Ghi chú ứng dụng hình ảnh SWIR

Tác giả: Bryan Ng – Giám đốc Tiếp thị

1. Giới thiệu

Ánh sáng hồng ngoại sóng ngắn (SWIR) là một phần của phổ điện từ, thường nằm trong dải bước sóng từ 0.9μm đến 2.5μm (900nm đến 2500nm) và do đó không thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Tuy nhiên, ánh sáng SWIR tương tác với vật thể theo cách tương tự như bước sóng khả kiến ​​ở chỗ các photon bị phản xạ bởi chính vật thể. Do tính chất phản xạ này, ánh sáng SWIR có độ tương phản và bóng trong hình ảnh mà nó tạo ra, đây là yêu cầu cần thiết cho hình ảnh có độ phân giải cao.

SWIR không giống như ánh sáng Hồng ngoại sóng giữa (MWIR) và Hồng ngoại sóng dài (LWIR), được phát ra từ một vật thể dưới dạng IR nhiệt (nhiệt) và do đó có độ phân giải thấp hơn và hiển thị hình ảnh ít chi tiết hơn.

Bước sóng SWIR chỉ có thể được nhìn thấy bằng các cảm biến như Indium Gallium Arsenide (InGaAs). Hình ảnh từ cảm biến camera InGaAs có độ chi tiết và độ phân giải tương đương với hình ảnh ánh sáng khả kiến, nhưng không có màu. Đây là một trong nhiều ưu điểm của SWIR vì nó cho phép nhận dạng và xác định từng vật thể dễ dàng hơn.

2. Nguyên tắc hoạt động

Để có được những hình ảnh có độ phân giải cao này, điều cần thiết là sử dụng thấu kính được thiết kế và tráng phủ đặc biệt cho dải bước sóng SWIR.

Sử dụng thấu kính được thiết kế cho quang phổ khả kiến ​​sẽ dẫn đến hình ảnh có độ phân giải thấp hơn và quang sai cao hơn. Vì các bước sóng SWIR có thể truyền qua thủy tinh nên thấu kính và các thành phần quang học khác (bộ lọc quang học, cửa sổ, v.v.) được thiết kế cho SWIR có thể được sản xuất bằng cách sử dụng cùng một kỹ thuật được sử dụng cho các thành phần nhìn thấy được. Điều này dẫn đến chi phí sản xuất thấp hơn và cho phép sử dụng các cửa sổ và bộ lọc bảo vệ trong hệ thống quang học.

3. Ứng dụng hình ảnh SWIR

Nhiều ứng dụng hình ảnh SWIR khó hoặc không thể thực hiện bằng ánh sáng khả kiến ​​giờ đây có thể thực hiện được bằng SWIR.

3.1 Nhìn trong điều kiện ánh sáng yếu – Tầm nhìn ban đêm

Bức ảnh bên trái được chụp hai giờ sau khi mặt trời lặn vào một đêm trăng tròn, ở khoảng cách 250 mét. Hình ảnh ánh sáng khả kiến ​​được chụp bằng máy Canon 5D Mark III với ống kính 115mm f/4.5, phơi sáng cưỡng bức 1/30 giây và ISO 12800.

Hình ảnh bên phải được chụp ở khoảng cách 250m, hai giờ sau khi mặt trời lặn, vào một đêm trăng tròn. Hình ảnh SWIR ở trên được chụp bằng camera JSX độ phân giải cao 1280×1024. Hình ảnh được chụp bằng ống kính 50mm f/1.4 được tối ưu hóa cho SWIR với cài đặt phơi sáng 1/30 giây. Nhờ ánh sáng xung quanh của bầu trời đêm, camera SWIR có độ khuếch đại cao có thể tạo ra hình ảnh ban đêm rõ nét hơn so với hình ảnh ánh sáng khả kiến.

3.2 Nhìn xuyên qua khói và lửa

Ánh sáng có bước sóng dài hơn có thể dễ dàng đi qua các vật cản khí quyển như bụi, sương mù và khói. Vì dải SWIR có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến, camera SWIR có thể chụp ảnh các cảnh phía sau khói nhẹ, như trong ảnh cháy rừng bên phải.

3.3 Ứng dụng hàng hải

Bên trái: Camera nhiệt phát hiện sự tương phản nhiệt độ. Vì người bơi có nhiệt độ tương tự như nước, họ dễ dàng hòa mình vào bối cảnh xung quanh. Hiện tượng này được gọi là giao thoa nhiệt.

Phải: Camera SWIR phát hiện ánh sáng phản xạ tương tự như camera ánh sáng khả kiến. Do tỷ lệ hấp thụ ánh sáng SWIR cao trong nước, người bơi trong hình ảnh SWIR có độ tương phản hình ảnh cao, giúp dễ phát hiện hơn.

3.4 Phát hiện ngụy trang

Hình ảnh ánh sáng khả kiến ​​ở bên cạnh cho thấy một diễn viên đang đeo râu giả, gần như không thể phát hiện được bằng camera ánh sáng khả kiến. Hình ảnh SWIR (bên phải) dễ dàng đánh bại lớp ngụy trang của diễn viên. Tóc người và vải tự nhiên (như cotton) có độ phản chiếu cao trong SWIR. Lưu ý rằng trong hình ảnh SWIR, tóc tự nhiên của diễn viên hòa lẫn với râu giả được đeo trong lớp ngụy trang. Cũng lưu ý rằng bộ vest và áo sơ mi đen của diễn viên trông có màu trắng trong SWIR.

3.5 Cải thiện tầm nhìn của người lái xe

Bên trái: Hình ảnh nhìn thấy được chụp từ một chiếc xe tắt đèn pha vào một đêm gần như không trăng.

Phải: Hình ảnh SWIR của cùng một cảnh được chụp bằng đèn chiếu SWIR mà mắt người không thể phát hiện. Cảm biến Infinity: Camera SWIR có thể được tích hợp vào nền tảng xe để cải thiện tầm nhìn của người lái trong bóng tối hoàn toàn.

3.5 Nhìn xuyên qua kính

Bên trái: Ảnh nhiệt của cửa sổ kính sử dụng máy ảnh hồng ngoại bước sóng dài (LWIR).

Phải: Hình ảnh SWIR của cùng một cảnh. Ánh sáng SWIR tương tác với các vật thể tương tự như ánh sáng khả kiến, do đó tạo ra những hình ảnh quen thuộc qua cửa sổ kính. Lưu ý rằng những chiếc xe trong bãi đậu xe có bóng tương tự như bóng do camera ánh sáng khả kiến ​​tạo ra.

3.6 Kiểm tra công nghiệp

Bên trái: Hình ảnh tháp nước được chụp bằng camera điện thoại di động.

Bên phải: Hình ảnh SWIR của cùng một cảnh. Camera SWIR phát hiện bước sóng ánh sáng dài hơn so với camera ánh sáng khả kiến, khiến các lớp sơn khác nhau trên tháp nước xuất hiện trong hình ảnh SWIR.

3.7 Chẩn đoán thương mại / tòa nhà

Bên trái: Hình ảnh rõ nét của bức tường bên trong một tòa nhà thương mại được chụp bằng camera điện thoại di động.

Đúng: Công việc bảo trì và sửa chữa rất tốn kém đối với chủ sở hữu tòa nhà dân dụng và thương mại. Mỗi bức tường nội thất và ngoại thất đều chứa đựng thông tin giá trị bên dưới bề mặt sơn. Hãy sử dụng camera kiểm tra hồng ngoại để nhanh chóng xác định các đinh tán và các yếu tố kết cấu, cũng như thông tin chi tiết về hệ thống điện, HVAC, nước và an ninh. Khám phá các kiểu ẩm ướt tiềm ẩn và xác định các rò rỉ tiềm ẩn ở hệ thống ống nước hoặc bên ngoài trước khi chúng lan rộng.

3.8 Kiểm tra thực phẩm

Bên trái: Hình ảnh khả kiến ​​và SWIR của một quả táo. Ánh sáng SWIR được hấp thụ mạnh trong nước, giúp phần bị bầm dập của quả táo dễ dàng được phát hiện bằng SWIR.

Phải: Hình ảnh nhìn thấy được và hình ảnh SWIR của một quả táo. Ánh sáng SWIR được hấp thụ mạnh trong nước, giúp phần bị bầm dập của quả táo dễ dàng được phát hiện bằng SWIR.

3.9 Nghiên cứu Tonardo

Bên trái: Phần đáy của một đám mây giông có thể nhìn thấy gần Lebanon, Indiana, vào ngày 15 tháng 6 năm 2016.

Bên phải: Căn cứ giông bão SWIR gần Lebanon, Indiana, vào ngày 15 tháng 6 năm 2016, cho thấy dải động cao hơn và chi tiết kết cấu đám mây được cải thiện trong hình ảnh SWIR.

3.10 Chất che khuất bầu khí quyển xuyên thấu

Camera SWIR InGaAs có khả năng chụp ảnh xuyên qua mưa, sương mù, khói và các vật cản khác. Hình ảnh hiển thị bên trái không thể được phát hiện. Tuy nhiên, camera SWIR có thể nhìn xuyên qua các vật cản khí quyển để xác định nguyên nhân. Hình ảnh bên phải được chụp vào buổi tối trước khi hoàng hôn, cách mặt đất khoảng 150 mét. Khoảng cách hiển thị ở đây là khoảng 1.5 km từ camera.

4. Phần kết luận

Công nghệ hình ảnh SWIR thu hẹp khoảng cách giữa cảm biến hồng ngoại khả kiến ​​và cảm biến hồng ngoại nhiệt, cung cấp hình ảnh độ phân giải cao, độ tương phản cao trong điều kiện ánh sáng và môi trường khắc nghiệt. Tính linh hoạt của công nghệ này khiến nó trở thành thiết bị không thể thiếu trong tự động hóa công nghiệp, an ninh, giám sát môi trường và nghiên cứu khoa học.