SWIR Sensoren
Was ist Kurzwellen-Infrarot (SWIR) und das elektromagnetische Spektrum?
WUSSTEN SIE, DASS WIR NUR 0,0035 % DER WELT UM UNS HERUM WAHRNEHMEN KÖNNEN?
DAS ELEKTROMAGNETISCHE SPEKTRUM UMFASST RADIOWELLEN, MIKROWELLEN, INFRAROTWELLEN, SICHTBARES LICHT, ULTRAVIOLETT, RÖNTGENSTRAHLEN UND GAMMASTRAHLEN. WISSENSCHAFTLER UND PHYSIKER SEIT DEM 20. JAHRHUNDERT WEGE GEFUNDEN UND ENTWICKELT HABEN, UM DIE WELLEN ZU SEHEN UND ZU NUTZEN, DIE WIR MIT UNSEREN AUGEN NICHT SEHEN KÖNNEN. INFRAROTWELLEN (INSBESONDERE SWIR) KÖNNEN VON PRODUKTEN GESEHEN WERDEN, DIE MIT INDIUM-GALLIUM-ARSENID-TECHNOLOGIE (INGAAS) GEBAUT WURDEN.
WAS IST DER NUTZEN VON SWIR?
Erst die jüngste Entwicklung von InGaAs-Sensoren machte die Erfassung des SWIR-Bereichs (Wellenlänge von 0,9 bis 1,7 Mikrometer) praktisch. Die InGaAs-Technologie ermöglicht nicht nur die Herstellung von Einzelpunkt-Lichtdioden, sondern auch von eindimensionalen linearen Arrays und zweidimensionalen Focal-Plane-Array-Kameras. Aber warum sollten wir SWIR anwenden?
Um das zu verstehen, müssen wir eine grundlegende Tatsache kennen: Licht im SWIR-Band ist für das menschliche Auge unsichtbar. Das Sichtbarkeitsspektrum reicht nur von 0,4 Mikrometern (blau, für das Auge fast ultraviolett) bis 0,7 Mikrometern (tiefrot). Alle Wellenlängen, die länger als die sichtbaren sind, können nur von Sensoren wie InGaAs gesehen werden. Trotz seiner Unsichtbarkeit für das Auge interagiert das Licht im SWIR-Bereich mit Objekten ähnlich wie die sichtbaren Wellenlängen.
SWIR-Licht ist ein reflektierendes Licht, das ähnlich wie sichtbares Licht von Objekten zurückgeworfen wird. Aufgrund seiner reflektierenden Natur weist SWIR-Licht Schatten und Kontrast in seinen Bildern auf. Sichtbare Bilder sind in Auflösung und Detailtreue mit den Bildern einer InGaAs-Kamera vergleichbar – SWIR ist jedoch nicht farbig. Einige der taktischen Vorteile von SWIR sind die leichte Erkennbarkeit von Objekten und die Identifizierung von Personen.
WIE IST INGAAS NÜTZLICH?
InGaAs-Sensoren sind extrem empfindlich und zählen buchstäblich einzelne Photonen. Daher können SWIR-Kameras, wenn sie als Sensorpixel oder als Focal-Plane-Arrays mit Tausenden oder Millionen winziger Punktsensoren gebaut werden, auch unter den dunkelsten Bedingungen funktionieren. Nachtsichtbrillen (die es schon seit mehreren Jahrzehnten gibt) funktionieren beispielsweise durch die Erfassung und Verstärkung von reflektiertem sichtbarem Sternenlicht oder alternativem Umgebungslicht in Bildverstärkerröhren (I-Squared) – eine Technologie, die sich bei Direktsicht-Nachtsichtbrillen durchgesetzt hat. Es gibt jedoch keine praktikable Methode, die nicht mit Einschränkungen bei der Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit verbunden ist, wenn ein Bild an einen entfernten Ort gesendet werden soll. Die SWIR-Sensoren von SUI wandeln Licht in elektrische Signale um und eignen sich daher für alle gängigen Verfahrenstechniken zur Speicherung und Übertragung.
Die Anwendung von SWIR bei Nacht hat einen weiteren großen Vorteil. Das atmosphärische Phänomen, das als nächtliche Himmelsstrahlung bekannt ist, emittiert 5- bis 7-mal mehr Licht als Sternenlicht, und zwar fast ausschließlich in SWIR-Wellenlängen. Das „Sehen“ von Objekten mit großer Klarheit in mondlosen Nächten und die gemeinsame Nutzung dieser Bilder in Netzwerken wird durch eine SWIR-Kamera und die nächtliche Strahlung (auch bekannt als Nightglow) im Gegensatz zu anderen bildgebenden Geräten ermöglicht.
Gibt es andere Kameras, die im SWIR-Bereich arbeiten? In der Tat sind Sensoren aus Materialien wie Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe) oder Indium-Antimonit (InSb) im SWIR-Band oft sehr empfindlich. Diese Kameras müssen jedoch mechanisch gekühlt werden, oft auf extrem niedrige Temperaturen, um ihr Signal-Rausch-Verhältnis auf ein brauchbares Niveau zu bringen.
InGaAs-Kameras sind unverzichtbar, da sie klein sind, sehr wenig Strom verbrauchen und dennoch große Ergebnisse liefern können. Da sie für das Licht empfindlich sind, das in der Langstrecken-Glasfaserkommunikation verwendet wird (in der Regel um 1500 nm), wurden InGaAs schon früh in der Telekommunikationsindustrie eingesetzt. Die Telekommunikationsbranche wendet InGaAs-Dioden und -Arrays immer noch an, häufig in optischen Leistungsmonitoren, die Spektrometer im SWIR-Band verwenden. Aus dieser Kombination ergaben sich überraschenderweise interessante Möglichkeiten. Die verdeckte Beleuchtung einer Szene, die nur mit SWIR-Kameras zu sehen ist, wird durch die Anwendung von SWIR-Beleuchtung wie 1,55-Mikrometer-Lasern oder LEDs möglich.
Bild durch Glas
Ein weiterer großer Vorteil der SWIR-Bildgebung, der von anderen Technologien nicht erreicht wird, ist die Möglichkeit, Bilder durch Glas hindurch aufzunehmen. Bei SWIR-Kameras sind ökologisch gehärtete Gehäuse und teure Spezialobjektive weitgehend überflüssig, so dass sie in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen eingesetzt werden können. So können SWIR-Kameras auch innerhalb von Schutzfenstern montiert werden, was zusätzliche Flexibilität bietet, wenn das Kamerasystem auf einer möglichen Plattform positioniert wird.
ZUSAMMENFASSEND - WARUM SOLLTEN WIR SWIR ANWENDEN?
- Hohe Empfindlichkeit
- Hohe Auflösung
- Sehen im Licht der Nachtglut oder der Himmelsstrahlung
- Tag-zu-Nacht-Bildgebung
- Verdeckte Beleuchtung
- Erkennen von verdeckten Lasern und Leuchtfeuern
- Keine kryogene Kühlung erforderlich
- Anwendung von kostengünstigen, konventionellen Objektiven für das sichtbare Spektrum
- Geringe Größe
- Geringe Leistung
Acktar’s SWIR
Wie bei allen optischen Hochleistungssystemen ist die Eliminierung von Streulicht von entscheidender Bedeutung für die Leistung von SWIR-Systemen. Dies ist besonders wichtig für Systeme, die im SWIR-Bereich arbeiten, da die Intensität der zu erfassenden und zu verarbeitenden Strahlung gering ist.
Schwarzlichtabsorbierende Beschichtungen sind in diesem Zusammenhang im SWIR-Bereich von entscheidender Bedeutung. Hier zeichnen sich die branchenführenden Beschichtungen von Acktar durch ihre einzigartige Lichtabsorptionsfähigkeit aus.
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