Примечание по применению SWIR-визуализации

Автор: Брайан Нг – менеджер по маркетингу

1. Введение

Коротковолновое инфракрасное излучение (SWIR) является частью электромагнитного спектра, обычно в диапазоне длин волн от 0.9 мкм до 2.5 мкм (от 900 нм до 2500 нм), и поэтому невидимо для человеческого глаза.

Однако коротковолновый инфракрасный свет взаимодействует с объектами подобно видимому свету, поскольку фотоны отражаются самим объектом. Благодаря этой отражательной способности коротковолновый инфракрасный свет обладает контрастностью и тенями на изображениях, что является необходимым условием для получения изображений с высоким разрешением.

SWIR отличается от средневолнового инфракрасного (MWIR) и длинноволнового инфракрасного (LWIR) света, который излучается объектом в виде теплового ИК-излучения (тепла) и, следовательно, имеет более низкое разрешение и показывает менее подробные изображения.

Длины волн коротковолнового инфракрасного диапазона (КВИК) могут восприниматься только датчиками на основе арсенида индия-галлия (InGaAs). Изображения с датчиков камер на основе InGaAs по детализации и разрешению сопоставимы с изображениями в видимом свете, но не являются цветными. Это одно из многочисленных преимуществ КВИК-диапазона, поскольку он позволяет легче распознавать и индивидуально идентифицировать объекты.

2. Принцип работы

Для получения этих изображений с высоким разрешением необходимо использовать линзы, специально разработанные и покрытые для диапазона длин волн SWIR.

Использование объектива, предназначенного для видимого спектра, приведет к получению изображений с более низким разрешением и более высоким оптическим аберрациям. Поскольку волны SWIR передаются через стекло, линзы и другие оптические компоненты (оптические фильтры, окна и т. д.), предназначенные для SWIR, могут быть изготовлены с использованием тех же технологий, что и для видимых компонентов. Это приводит к снижению производственных затрат и позволяет использовать защитные окна и фильтры в оптической системе.

3. Приложения для получения изображений SWIR

Большое количество применений SWIR-визуализации, которые трудно или невозможно реализовать с использованием видимого света, возможно с помощью SWIR.

3.1. Видение в условиях низкой освещенности – ночное зрение

Фотография слева была сделана через два часа после заката в полнолуние с расстояния 250 метров. Изображение в видимом свете было получено на камеру Canon 5D Mark III с объективом 115 мм f/4.5, принудительной экспозицией 1/30 секунды и светосилой ISO 12800.

Изображение справа было получено с расстояния 250 м, через два часа после заката, в ночь полнолуния. Изображение выше в коротковолновом ИК-диапазоне было получено камерой JSX с разрешением 1280×1024. Изображение было получено с помощью объектива 50 мм f/1.4, оптимизированного для коротковолнового ИК-диапазона, с выдержкой 1/30 секунды. Благодаря естественному освещению ночного неба, эта камера с высоким коэффициентом усиления может создавать чёткие ночные изображения по сравнению с изображениями в видимом свете.

3.2 Видение сквозь дым и огонь

Свет с большей длиной волны легче проходит сквозь атмосферные помехи, такие как пыль, дымка и дым. Поскольку длина волны в коротковолновом ИК-диапазоне больше, чем в видимом свете, камеры в коротковолновом ИК-диапазоне могут снимать объекты, находящиеся за лёгким дымом, как показано на изображении лесного пожара справа.

3.3 Морское применение

Слева: Тепловизионная камера обнаруживает температурный контраст. Поскольку температура пловцов близка к температуре воды, они легко сливаются с фоном. Это называется тепловым пересечением.

Справа: SWIR-камеры регистрируют отраженный свет аналогично камерам видимого света. Благодаря высокой степени поглощения SWIR-излучения в воде, пловец на SWIR-изображении имеет высокую контрастность изображения, что облегчает его обнаружение.

3.4 Обнаружение маскировки

На изображении в видимом свете сбоку показан актёр с искусственными волосами на лице, которые практически неразличимы камерами видимого света. Изображение в коротковолновом инфракрасном диапазоне (справа) легко раскрывает маскировку актёра. Человеческие волосы и натуральные ткани (например, хлопок) обладают высокой отражающей способностью в коротковолновом инфракрасном диапазоне. Обратите внимание, как на коротковолновом инфракрасном изображении натуральные волосы актёра переплетаются с искусственными волосами, надетыми на лицо в маскировке. Также обратите внимание, что чёрный костюм и рубашка актёра выглядят белыми в коротковолновом инфракрасном диапазоне.

3.5 Улучшение зрения водителя

Слева: Видимое изображение, полученное из автомобиля с выключенными фарами в почти безлунную ночь.

Справа: SWIR-изображение той же сцены, полученное с помощью SWIR-прожектора, невидимого для человеческого глаза. Датчики. SWIR-камеры Infinity могут быть встроены в автомобильные платформы для улучшения обзора водителя в полной темноте.

3.5 Видение сквозь стекло

Слева: тепловизионное изображение оконного стекла, полученное с помощью длинноволнового инфракрасного (LWIR) тепловизора.

Справа: изображение той же сцены в коротковолновом ИК-диапазоне. Коротковолновый ИК-свет взаимодействует с объектами подобно видимому свету, создавая знакомые изображения через оконные стекла. Обратите внимание, что тени автомобилей на парковке похожи на тени, создаваемые камерой, работающей в видимом свете.

3.6 Промышленная инспекция

Слева: Видимое изображение водонапорной башни, снятое камерой мобильного телефона.

Справа: SWIR-изображение той же сцены. SWIR-камеры регистрируют более длинные волны света, чем камеры видимого света, поэтому на SWIR-изображении видны различные слои краски на водонапорной башне.

3.7 Коммерческая/строительная диагностика

Слева: Видимое изображение внутренней стены коммерческого здания, снятое камерой мобильного телефона.

Справа: Техническое обслуживание и ремонт обходятся владельцам жилых и коммерческих зданий дорого. Каждая внутренняя и внешняя стена содержит ценную информацию под окрашенной поверхностью. Используйте инфракрасные камеры для быстрого обнаружения стоек и элементов конструкции, а также для получения подробной информации об электропроводке, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, водоснабжении и безопасности. Выявляйте скрытые очаги влаги и выявляйте потенциальные утечки в сантехнике или на улице до их распространения.

3.8 Проверка качества пищевых продуктов

Слева: Изображение яблока в видимом и коротковолновом инфракрасном диапазонах. Свет в коротковолновом инфракрасном диапазоне сильно поглощается водой, поэтому повреждённая часть яблока легко обнаруживается в коротковолновом инфракрасном диапазоне.

Справа: Изображение яблока в видимом и коротковолновом инфракрасном диапазонах. Свет в коротковолновом инфракрасном диапазоне сильно поглощается водой, поэтому повреждённая часть яблока легко обнаруживается в коротковолновом инфракрасном диапазоне.

3.9 Исследования Тонардо

Слева: основание грозового облака, видимое около Ливана, штат Индиана, 15 июня 2016 года.

Справа: база грозы SWIR около Ливана, штат Индиана, 15 июня 2016 г., демонстрирующая более широкий динамический диапазон и улучшенную детализацию текстуры облаков на снимке SWIR.

3.10 Проникающие в атмосферу вещества, затемняющие атмосферу

Камеры SWIR InGaAs способны снимать сквозь дождь, туман, дым и другие помехи. Видимое изображение слева не может быть обнаружено. Однако камера SWIR может видеть сквозь атмосферные помехи, что позволяет определить причину. Изображение справа было получено вечером перед наступлением сумерек, примерно на высоте 150 метров над землей. Расстояние, указанное здесь, составляет примерно 1.5 км от камеры.

4. Заключение

SWIR-визуализация заполняет пробел между видимым и тепловым инфракрасным диапазоном, обеспечивая получение изображений высокого разрешения и контрастности в сложных условиях освещения и окружающей среды. Универсальность делает её незаменимой в промышленной автоматизации, системах безопасности, мониторинге окружающей среды и научных исследованиях.