轉(zhuǎn)自：機(jī)器人視覺

短波紅外光譜長啥樣?

短波紅外波段指波長在 1400-3000 納米之間的波段，肉眼無法識別這些光譜。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)實的。但是為什么要使用短波紅外呢?

短波紅外成像有一個其他技術(shù)無可比擬的主要優(yōu)點，即它能夠透過玻璃進(jìn)行成像。對于短波紅外相機(jī)來說，特制的價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上時，這將可以提供很大的靈活性。

所以，為何要使用短波紅外呢?因為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(biāo)

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

成像效果圖

在夜里使用短波紅外還有一個大的優(yōu)點。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，我們便能夠在無月光的夜間很清楚地“看到”目標(biāo)，并通過網(wǎng)絡(luò)共享這種圖像，因為其他成像器件沒法做到這一點。

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、無光暈以及高靈敏度等優(yōu)點。使用者可以在無光源的環(huán)境下捕獲大氣中的“夜間光”來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某一場景進(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法與SWIR鏡頭技術(shù)媲美。以下是對比圖

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出鍺探測單元，產(chǎn)生數(shù)百計數(shù)的對短波紅外可見的成像芯片，可靠性高，波長響應(yīng)范圍更寬，不僅能夠延伸到紅外波段而且可以檢測可見光和近紅外光。在半導(dǎo)體、醫(yī)學(xué)、生物、夜間監(jiān)視以及其他需要同時檢測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

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 - 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

咬合的搪瓷檢驗

表面檢查

制藥公司

膠囊表面和內(nèi)部

產(chǎn)品檢驗

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)塑料和計量玻璃瓶檢驗

冰/水/蒸汽檢測

農(nóng)業(yè)

灌溉規(guī)劃

土壤水分

生產(chǎn)檢驗

損失評估和質(zhì)量裝箱

肉類檢驗

污染檢測

纖維檢驗

包層檢查

復(fù)雜光纖電路調(diào)試

電信和激光光具座探測

國防

夜視

持久/盯著被動的應(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

帶大家來看看實際案例：

·識別人造材料

由于人造材料在短波紅外波長中有獨特的反射方式，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。在影像分析過程中，我們正是利用這些特性，才得以將這些物質(zhì)識別出來。短波紅外甚至還能夠穿透一些煙霧，將著火點識別出來。

無論是森林火災(zāi)、叢林火還是山火，一旦失去控制都會給當(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)探測對于保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施及確保居民安全至關(guān)重要。火災(zāi)看似容易發(fā)現(xiàn)，但常常會有視覺障礙。

譬如煙霧會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)識別礦物成為可能。根據(jù)礦物含量，不同成分會吸收光波的量，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)不同的礦物對光波的吸收情況，反映出不同的光譜長度，根據(jù)波長探測含有 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)者在勘探階段常常花費數(shù)以百萬計美元尋找潛在礦區(qū)，如果能夠利用短波紅外影像，可在計劃實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方面：同類產(chǎn)品分級、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)檢測方案制定過程中，其設(shè)計的關(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)檢測方式進(jìn)行分選，但這些檢測方式要么效率低下、準(zhǔn)確率低，要么分選過程會造成損傷，無法實現(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、無損、快速、簡單的特點。

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)鍵的簡諧振動，其簡諧振動的振幅與其相應(yīng)勢能有關(guān)。但分子官能團(tuán)吸收光子時，其勢能會由基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷，從而會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?，圖表主要分為合頻區(qū)和倍頻區(qū)，對應(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。這些疵點極易造成細(xì)紗斷頭，降低工作效率?？棽既旧?，會在布面出現(xiàn)各種色點，嚴(yán)重影響布面外觀質(zhì)量。

光電式是采用光電三極管對棉花中的異纖識別，主要是通過異纖與棉花的色差反映到光電管的電流差別，經(jīng)信號放大、處理比較來識別異纖。這種方法原理簡單，制造成本低。但由于是靠色差識別異纖，所以與棉花相近顏色的異纖無法識別，棉花中大量出現(xiàn)的白色丙綸絲不能識別。同樣對有色細(xì)小異纖同樣也無法識別。經(jīng)大量的試驗表明：如毛發(fā)或同樣大小的有色異纖,在高速運行中，光電管識別不了，只能對大團(tuán)或有一定體積的有色異纖進(jìn)行識別。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，然后再檢測反射回來的信息。當(dāng)棉花中有異纖時，由于異纖反射回來的信號強(qiáng)于棉花，從而經(jīng)信號處理比較識別后識別異纖。因此通過物體表面的密度差別識別異纖，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，傳輸速度沒有光波快，對異纖的識別反映速度慢，當(dāng)異纖在通道中飛行速度太快時，來不及識別。大量的試驗結(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(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)行識別(主要對表面纖維進(jìn)行檢測)，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下的吸收特性不一樣，勢必在CCD上形成灰度不一致的圖像，可以用來區(qū)分內(nèi)部雜質(zhì)。

棉花異纖檢出模組的檢測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。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，世界各國對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。隨著人力資源逐漸緊缺和勞工工資的不斷提高，廢舊塑料的回收問題就變成越來越大的難題。

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)。然后對三種材料進(jìn)行取點灰度值提取，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。最后通過圖像算法及偽彩處理后的效果圖。可以看出選取兩個波段，能夠很明顯將PE材料區(qū)分出來。

審核編輯：湯梓紅