短波红外传感器

什么是短波红外传感器？

短波红外（SWIR）传感器是一种设计用于探测和捕捉短波红外区域电磁辐射的传感器，波长通常范围在1000 nm到2500 nm之间。与在可见光谱（400 nm - 700 nm）内工作的可见光传感器不同，SWIR传感器利用稍微超出该范围的更长波长。SWIR区域具有独特的优势，包括能够穿透雾霾、烟雾和某些材料，使其成为复杂成像条件下的理想解决方案。SWIR波长超出人眼的感知范围，SWIR成像通常能生成比可见光捕捉的图像更优质的图像。

SWIR传感器的工作原理

SWIR传感器结合了多种技术，包括铟镓砷（InGaAs）或汞镉碲（MCT）探测器，以捕捉和转换SWIR辐射为可见图像或数据。这些探测器对SWIR光谱高度敏感，能够探测到微弱信号。捕获的数据可以被处理和显示，提供通常肉眼无法察觉的宝贵见解。

InGaAs传感器

多家制造商生产SWIR成像仪和焦平面阵列（FPAs），能够探测电磁光谱的不同部分。SWIR成像仪是指用于捕捉短波红外范围图像的设备，能够检测波长通常范围在1.4到3微米之间。而焦平面阵列是用于成像系统的传感器阵列，将入射光转换为电信号。它们由一个个光敏像素组成，每个像素能够探测和测量光的强度。

其中一种重要类型是InGaAs传感器，其特点是不需要低温冷却。在某些类型的传感器（如红外传感器）中，需要低温冷却以提高其性能和灵敏度。但InGaAs传感器即使在较高温度下也能表现良好。

InGaAs是一种由铟、镓和砷特定组合制成的半导体，赋予其波长响应范围从0.9到1.7微米。它们能够同时探测近红外（NIR）和SWIR。InGaAs每100个入射光子大约产生80、90或更多的光电电子。

InGaAs传感器具有混合结构，将由硅制成的CMOS读出电路与InGaAs光敏阵列结合在一起。将InGaAs阵列与读出电路集成的过程相对复杂且耗时，涉及多个制造步骤。此外，生产良率相对较低，导致这些传感器类型的成本高于CCD或CMOS传感器。这些传感器的一个缺点是无法探测与可见颜色对应的短波长，主要是由于制造过程的限制。这些限制包括传感器的组成、结构或用于制造的材料未针对探测可见颜色或短波长光进行优化。

在将读出电路与光敏区域结合时，实现100%的准确性和均匀性在技术上是不可行的。因此，这些传感器不可避免地会出现小比例的缺陷像素（少于1%），且每个像素的表现与CCD或CMOS传感器略有不同。在相机内未进行任何图像预处理时，原始图像会显得杂乱。相机制造商采用多种技术提升图像质量，在图像处理系统传输之前。这些技术包括图像处理算法、光学图像稳定、高动态范围、降噪技术、图像传感器改进及光学设计与镜头质量。

汞镉碲传感器

汞镉碲（MCT）传感器是用于探测和测量红外辐射的高度灵敏设备。这些传感器采用由汞、镉和碲的组合构成的化合物半导体材料制造。

由于其独特的组成，MCT传感器对红外辐射表现出卓越的灵敏度，能够以显著的准确性探测到微弱的红外信号。这种灵敏度使其成为热成像、监视、遥感和科学研究等各种应用的理想选择。此外，通过调整材料的组成，MCT传感器可以定制以覆盖特定波长范围，从而实现对红外辐射的精确探测和分析。

SWIR传感器的应用

SWIR传感器通过实现夜视能力和穿透大气干扰的能力，彻底改变了监视系统。它们能够探测隐藏物体、在低光条件下识别个体，并协助周界安全，使其成为执法和军事行动中不可或缺的工具。

它们在评估作物健康、监测灌溉和识别潜在植物疾病方面发挥着重要作用。通过分析植物反射的SWIR辐射，这些传感器能够检测压力水平、优化水资源使用，并促进早期干预以防止作物损失。

SWIR传感器在制造和质量控制过程中也起着关键作用。它们能够识别材料成分、检查产品完整性，并探测在可见光下不可见的缺陷。这有助于确保产品质量、减少浪费并提高整体效率。

它们在各种医疗应用中展现出潜力。SWIR能够比可见光更深入地穿透组织，使非侵入性成像技术成为可能，例如血管可视化、肿瘤检测和监测氧饱和度。SWIR成像能够帮助早期疾病诊断并改善患者的治疗效果。

SWIR传感器通过捕获有关植被、水质和污染水平的宝贵数据，为环境研究做出贡献。它们穿透水体并测量独特的光谱特征的能力使科学家能够监测生态系统、研究气候变化的影响，并做出明智的保护决策。