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高光譜相機成像方式的類型——波長

2023-12-22

高光譜相機在成像時，首先要考慮的是所用光的波長，因為這對色差和光傳輸都有重大影響。使用單色照明可以實現與波長相關的最佳鏡頭性能。本文以波長為依據，簡單介紹了高光譜相機成像方式的類型。

近紅外（NIR）成像

近紅外（NIR）波段范圍從700nm延伸到1μm。傳統的CMOS傳感器具有一定的NIR靈敏度，而在850nm以上具有增強靈敏度的版本正變得越來越普遍。NIR可以揭示水果、蔬菜、堅果和肉類等食物中的腐爛、機械損傷和蟲害等非表面特征。NIR照明還可以穿透某些染料和油墨，從而可以通過印刷包裝檢查產品。在木材、紡織、紙張、玻璃、瓷磚和電子工業中也有應用，并用于檢查圓柱形物品（如罐頭、瓶子、鋼筆等）甚至旋轉物體上的標簽。

此外，將脈沖NIR光源與NIR通濾光片結合使用可消除因環境光波動而產生的任何不良影響。如果同時對物體進行NIR和彩色成像很重要，則使用兩個單獨的相機可能會在獲得兩個圖像之間的準確配準方面存在問題。多傳感器棱鏡相機是一種強大的替代方案。在這里，棱鏡將來自樣品的光分離成可見光和NIR波長通道，這些通道配備了單獨的傳感器，從而為兩個圖像提供完全相同的視野，如下圖所示。與這些相機一起使用的鏡頭必須與棱鏡的光學特性很好地匹配。

短波紅外（SWIR）成像

短波紅外（SWIR）的范圍約為1-5μm，許多相機經過優化可以在0.9-1.7μm范圍內工作。這些相機需要特殊的探測器，如砷化銦鎵或碲化汞鎘。

SWIR相機產生的單色圖像的分辨率和細節與可見光相似，但在該波段中可用于鏡頭的商用光學玻璃較少。這些玻璃通常提供隨著波長增加而進一步降低的低色散，因此可能需要一些更昂貴的高色散特種玻璃元件來生產消色差透鏡。結晶紅外材料，例如硒化鋅和氟化鈣，具有高色散性能，但這些材料的機械強度遠低于玻璃，而且價格也更高，因此，大多數SWIR鏡頭繼續由具有抗反射涂層的玻璃制成。

水在SWIR區域強烈吸收光，導致農業和農業中的大量水分分布檢測應用以及檢查瓶中水性液體的填充水平。硅對SWIR輻射的透明性使得能夠檢測非表面半導體和太陽能電池，包括檢測半導體晶錠中的雜質和多晶材料中的裂縫，而在回收過程中，可以區分塑料材料。有機材料和塑料根據其成分選擇性吸收SWIR波長而產生的獨特“指紋”可使高光譜成像成為它們的唯一識別。這將紅外光譜與機器視覺相結合，生成根據被成像物體的化學成分進行顏色編碼的圖像，如下圖所示。SWIR成像還可以測量250℃和800℃之間的溫度，使其可用于在制造和焊接應用的早期檢查熱玻璃材料。

長波紅外（LWIR）成像

長波紅外（LWIR）波段范圍為8-14μm。具有微測輻射熱計傳感器的LWIR相機使用自然發射的輻射（熱成像）可實現高達250℃的高精度表面溫度分布測量。可以在遠距離、完全黑暗的環境中以及通過霧、灰塵、雨和煙霧檢測到熱輻射。應用包括監視、安全、救援、無損檢測和過程檢測。LWIR光學器件通常由鍺或硫屬化物材料制成，例如Ge33As12Se55。硫屬化物具有與鍺相似的光學和機械性能，但折射率不同。

紫外（uv）成像

紫外成像系統提供比可見光更高的分辨率能力，能夠解析亞微米特征。這對于檢測拋光或高度鏡面表面上的劃痕和缺陷以及印刷電路板、文件和信用卡等產品中非常小的表面細節特別有用。由于玻璃會減弱紫外線，石英透鏡可用于UV-A（320–400nm）和UV-B（290-320nm）照明，并且可以構建消色差雙合透鏡。