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短波紅外光譜長(zhǎng)啥樣?

短波紅外波段指波長(zhǎng)在 1400-3000 納米之間的波段，肉眼無(wú)法識(shí)別這些光譜。礦物質(zhì)、人造物質(zhì)及其他一些地物具有特殊的成分，而短波紅外能夠“看見”這種特有成分，但肉眼和可見光近紅外光波卻“看不見”。

可見光近紅外光譜和短波紅外光譜圖

上期跟大家介紹了短波紅外范圍(0.9—1.7 um)敏感是由于InGaAs傳感器的發(fā)展才于最近成為現(xiàn)實(shí)的。但是為什么要使用短波紅外呢?

短波紅外成像有一個(gè)其他技術(shù)無(wú)可比擬的主要優(yōu)點(diǎn)，即它能夠透過(guò)玻璃進(jìn)行成像。對(duì)于短波紅外相機(jī)來(lái)說(shuō)，特制的價(jià)格昂貴的透鏡或者適應(yīng)惡劣環(huán)境的外殼幾乎是不必要的。這就使得它們可以用于各種各樣的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)。這種能力還允許短波紅外相機(jī)安裝在一個(gè)保護(hù)窗口內(nèi)，當(dāng)將相機(jī)系統(tǒng)固定在一種潛在平臺(tái)上時(shí)，這將可以提供很大的靈活性。

所以，為何要使用短波紅外呢?因?yàn)槎滩t外具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

高靈敏度

高分辨率

能在夜空輝光下觀測(cè)

晝夜成像

隱蔽照明

能看到隱蔽的激光器和信標(biāo)

無(wú)需低溫制冷

可采用常規(guī)的低成本可見光透鏡

尺寸小

功率低

成像效果圖

在夜里使用短波紅外還有一個(gè)大的優(yōu)點(diǎn)。被稱為夜間天空輻亮度的大氣現(xiàn)象所發(fā)出的光照度比星光強(qiáng)5至7倍，這種光照幾乎都處在短波紅外波長(zhǎng)區(qū)。所以，有了短波紅外相機(jī)，再加上這種常常被稱為夜氣輝的夜間光照度，我們便能夠在無(wú)月光的夜間很清楚地“看到”目標(biāo)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享這種圖像，因?yàn)槠渌上衿骷](méi)法做到這一點(diǎn)。

在近紅外、短波紅外以及可見光范圍可確保提供完美的日間/夜間相機(jī)解決方案。具有高分辨率、無(wú)光暈以及高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。使用者可以在無(wú)光源的環(huán)境下捕獲大氣中的“夜間光”來(lái)獲得清晰可視的圖像.普通數(shù)碼相機(jī),不能夠提供足夠的信息以對(duì)某一場(chǎng)景進(jìn)行全天候、全面、準(zhǔn)確、可靠的描述，易造成目標(biāo)的丟失和誤判，所有的成像效果都無(wú)法與SWIR鏡頭技術(shù)媲美。以下是對(duì)比圖

廣泛應(yīng)用

小編非常辛苦的收羅了短波紅外的各種應(yīng)用，希望大家能了解到他的價(jià)值。

SWIR短波鏡頭的精湛之處在于直接在生產(chǎn)讀取電路晶圓上生長(zhǎng)出鍺探測(cè)單元，產(chǎn)生數(shù)百計(jì)數(shù)的對(duì)短波紅外可見的成像芯片，可靠性高，波長(zhǎng)響應(yīng)范圍更寬，不僅能夠延伸到紅外波段而且可以檢測(cè)可見光和近紅外光。在半導(dǎo)體、醫(yī)學(xué)、生物、夜間監(jiān)視以及其他需要同時(shí)檢測(cè)可見光和紅外光的領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用。

半導(dǎo)體行業(yè)

包裝-破碎設(shè)備檢測(cè)

材料和電路檢查

故障分析——背面直通硅

電路缺陷和故障的成像

光伏檢驗(yàn) - 光致發(fā)光和

電致發(fā)光特性

眼科

視網(wǎng)膜檢查

?復(fù)合彩色光學(xué)相干斷層掃描

皮膚科

皮膚水合作用

黑色素瘤ID

手術(shù)

廣譜癌癥標(biāo)記熒光

血管ID

脂質(zhì)ID

牙科

鄰間的搪瓷檢驗(yàn)

咬合的搪瓷檢驗(yàn)

表面檢查

制藥公司

膠囊表面和內(nèi)部

產(chǎn)品檢驗(yàn)

平板電腦檢查

光譜學(xué)

2 d成像光譜使用像素化

高分辨率廣譜線性的

穿透大多數(shù)塑料和計(jì)量玻璃瓶檢驗(yàn)

冰/水/蒸汽檢測(cè)

農(nóng)業(yè)

灌溉規(guī)劃

土壤水分

生產(chǎn)檢驗(yàn)

損失評(píng)估和質(zhì)量裝箱

肉類檢驗(yàn)

污染檢測(cè)

纖維檢驗(yàn)

包層檢查

復(fù)雜光纖電路調(diào)試

電信和激光光具座探測(cè)

國(guó)防

夜視

持久/盯著被動(dòng)的應(yīng)用程序目標(biāo)獲取

ISR系統(tǒng) 搜索和救援

白天/夜晚能見度的紅外信號(hào)

帶大家來(lái)看看實(shí)際案例：

·識(shí)別人造材料

由于人造材料在短波紅外波長(zhǎng)中有獨(dú)特的反射方式，這將有助于區(qū)分在可見光譜中肉眼看起來(lái)類似的材料。使其在影像中呈現(xiàn)更具體的類型區(qū)別。

·火災(zāi)撲救

很多物質(zhì)在短波紅外波段上具有特定的發(fā)射率和吸收特性，比如雪、冰、多種巖石及人造物質(zhì)等。在影像分析過(guò)程中，我們正是利用這些特性，才得以將這些物質(zhì)識(shí)別出來(lái)。短波紅外甚至還能夠穿透一些煙霧，將著火點(diǎn)識(shí)別出來(lái)。

無(wú)論是森林火災(zāi)、叢林火還是山火，一旦失去控制都會(huì)給當(dāng)?shù)鼐用窈妥匀毁Y源造成毀滅性的打擊，因此，快速有效的火災(zāi)探測(cè)對(duì)于保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施及確保居民安全至關(guān)重要?；馂?zāi)看似容易發(fā)現(xiàn)，但常常會(huì)有視覺(jué)障礙。

譬如煙霧會(huì)阻礙消防員在地面或空中的視線。左圖中，很容易看出煙霧來(lái)源，卻很難判斷沿著圍欄線的地面火情。右圖中，利用短波紅外透過(guò)煙霧，突出熱區(qū)，就能讓消防員知曉需要注意的區(qū)域。

通過(guò)短波紅外能夠“看出”澳大利亞阿德萊德郊區(qū)火災(zāi)仍在蔓延。左側(cè)可見光圖像清晰顯示煙霧范圍，但右側(cè)的短波紅外圖像透過(guò)煙霧，讓消防員能夠“火眼晶晶”。

發(fā)現(xiàn)礦藏

短波紅外波段讓精準(zhǔn)識(shí)別礦物成為可能。根據(jù)礦物含量，不同成分會(huì)吸收光波的量，從而形成不同的反射率。

可見光圖像(左圖)顯示出采礦區(qū)域，但不能展示有價(jià)值的地質(zhì)和礦物信息。在短波紅外圖像(右圖)中，地質(zhì)學(xué)和礦物學(xué)信息清晰可辨，可用于地質(zhì)解譯。

上圖為內(nèi)華達(dá)州某礦區(qū)，利用 WV-3 0.75 m 短波紅外波段，識(shí)別肉眼看不到的礦物。

利用短波紅外圖像在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用。根據(jù)不同的礦物對(duì)光波的吸收情況，反映出不同的光譜長(zhǎng)度，根據(jù)波長(zhǎng)探測(cè)含有 l-OH、Mg-OH、Fe-OH、Si-OH、碳酸鹽、銨以及硫酸鹽等離子組的物質(zhì)，從而判斷這些礦區(qū)具有哪些礦石。地質(zhì)專家和采礦業(yè)者在勘探階段常?；ㄙM(fèi)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)美元尋找潛在礦區(qū)，如果能夠利用短波紅外影像，可在計(jì)劃實(shí)地核查之前縮小潛在礦區(qū)范圍，從而降低成本、提高效率。

材料分選的應(yīng)用案例

材料分選目的主要是用于兩個(gè)方面：同類產(chǎn)品分級(jí)、異類產(chǎn)品分離。

工業(yè)應(yīng)用方面，主要要求高效、精準(zhǔn)、成本控制。如何制定適合工業(yè)應(yīng)用，又能夠高效體現(xiàn)近紅外技術(shù)的方案，至關(guān)重要。在工業(yè)檢測(cè)方案制定過(guò)程中，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：光譜分離、光譜標(biāo)定、分選控制、圖像識(shí)別等。

傳統(tǒng)材料分選方式多采用人工、物理特性或者化學(xué)檢測(cè)方式進(jìn)行分選，但這些檢測(cè)方式要么效率低下、準(zhǔn)確率低，要么分選過(guò)程會(huì)造成損傷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效分選。

近紅外分選技術(shù)同傳統(tǒng)分選技術(shù)相比，則具有高效、無(wú)損、快速、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

近紅外光譜波段為780nm-2500nm.近紅外光譜分析技術(shù)基于(X-H)分子官能團(tuán)的化學(xué)鍵的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振幅與其相應(yīng)勢(shì)能有關(guān)。但分子官能團(tuán)吸收光子時(shí)，其勢(shì)能會(huì)由基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷，從而會(huì)在近紅外光譜上形成特征吸收峰。由于不同物質(zhì)含有的X-H化學(xué)鍵的形式、個(gè)數(shù)不同，所以不同材料在近紅外光譜形成的吸收峰也各有不同，因而通過(guò)吸收峰的位置及強(qiáng)度可以判斷材料種類。

圖為近紅外分子官能團(tuán)吸收分布圖表?？梢钥闯觯瑘D表主要分為合頻區(qū)和倍頻區(qū)，對(duì)應(yīng)的不同區(qū)域吸收的光子能量不同。其中在合頻區(qū)吸收最強(qiáng)，第一倍頻區(qū)次之。

工業(yè)分選示例：棉花異纖

棉花異纖，俗稱三絲，是指混入棉花中對(duì)棉花及其制品質(zhì)量有嚴(yán)重影響的非棉纖維和非本色纖維。包括化學(xué)纖維、動(dòng)物纖維和非棉纖維，如毛發(fā)、絲、麻、塑料膜、塑料繩、染色線等。異纖在紡紗過(guò)程中極易拉斷或分成更短、更細(xì)的纖維，或被打碎成纖維狀細(xì)小疵點(diǎn)。這些疵點(diǎn)極易造成細(xì)紗斷頭，降低工作效率。織布染色后，會(huì)在布面出現(xiàn)各種色點(diǎn)，嚴(yán)重影響布面外觀質(zhì)量。

光電式是采用光電三極管對(duì)棉花中的異纖識(shí)別，主要是通過(guò)異纖與棉花的色差反映到光電管的電流差別，經(jīng)信號(hào)放大、處理比較來(lái)識(shí)別異纖。這種方法原理簡(jiǎn)單，制造成本低。但由于是靠色差識(shí)別異纖，所以與棉花相近顏色的異纖無(wú)法識(shí)別，棉花中大量出現(xiàn)的白色丙綸絲不能識(shí)別。同樣對(duì)有色細(xì)小異纖同樣也無(wú)法識(shí)別。經(jīng)大量的試驗(yàn)表明：如毛發(fā)或同樣大小的有色異纖,在高速運(yùn)行中，光電管識(shí)別不了，只能對(duì)大團(tuán)或有一定體積的有色異纖進(jìn)行識(shí)別。整機(jī)異纖檢出率不高，只適合粗檢異纖。

超聲波方式是超聲波傳感器發(fā)出超聲波到棉花上，然后再檢測(cè)反射回來(lái)的信息。當(dāng)棉花中有異纖時(shí)，由于異纖反射回來(lái)的信號(hào)強(qiáng)于棉花，從而經(jīng)信號(hào)處理比較識(shí)別后識(shí)別異纖。因此通過(guò)物體表面的密度差別識(shí)別異纖，不論異纖是什么顏色，白色或有色都能檢出。但超聲波畢竟是聲波，傳輸速度沒(méi)有光波快，對(duì)異纖的識(shí)別反映速度慢，當(dāng)異纖在通道中飛行速度太快時(shí)，來(lái)不及識(shí)別。大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，較大團(tuán)塑料薄膜、紙片、布片、成團(tuán)的異纖都能檢出。由于超聲波反應(yīng)速度慢、不能識(shí)別細(xì)小異纖所以應(yīng)用受到一定限制。

光學(xué)CCD成像利用白色丙綸絲(編織帶絲)在紫外光下的熒光效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)(紫外線熒光效應(yīng))，還可利用某些有色異纖與棉纖維的顏色差異，所反映出的成像灰度差異進(jìn)行識(shí)別(主要對(duì)表面纖維進(jìn)行檢測(cè))，塑料在偏振光中成彩色圖案，而棉花棉籽等非彩色亦可以作為可見光分選方式。在紅外光下，不同纖維在不同波長(zhǎng)下的吸收特性不一樣，勢(shì)必在CCD上形成灰度不一致的圖像，可以用來(lái)區(qū)分內(nèi)部雜質(zhì)。

棉花異纖檢出模組的檢測(cè)和檢出裝備主要采用線陣CCD 彩色攝像機(jī)，線陣像素從2048到4096 ，幀率為1024～1450fps，一般使用2個(gè)CCD 攝像機(jī)。部分設(shè)備采用光電感應(yīng)器(光敏三極管) 和超聲波檢測(cè)技術(shù)。光源主要有熒光燈和紫外燈,形成可見光和紫外波段的光源,適應(yīng)不同雜質(zhì)的分段檢測(cè)。大部分設(shè)備采用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，少數(shù)采用DSP處理系統(tǒng)。

工業(yè)分選示例：塑料分揀

在廢舊塑料的回收過(guò)程中，最困難的就是從材質(zhì)上細(xì)分塑料。當(dāng)前，世界各國(guó)對(duì)廢舊塑料的分揀回收，仍然普遍采用人工分揀的方法處理。而采用人工分揀的方法，一方面效率低，另一方面容易出錯(cuò)。隨著人力資源逐漸緊缺和勞工工資的不斷提高，廢舊塑料的回收問(wèn)題就變成越來(lái)越大的難題。

以最常見的PE/PVC/PET三種材料為例，在AOTF于1650nm采集的圖像。其中可以看出PE材料吸收較強(qiáng)。然后對(duì)三種材料進(jìn)行取點(diǎn)灰度值提取，獲取其在1480nm-1680nm的光譜曲線，可以看出在1650nm附近，其他兩種材料較PE材料具有更強(qiáng)的吸收效果。最后通過(guò)圖像算法及偽彩處理后的效果圖?？梢钥闯鲞x取兩個(gè)波段，能夠很明顯將PE材料區(qū)分出來(lái)。

審核編輯：湯梓紅