基于激光照明的短波紅外成像系統(tǒng)設計

來源：激光之窗

近日據(jù)麥姆斯咨詢介紹，從醫(yī)療診斷到自動駕駛汽車和機器人，光子學正在改變我們感知世界以及與世界互動的方式，使光學相機能夠捕捉到前所未有的細節(jié)水平的圖像。這些先進的光學相機利用壓縮感知和計算成像算法等原理，從不同角度捕獲多張低分辨率圖像，并將它們組合成一張高分辨率圖像。由此產(chǎn)生的圖像展示了光子學如何增強分辨率能力，超越傳統(tǒng)相機的分辨率。

麻省理工學院（MIT）的研究人員已經(jīng)證明了光子學在改善醫(yī)學成像方面的作用，他們采用激光誘導超聲技術在無需侵入性操作或電離輻射暴露的情況下創(chuàng)建生物組織的細致圖像。該技術使用激光脈沖照射生物組織，通過光吸收產(chǎn)生聲脈沖（可被傳感器檢測），在組織內(nèi)誘導熱彈性應力和弛豫。通過調(diào)節(jié)光學波長，可以對生物組織有選擇性的成像。像這樣的光子學醫(yī)學成像技術在早期疾病檢測、更準確地指導手術干預和監(jiān)測治療效果方面具有巨大潛力。

與此同時，汽車和機器人領域的新興解決方案包括TriEye的CMOS短波紅外（SWIR）圖像傳感器和Coherent的固態(tài)激光二極管。這兩家公司最近聯(lián)手展示了基于激光照明的短波紅外成像系統(tǒng)，適用于汽車前置攝像頭和后置攝像頭，以及工業(yè)和自主機器人中的視覺系統(tǒng)等。

一、基于光子學的COMS短波紅外（SWIR）圖像傳感器

TriEye聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官（CEO）Avi Bakal表示：“TriEye正在通過Raven（一種高清短波紅外圖像傳感器）和UltraBlaze（一種對人眼安全的短波紅外脈沖激光照明源）將短波紅外成像帶入量產(chǎn)應用。

短波紅外(SWIR)相機可檢測肉眼不可見的產(chǎn)品缺陷及特定材料特性，為機器視覺解決方案開辟了廣泛的應用空間:多數(shù)短波紅外相機搭載InGaAs(確化家)傳感器，SWIR圖像傳感器技術，將吸收可見光的InP（銦磷）層薄膜化，讓透過的光直達下方的InGaAs（銦鎵砷）層，在可見光波段也具備了較高的量子效率。由此，實現(xiàn)了檢測波長介于900 m至1,700 m之間，而傳統(tǒng)的CCD或CMos相機僅可檢測約1050 nm以下波長的光線。

一般來說，波長為400～780nm的光稱為可見光，波長為780nm～106nm的光稱為紅外線。SWIR的波段為900nm～2500nm，是紅外線中最接近于可見光的波段。

核心原理

1. 輻射收集：SWIR相機裝備特殊的光學透鏡和探測器，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。

短波紅外具有以下一些優(yōu)點：

●高靈敏度

●高分辨率

●能在夜空輝光下觀測

●晝夜成像

●隱蔽照明

●能看到隱蔽的激光器和信標

●無需低溫制冷

●可采用常規(guī)的低成本可見光透鏡

●尺寸小

●功率低

短波紅外成像技術有哪些優(yōu)勢

短波紅外成像技術相對于其他成像技術具有許多顯著的優(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，適用于各種應用領域。工業(yè)領域可以用于檢測缺陷和材料分析，農(nóng)業(yè)科學中用于監(jiān)測植物健康和土壤特性，醫(yī)療領域用于醫(yī)學成像和組織分析，安全和軍事應用中用于夜視和目標追蹤。

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中往往難以實現(xiàn)。

2.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用中非常有用，例如夜視和安全監(jiān)控。

TriEye的SEDAR（頻譜增強探測和測距）平臺將短波紅外光源和成像傳感器集成于一體，能夠?qū)囕v環(huán)境進行成像和3D傳感，作為目前自主控制系統(tǒng)或高級駕駛輔助系統(tǒng)所采用的激光雷達（LiDAR）的替代方案。

TriEye聲稱SEDAR平臺可在所有天氣和照明條件下提供高清成像和確定性3D信息。SEDAR平臺與傳統(tǒng)激光雷達系統(tǒng)的不同之處在于，其顯著更高的分辨率使得能夠在更遠的距離處檢測和分類物體。在短波紅外光譜中工作使SEDAR平臺能夠穿透霧、霾和雨，同時保持對環(huán)境噪聲的適應能力。此外，該公司表示，SEDAR平臺的每像素深度計算方法增強了感知系統(tǒng)準確評估相對距離的能力，并且無需任何移動部件。

二、基于激光照明的短波紅外成像

Coherent使用砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和銻化鎵（GaSb）材料制造半導體激光二極管，其波長范圍涵蓋750 nm至3μm的近紅外、短波紅外和中紅外（MIR）光譜。Coherent提供一系列激光二極管架構，包括邊緣發(fā)射激光器（EEL）和垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）。

半導體激光二極管的基本結構

通過對入射出射平面拋光形成法布里-珀羅（F-P）諧振腔，另一對面弄粗糙消除其他方向激光作用。當激光二極管施加正向偏壓時，就會產(chǎn)生自發(fā)輻射，隨著電壓上升，在半導體內(nèi)到達一個閾值電流時，開始發(fā)生受激輻射，從PN結就會發(fā)射出高定向性激光。

半導體激光器的特性：

改變激光波長：量子阱激光器的受激輻射來自導帶中的基態(tài)電子和價帶中基態(tài)空穴的復合，導帶和價帶中基態(tài)間的能極差隨勢阱寬度而改變，減小勢阱寬度課獲得短波長激光發(fā)射。

閾值電流?。涸试S帶中單位能量間隔內(nèi)的粒子密度較高，因而達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的閾值電流就小。

高溫度穩(wěn)定性：能帶之間存在禁帶，溫度在一定范圍內(nèi)變化時，不可能引起載流子分布的擴展，從而大大提高了激光器工作的穩(wěn)定性。

高頻調(diào)制的單模性

提高效率

“與近紅外光相比，短波紅外光與物質(zhì)的相互作用不同?！盙erald Dahlmann表示，“這種獨特的特性可以增強透過薄霧或灰塵的可見度，使在近紅外光譜范圍內(nèi)原本看不見的物體變得可見。

短波紅外傳感技術給我們帶來了許多好處，例如，SEDAR平臺在1300 nm至1400 nm的短波紅外波長范圍內(nèi)工作，與傳統(tǒng)激光雷達系統(tǒng)相比，具有的優(yōu)勢包括改善戶外環(huán)境中的信噪比、提高眼睛安全性、增強透過霧氣或灰塵的可見度等?！?/p>

TriEye與Coherent的合作時，Avi Bakal表示：“短波紅外傳感可以提供定位、測繪、識別、防撞等功能，使我們能夠以更加智能的方式與環(huán)境進行交互。”

Coherent和TriEye相信他們的合作將為短波紅外成像開辟新的應用領域。在機器人應用中，短波紅外成像在定位、測繪、避免碰撞和整體安全方面發(fā)揮著關鍵作用。

審核編輯：湯梓紅