일 인디애나주 레바논 근처의 SWIR 뇌우 기지. SWIR 이미지에서 더 높은 동적 범위와 향상된 구름 질감 세부 정보를 보여줍니다.
3.10 침투성 대기 방해물
SWIR InGaAs 카메라는 비, 안개, 연기 및 기타 방해물 속에서도 이미지를 촬영할 수 있습니다. 왼쪽의 가시광선 이미지는 감지할 수 없습니다. 그러나 SWIR 카메라는 대기 방해물을 투과하여 원인을 파악할 수 있습니다. 오른쪽 이미지는 해가 지기 전 저녁, 지상 약 45미터(150피트) 상공에서 촬영되었습니다. 여기에 표시된 거리는 카메라로부터 약 2.4km(1.5마일) 떨어져 있습니다.
4. 결론
SWIR 이미징은 가시광선과 열 적외선 감지 사이의 간극을 메워 까다로운 조명 및 환경 조건에서도 고해상도, 고대비 이미징을 제공합니다. SWIR 이미징은 산업 자동화, 보안, 환경 모니터링 및 과학 연구에 필수적인 다재다능함을 자랑합니다.
