穿越光譜：短波紅外成像技術(shù)的嶄新時代

前言

在當(dāng)今快速發(fā)展的科技世界中，短波紅外成像技術(shù)（SWIR）正逐漸嶄露頭角，引領(lǐng)著多個領(lǐng)域的革命性變革。

SWIR技術(shù)是一項基于紅外輻射的先進成像技術(shù)，其波長范圍通常為400 ~ 1600 nm。這一波段的紅外輻射具有特殊的能力，使得SWIR成像技術(shù)在多個領(lǐng)域中表現(xiàn)出色，成為科研、工業(yè)、醫(yī)療和軍事等眾多領(lǐng)域的關(guān)鍵工具。

SWIR成像技術(shù)之所以備受矚目，是因為它能夠穿透大多數(shù)材料，包括霧、煙霧、塑料和玻璃等，同時在低照明條件下工作，這使得它在復(fù)雜環(huán)境下表現(xiàn)出色。此外，SWIR技術(shù)還能夠提供有關(guān)物體的化學(xué)成分、溫度分布和材料特性等重要信息，對于諸如質(zhì)量控制、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域至關(guān)重要。

什么是短波紅外成像

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短波紅外成像技術(shù)源自于光譜學(xué)和紅外輻射物理學(xué)，是一種基于紅外輻射波長范圍的先進成像技術(shù)，其核心原理在于紅外輻射，紅外輻射是一種在可見光之外的電磁輻射，通常不可見于人眼。它由物體釋放出的熱量所產(chǎn)生，其強度和頻譜特性因物體的溫度和性質(zhì)而異。SWIR成像利用這種紅外輻射來獲取物體的圖像和信息

SWIR成像的原理基于物體的輻射特性。當(dāng)物體受熱激發(fā)時，輻射出紅外輻射。SWIR相機通過捕捉和探測這些輻射，將其轉(zhuǎn)化為可視化的圖像。

核心原理

1.輻射收集：SWIR相機裝備特殊的光學(xué)透鏡和探測器，用于捕捉物體發(fā)出的SWIR輻射；

2.光子探測：捕捉到的SWIR輻射被轉(zhuǎn)化為電子信號，這些信號被傳輸?shù)綀D像處理單元；

3.圖像處理：圖像處理單元將電子信號轉(zhuǎn)化為可視化的圖像，使我們能夠看到物體的SWIR特征。

短波紅外成像技術(shù)有哪些優(yōu)勢

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短波紅外成像技術(shù)相對于其他成像技術(shù)具有許多顯著的優(yōu)勢，它不僅可以穿透大多數(shù)材料，還能夠在低照明條件下工作，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。工業(yè)領(lǐng)域可以用于檢測缺陷和材料分析，農(nóng)業(yè)科學(xué)中用于監(jiān)測植物健康和土壤特性，醫(yī)療領(lǐng)域用于醫(yī)學(xué)成像和組織分析，安全和軍事應(yīng)用中用于夜視和目標(biāo)追蹤。

材料透過性

SWIR波段的光具有較高的穿透力，能夠穿透許多材料，包括塑料、玻璃、煙霧和霧氣等。這使得SWIR成像在透明或不透明材料背后捕捉圖像成為可能，這在其他波段的成像技術(shù)中往往難以實現(xiàn)。

低光條件下工作

SWIR相機能夠在低照明條件下工作，包括夜間和光線不足的環(huán)境。使得它在需要在黑暗或模糊條件下獲取圖像的應(yīng)用中非常有用，例如夜視和安全監(jiān)控。

化學(xué)信息獲取

SWIR波段的光譜范圍允許獲取有關(guān)物體化學(xué)成分的信息。這對于工業(yè)質(zhì)量控制、材料分析和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域非常重要。SWIR成像可以檢測到材料的分子吸收峰，從而提供了關(guān)于物質(zhì)組成的重要見解。

溫敏性

SWIR技術(shù)對物體的溫度非常敏感，可以檢測到溫度分布的微小變化。這在許多應(yīng)用中非常重要，包括工業(yè)過程監(jiān)測和醫(yī)學(xué)熱成像。

低噪聲等效功率

SWIR相機通常具有低噪聲等效功率，這意味著它們能夠在較低的光照條件下保持圖像的清晰度和質(zhì)量。這對于需要高質(zhì)量成像的應(yīng)用來說至關(guān)重要

短波紅外成像技術(shù)存在哪些限制

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短波紅外成像技術(shù)雖然在多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，但仍伴隨一些技術(shù)限制，包括高成本、相機尺寸、功耗、數(shù)據(jù)處理、以及材料特性的影響。這些限制已經(jīng)促使科技領(lǐng)域不斷探索創(chuàng)新，以克服這些挑戰(zhàn)，提供更廣泛、更靈活、更實用的SWIR成像解決方案，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

高成本

傳統(tǒng)的SWIR相機價格昂貴，對于許多應(yīng)用來說成本較高，這限制了其在廣泛范圍內(nèi)的應(yīng)用。高成本主要來自精密的光學(xué)元件和探測器的制造，以及相關(guān)技術(shù)的研發(fā)投入。

相機尺寸

一些SWIR相機較大，不適用于空間有限的應(yīng)用場景，難以嵌入到小型設(shè)備或緊湊的系統(tǒng)中，這限制了其在某些應(yīng)用中的使用。

耗電量

高功耗是SWIR相機的另一個挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)相機在工作時消耗較多電力，這對于需要長時間操作或便攜式應(yīng)用的情況來說不利。高功耗還可能導(dǎo)致熱量產(chǎn)生，需要額外的散熱措施。

光學(xué)適配性

SWIR相機通常需要特殊的光學(xué)適配組件，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。這可能導(dǎo)致額外的成本和復(fù)雜性。

虹科迷你鍺基短波紅外相機方案

HONGKE BeyonSense

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BeyonSense迷你鍺基短波紅外相機

鍺基：短波紅外新突破！

短波紅外光的波長范圍通常為900-1700μm，超出了硅傳感器的典型范圍。SWIR成像在可見光不足的情況下提供高分辨率圖像，包括夜視和惡劣的環(huán)境條件。從歷史上看，InGaAs傳感器已被用于提供SWIR成像的好處，但該材料需要昂貴且笨重的設(shè)備，限制了工業(yè)，實驗室和國防應(yīng)用的使用。

隨著傳感器材料的創(chuàng)新——虹科提供世界上第一個鍺（Ge）基短波紅外相機方案——成功地減小了紅外像機的尺寸、成本和功耗，重量輕5倍、功耗低10倍、價格低20倍，是世界上第一款兼容智能手機的短波紅外相機。

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BeyonSense案例

穿透硅晶圓成像

SWIR相機透射成像基于短波紅外光在硅晶圓中具有較好的透射性能。SWIR波段通常位于0.9 ~ 1600 nm。在這個波段內(nèi)，光線的透射性能受到材料特性的影響。對于半導(dǎo)體材料硅，SWIR光可以相對較好地穿透，這使得SWIR相機能夠用于透射晶圓成像。

• 穿透性能：SWIR相機具有透射硅晶圓的能力，能夠觀察硅晶圓背面的特征、圖案或標(biāo)識，這對于半導(dǎo)體制造行業(yè)以及其他需要檢查硅晶圓的應(yīng)用非常有價值
• 材料識別：SWIR波段允許不同材料之間的區(qū)分。這對于檢測晶圓上的異物或雜質(zhì)以及分析材料的組成非常有幫助
• 低光條件下的表現(xiàn)：SWIR相機通常在低光條件下表現(xiàn)良好，因此可以在光線相對較弱的環(huán)境中工作，這對于某些應(yīng)用非常重要

短波紅外熱成像

BeyonSense短波紅外相機與手機連接，可實時觀測加熱爐中高溫區(qū)，其具有一定的應(yīng)用價值：

溫度監(jiān)測：SWIR紅外熱成像技術(shù)可以用于實時監(jiān)測和測量高溫區(qū)域的溫度，有助于確保加熱爐內(nèi)部的溫度穩(wěn)定性和一致性。這對于工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度控制非常重要

異常檢測：通過紅外熱成像，可以檢測到加熱爐中的異常溫度分布，如熱斑、冷卻點或熱障礙物，有助于及早發(fā)現(xiàn)潛在的問題

能源效率：紅外熱成像還可以用于評估加熱爐的能源效率，通過識別熱量損失或不均勻的加熱，優(yōu)化加熱過程以減少能源消耗

無接觸測量：紅外熱成像是一種無接觸測量技術(shù)，無需物理接觸被測物體，因此不會干擾加熱過程或損害設(shè)備

實時監(jiān)控：SWIR相機能夠提供實時的溫度分布圖像，使操作人員能夠及時采取措施以保持生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和安全性

激光軌跡切割監(jiān)控

短波紅外相機能夠?qū)崟r監(jiān)控激光切割軌跡是因為它們可以探測激光切割過程中產(chǎn)生的熱紅外輻射，從而捕捉到激光束的位置和路徑。這種技術(shù)允許操作人員實時觀察和控制激光切割的過程。

工業(yè)制造和質(zhì)量控制：在工業(yè)制造中，激光切割常用于切割金屬、塑料和其他材料。通過實時監(jiān)控激光切割軌跡，可以確保切割過程的準(zhǔn)確性和一致性，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率

材料加工和裁剪：除了金屬，激光切割還廣泛用于裁剪紡織品、皮革、塑料片等。監(jiān)控激光切割軌跡可以幫助調(diào)整切割參數(shù)，以適應(yīng)不同材料和形狀，減少廢料并提高生產(chǎn)效率

醫(yī)療器械制造：在醫(yī)療器械制造中，激光切割用于加工精細部件，實時監(jiān)控激光切割軌跡有助于確保器械的精度和可靠性

電子和半導(dǎo)體制造：在電子和半導(dǎo)體制造中，激光切割用于制造微電子器件和微細結(jié)構(gòu)。監(jiān)控激光切割軌跡有助于確保微小結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性和一致性，以支持高性能電子設(shè)備的制造

汽車工業(yè)：汽車制造中使用激光切割來加工車身零部件、內(nèi)飾和其他組件。通過實時監(jiān)控激光切割軌跡，可以提高汽車制造的精度和質(zhì)量

航空航天：在航空航天領(lǐng)域，激光切割用于制造飛機和宇航器的部件。確保激光切割軌跡的準(zhǔn)確性對于航空航天工程的安全性和性能至關(guān)重要

水探測與分辨

水在短波紅外波段（SWIR）中具有特定的吸收特性。水分子在SWIR波段的吸收峰是獨特的，允許SWIR相機識別水并與其他液體區(qū)分。

• 液體鑒別：SWIR相機可以用于區(qū)分不同類型的液體，特別是在實驗室、生產(chǎn)線或野外環(huán)境中，可以幫助鑒別水和其他液體，確保使用正確的液體
• 水質(zhì)監(jiān)測：在環(huán)境監(jiān)測和水質(zhì)分析中，SWIR相機可以用來檢測水體中的污染物，因為它可以準(zhǔn)確識別水，并幫助監(jiān)測水的質(zhì)量和污染程度
• 食品和飲料行業(yè)：SWIR技術(shù)可以用于食品和飲料行業(yè)，以檢測和鑒別液體成分，確保產(chǎn)品質(zhì)量和一致性
• 醫(yī)療診斷：在醫(yī)療領(lǐng)域，SWIR相機可以用于液體樣本的分析和診斷，例如血液、尿液或其他生物液體
• 水資源管理：SWIR技術(shù)可以用于監(jiān)測水源、水庫和水質(zhì)，以幫助維護水資源的可持續(xù)性