Kurzwellige Infrarotkameras (SWIR), die für wissenschaftliche und F&E-Anwendungen konzipiert sind, basieren häufig auf einem InGaAs-Detektor, der in der Regel eine VGA-Auflösung (640 x 512) hat und für das Wellenband von 0,9-1,7 µm optimiert ist.
Das Infrarot wird wiederum in mehrere Unterbereiche unterteilt: sehr nahes Infrarot(Near Infrared, NIR), nahes Infrarot(Short Wavelenght InfraRed, SWIR), mittleres Infrarot(Medium Wavelenght InfraRed, MWIR), fernes Infrarot(Long Wavelenght InfraRed, LWIR) und sehr fernes Infrarot(Very Long Wavelenght InfraRed, VLWIR).
In der folgenden Tabelle sind einige physikalische Eigenschaften für die verschiedenen Bereiche zusammengefasst, aus denen das Infrarotspektrum besteht.
| Domain | λ (μm) | ν (THz) | E (eV) | Wellenzahl (cm-1) |
|---|---|---|---|---|
| NIR | 0.750 - 0.9 | 400 - 330 | 1.65 - 1.38 | 13333 - 11111 |
| SWIR | 0.9 à 3 | 330 - 100 | 1.38 - 0.41 | 11111 - 3333 |
| MWIR | 3 - 5 | 100 - 60 | 0.41 - 0.25 | 3333 - 2000 |
| LWIR | 5 - 15 | 60 - 30 | 0.25 - 0.083 | 2000 - 666 |
| VLWIR | 15 - 1000 | 20 - 0.3 | 0.083 - 0.001 | 666 - 100 |
Die InGaAs SWIR-Detektoren
InGaAs, oder Indiumgalliumarsenid, ist eine Legierung aus Galliumarsenid und Indiumarsenid. Es gehört zum quaternären System InGaAsP, das wie folgt aufgebaut ist:
- Indiumarsenidlegierungen (InAs)
- Galliumarsenid (GaAs)
- Indiumphosphid (InP)
- Galliumphosphid (GaP)
Diese binären Materialien und ihre Legierungen sind alle III-V-Verbindungshalbleiter. Nach dem Periodensystem gehören Gallium und Indium zur Gruppe III und Arsen und Phosphor zur Gruppe V.
Wie Sie sicherlich wissen, hängen die elektrischen und optischen Eigenschaften eines Halbleiters von seiner Bandlücke der Energie ab. Ein Halbleiter wird nur Licht erkennen, dessen Photonenenergie größer ist als die Bandlücke. In Bezug auf die Wellenlänge wird er Licht erkennen, dessen Wellenlänge kleiner als die Grenzwellenlänge ist. So hat das Standard-InGaAs eine Grenzwellenlänge von 1,68 µm.
Anwendungen von SWIR
In den 1960er Jahren begann man mit der Entwicklung von SWIR-Imagern. Im Jahr 1985 wurden sie erstmals kommerziell vermarktet [1]. Trotz ihrer frühen Entwicklung ist der Markt für SWIR-Bildwandler heute im Vergleich zu MWIR- und LWIR-Bildwandlern und vor allem zu sichtbaren Bildwandlern eher unauffällig. Es gibt sehr viele SWIR-Anwendungen, aber die Technologie, die mit dem Detektor selbst verbunden ist, ist teuer. Für eine SWIR-Kamera muss man etwa 20.000 € ausgeben. Sie werden daher hauptsächlich in drei Bereichen eingesetzt: Sicherheit, wissenschaftliche Forschung und industrielle Kontrolle.
Wenn wir seine Anwendungsbereiche etwas detaillierter beschreiben, fassen wir sie wie folgt zusammen:
- militärisch und sicherheitspolitisch
- industriell
- medizinisch
- Luft- und Raumfahrt
- Wissenschaftler
Im Folgenden werden einige von vielen Anwendungsbeispielen genannt:
- Thermografie (Messungen von hohen Temperaturen)
- Landwirtschaft (hyperspektrale Messungen)
- Lebensmittelindustrie (Spektroskopie)
- Überwachung
- Astronomie
- Kommunikation (FSO, Free Space Optical)
Die wichtigsten Vorteile von SWIR
In Bezug auf Nebel
Man hört oft, dass man mit SWIR-Bildern durch Nebel hindurchsehen kann. Das stimmt zum Teil, vorausgesetzt, man definiert richtig, was Nebel ist! Ohne auf allzu technische Details einzugehen, wird Licht stärker gestreut, wenn die Wellenlänge kurz ist und wenn die streuenden Teilchen klein sind. Also wird SWIR-Strahlung weniger gestreut als sichtbare Strahlung, wenn es sich um Rauch und leichten Nebel handelt. Bei dichten Nebeln hingegen wird SWIR sie nicht durchdringen.
In Bezug auf die Bildqualität
Im SWIR werden, wie im sichtbaren Licht, Photonen von einem Objekt reflektiert und/oder absorbiert. Diese physikalische Eigenschaft ermöglicht es SWIR, den hohen Kontrast zu liefern, der für hochauflösende Bildgebung erforderlich ist. Man erhält also zusätzliche Informationen von einer Szene oder einem Objekt. Man findet übrigens oft, dass SWIR-Bilder für das menschliche Auge sehr angenehm zu betrachten sind.
Bezüglich der Augensicherheit
SWIR wird aufgrund der augensicheren Wellenlänge des zugehörigen Lasers häufig bei der aktiven Bildgebung eingesetzt. Weitere Informationen zu diesen Systemen finden Sie auf der Website desInstitut Saint-Louis, das Experte für aktive Bildgebung ist.
Die wichtigsten Akteure des SWIR
In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten internationalen Akteure im Bereich SWIR (Kamera und/oder Detektoren) aufgeführt:
| Unternehmen | Nationalität |
|---|---|
| Lynred (ehem. Sofradir) | Frankreich |
| NIT | Frankreich |
| First Light Imaging | Frankreich |
| Allied Vision | Deutschland |
| EHD Imaging | Deutschland |
| Selex | UK |
| Raptor Photonics | UK |
| Photonics Wissenschaft | UK |
| SWIR Vision Systems | UK |
| Xenics | Belgien |
| Photon Focus | Schweiz |
| SCD | Israel |
| Trieye | Israel |
| Raytheon | USA |
| DRS | USA |
| Flir | USA |
| Intevac | USA |
| Quantum Imaging | USA |
| Princeton Infrared | USA |
| Teledyne e2v | USA |
| UTC | USA |
| Atollo Engineering | USA |
| Photon usw. | Kanada |
| Chunghwa | Taiwan |
| Hamamatsu | Japan |
| Sony | Japan |
| Ghopto | China |
| Mikro-Tasarim | Türkei |
Schlussfolgerung
Wir haben in diesem Artikel gesehen, dass SWIR einige klare Vorteile mit sich bringt, insbesondere im Vergleich zum sichtbaren Licht. Zunächst bringt die Wellenlänge des zugehörigen Lasers Augensicherheit für aktive Bildgebungsanwendungen. Zweitens werden die Kontraste, die SWIR mit sich bringt, im Vergleich zum sichtbaren Licht oft geschätzt. Und schließlich kann man mit SWIR im Gegensatz zum sichtbaren Licht auch Rauch und leichten Nebel durchdringen.
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