穿越光谱：短波红外成像技术的崭新时代

前言

在当今快速发展的科技世界中，短波红外成像技术（SWIR）正逐渐崭露头角，引领着多个领域的革命性变革。

SWIR技术是一项基于红外辐射的先进成像技术，其波长范围通常为400 ~ 1600 nm。这一波段的红外辐射具有特殊的能力，使得SWIR成像技术在多个领域中表现出色，成为科研、工业、医疗和军事等众多领域的关键工具。

SWIR成像技术之所以备受瞩目，是因为它能够穿透大多数材料，包括雾、烟雾、塑料和玻璃等，同时在低照明条件下工作，这使得它在复杂环境下表现出色。此外，SWIR技术还能够提供有关物体的化学成分、温度分布和材料特性等重要信息，对于诸如质量控制、农业监测、医学诊断和军事应用等领域至关重要。

什么是短波红外成像

短波红外成像技术源自于光谱学和红外辐射物理学，是一种基于红外辐射波长范围的先进成像技术，其核心原理在于红外辐射，红外辐射是一种在可见光之外的电磁辐射，通常不可见于人眼。它由物体释放出的热量所产生，其强度和频谱特性因物体的温度和性质而异。SWIR成像利用这种红外辐射来获取物体的图像和信息。

SWIR成像的原理基于物体的辐射特性。当物体受热激发时，辐射出红外辐射。

SWIR相机通过捕捉和探测这些辐射，将其转化为可视化的图像。

核心原理

1. 辐射收集：SWIR相机装备特殊的光学透镜和探测器，用于捕捉物体发出的SWIR辐射；

2. 光子探测：捕捉到的SWIR辐射被转化为电子信号，这些信号被传输到图像处理单元；

3. 图像处理：图像处理单元将电子信号转化为可视化的图像，使我们能够看到物体的SWIR特征。

短波红外成像技术的优势

短波红外成像技术相对于其他成像技术具有许多显著的优势，它不仅可以穿透大多数材料，还能够在低照明条件下工作，适用于各种应用领域。工业领域可以用于检测缺陷和材料分析，农业科学中用于监测植物健康和土壤特性，医疗领域用于医学成像和组织分析，安全和军事应用中用于夜视和目标追踪。

材料透过性

SWIR波段的光具有较高的穿透力，能够穿透许多材料，包括塑料、玻璃、烟雾和雾气等。这使得SWIR成像在透明或不透明材料背后捕捉图像成为可能，这在其他波段的成像技术中往往难以实现。

低光条件下工作

SWIR相机能够在低照明条件下工作，包括夜间和光线不足的环境。使得它在需要在黑暗或模糊条件下获取图像的应用中非常有用，例如夜视和安全监控。

化学信息获取

SWIR波段的光谱范围允许获取有关物体化学成分的信息。这对于工业质量控制、材料分析和医学成像等领域非常重要。SWIR成像可以检测到材料的分子吸收峰，从而提供了关于物质组成的重要见解。

温敏性

SWIR技术对物体的温度非常敏感，可以检测到温度分布的微小变化。这在许多应用中非常重要，包括工业过程监测和医学热成像。

低噪声等效功率

SWIR相机通常具有低噪声等效功率，这意味着它们能够在较低的光照条件下保持图像的清晰度和质量。这对于需要高质量成像的应用来说至关重要

短波红外成像技术的限制

短波红外成像技术虽然在多领域有广泛应用，但仍伴随一些技术限制，包括高成本、相机尺寸大、高功耗、数据处理复杂、以及受到材料特性的影响。这些限制已经促使科技领域不断探索创新，以克服这些挑战，提供更广泛、更灵活、更实用的SWIR成像解决方案，以满足不同应用领域的需求。

高成本

传统的SWIR相机价格昂贵，对于许多应用来说成本较高，这限制了其在广泛范围内的应用。高成本主要来自精密的光学元件和探测器的制造，以及相关技术的研发投入。

相机尺寸大

一些SWIR相机较大，不适用于空间有限的应用场景，难以嵌入到小型设备或紧凑的系统中，这限制了其在某些应用中的使用。

高耗电量

高功耗是SWIR相机的另一个挑战。传统相机在工作时消耗较多电力，这对于需要长时间操作或便携式应用的情况来说不利。高功耗还可能导致热量产生，需要额外的散热措施。

光学适配复杂

SWIR相机通常需要特殊的光学适配组件，以适应不同的应用场景。这可能导致额外的成本和复杂性。

友思特迷你锗基短波红外相机方案

短波红外相机
短波红外相机

锗基：短波红外新突破！

短波红外光的波长范围通常为 900 – 1700 μm，超出了硅传感器的典型范围。SWIR 成像在可见光不足的情况下提供高分辨率图像，包括夜视和恶劣的环境条件。从历史上看，InGaAs 传感器已被用于提供 SWIR 成像的好处，但该材料需要昂贵且笨重的设备，限制了工业，实验室和国防应用的使用。

随着传感器材料的创新——虹科提供世界上第一个锗（Ge）基短波红外相机方案——成功地减小了红外像机的尺寸、成本和功耗，重量轻 5 倍、功耗低 10 倍、价格低 20 倍，是世界上第一款兼容智能手机的短波红外相机。

BeyonSense 案例

穿透硅晶圆成像

SWIR 相机透射成像基于短波红外光在硅晶圆中具有较好的透射性能。SWIR 波段通常位于0.9 – 1600 nm。在这个波段内，光线的透射性能受到材料特性的影响。对于半导体材料硅，SWIR 光可以相对较好地穿透，这使得 SWIR 相机能够用于透射晶圆成像。

  • 穿透性能：SWIR 相机具有透射硅晶圆的能力，能够观察硅晶圆背面的特征、图案或标识，这对于半导体制造行业以及其他需要检查硅晶圆的应用非常有价值
  • 材料识别：SWIR 波段允许不同材料之间的区分。这对于检测晶圆上的异物或杂质以及分析材料的组成非常有帮助
  • 低光条件下的表现：SWIR 相机通常在低光条件下表现良好，因此可以在光线相对较弱的环境中工作，这对于某些应用非常重要
BeyonSense 短波红外相机与手机连接，可实时观测加热炉中高温区，其具有一定的应用价值：

  • 温度监测：SWIR 红外热成像技术可以用于实时监测和测量高温区域的温度，有助于确保加热炉内部的温度稳定性和一致性。这对于工业生产过程中的温度控制非常重要

  • 异常检测：通过红外热成像，可以检测到加热炉中的异常温度分布，如热斑、冷却点或热障碍物，有助于及早发现潜在的问题

  • 能源效率：红外热成像还可以用于评估加热炉的能源效率，通过识别热量损失或不均匀的加热，优化加热过程以减少能源消耗

  • 无接触测量：红外热成像是一种无接触测量技术，无需物理接触被测物体，因此不会干扰加热过程或损害设备

  • 实时监控：SWIR 相机能够提供实时的温度分布图像，使操作人员能够及时采取措施以保持生产过程的稳定性和安全性

短波红外热成像

激光轨迹切割监控

短波红外相机能够实时监控激光切割轨迹是因为它们可以探测激光切割过程中产生的热红外辐射，从而捕捉到激光束的位置和路径。这种技术允许操作人员实时观察和控制激光切割的过程。

  • 工业制造和质量控制：在工业制造中，激光切割常用于切割金属、塑料和其他材料。通过实时监控激光切割轨迹，可以确保切割过程的准确性和一致性，从而提高产品质量和生产效率

  • 材料加工和裁剪：除了金属，激光切割还广泛用于裁剪纺织品、皮革、塑料片等。监控激光切割轨迹可以帮助调整切割参数，以适应不同材料和形状，减少废料并提高生产效率

  • 医疗器械制造：在医疗器械制造中，激光切割用于加工精细部件，实时监控激光切割轨迹有助于确保器械的精度和可靠性

  • 电子和半导体制造：在电子和半导体制造中，激光切割用于制造微电子器件和微细结构。监控激光切割轨迹有助于确保微小结构的准确性和一致性，以支持高性能电子设备的制造

  • 汽车工业：汽车制造中使用激光切割来加工车身零部件、内饰和其他组件。通过实时监控激光切割轨迹，可以提高汽车制造的精度和质量

  • 航空航天：在航空航天领域，激光切割用于制造飞机和宇航器的部件。确保激光切割轨迹的准确性对于航空航天工程的安全性和性能至关重要

水在短波红外波段（SWIR）中具有特定的吸收特性。水分子在 SWIR 波段的吸收峰是独特的，允许 SWIR 相机识别水并与其他液体区分。
  • 液体鉴别：SWIR 相机可以用于区分不同类型的液体，特别是在实验室、生产线或野外环境中，可以帮助鉴别水和其他液体，确保使用正确的液体
  • 水质监测：在环境监测和水质分析中，SWIR相机可以用来检测水体中的污染物，因为它可以准确识别水，并帮助监测水的质量和污染程度
  • 食品和饮料行业：SWIR 技术可以用于食品和饮料行业，以检测和鉴别液体成分，确保产品质量和一致性
  • 医疗诊断：在医疗领域，SWIR 相机可以用于液体样本的分析和诊断，例如血液、尿液或其他生物液体
  • 水资源管理：SWIR 技术可以用于监测水源、水库和水质，以帮助维护水资源的可持续性

水探测与分辨

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