短波紅外線成像應用說明
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1. 介紹
短波紅外線(SWIR) 是電磁波譜的一部分，其波長範圍通常在 0.9μm 至 2.5μm（900nm 至 2500nm）之間，因此人眼無法看到。
然而，短波紅外光與物體相互作用的方式與可見光類似，即光子會被物體反射。由於這種反射特性，短波紅外光產生的影像具有對比和陰影，這是高解析度成像的必要條件。
SWIR 不同於中波紅外 (MWIR) 和長波紅外 (LWIR) 光，後者以熱紅外（熱）的形式從物體發出，因此分辨率較低，顯示的圖像細節較少。
只有銦鎵砷（InGaAs）等感測器才能偵測到短波紅外線（SWIR）波長。 InGaAs相機感光元件拍攝的影像在細節和解析度上可與可見光影像媲美，但影像是黑白的。這正是短波紅外線的眾多優點之一，因為它能使物體更容易被辨識和區分。
2. 工作原理
要獲得這些高分辨率圖像，必須使用專為 SWIR 波長范圍設計和鍍膜的鏡頭。
使用專為可見光譜設計的鏡頭會導致分辨率較低的圖像和較高的光學像差。 由於 SWIR 波長可透過玻璃，因此可以使用與可見光組件相同的技術製造為 SWIR 設計的透鏡和其他光學組件（濾光片、窗口等）。 這導致製造成本降低，並允許在光學系統內使用保護窗和過濾器。
3. 短波紅外線成像應用
使用短波紅外線 (SWIR) 可以實現許多使用可見光難以或無法實現的短波紅外線成像應用。
3.1 弱光條件下的視覺——夜視
左側影像是在滿月之夜日落兩小時後拍攝的，距離為 250 公尺。可見光影像使用佳能 5D Mark III 相機和 115mm f/4.5 鏡頭拍攝，強制曝光時間為 1/30 秒，ISO 為 12800。
右側影像是在滿月之夜日落兩小時後，距離250公尺處拍攝的。上方的短波紅外線（SWIR）影像由一台高解析度1280×1024 JSX相機拍攝。影像使用50mm f/1.4的SWIR優化鏡頭拍攝，曝光時間為1/30秒。由於夜空環境輻照度較高，這款高增益SWIR相機能夠拍攝出比可見光影像更清晰的夜間影像。
3.2 看穿煙霧和火焰
波長較長的光線更容易穿透大氣中的遮蔽物，例如灰塵、霧霾和煙霧。由於短波紅外線波段的波長比可見光長，因此短波紅外線相機可以對薄煙後的場景進行成像，如右側的森林火災影像所示。
3.3 海事應用
左圖：熱成像攝影機偵測溫度差異。由於游泳者的溫度與水溫相近，他們很容易與背景融為一體。這被稱為熱成像交叉現象。
右圖：短波紅外線（SWIR）相機偵測反射光的原理與可見光相機類似。由於短波紅外光在水中的吸收率很高，因此在短波紅外線影像中，游泳者的影像對比度很高，更容易被偵測到。
3.4 偽裝檢測
側面的可見光影像顯示，演員戴著人造鬍鬚，這種鬍鬚幾乎無法被可見光相機偵測到。而短波紅外線（SWIR）成像（右側）則能輕易識破演員的偽裝。人類頭髮和天然織物（例如棉布）在短波紅外線波段具有很高的反射率。請注意，在短波紅外線成像中，演員的真髮與偽裝時佩戴的人造鬍鬚是如何交織在一起的。此外，也要注意演員的黑色西裝和襯衫在短波紅外線圖像中呈現白色。
3.5 駕駛員視覺增強
左圖：在幾乎沒有月光的夜晚，從一輛關閉了前燈的汽車中拍攝的可見光影像。
右圖：使用人眼無法察覺的短波紅外線（SWIR）照明器拍攝的相同場景的SWIR影像。 Sensors Infinity SWIR攝影機可整合到車輛平台中，以增強駕駛員在完全黑暗環境下的視野。
3.5 透過玻璃看東西
左圖：使用長波紅外線 (LWIR) 成像儀拍攝的玻璃窗熱影像。
右圖：同一場景的短波紅外線（SWIR）成像。短波紅外光與物體的相互作用方式與可見光類似，因此可以透過玻璃窗產生我們熟悉的影像。請注意，停車場裡的汽車陰影與可見光相機拍攝的陰影相似。
3.6 工業檢測
左圖：用手機相機拍攝的水塔實景照片。
右圖：同一場景的短波紅外線（SWIR）成像圖。短波紅外線相機偵測的光波長比可見光相機更長，因此水塔上的各種油漆層在短波紅外線影像中清晰可見。
3.7 商業/建築診斷
左圖：用手機相機拍攝的商業建築內牆的可見影像。
右圖：對於住宅和商業建築業主而言，維護和維修費用不菲。每一面內外牆的油漆表面下都蘊藏著寶貴的資訊。使用紅外線偵測攝影機可以快速識別牆柱和結構構件，以及電氣、暖通空調、供水和安防系統的詳細資訊。發現隱藏的潮濕痕跡，並在潛在的管道或外部洩漏擴散之前將其識別出來。
3.8 食品檢驗
左圖：蘋果的可見光和短波紅外線（SWIR）影像。短波紅外光極易被水吸收，因此蘋果的擦傷部分在短波紅外線影像中很容易被偵測到。
右圖：蘋果的可見光和短波紅外線（SWIR）影像。短波紅外光極易被水吸收，因此蘋果的擦傷部分在短波紅外線影像中很容易被偵測到。
3.9 托納多研究
左圖：2016 年 6 月 15 日，在印第安納州黎巴嫩附近可見的雷暴雲底部。
右圖：2016 年 6 月 15 日，印第安納州黎巴嫩附近的 SWIR 雷暴雲底，顯示 SWIR 影像具有更高的動態範圍和增強的雲紋理細節。
3.10 穿透大氣層的遮蔽劑
短波紅外線（SWIR）InGaAs相機能夠穿透雨水、霧霾、煙霧和其他遮蔽物進行成像。左側的可見光影像無法被偵測到。然而，短波紅外線相機可以穿透大氣遮蔽物，從而確定遮蔽物的原因。右側的影像是在黃昏前拍攝的，拍攝高度約為地面以上150英尺（約45公尺）。圖中所示距離約1.5英里（約2.4公里）。
4. 結論
短波紅外線成像技術彌合了可見光和熱紅外線感測之間的差距，即使在光照和環境條件複雜的情況下也能提供高解析度、高對比度的成像。其多功能性使其在工業自動化、安防、環境監測和科學研究中不可或缺。
