eng
Решения многих задач в различных областях деятельности человека требуют применения специализированной техники и приборов, которые расширяют физические возможности органов чувств, данных человеку природой. К таким приборам относятся производимые конструкторским бюро "ВиТА" серийные и выполняемые по индивидуальному заказу камеры короткого ИК-диапазона.
Теги: detection of laser designators night vision short-wave infrared (swir) light swir-излучение target recognition ночное видение обнаружение лазерных целеуказателей обнаружение целей
Обнаружение излучений
различных типов
В повседневной жизни мы сталкиваемся с электромагнитным световым излучением в различных формах, например: видимый световой спектр, УФ-спектр, радиоволны и рентгеновское излучение, которые различаются друг от друга длиной волны. ИК-излучение как диапазон электромагнитного спектра занимает положение между областью видимого диапазона и микроволнами.
Все физические тела постоянно излучают ИК-волны. При нагревании тела излучение становится более интенсивным и смещается в диапазон более коротких волн. (Чем выше температура тела, тем больше величина смещения пика интенсивности его излучения в область коротких длин волн. Это следует из законов теплового излучения). При умеренных температурах (выше 25 °C) интенсивность излучения достигает уровня, определяемого как тепловое излучение. При температурах свыше 800 °C максимум интенсивности излучения преодолевает границу между невидимой человеческому глазу областью ИК-излучения и видимым диапазоном. Например: при нагревании сталь постепенно приобретает сначала красной цвет, а затем при дальнейшем повышении температуры – белый. Это показывает, что ИК-излучение может быть обнаружено и измерено камерами, обладающими соответствующими характеристиками.
Что такое SWIR?
SWIR-излучение – это общепринятое название диапазона излучения электромагнитных волн от 0,9 до 1,7 мкм, хотя этот диапазон иногда расширяется и до значений 0,7–2,5 мкм. Сенсоры излучения базируются на элементах, выполненных из кремния. Вследствие того что предел чувствительности кремния соответствует примерно 1,0 мкм, SWIR-съемка требует применения особых оптических компонентов, работающих в диапазоне коротких ИК-волн. Другие типичные сенсоры, используемые при обычной съемке в SWIR-диапазоне, созданы на основе арсенида индия-галлия (InGaAs), тройного соединения мышьяка с трехвалентными индием и галлием, они способны захватывать область от 550 нм до более дальней зоны вплоть до 2,5 мкм.
ПОЧЕМУ SWIR?
В отличие от волн среднего ИК- и дальнего ИК-диапазонов, которые излучают сами объекты наблюдения, SWIR-излучение близко к видимому диапазону. И это свойство обеспечивает сенсорам, работающим в этой области, широкий динамический диапазон, необходимый для формирования изображения объекта с высоким разрешением. Атмосферное звездное свечение и фоновое излучение (ночное сияние) являются естественными источниками излучения SWIR-диапазона и великолепной подсветкой объектов при ночной уличной съемке. Производимые на основе InGaAs сенсоры могут обладать исключительной чувствительностью, "подсчитывающими" буквально каждый фотон. Так, камеры со встроенными в фокальную плоскость матрицами, насчитывающими тысячи или даже миллионы мельчайших точечных сенсоров (пикселов), способны работать в условиях глубокой темноты. Очки ночного видения, которые используются уже несколько десятилетий, работают по принципу обнаружения и усиления в так называемых трубках интенсификации (I-Squared) отраженного света, который исходит от звезд или окружающих объектов. Данная технология хорошо подходит для очков непосредственного ночного видения. Но при возникновении необходимости передачи изображения на расстоянии (например: разведывательный центр), нельзя воспользоваться ни одним методом, который был бы полностью надежен и не ограничивал чувствительность (например, ПЗС с оптическим усилением). А так как пользовательский интерфейс SWIR-сенсоров конвертирует свет в электрический сигнал, эти сенсоры в основе своей совместимы с технологиями накопления и передачи сигналов.
Можно задаться вопросом: неужели нет больше приборов, работающих в коротком ИК-диапазоне. Есть, конечно. Это сенсоры, изготавливаемые на основе теллурида ртути-кадмия и антимонида индия, которые очень чувствительны в полосе SWIR. Однако для достижения приемлемого для работы соотношения сигнал/шум такие камеры требуют принудительного охлаждения, чаще до сверхнизких температур. На больших военных самолетах, предназначенных для наблюдения и разведки, организация системы охлаждения не составляет проблем, так как установочные платформы для камер проектируются с большим запасом пространства и питания в расчете на использование системы охлаждения. А приборы на основе InGaAs показывают соответствующую чувствительность даже при комнатной температуре без дополнительных усилий.
Фактически камеры с сенсорами InGaAs могут быть небольшими по габаритам и малозатратными с энергетической точки зрения, но выполнять значимые задачи. Сенсоры InGaAs ранее нашли применение в телекоммуникационной отрасли, так как они обладают чувствительностью к длине волны, используемой в оптоволоконных линиях связи большой протяженности, обычно на уровне 1550 нм. Диоды и матрицы все еще используются в задачах телекоммуникации часто в оптических мониторах вместе со спектрометрами, которые работают в диапазоне SWIR. Такая комбинация дает удивительные результаты. Если использовать SWIR-подсветку 1,55 мкм лазером или светодиодом, можно скрытно для человеческого глаза освещать объект, который становится видимым только для SWIR-камер. Например, так можно освещать дорогу военным грузовикам при недостаточном ночном свечении (если путь пролегает сквозь густой лес или по тоннелю) для обеспечения безопасного передвижения по вражеской территории. Камерам InGaAs с пользовательским интерфейсом невозможно найти замену в таких ситуациях. А с учетом того, что они безопасны для зрения, количество их использований не ограничено.
Важно использовать объективы, предназначенные для SWIR- диапазона, оптимизированные под определенный спектральный диапазон и имеющие просветляющее покрытие. Использование же объективов, предназначенных для волн видимого спектра, в SWIR-диапазоне приводит к получению изображений низкого разрешения вдобавок обладающим искажениями из-за более высокой оптической абберации. Так как волны SWIR проходят сквозь стекло, объективы и другие оптические компоненты (оптические фильтры и окна), используемые для SWIR-съемки, могут быть изготовлены по тем же технологиям, которые используются для компонентов видимого диапазона, это снижает издержки производства и делает возможным использование фильтров и окон в рамках одного оптико-обрабатывающего оборудования.
SWIR-приборы применяются там, где использование приборов видимого излучения осложнено или невозможно. Водяной пар, туман и такие вещества, как силикон, прозрачны для SWIR-волн. Кроме того, цвета, которые являются практически идентичными в видимом диапазоне, легко различаются в диапазоне SWIR.
Преимущества SWIR-приборов
высокая чувствительность;
высокое разрешение;
способность формировать изображение при свете ночного свечения или сиянии ночного неба;
возможность круглосуточного применения;
возможность скрытой подсветки;
способность видеть скрытые лазерные сигналы и маячки;
отсутствие требований глубокого охлаждения;
возможность использования серийных бюджетных объективов видимого диапазона;
компактность;
низкое энергопотребление.
Как работает камера с ИК-коротковолновым (SWIR) сенсором
Сенсоры, используемые в SWIR-камерах, устроены по аналогии с ПЗС- и КМОП-сенсорами на основе кремния, они преобразуют падающие фотоны в электроны, поэтому их также часто называют квантовыми детекторами. В целях обнаружения светового излучения за пределами видимого диапазона чувствительная к свету область этих сенсоров изготавливается из материала типа арсенид индия-галлия (InGaAs) либо из теллурида кадмия-ртути (MCT-HgCdTe). Таким образом, в зависимости от состава материала, композиция соединения которого (химическая структура) переменна и подбирается с учетом задач детектирования, эти сенсоры оказываются чувствительными к длинам волн различных диапазонов. В конкретных случаях для получения заданного отношения сигнал/шум такие сенсоры иногда требуют охлаждения до криогенных температур с помощью жидкого азота или компактных охлаждающих элементов Стирлинга.
В отличие от ПЗС- и КМОП-сенсоров, работающих на основе только кремния, InGaAs сенсоры производят из разного сырья. Процесс комбинирования таких материалов относительно сложный и затратный по времени, так как эта технология включает в себя множество этапов и поэтому отличается относительно низкой производительностью. Причина связаны в основном с теми сложностями, которые возникают в процессе присоединения модуля считывания к светочувствительной области сенсора, что делает производство таких сенсоров совсем недешевым.
Следует также отметить, что современные технологии еще не обеспечивают 100% точности при присоединении считывающего модуля к светочувствительной области. Отсюда велик процент "плохих" пикселов по сравнению с ПЗС- и КМОП-сенсорами, что неизбежно влечет за собой необходимость соответствующей корректировки изображения. Более того, толщина слоя фосфида индия (InP) определяет диапазон динамической чувствительности сенсора. Чем он тоньше, тем больше света с более высокой интенсивностью проходит сквозь него.
ПРИМЕНЕНИЕ ПРИБОРОВ SWIR
Определение влажности
Вода абсорбирует излучение в основном на длинах волн 1450–1900 нм. Данное свойство с применением соответствующих фильтров и подсветки может быть использовано для проведения различных исследований:
определение однородности или степени увлажненности покрытий основного материала;
определение уровня наполненности сквозь непрозрачный материал контейнера;
выявление испорченных или гнилых фруктов;
определение относительного содержания влаги в растениях.
Зоны с большим содержанием жидкости на снимках выглядят темнее. Использование данной технологии применимо во многих производствах:
пищевой и сельскохозяйственной;
горнодобывающей;
деревообрабатывающей;
легкой промышленности;
автомобильной промышленности.
Камеры коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR) позволяют расширить области их применения и увеличить возможности систем машинного зрения проникать за пределы видимого спектра.
Например, SWIR-камеры зачастую могут "видеть" сквозь поверхности, кажущиеся непрозрачными человеческому глазу. Такая способность помогает визуализировать скрытые параметры, такие как уровень наполняемости, наличие влаги или защитных элементов.
В отличие от MWIR-камер, в SWIR-камерах охлаждение сенсора требуется не всегда. Кроме того, нет необходимости в какой-либо специальной оптике, так как волны диапазона 900–2700 нм проходят сквозь простое стекло. Благодаря этому стоимость всей системы держится на умеренном уровне. Дополнительное использование дисперсионной оптики или источника монохромного света делают возможным получение четких снимков исследуемого объекта с понятными значениями оптической плотности.
Применение камер коротковолнового ИК-диапазона на основе сенсоров из арсенида индия-галлия (SWIR InGaAs) в оборонной промышленности
Основные преимущества:
SWIR InGaAs сенсоры чувствительны к свечению ночного неба (1 до 1,6 мкм);
SWIR InGaAs камеры могут быть неохлаждаемыми, небольшими, легкими и экономичными;
в камерах для подсветки объектов могут использоваться невидимые и безопасные для глаз лазерные лучи;
по сравнению с сенсорами дальнего и среднего ИК-диапазонов (LWIR и MWIR соответственно), SWIR InGaAs камеры "видят" отраженный свет. Использование SWIR InGaAs сенсоров вместе с LWIR и MWIR наделяет камеры исключительными свойствами.
Обнаружение лазерных целеуказателей
В настоящее время лазеры широкого применяются на поле боя: дальнометрические лазеры используются для определения удаленности объектов, а целеуказатели используются в наступательных операциях. Наиболее распространенные модели лазеров функционируют на длине волн 850, 1060 и 1550 нм. Две первых волны излучения детектируются очками ночного видения, третье, на длине волны 1550 нм, считается невидимым. Камеры SWIR InGaAs могут обнаруживать все три излучения одновременно.
Ночное видение и обнаружение целей
Термоскопические камеры, такие как неохлаждаемые длинноволновые ИК-микроболометры, наилучшим образом выполняют задачи по обнаружению объектов в ночное время. Тем не менее камеры SWIR InGaAs являются отличным дополнением к термоскопическим камерам.
Если термоскопические приборы легко обнаруживают присутствие объектов, выделяющих тепло, например автомашины, грузовики, люди и т.д., то SWIR InGaAs камеры могут использоваться для идентификации и распознавания указанных объектов при более низких температурах окружающей среды. Работа SWIR-камер в ночное время основана на отражении ИК-лучей атмосферного или ночного небесного свечения, а не теплового излучения. Поэтому изображения, получаемые SWIR-камерами, представляют наиболее точно то, что различается в видимом диапазоне. В сравнении с термоскопией, SWIR-камеры обладают лучшим динамическим диапазоном. Термоскопические приборы являются другим классом камер с хорошими возможностями обнаруживать объекты, которые рекомендуются к использованию в дополнение к SWIR-камерам. Если термоскоп в состоянии определять присутствие теплых объектов на фоне более холодного окружения, SWIR-камера может на самом деле идентифицировать, что это за объект, так как термоскопы не обладают разрешающей способностью и динамическим диапазоном, что характеризует матрицы фокальных плоскостей SWIR-камер. В военном деле способность отличить военный транспорт от гражданского автомобиля считается критически важной. SWIR-камеры могут способствовать распознаванию "свой-чужой".
КМОП- и ПЗС-камеры являются великолепными приборами, которые все время совершенствуются для использования в оборонной промышленности, но для работы данным сенсорам обыкновенно требуется дневной свет. В свою очередь, одна и та же SWIR-камера может использоваться круглые сутки для выполнения поставленных задач.
Очевиден тот факт, что преимущество InGaAs камеры видимого ближнего диапазона (VISNIR InGaAs) состоит в ее способности фиксировать больше электромагнитных колебаний при наличии света видимого спектра, например уличных фонарей или свечения населенных пунктов. К тому же, используя SWIR-излучение светодиодов или лазеров длиной волны 1150 нм, можно осуществлять невидимую подсветку, то есть проводить наблюдение только при помощи SWIR-камеры. Следует добавить, что SWIR-лазеры безопасны для глаз; их можно использовать для безопасной подсветки объектов и людей.
Съемка с лазерной подсветкой
Съемка с лазерной подсветкой позволяет получать изображения удаленных объектов в условиях низкой освещенности и при влияние атмосферных факторов. При такой съемке лазерный стробоскоп осуществляет подсветку объекта, а камера фиксирует отраженные лучи. В качестве подсветки для SWIR InGaAs камер используются невидимые и безопасные для глаз лазеры с длиной волны 1,54 мкм.
Событийная осведомленность – фиксация выстрела
Акустические сенсоры, которые "слышат" ударную волну от пули не являются единственным решением для фиксации выстрелов. След выстрела может быть обнаружен, локализован и обработан намного быстрее высокоскоростными SWIR InGaAs камерами, как в ночное, так и в дневное время. Такие камеры фиксируют дымовые газы и горячие частицы, образуемые при выстреле.
Обеспечение видимости в тумане и дыму
По сравнению с камерами видимого диапазона, SWIR InGaAs камеры обеспечивают великолепное качество съемки в условиях запыленности, тумана или дыма. При наличии источника огня, он может быть легко локализован и обнаружен такими камерами.
Воздушная разведка, дистанционное зондирование и обзорное наблюдение
Небольшие потребляющие мало энергии и легкие SWIR InGaAs камеры могут устанавливаться на самолетах и беспилотных летающих аппаратах (БЛА) с целью проведения разведки и наблюдения. Гиперспектральные камеры могут быть использованы для обнаружения уникального спектрального следа военнозначимых предметов, например камуфляжных материалов.
ПРИМЕНЕНИЕ ПРИБОРОВ SWIR ПРИ ПРОВЕДЕНИИ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
Уникальное свойство молекул поглощать излучение проявляется не только в среднем ИК-диапазоне, но также в диапазоне ИК-коротких, ИК-ближних и видимых длин волн. Следовательно, спектральный отклик можно также получать, принимая отраженный либо проведенный свет.
Спектроскопия не требует разрушения объекта, равно как и другой специальной подготовки и становится возможным быстрый и последовательный анализ как качественных, так и количественных параметров множества образцов по очереди.
Применение:
структурный анализ незнакомых веществ;
классификация веществ по количеству примесей на основе количественного анализа;
пробация основного материала без необходимости подготовительных мероприятий (химиометрика);
определение химических квалификационных значений;
качественный анализ сельхозпродукции;
сортировка пластиков.
Тестирование проводников и солнечных батарей
В производстве кремниевых подложек и солнечных батарей на конечном этапе проверки качества и выявления микротрещин и дефектов литья используется явление электролюминесценции (ответная электрическому току эмиссия света). Как следствие, можно использовать явление фотолюминесценции (ответная засветке эмиссия света) на протяжении всего производственного процесса. Наиболее подходящими для этого являются SWIR-камеры, так как эмитируемый кремнием свет имеет пиковую длину волны 1150 нм, а квантовая эффективность сенсоров на основе InGaAs намного выше, чем у улучшенных камер ближнего ИК-диапазона с использованием охлаждаемых и неохлаждаемых ПЗС- и КМОП-сенсоров, которые чувствительны к волнам до 1000 нм.
Ко всему прочему кремний не прозрачен для волн длиной до 1150 нм, поэтому SWIR-камеры лучше всего подходят для проверки металлизированных покрытий и качества контактов на обратной стороне подложки.
ГРАЖДАНСКИЕ ОТРАСЛИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИБОРОВ SWIR
Металлургия и стекольная промышленность: термоскопия нагретых веществ (в диапазоне от 250 до 800 °C);
Медицина, наука и биология: лазероскопия;
Полиграфия: проверка банкнот;
Проверка произведений искусства;
Расширение диапазона зрения.
Сенсоры ближнего и короткого ИК для приборов оптической когерентной томографии (ОКТ) внутренних органов высокого разрешения
Оптическая когерентная томография (ОКТ), методика низкокогерентной интерферометрии, прочно вошла в практику офтальмологии как неинвазивный клинический инструментарий для получения снимков высокого разрешения сетчатки глаза. Устанавливая значение центрального луча на уровне 1,05 нм, производители аппаратуры в настоящее время разрабатывают системы для получения снимков более глубокой области кровеносных сосудов глаза (так называемой хороидальной), лежащей позади сетчатки с целью диагностирования заболеваний и мониторинга проводимой терапии. В настоящее время ведутся работы по внедрению метода в эндоскопии, как пищевода, так и артерий, и в стоматологии.
Сквозь стекло…
И в завершение: основной преимущественной характеристикой SWIR-зрения, которое не реализуется никаким другим прибором, является способность "видеть" сквозь стекло. Это значит, что SWIR-камеры практически всегда совместимы с обычными, бюджетными объективами, изготовленными для обычных применений, кроме, разумеется, некоторых особо оговоренных требований. В большинстве случаев нет необходимости дополнительно оснащать SWIR-камеры специальной дорогой оптикой или стойкими к внешним воздействиям корпусами, что делает их пригодными к широкому использованию в различных отраслях. Так же данная характеристика позволяет монтировать коротковолновые ИК-камеры внутри защитных окон, делая работы по размещению видеосистемы на желаемой платформе чрезвычайно простыми.
ВЫВОДЫ
SWIR-приборы, производимые КБ "ВиТА" (Россия), теперь позволяют решать ранее невыполнимые задачи. В сегменте серийного коммерческого приборостроения они выгодно отличаются от присутствующих на современном рынке камер SWIR-диапазона иностранных производителей. Несмотря на то что данное направление является инновационным для отечественного производителя, КБ "ВиТА" полностью освоила серийное производство SWIR-камер с разрешением 320 × 256 пикселов и уже завершила проектирование SWIR-камеры с большим разрешением. Так как продукция КБ "ВиТА" является разработкой отечественного производителя, она имеет неоспоримое преимущество перед зарубежными аналогами в части стоимости и является конкурентоспособной по техническим характеристикам, сопутствующему обеспечению и универсальным интеграционным возможностям.
различных типов
В повседневной жизни мы сталкиваемся с электромагнитным световым излучением в различных формах, например: видимый световой спектр, УФ-спектр, радиоволны и рентгеновское излучение, которые различаются друг от друга длиной волны. ИК-излучение как диапазон электромагнитного спектра занимает положение между областью видимого диапазона и микроволнами.
Все физические тела постоянно излучают ИК-волны. При нагревании тела излучение становится более интенсивным и смещается в диапазон более коротких волн. (Чем выше температура тела, тем больше величина смещения пика интенсивности его излучения в область коротких длин волн. Это следует из законов теплового излучения). При умеренных температурах (выше 25 °C) интенсивность излучения достигает уровня, определяемого как тепловое излучение. При температурах свыше 800 °C максимум интенсивности излучения преодолевает границу между невидимой человеческому глазу областью ИК-излучения и видимым диапазоном. Например: при нагревании сталь постепенно приобретает сначала красной цвет, а затем при дальнейшем повышении температуры – белый. Это показывает, что ИК-излучение может быть обнаружено и измерено камерами, обладающими соответствующими характеристиками.
Что такое SWIR?
SWIR-излучение – это общепринятое название диапазона излучения электромагнитных волн от 0,9 до 1,7 мкм, хотя этот диапазон иногда расширяется и до значений 0,7–2,5 мкм. Сенсоры излучения базируются на элементах, выполненных из кремния. Вследствие того что предел чувствительности кремния соответствует примерно 1,0 мкм, SWIR-съемка требует применения особых оптических компонентов, работающих в диапазоне коротких ИК-волн. Другие типичные сенсоры, используемые при обычной съемке в SWIR-диапазоне, созданы на основе арсенида индия-галлия (InGaAs), тройного соединения мышьяка с трехвалентными индием и галлием, они способны захватывать область от 550 нм до более дальней зоны вплоть до 2,5 мкм.
ПОЧЕМУ SWIR?
В отличие от волн среднего ИК- и дальнего ИК-диапазонов, которые излучают сами объекты наблюдения, SWIR-излучение близко к видимому диапазону. И это свойство обеспечивает сенсорам, работающим в этой области, широкий динамический диапазон, необходимый для формирования изображения объекта с высоким разрешением. Атмосферное звездное свечение и фоновое излучение (ночное сияние) являются естественными источниками излучения SWIR-диапазона и великолепной подсветкой объектов при ночной уличной съемке. Производимые на основе InGaAs сенсоры могут обладать исключительной чувствительностью, "подсчитывающими" буквально каждый фотон. Так, камеры со встроенными в фокальную плоскость матрицами, насчитывающими тысячи или даже миллионы мельчайших точечных сенсоров (пикселов), способны работать в условиях глубокой темноты. Очки ночного видения, которые используются уже несколько десятилетий, работают по принципу обнаружения и усиления в так называемых трубках интенсификации (I-Squared) отраженного света, который исходит от звезд или окружающих объектов. Данная технология хорошо подходит для очков непосредственного ночного видения. Но при возникновении необходимости передачи изображения на расстоянии (например: разведывательный центр), нельзя воспользоваться ни одним методом, который был бы полностью надежен и не ограничивал чувствительность (например, ПЗС с оптическим усилением). А так как пользовательский интерфейс SWIR-сенсоров конвертирует свет в электрический сигнал, эти сенсоры в основе своей совместимы с технологиями накопления и передачи сигналов.
Можно задаться вопросом: неужели нет больше приборов, работающих в коротком ИК-диапазоне. Есть, конечно. Это сенсоры, изготавливаемые на основе теллурида ртути-кадмия и антимонида индия, которые очень чувствительны в полосе SWIR. Однако для достижения приемлемого для работы соотношения сигнал/шум такие камеры требуют принудительного охлаждения, чаще до сверхнизких температур. На больших военных самолетах, предназначенных для наблюдения и разведки, организация системы охлаждения не составляет проблем, так как установочные платформы для камер проектируются с большим запасом пространства и питания в расчете на использование системы охлаждения. А приборы на основе InGaAs показывают соответствующую чувствительность даже при комнатной температуре без дополнительных усилий.
Фактически камеры с сенсорами InGaAs могут быть небольшими по габаритам и малозатратными с энергетической точки зрения, но выполнять значимые задачи. Сенсоры InGaAs ранее нашли применение в телекоммуникационной отрасли, так как они обладают чувствительностью к длине волны, используемой в оптоволоконных линиях связи большой протяженности, обычно на уровне 1550 нм. Диоды и матрицы все еще используются в задачах телекоммуникации часто в оптических мониторах вместе со спектрометрами, которые работают в диапазоне SWIR. Такая комбинация дает удивительные результаты. Если использовать SWIR-подсветку 1,55 мкм лазером или светодиодом, можно скрытно для человеческого глаза освещать объект, который становится видимым только для SWIR-камер. Например, так можно освещать дорогу военным грузовикам при недостаточном ночном свечении (если путь пролегает сквозь густой лес или по тоннелю) для обеспечения безопасного передвижения по вражеской территории. Камерам InGaAs с пользовательским интерфейсом невозможно найти замену в таких ситуациях. А с учетом того, что они безопасны для зрения, количество их использований не ограничено.
Важно использовать объективы, предназначенные для SWIR- диапазона, оптимизированные под определенный спектральный диапазон и имеющие просветляющее покрытие. Использование же объективов, предназначенных для волн видимого спектра, в SWIR-диапазоне приводит к получению изображений низкого разрешения вдобавок обладающим искажениями из-за более высокой оптической абберации. Так как волны SWIR проходят сквозь стекло, объективы и другие оптические компоненты (оптические фильтры и окна), используемые для SWIR-съемки, могут быть изготовлены по тем же технологиям, которые используются для компонентов видимого диапазона, это снижает издержки производства и делает возможным использование фильтров и окон в рамках одного оптико-обрабатывающего оборудования.
SWIR-приборы применяются там, где использование приборов видимого излучения осложнено или невозможно. Водяной пар, туман и такие вещества, как силикон, прозрачны для SWIR-волн. Кроме того, цвета, которые являются практически идентичными в видимом диапазоне, легко различаются в диапазоне SWIR.
Преимущества SWIR-приборов
высокая чувствительность;
высокое разрешение;
способность формировать изображение при свете ночного свечения или сиянии ночного неба;
возможность круглосуточного применения;
возможность скрытой подсветки;
способность видеть скрытые лазерные сигналы и маячки;
отсутствие требований глубокого охлаждения;
возможность использования серийных бюджетных объективов видимого диапазона;
компактность;
низкое энергопотребление.
Как работает камера с ИК-коротковолновым (SWIR) сенсором
Сенсоры, используемые в SWIR-камерах, устроены по аналогии с ПЗС- и КМОП-сенсорами на основе кремния, они преобразуют падающие фотоны в электроны, поэтому их также часто называют квантовыми детекторами. В целях обнаружения светового излучения за пределами видимого диапазона чувствительная к свету область этих сенсоров изготавливается из материала типа арсенид индия-галлия (InGaAs) либо из теллурида кадмия-ртути (MCT-HgCdTe). Таким образом, в зависимости от состава материала, композиция соединения которого (химическая структура) переменна и подбирается с учетом задач детектирования, эти сенсоры оказываются чувствительными к длинам волн различных диапазонов. В конкретных случаях для получения заданного отношения сигнал/шум такие сенсоры иногда требуют охлаждения до криогенных температур с помощью жидкого азота или компактных охлаждающих элементов Стирлинга.
В отличие от ПЗС- и КМОП-сенсоров, работающих на основе только кремния, InGaAs сенсоры производят из разного сырья. Процесс комбинирования таких материалов относительно сложный и затратный по времени, так как эта технология включает в себя множество этапов и поэтому отличается относительно низкой производительностью. Причина связаны в основном с теми сложностями, которые возникают в процессе присоединения модуля считывания к светочувствительной области сенсора, что делает производство таких сенсоров совсем недешевым.
Следует также отметить, что современные технологии еще не обеспечивают 100% точности при присоединении считывающего модуля к светочувствительной области. Отсюда велик процент "плохих" пикселов по сравнению с ПЗС- и КМОП-сенсорами, что неизбежно влечет за собой необходимость соответствующей корректировки изображения. Более того, толщина слоя фосфида индия (InP) определяет диапазон динамической чувствительности сенсора. Чем он тоньше, тем больше света с более высокой интенсивностью проходит сквозь него.
ПРИМЕНЕНИЕ ПРИБОРОВ SWIR
Определение влажности
Вода абсорбирует излучение в основном на длинах волн 1450–1900 нм. Данное свойство с применением соответствующих фильтров и подсветки может быть использовано для проведения различных исследований:
определение однородности или степени увлажненности покрытий основного материала;
определение уровня наполненности сквозь непрозрачный материал контейнера;
выявление испорченных или гнилых фруктов;
определение относительного содержания влаги в растениях.
Зоны с большим содержанием жидкости на снимках выглядят темнее. Использование данной технологии применимо во многих производствах:
пищевой и сельскохозяйственной;
горнодобывающей;
деревообрабатывающей;
легкой промышленности;
автомобильной промышленности.
Камеры коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR) позволяют расширить области их применения и увеличить возможности систем машинного зрения проникать за пределы видимого спектра.
Например, SWIR-камеры зачастую могут "видеть" сквозь поверхности, кажущиеся непрозрачными человеческому глазу. Такая способность помогает визуализировать скрытые параметры, такие как уровень наполняемости, наличие влаги или защитных элементов.
В отличие от MWIR-камер, в SWIR-камерах охлаждение сенсора требуется не всегда. Кроме того, нет необходимости в какой-либо специальной оптике, так как волны диапазона 900–2700 нм проходят сквозь простое стекло. Благодаря этому стоимость всей системы держится на умеренном уровне. Дополнительное использование дисперсионной оптики или источника монохромного света делают возможным получение четких снимков исследуемого объекта с понятными значениями оптической плотности.
Применение камер коротковолнового ИК-диапазона на основе сенсоров из арсенида индия-галлия (SWIR InGaAs) в оборонной промышленности
Основные преимущества:
SWIR InGaAs сенсоры чувствительны к свечению ночного неба (1 до 1,6 мкм);
SWIR InGaAs камеры могут быть неохлаждаемыми, небольшими, легкими и экономичными;
в камерах для подсветки объектов могут использоваться невидимые и безопасные для глаз лазерные лучи;
по сравнению с сенсорами дальнего и среднего ИК-диапазонов (LWIR и MWIR соответственно), SWIR InGaAs камеры "видят" отраженный свет. Использование SWIR InGaAs сенсоров вместе с LWIR и MWIR наделяет камеры исключительными свойствами.
Обнаружение лазерных целеуказателей
В настоящее время лазеры широкого применяются на поле боя: дальнометрические лазеры используются для определения удаленности объектов, а целеуказатели используются в наступательных операциях. Наиболее распространенные модели лазеров функционируют на длине волн 850, 1060 и 1550 нм. Две первых волны излучения детектируются очками ночного видения, третье, на длине волны 1550 нм, считается невидимым. Камеры SWIR InGaAs могут обнаруживать все три излучения одновременно.
Ночное видение и обнаружение целей
Термоскопические камеры, такие как неохлаждаемые длинноволновые ИК-микроболометры, наилучшим образом выполняют задачи по обнаружению объектов в ночное время. Тем не менее камеры SWIR InGaAs являются отличным дополнением к термоскопическим камерам.
Если термоскопические приборы легко обнаруживают присутствие объектов, выделяющих тепло, например автомашины, грузовики, люди и т.д., то SWIR InGaAs камеры могут использоваться для идентификации и распознавания указанных объектов при более низких температурах окружающей среды. Работа SWIR-камер в ночное время основана на отражении ИК-лучей атмосферного или ночного небесного свечения, а не теплового излучения. Поэтому изображения, получаемые SWIR-камерами, представляют наиболее точно то, что различается в видимом диапазоне. В сравнении с термоскопией, SWIR-камеры обладают лучшим динамическим диапазоном. Термоскопические приборы являются другим классом камер с хорошими возможностями обнаруживать объекты, которые рекомендуются к использованию в дополнение к SWIR-камерам. Если термоскоп в состоянии определять присутствие теплых объектов на фоне более холодного окружения, SWIR-камера может на самом деле идентифицировать, что это за объект, так как термоскопы не обладают разрешающей способностью и динамическим диапазоном, что характеризует матрицы фокальных плоскостей SWIR-камер. В военном деле способность отличить военный транспорт от гражданского автомобиля считается критически важной. SWIR-камеры могут способствовать распознаванию "свой-чужой".
КМОП- и ПЗС-камеры являются великолепными приборами, которые все время совершенствуются для использования в оборонной промышленности, но для работы данным сенсорам обыкновенно требуется дневной свет. В свою очередь, одна и та же SWIR-камера может использоваться круглые сутки для выполнения поставленных задач.
Очевиден тот факт, что преимущество InGaAs камеры видимого ближнего диапазона (VISNIR InGaAs) состоит в ее способности фиксировать больше электромагнитных колебаний при наличии света видимого спектра, например уличных фонарей или свечения населенных пунктов. К тому же, используя SWIR-излучение светодиодов или лазеров длиной волны 1150 нм, можно осуществлять невидимую подсветку, то есть проводить наблюдение только при помощи SWIR-камеры. Следует добавить, что SWIR-лазеры безопасны для глаз; их можно использовать для безопасной подсветки объектов и людей.
Съемка с лазерной подсветкой
Съемка с лазерной подсветкой позволяет получать изображения удаленных объектов в условиях низкой освещенности и при влияние атмосферных факторов. При такой съемке лазерный стробоскоп осуществляет подсветку объекта, а камера фиксирует отраженные лучи. В качестве подсветки для SWIR InGaAs камер используются невидимые и безопасные для глаз лазеры с длиной волны 1,54 мкм.
Событийная осведомленность – фиксация выстрела
Акустические сенсоры, которые "слышат" ударную волну от пули не являются единственным решением для фиксации выстрелов. След выстрела может быть обнаружен, локализован и обработан намного быстрее высокоскоростными SWIR InGaAs камерами, как в ночное, так и в дневное время. Такие камеры фиксируют дымовые газы и горячие частицы, образуемые при выстреле.
Обеспечение видимости в тумане и дыму
По сравнению с камерами видимого диапазона, SWIR InGaAs камеры обеспечивают великолепное качество съемки в условиях запыленности, тумана или дыма. При наличии источника огня, он может быть легко локализован и обнаружен такими камерами.
Воздушная разведка, дистанционное зондирование и обзорное наблюдение
Небольшие потребляющие мало энергии и легкие SWIR InGaAs камеры могут устанавливаться на самолетах и беспилотных летающих аппаратах (БЛА) с целью проведения разведки и наблюдения. Гиперспектральные камеры могут быть использованы для обнаружения уникального спектрального следа военнозначимых предметов, например камуфляжных материалов.
ПРИМЕНЕНИЕ ПРИБОРОВ SWIR ПРИ ПРОВЕДЕНИИ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
Уникальное свойство молекул поглощать излучение проявляется не только в среднем ИК-диапазоне, но также в диапазоне ИК-коротких, ИК-ближних и видимых длин волн. Следовательно, спектральный отклик можно также получать, принимая отраженный либо проведенный свет.
Спектроскопия не требует разрушения объекта, равно как и другой специальной подготовки и становится возможным быстрый и последовательный анализ как качественных, так и количественных параметров множества образцов по очереди.
Применение:
структурный анализ незнакомых веществ;
классификация веществ по количеству примесей на основе количественного анализа;
пробация основного материала без необходимости подготовительных мероприятий (химиометрика);
определение химических квалификационных значений;
качественный анализ сельхозпродукции;
сортировка пластиков.
Тестирование проводников и солнечных батарей
В производстве кремниевых подложек и солнечных батарей на конечном этапе проверки качества и выявления микротрещин и дефектов литья используется явление электролюминесценции (ответная электрическому току эмиссия света). Как следствие, можно использовать явление фотолюминесценции (ответная засветке эмиссия света) на протяжении всего производственного процесса. Наиболее подходящими для этого являются SWIR-камеры, так как эмитируемый кремнием свет имеет пиковую длину волны 1150 нм, а квантовая эффективность сенсоров на основе InGaAs намного выше, чем у улучшенных камер ближнего ИК-диапазона с использованием охлаждаемых и неохлаждаемых ПЗС- и КМОП-сенсоров, которые чувствительны к волнам до 1000 нм.
Ко всему прочему кремний не прозрачен для волн длиной до 1150 нм, поэтому SWIR-камеры лучше всего подходят для проверки металлизированных покрытий и качества контактов на обратной стороне подложки.
ГРАЖДАНСКИЕ ОТРАСЛИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИБОРОВ SWIR
Металлургия и стекольная промышленность: термоскопия нагретых веществ (в диапазоне от 250 до 800 °C);
Медицина, наука и биология: лазероскопия;
Полиграфия: проверка банкнот;
Проверка произведений искусства;
Расширение диапазона зрения.
Сенсоры ближнего и короткого ИК для приборов оптической когерентной томографии (ОКТ) внутренних органов высокого разрешения
Оптическая когерентная томография (ОКТ), методика низкокогерентной интерферометрии, прочно вошла в практику офтальмологии как неинвазивный клинический инструментарий для получения снимков высокого разрешения сетчатки глаза. Устанавливая значение центрального луча на уровне 1,05 нм, производители аппаратуры в настоящее время разрабатывают системы для получения снимков более глубокой области кровеносных сосудов глаза (так называемой хороидальной), лежащей позади сетчатки с целью диагностирования заболеваний и мониторинга проводимой терапии. В настоящее время ведутся работы по внедрению метода в эндоскопии, как пищевода, так и артерий, и в стоматологии.
Сквозь стекло…
И в завершение: основной преимущественной характеристикой SWIR-зрения, которое не реализуется никаким другим прибором, является способность "видеть" сквозь стекло. Это значит, что SWIR-камеры практически всегда совместимы с обычными, бюджетными объективами, изготовленными для обычных применений, кроме, разумеется, некоторых особо оговоренных требований. В большинстве случаев нет необходимости дополнительно оснащать SWIR-камеры специальной дорогой оптикой или стойкими к внешним воздействиям корпусами, что делает их пригодными к широкому использованию в различных отраслях. Так же данная характеристика позволяет монтировать коротковолновые ИК-камеры внутри защитных окон, делая работы по размещению видеосистемы на желаемой платформе чрезвычайно простыми.
ВЫВОДЫ
SWIR-приборы, производимые КБ "ВиТА" (Россия), теперь позволяют решать ранее невыполнимые задачи. В сегменте серийного коммерческого приборостроения они выгодно отличаются от присутствующих на современном рынке камер SWIR-диапазона иностранных производителей. Несмотря на то что данное направление является инновационным для отечественного производителя, КБ "ВиТА" полностью освоила серийное производство SWIR-камер с разрешением 320 × 256 пикселов и уже завершила проектирование SWIR-камеры с большим разрешением. Так как продукция КБ "ВиТА" является разработкой отечественного производителя, она имеет неоспоримое преимущество перед зарубежными аналогами в части стоимости и является конкурентоспособной по техническим характеристикам, сопутствующему обеспечению и универсальным интеграционным возможностям.
Отзывы читателей
