SWIR-avbildningstillämpningsanteckning

Författare: Bryan Ng – Marknadschef

1. Inledning

Kortvågigt infrarött (SWIR) ljus är en del av det elektromagnetiska spektrumet, vanligtvis i våglängdsområdet 0.9 μm till 2.5 μm (900 nm till 2500 nm) och är därför osynligt för det mänskliga ögat.

SWIR-ljus interagerar dock med objekt på ett liknande sätt som synliga våglängder, i det att fotoner reflekteras av själva objektet. Som ett resultat av denna reflekterande natur har SWIR-ljus kontrast och skuggor i de bilder det producerar, vilket är ett nödvändigt krav för högupplöst bildbehandling.

SWIR är till skillnad från Mid-Wave Infrared (MWIR) och Long-Wave Infrared (LWIR) ljus, som sänds ut från ett objekt som termisk IR (värme) och därför har lägre upplösning och visar mindre detaljerade bilder.

SWIR-våglängder kan endast ses av sensorer som indium-galliumarsenid (InGaAs). Bilder från InGaAs-kamerasensorer är jämförbara i detalj och upplösning med bilder från synligt ljus, men är inte i färg. Detta är en av de många fördelarna med SWIR eftersom det gör att objekt lättare kan kännas igen och identifieras individuellt.

2. Funktionsprincip

För att uppnå dessa högupplösta bilder är det viktigt att använda en lins som är speciellt designad och belagd för SWIR-våglängdsområdet.

Att använda en lins designad för det synliga spektrumet kommer att resultera i bilder med lägre upplösning och högre optiska aberrationer. Eftersom SWIR-våglängder kan överföras genom glas, kan linser och andra optiska komponenter (optiska filter, fönster, etc.) som är designade för SWIR tillverkas med samma teknik som används för synliga komponenter. Detta leder till lägre tillverkningskostnader och möjliggör användning av skyddande fönster och filter inom det optiska systemet.

3. SWIR-avbildningstillämpningar

Ett stort antal SWIR-avbildningstillämpningar som är svåra eller omöjliga att utföra med synligt ljus är möjliga med SWIR.

3.1 Seende i svagt ljus – Nattseende

Bilden till vänster togs två timmar efter solnedgången under en fullmånenatt, på ett avstånd av 250 meter. Bilden i synligt ljus togs med en Canon 5D Mark III med ett 115 mm f/4.5-objektiv, med en forcerad exponering på 1/30 sekund och ISO 12800.

Bilden till höger togs på 250 m avstånd, två timmar efter solnedgången, en fullmånenatt. SWIR-bilden ovan togs med en JSX-kamera med hög upplösning (1280×1024). Bilden togs med ett 50 mm f/1.4 SWIR-optimerat objektiv med en exponeringsinställning på 1/30 sekund. På grund av natthimlens omgivande strålningsstyrka kan SWIR-kameran med hög förstärkning producera tydligare nattbilder jämfört med bilder i synligt ljus.

3.2 Att se genom rök och eld

Ljus med längre våglängder kan lättare passera genom atmosfäriska förmörkande ämnen som damm, dis och rök. Eftersom SWIR-bandet har längre våglängder än synligt ljus kan SWIR-kameror avbilda scener bakom lätt rök, som visas på bilden av skogsbranden till höger.

3.3 Maritima tillämpningar

Vänster: En värmekamera detekterar temperaturkontrast. Eftersom simmare har en liknande temperatur som vattnet smälter de lätt in i bakgrunden. Detta kallas termisk överkorsning.

Höger: SWIR-kameror detekterar reflekterat ljus på liknande sätt som kameror med synligt ljus. På grund av den höga absorptionshastigheten för SWIR-ljus i vatten uppvisar simmaren som visas i SWIR-bilden hög bildkontrast, vilket gör den lättare att upptäcka.

3.4 Förklädnadsdetektering

Bilden på sidan i synligt ljus visar en skådespelare som bär konstgjort ansiktshår, vilket är nästan oupptäckbart för kameror med synligt ljus. SWIR-bilden (höger) motverkar enkelt den förklädnad som skådespelaren bär. Människohår och naturliga tyger (som bomull) är starkt reflekterande i SWIR-bilden. Lägg märke till hur skådespelarens naturliga hår möter det konstgjorda ansiktshåret som bärs i förklädnaden i SWIR-bilden. Lägg också märke till hur skådespelarens svarta kostym och skjorta ser vita ut i SWIR-bilden.

3.5 Förbättring av förarens sikt

Vänster: Synlig bild tagen från ett fordon med släckta strålkastare en nästan månlös natt.

Höger: En SWIR-avbildning av samma scen tagen med en SWIR-belysning som inte kan upptäckas av det mänskliga ögat. Sensorer Infinity SWIR-kameror kan integreras i fordonsplattformar för att förbättra förarens sikt i fullständigt mörker.

3.5 Att se genom glas

Vänster: Värmebild av ett glasfönster med en långvågig infraröd (LWIR) avbildare.

Höger: SWIR-avbildning av samma scen. SWIR-ljus interagerar med objekt på liknande sätt som synligt ljus, vilket producerar bekanta bilder genom glasfönster. Observera att bilarna på parkeringen har skuggor som liknar de som produceras av en kamera för synligt ljus.

3.6 Industriinspektion

Vänster: Synlig bild av vattentornet tagen med en mobiltelefonkamera.

Höger: SWIR-avbildning av samma scen. SWIR-kameror detekterar längre ljusvåglängder än kameror med synligt ljus, vilket gör att de olika färglagren på vattentornet syns i SWIR-bilden.

3.7 Kommersiell/byggnadsdiagnostik

Vänster: Synlig bild av innerväggen i en kommersiell byggnad tagen med en mobiltelefonkamera.

Höger: Underhålls- och reparationsarbete är kostsamt för ägare av bostads- och kommersiella fastigheter. Varje inner- och yttervägg innehåller värdefull information under den målade ytan. Använd infraröda inspektionskameror för att snabbt identifiera reglar och strukturella element, samt detaljerad information om el-, VVS-, vatten- och säkerhetssystem. Upptäck dolda fuktmönster och identifiera potentiella VVS- eller utvändiga läckor innan de sprider sig.

3.8 Livsmedelsinspektion

Vänster: Synlig och SWIR-bild av ett äpple. SWIR-ljus absorberas starkt i vatten, vilket gör den blåmärkta delen av äpplet lätt att upptäcka i SWIR.

Höger: Synlig och SWIR-bild av ett äpple. SWIR-ljus absorberas starkt i vatten, vilket gör den blåmärkta delen av äpplet lätt att upptäcka i SWIR.

3.9 Tonardo Research

Vänster: Basen av ett åskvädermoln synligt nära Lebanon, Indiana, den 15 juni 2016.

Höger: SWIR-åskväderbasen nära Lebanon, Indiana, den 15 juni 2016, som visar högre dynamiskt omfång och förbättrad molnstrukturdetaljer i SWIR-bilden.

3.10 Penetrerande atmosfärsförmörkande ämnen

SWIR InGaAs-kameror kan ta bilder genom regn, dis, rök och andra förmörkande ämnen. Den synliga bilden till vänster kan inte detekteras. SWIR-kameran kan dock se igenom atmosfäriska förmörkande ämnen för att fastställa orsaken. Bilden till höger togs på kvällen före skymningen, cirka 150 meter över marken. Avståndet som visas här är cirka 1.5 kilometer från kameran.

4. Slutsats

SWIR-avbildning överbryggar klyftan mellan synlig och termisk infraröd avkänning och ger högupplöst och kontrastrikt bildåtergivning i utmanande ljus- och miljöförhållanden. Dess mångsidighet gör den oumbärlig inom industriell automation, säkerhet, miljöövervakning och vetenskaplig forskning.