短波紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的研究進(jìn)展

張 藝，胡健釧，朱尤攀，孫愛(ài)平，陳 潔

短波紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的研究進(jìn)展

張 藝，胡健釧，朱尤攀，孫愛(ài)平，陳 潔

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

短波紅外光學(xué)成像是目前國(guó)際上研究熱點(diǎn)之一，通過(guò)接收短波紅外輻射進(jìn)行探測(cè)和成像，可得到更多目標(biāo)物體的信息，彌補(bǔ)了可見(jiàn)光成像的不足，從而實(shí)現(xiàn)全波段成像。本文從短波紅外光學(xué)成像的光學(xué)特性、成像原理和光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，比較了短波紅外與可見(jiàn)光和中長(zhǎng)波紅外成像的優(yōu)缺點(diǎn)，并簡(jiǎn)單介紹了短波紅外成像系統(tǒng)中銦鎵砷探測(cè)器的特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，以及介紹了短波紅外成像在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況，最后，對(duì)短波紅外成像未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

短波紅外成像；光學(xué)設(shè)計(jì)；銦鎵砷探測(cè)器

0 引言

短波紅外波段作為大氣光學(xué)窗口之一，近年來(lái)因其優(yōu)良的光學(xué)特性被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。短波紅外成像類(lèi)似于可見(jiàn)光的反射式成像，具有穿透煙霧、雨雪、沙塵進(jìn)行成像等可見(jiàn)光成像不具備的能力，另外與中波紅外和長(zhǎng)波紅外對(duì)比，短波紅外擁有更高的細(xì)節(jié)分辨能力[1]。工作在可見(jiàn)和近紅外波段的傳統(tǒng)微光夜視設(shè)備無(wú)法探測(cè)到波長(zhǎng)處在1.1～1.7mm內(nèi)的短波紅外激光，1.1～1.7mm內(nèi)的短波紅外激光可在夜間作為輔助照明光源用來(lái)進(jìn)行夜視成像[2]。加工工藝成熟的高響應(yīng)度銦鎵砷（InGaAs）探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)處于短波紅外波段中，可用于制備工業(yè)化的短波紅外成像器件，如短波紅外相機(jī)等[3]。近年來(lái)短波紅外成像的發(fā)展使得可見(jiàn)光與紅外光譜之間可以無(wú)縫銜接地進(jìn)行光學(xué)成像設(shè)計(jì)，這在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行信息獲取時(shí)能夠全波段獲取目標(biāo)信息具有重要意義。在應(yīng)用方面，短波紅外成像不僅可以用于夜視偵察、空間遙感觀測(cè)等領(lǐng)域，還可用于半導(dǎo)體表面特征分析、醫(yī)療、農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)等領(lǐng)域。未來(lái)短波紅外成像將會(huì)向大視場(chǎng)、寬波段方向發(fā)展。

1 短波紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 短波紅外特性

除了可見(jiàn)光之外，還有眾多人眼無(wú)法直接看到的射線，物理學(xué)界統(tǒng)一稱(chēng)為電磁波，將電磁波根據(jù)其波長(zhǎng)的大小來(lái)排列，由大到小分為無(wú)線電波、微波、紅外波段、可見(jiàn)光、紫外波段。紅外波段的波長(zhǎng)范圍為0.7～12mm，其中還可再細(xì)分為近紅外、短波紅外、中波紅外和長(zhǎng)波紅外。短波紅外的波長(zhǎng)范圍有多種定義，美國(guó)試驗(yàn)和材料協(xié)會(huì)（American Society for Testing and Materials，ASTM）將0.7～2.5mm劃分為短波紅外，醫(yī)用短波紅外定義為0.76～1.5mm，根據(jù)探測(cè)器響應(yīng)可以定義為0.9～1.7mm，根據(jù)大氣光譜透過(guò)率可以定義為1～3mm。一般來(lái)說(shuō)，短波紅外（short-wave infrared band, SWIR）通常是指波長(zhǎng)范圍在1～2.5mm范圍的電磁波。

短波紅外介于近紅外和熱紅外之間，是大氣光學(xué)窗口之一，具有良好的大氣傳輸特性，短波紅外在0.9～1.1mm、1.15～1.3mm、1.4～1.8mm三個(gè)波段內(nèi)的大氣透射率均在80%以上，如圖1所示，在1mm、1.24mm、1.64mm處的大氣透過(guò)率達(dá)到峰值，說(shuō)明太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)大氣透射后，在自然環(huán)境中仍存在較高光照強(qiáng)度的短波紅外輻射[4]。一般來(lái)說(shuō)，探測(cè)器所接受到的短波紅外輻射主要來(lái)自于高溫物體自身輻射、目標(biāo)對(duì)環(huán)境的反射以及人工制造的短波紅外輻射。

圖1 短波紅外波段大氣透過(guò)率

1.2 短波紅外成像原理

任何物體溫度在非絕對(duì)零度時(shí)都會(huì)發(fā)出紅外輻射，隨著溫度升高，物體所發(fā)出的紅外輻射會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。利用光電探測(cè)器獲取目標(biāo)的紅外輻射并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，可以將紅外輻射轉(zhuǎn)化為紅外圖像。

但是當(dāng)目標(biāo)物體是自身能發(fā)射足夠強(qiáng)的短波紅外輻射的高溫物體時(shí)候，對(duì)該物體的短波紅外成像原理就變成既接收高溫目標(biāo)自身短波紅外輻射又接收反射周?chē)h(huán)境內(nèi)的短波紅外輻射來(lái)進(jìn)行成像。不同的地物目標(biāo)具有各自的光譜特性，相同條件下，不同地物目標(biāo)反射電磁波的能力是不同的，主要體現(xiàn)在反射強(qiáng)度和反射波譜的形態(tài)兩個(gè)方面，這為地物目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別提供了理論依據(jù)。

夜間大氣光譜輻射通量大部分分布在0.5～2mm波段范圍內(nèi)。在夜間有月光的條件下，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)包括近紅外輻射范圍內(nèi)的輻射通量隨著波長(zhǎng)增加都有所增加，短波紅外成像在天氣晴朗的夜間具有良好的夜視效果。如圖2所示，夜間天空輻亮度的大氣輝光現(xiàn)象所發(fā)出的光照度在1.5～1.7mm光譜范圍內(nèi)的輻亮度與滿月光的輻亮度相比要強(qiáng)，故在夜間低照度的環(huán)境下依然可以進(jìn)行成像[5]。

圖2 月光與大氣輝光光輻射亮度曲線圖

衍射是電磁波的固有屬性，光線傳播過(guò)程中當(dāng)障礙物的尺寸和電磁波波長(zhǎng)相近時(shí)，電磁波能夠繞過(guò)障礙物傳播，繞射能力和波長(zhǎng)成正比。短波紅外在進(jìn)行大氣傳輸時(shí)受到空氣中漂浮物影響較小，傳輸距離較遠(yuǎn)。短波紅外透煙、透霧成像的能力和在低照度環(huán)境下成像的能力使全天時(shí)、全天候?qū)Φ赜^測(cè)成為可能。

短波紅外成像和可見(jiàn)光成像都是接收來(lái)自地物目標(biāo)反射的周?chē)h(huán)境中的光輻射來(lái)進(jìn)行成像，這種相似性使得短波紅外圖像具有豐富的細(xì)節(jié)特征，能夠提供媲美可見(jiàn)光圖像質(zhì)量的短波紅外遙感影像。

1.3 短波紅外成像系統(tǒng)中的材料選擇

常規(guī)光學(xué)玻璃與光學(xué)膠在可見(jiàn)光、近紅外、短波紅外3個(gè)波段內(nèi)都具有良好的光學(xué)透過(guò)率，均可用于可見(jiàn)光、短波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)。不過(guò)由于材料的折射率會(huì)隨工作波長(zhǎng)的變化而變化，常規(guī)光學(xué)玻璃材料在短波紅外波段內(nèi)的色散特性與在可見(jiàn)光波段內(nèi)的色散特性不同[6]。在可見(jiàn)光譜段內(nèi)火石類(lèi)玻璃具有較高的色散，在短波紅外波段內(nèi)高色散的火石玻璃的色散特性降低了。在可見(jiàn)光波段一些玻璃材料的阿貝數(shù)主要集中在20～80的范圍之內(nèi)，而在短波紅外波段的阿貝數(shù)區(qū)間則會(huì)被壓縮到40～60之間。

表1給出了一些在短波波段內(nèi)具有較高透射率的氟化物玻璃和其他光學(xué)晶體材料的光學(xué)特性。

表1 不同材料折射率與透射范圍

光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中有時(shí)候也會(huì)采用雙膠合、三膠合透鏡組等方式來(lái)滿足像差平衡的需要，而光學(xué)膠在0.4～1.7mm也具有較高的透射率，可靈活運(yùn)用搭配不同材料合成所需要的等效材料。此外，在進(jìn)行短波紅外光學(xué)系統(tǒng)消熱差分析時(shí)，通常采用選擇不同透鏡材料搭配、分配光焦度的方法[7]。紅外光學(xué)材料存在熱特性差異，例如：衍射光學(xué)元件具有負(fù)色散、負(fù)的衍射熱常量、正光焦度的特性。當(dāng)溫度變化時(shí)，鏡筒材料的熱膨脹也會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的像面移動(dòng)，故要將兩者配合起來(lái)，以達(dá)到消熱差的效果。

1.4 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇

紅外光學(xué)系統(tǒng)常使用反射式系統(tǒng)、折射式系統(tǒng)以及折反射式系統(tǒng)。反射式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是無(wú)色差，反射鏡的口徑不受紅外透光材料限制，可以制作得較大，系統(tǒng)光能損失較小。但是反射式系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)是軸外像差較大，一般只適用于小視場(chǎng)、小相對(duì)孔徑的光學(xué)系統(tǒng)。

對(duì)于經(jīng)典的卡塞格倫（Cassegrain）或里奇-克雷季昂（Ritchey-Chretien）雙反射鏡系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)相對(duì)孔徑增大，比如相對(duì)孔徑大于1:2時(shí)，或者視場(chǎng)增大，比如視場(chǎng)大于1°時(shí)，其像質(zhì)都將迅速惡化。此外，當(dāng)通光口徑大于20mm時(shí)，像質(zhì)也會(huì)變壞。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)常采用離軸三反射結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)大口徑大視場(chǎng)反射式紅外光學(xué)系統(tǒng)，但離軸三反射結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)加工和裝調(diào)難度極大[8]。

折射式系統(tǒng)由多片不同材料的透鏡組成，如圖3所示，可利用一個(gè)鏡片的像差去平衡另一個(gè)鏡片的像差，在滿足大相對(duì)孔徑、大視場(chǎng)的同時(shí)可得到良好的像質(zhì)。但是，由于紅外透光材料的尺寸受到較大的限制，折射式光學(xué)系統(tǒng)不能做成太大的口徑。而且折射式光學(xué)系統(tǒng)通常只用于特定且范圍有限的波段，例如1～3mm波段、3～5mm、8～13mm波段。這是因?yàn)橥瑫r(shí)能透過(guò)很寬波段的紅外光學(xué)材料種類(lèi)很少，同時(shí)，由于光學(xué)材料色散的存在，同時(shí)消除兩個(gè)波段的色差比較困難。

圖3 折射式結(jié)構(gòu)圖示例

Fig 3 Example refraction structure diagram

折反射式系統(tǒng)由反射鏡與折射式校正透鏡組組合而成，既具有反射式系統(tǒng)口徑可以做得很大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有折射式系統(tǒng)的大相對(duì)孔徑、大視場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但比較難實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)要求，并且存在中心遮攔。

1.5 短波紅外與可見(jiàn)光譜段、中長(zhǎng)波紅外譜段成像優(yōu)點(diǎn)比較

可見(jiàn)光作為傳統(tǒng)的光學(xué)成像波段，具有波長(zhǎng)短的特點(diǎn)，可以獲得高分辨率圖像，但在光照條件不好的情況下如夜晚，無(wú)法對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有效觀測(cè)。如圖4所示，短波紅外可進(jìn)行夜晚觀測(cè)且穿透障礙物能力強(qiáng)，如圖5所示，短波紅外還可以對(duì)偽裝的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。

圖4 夜間可見(jiàn)光成像（左）和短波紅外成像（右）

圖5 可見(jiàn)光（左）和短波紅外（右）偽裝識(shí)別圖像對(duì)比

Fig 5 Comparison of visible light (left) and short-wave infrared (right) camouflage recognition images

相較于傳統(tǒng)可見(jiàn)光成像光學(xué)系統(tǒng)，紅外成像光學(xué)系統(tǒng)由于紅外光熱成像的特點(diǎn)，可以對(duì)空間目標(biāo)實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候的觀測(cè)，且可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)溫度差異化觀測(cè)，對(duì)其內(nèi)部核心部件及其功能的推測(cè)提供有效依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)的精確識(shí)別。具有抗干擾性能好和作用距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。但紅外光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，分辨率較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高分辨率觀測(cè)。

短波紅外光學(xué)系統(tǒng)所成的圖像具有明顯的陰影和強(qiáng)烈的反差對(duì)比，如圖6所示，這些豐富的細(xì)節(jié)特征信息為短波紅外圖像提供了遠(yuǎn)高于中波紅外和長(zhǎng)波紅外圖像的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，以及媲美可見(jiàn)光圖像的成像質(zhì)量。

圖6 可見(jiàn)光、短波紅外、中波紅外、長(zhǎng)波紅外成像效果對(duì)比

Fig 6 Comparison of visible light, short-wave infrared, medium-wave infrared and long-wave infrared imaging effect

2 短波紅外探測(cè)器

2.1 短波紅外探測(cè)器概述

短波紅外對(duì)人眼不可見(jiàn)，其探測(cè)需要專(zhuān)門(mén)的探測(cè)器。短波紅外成像技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速，普通的硅基探測(cè)器值只覆蓋了很少一部分短波波段，鍺基探測(cè)器的紅外噪聲較高，目前常采用的有碲鎘汞和銦鎵砷兩種材料所制成的探測(cè)器。碲鎘汞探測(cè)器常需要制冷，故使用范圍不廣[9]。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)短波相機(jī)應(yīng)用需求的不同，市面上主流的短波紅外探測(cè)器以硅基（Si）、鍺基（Ge）以及銦鎵砷基（InGaAs）為主。常規(guī)的InGaAs短波紅外探測(cè)器件的波長(zhǎng)覆蓋范圍為0.9～1.7mm，通過(guò)Inp襯底去除技術(shù)可以在短波方向?qū)⑻綔y(cè)器的截止頻率延伸至0.4mm，通過(guò)調(diào)節(jié)In材料的組分，可以實(shí)現(xiàn)InGaAs材料的探測(cè)波長(zhǎng)外延至2.5mm，如圖7所示，分別為截止頻率在1.7mm、2.2mm和2.5mm的探測(cè)器的光譜響應(yīng)和量子效率。當(dāng)波長(zhǎng)延伸后，銦鎵砷探測(cè)器可更廣泛地應(yīng)用于短波紅外夜視和探測(cè)領(lǐng)域。

圖7 不同截止頻率InGaAs探測(cè)器光譜響應(yīng)（左）及量子效率（右）

銦鎵砷探測(cè)器具有靈敏度高、小型化、低功耗、可室溫下工作等特點(diǎn)，是近幾年短波紅外探測(cè)器的不二選擇。InGaAs短波紅外探測(cè)器從探測(cè)器的結(jié)構(gòu)上來(lái)區(qū)分，主要分為單元探測(cè)器、線列探測(cè)器和面陣探測(cè)器。面陣短波紅外探測(cè)器因其像素?cái)?shù)量多、面陣覆蓋范圍大，適合做凝視型短波紅外場(chǎng)景成像。相比于單元探測(cè)器和線列探測(cè)器而言，面陣短波紅外探測(cè)器在進(jìn)行短波紅外場(chǎng)景成像時(shí)具有幀率高、無(wú)需掃描機(jī)械設(shè)備、便攜性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[10]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大面陣、高像素的銦鎵砷探測(cè)器的產(chǎn)業(yè)化。國(guó)內(nèi)目前市面上所推出的銦鎵砷探測(cè)器主要是15mm中心距、像元數(shù)640×512規(guī)格的，更高規(guī)格的正在陸續(xù)推出[11]。上海技術(shù)物理研究所研發(fā)的面陣InGaAs短波探測(cè)器發(fā)展過(guò)程如圖8所示。

圖8 上海技術(shù)物理研究所InGaAs探測(cè)器組件發(fā)展史

Fig 8 History of InGaAs detector assembly at Shanghai Institute of Technical Physics

未來(lái)銦鎵砷探測(cè)器向著更加小型化、分辨率高、陣列規(guī)格更大的方面發(fā)展，且進(jìn)一步降低成本，提高民用領(lǐng)域應(yīng)用占比。為了向?qū)挷ǘ雾憫?yīng)方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)正在對(duì)銦鎵砷探測(cè)器的新結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，例如：集成微納人工結(jié)構(gòu)的銦鎵砷焦平面探測(cè)器。為了向減小像元中心距，增大陣列規(guī)格，提出膠體量子點(diǎn)短波紅外探測(cè)技術(shù)，以及單像素成像技術(shù)[12]。

若為短波紅外焦平面探測(cè)器設(shè)計(jì)相匹配的偏振光學(xué)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)分時(shí)偏振成像、分振幅偏振成像和分孔徑偏振成像。這種傳統(tǒng)的偏振成像系統(tǒng)組件過(guò)程簡(jiǎn)單對(duì)探測(cè)器加工工藝也沒(méi)有特別高要求，但是光學(xué)部分光路較為復(fù)雜且光通量損失較高，整個(gè)偏振探測(cè)成像系統(tǒng)總體體積也會(huì)較大。

近年來(lái)，焦平面陣列（Focal Plane Array，F(xiàn)PA）技術(shù)的發(fā)展和微納加工工藝的提高直接促進(jìn)了新型偏振探測(cè)器的發(fā)展。具有特殊形態(tài)的微納半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，比如納米片和橢圓形納米線，可以具有高效光電轉(zhuǎn)化和偏振探測(cè)功能直接實(shí)現(xiàn)偏振高效探測(cè)。將微納陣列集成在短波紅外探測(cè)器之上可以對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的偏振圖像信息進(jìn)行處理時(shí)直接融合進(jìn)行偏振成像。微納金屬光柵偏振片與探測(cè)器焦平面的光敏區(qū)的距離應(yīng)盡可能近，即銦鎵砷探測(cè)器的襯底應(yīng)盡可能做薄或者去除InP襯底。偏振元件與焦平面探測(cè)器集成的短波紅外探測(cè)器可以同時(shí)獲取到接收到的紅外輻射的強(qiáng)度和偏振的多維信息，同時(shí)具有體積小、重量輕、能耗低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)新型紅外探測(cè)器的熱門(mén)發(fā)展方向[13]。

2.2 短波紅外探測(cè)器國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

隨著短波紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，銦鎵砷探測(cè)器的使用潛力已經(jīng)被世界各個(gè)行業(yè)所認(rèn)可，全世界大多數(shù)國(guó)家和研發(fā)機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行深入研究，以美國(guó)、法國(guó)為代表的許多發(fā)達(dá)國(guó)家在基礎(chǔ)研究處于世界領(lǐng)先水平[14]。據(jù)報(bào)道，美國(guó)的Sensors Unlimited Incorporation（SUI）公司推出的面陣列的銦鎵砷探測(cè)器的分辨率達(dá)到1920×1280，并推出了所對(duì)應(yīng)的成像儀。2018年，應(yīng)美國(guó)海軍的戰(zhàn)術(shù)開(kāi)發(fā)光譜和偵察圖像（SPRITE）計(jì)劃要求，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司航空航天系統(tǒng)傳感器業(yè)務(wù)部（UTC Aerospace Systems）開(kāi)發(fā)出世界上分辨率最高的銦鎵砷（InGaAs）近紅外/短波紅外（NIR/SWIR）成像傳感器，該傳感器像元間距5mm，陣列規(guī)格為4k×4k的高分辨率銦鎵砷探測(cè)器。

比利時(shí)Xenics公司產(chǎn)品覆蓋0.9～1.7mm紅外譜段，部分產(chǎn)品更可擴(kuò)展到0.4～2.35mm譜段，推出的最新型T2SL短波紅外相機(jī)，具有超低暗電流和ROIC噪聲。

以色列Semi Conductor Devices（SCD）公司所研制開(kāi)發(fā)的兩種不同規(guī)格的短波紅外探測(cè)器均采用銦鎵砷焦平面陣列，像元中心距由15mm降到10mm，并有640×512和1280×1024兩種規(guī)格。日本索尼公司研發(fā)的探測(cè)器產(chǎn)品響應(yīng)波長(zhǎng)為0.4～1.7mm，在此響應(yīng)波段內(nèi)測(cè)得探測(cè)器的量子效率＞60%，但器件靈敏度和噪聲未見(jiàn)報(bào)道。

除此之外，法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等許多國(guó)家也正在大力支持該國(guó)的短波紅外光學(xué)成像技術(shù)的基礎(chǔ)研究發(fā)展，并正在實(shí)現(xiàn)分辨率為640×512的銦鎵砷焦平面探測(cè)的產(chǎn)業(yè)化[15-16]，如表2所示。

在國(guó)內(nèi)領(lǐng)域，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所、上海技術(shù)物理研究所、昆明物理研究所等都對(duì)銦鎵砷探測(cè)器進(jìn)行了相關(guān)研究。

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所在紅外焦平面領(lǐng)域研究頗深，在2015年期間，該研究所完成了可見(jiàn)短波紅外銦鎵砷探測(cè)器的技術(shù)開(kāi)發(fā)，其單個(gè)像元尺寸做到了25mm，像元規(guī)模為640×512，且該探測(cè)器的平均峰值探測(cè)率也可達(dá)5×1012cmHz1/2W－1。

上海技術(shù)物理研究所在紅外領(lǐng)域深耕多年，在短波紅外波段的探測(cè)器研發(fā)成果頗多，近年來(lái)已經(jīng)研制多個(gè)波長(zhǎng)的線面陣探測(cè)器，還研制了平面型線陣的銦鎵砷焦平面探測(cè)器，還研發(fā)了兩種大面陣探測(cè)器，其像元規(guī)模分別為512×256元和1024×1280元，其截止波長(zhǎng)擴(kuò)展到2.5mm，在國(guó)內(nèi)同時(shí)期也屬前沿。

國(guó)內(nèi)其他公司也正在研制并生產(chǎn)規(guī)格為640×512的InGaAs焦平面探測(cè)器。表3列出了一些國(guó)內(nèi)主要InGaAs科研生產(chǎn)單位的生產(chǎn)情況。

總之，人是企業(yè)發(fā)展最為重要的因素，企業(yè)應(yīng)該通過(guò)有效的人力資源管理，努力提升企業(yè)員工隊(duì)伍的凝聚力、提升企業(yè)員工的各項(xiàng)能力、提升企業(yè)員工的工作效率，促進(jìn)企業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

表2 國(guó)外代表性InGaAs 探測(cè)器廠家及器件性能

表3 國(guó)內(nèi)主要InGaAs科研生產(chǎn)單位情況

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常見(jiàn)的銦鎵砷短波紅外探測(cè)器的規(guī)格是15mm、640×512、1280×1024，2560×2048陣列規(guī)格的探測(cè)器還在陸續(xù)推出，像元間距縮小到10mm及以下，器件響應(yīng)波段向可見(jiàn)光波段拓展，各類(lèi)探測(cè)器產(chǎn)品性能指標(biāo)正在追趕國(guó)際水平。但國(guó)內(nèi)的短波紅外成像系統(tǒng)研究在民用和商用上還不夠普遍，我國(guó)使用的短波紅外探測(cè)系統(tǒng)和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)裝備上系統(tǒng)相比還有很大差距，所以為了滿足國(guó)內(nèi)科技市場(chǎng)的需求，開(kāi)展短波紅外銦鎵砷探測(cè)領(lǐng)域的研究顯得十分必要。

3 短波紅外成像系統(tǒng)的應(yīng)用

短波紅外成像的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，不僅可以用于夜視、對(duì)地遙感探測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域，還可用于半導(dǎo)體表面特征分析、醫(yī)療、農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)等民用應(yīng)用領(lǐng)域。

短波紅外相機(jī)配合短波紅外激光，在夜間時(shí)進(jìn)行主動(dòng)照明成像，可以實(shí)現(xiàn)低照度成像且由于有輔助照明光源可提高夜間作用距離，如圖9所示。且短波紅外激光作為輔助照明光源，傳統(tǒng)微光夜視設(shè)備無(wú)法探測(cè)到。短波紅外光也可用于激光的探測(cè)領(lǐng)域，作為激光器的光源，常用波段如1064nm、1330nm和1550nm等。短波紅外能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)和被動(dòng)式成像，短波紅外光具有高透性，能夠增長(zhǎng)探測(cè)的作用距離。

圖9 雪夜對(duì)3.6km處防火塔進(jìn)行輔助照明成像

機(jī)載光學(xué)系統(tǒng)在偵察活動(dòng)中是不可或缺的裝備之一，相比其他偵察系統(tǒng)隱蔽性強(qiáng)，可對(duì)偵查目標(biāo)實(shí)時(shí)成像。短波紅外成像技術(shù)在機(jī)載偵察方面逐漸被廣泛利用，這類(lèi)裝備了紅外光學(xué)成像系統(tǒng)的機(jī)載系統(tǒng)可適應(yīng)各種惡劣偵察環(huán)境的高隱蔽性和抗干擾能力，故可代替地面人員在各種惡劣的環(huán)境及高危險(xiǎn)性的情況下進(jìn)行偵察觀測(cè)任務(wù)[17]。

短波紅外成像技術(shù)在空間光學(xué)對(duì)地遙感中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用?？臻g光學(xué)對(duì)地遙感技術(shù)的基礎(chǔ)是光學(xué)成像技術(shù)，早期的空間光學(xué)對(duì)地遙感主要集中在可見(jiàn)光波段，對(duì)于電磁波譜特征分布較寬的地物目標(biāo)，可見(jiàn)光不能準(zhǔn)確、全面地反映其特征信息?？臻g光學(xué)對(duì)地遙感技術(shù)的光譜域從最早的可見(jiàn)光向近紅外、短波紅外、熱紅外、微波方向拓展。如圖10所示，神舟三號(hào)飛船搭載了由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制中分辨率成像光譜儀，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)空間成像光譜儀零的突破，同時(shí)這也是全球第一款覆蓋連續(xù)可見(jiàn)光近紅外光譜、短波紅外、熱紅外的成像光譜儀。

圖10 神舟三號(hào)光譜儀整機(jī)結(jié)構(gòu)和在軌影像圖

短波紅外成像可用于太陽(yáng)能電池品質(zhì)檢測(cè)，也可根據(jù)不同塑料的不同的光譜特性來(lái)應(yīng)用于塑料制品分揀。短波紅外對(duì)100℃以上的高溫物體熱輻射敏感因此可用于高溫物體監(jiān)測(cè)。

由于生物體中不同成分對(duì)短波紅外的吸收系數(shù)不同，生物醫(yī)學(xué)成像也是短波紅外的一個(gè)重要的應(yīng)用方向?；诙滩t外的光學(xué)相干斷層掃描（SD-OCT）技術(shù)通過(guò)光學(xué)相干斷層掃描可以獲得血管以及神經(jīng)纖維的分布圖，通過(guò)短波紅外血管造影甚至可以觀測(cè)到血管中血液的流動(dòng)，可以對(duì)病變組織進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷。

由硅制作而成的半導(dǎo)體晶圓和芯片在短波紅外光下是透明的。在對(duì)太陽(yáng)能電池板上的裂縫和缺陷進(jìn)行檢測(cè)或者實(shí)現(xiàn)集成電路故障分析的時(shí)候采用短波紅外照明的硅基設(shè)備成像采集系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)表面特征的觀測(cè)。如圖11所示。

圖11 硅半導(dǎo)體的邊緣成像

近年來(lái)，隨著銦鎵砷探測(cè)器的加工工藝成熟與焦平面探測(cè)陣列的發(fā)展，以及非制冷型探測(cè)器的發(fā)展，利用短波紅外在大氣中較強(qiáng)的透過(guò)率的特性，以及對(duì)煙霧較強(qiáng)的穿透力，在對(duì)粉塵和霧霾較多的城區(qū)、煙霧彌漫的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)成像時(shí)，高空短波紅外成像能獲得相比于可見(jiàn)光和長(zhǎng)波紅外等波段更多的細(xì)節(jié)特征。在民用和商用的領(lǐng)域，也隨處可見(jiàn)短波紅外出現(xiàn)的身影。在民用的車(chē)載、測(cè)溫槍和安防鏡頭等，在商用的船載、激光測(cè)距儀和無(wú)人機(jī)拍攝等使用了短波紅外光的拓展。如圖13所示，在無(wú)人機(jī)拍攝方面，環(huán)境的復(fù)雜性限制了可見(jiàn)光拍攝的范圍，在可見(jiàn)度不高的煙霧環(huán)境下，無(wú)人機(jī)使用可見(jiàn)光拍攝不能夠很好地拍攝到物體的清晰影像，而使用短波紅外成像拍攝無(wú)需借助外界的環(huán)境光照射，其拍攝距離也更遠(yuǎn)，像質(zhì)更清晰[19]。

圖12 短波紅外在農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

圖13 可見(jiàn)光（左）和短波紅外（右）透煙成像

Fig.13 Visible light (left) and short-wave infrared (right) through smoke imaging

4 總結(jié)與展望

短波紅外相機(jī)與中長(zhǎng)波熱成像相機(jī)捕獲圖像信息不同，短波紅外相機(jī)接收物體反射的環(huán)境中的輻射，所得到的輸出圖像類(lèi)似普通相機(jī)輸出的可見(jiàn)光圖像，圖像中存在陰影和其他細(xì)節(jié)，具有高對(duì)比度。此外短波紅外相機(jī)可放置在玻璃（車(chē)窗）后，但熱成像相機(jī)目前不行。相比于中長(zhǎng)波成像被動(dòng)接收物體自身發(fā)出的紅外輻射，短波紅外成像相機(jī)可與激光距離選通成像技術(shù)結(jié)合，通過(guò)主動(dòng)輔助照明光源，控制短波紅外激光照明特定目標(biāo)點(diǎn)，濾除非目標(biāo)點(diǎn)的反射輻射，自主選擇需要成像的目標(biāo)進(jìn)行成像。

短波紅外光學(xué)成像相機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中涵蓋了光學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、圖像處理等眾多關(guān)鍵技術(shù)。高分辨率的短波紅外成像相機(jī)需要搭配先進(jìn)的大規(guī)模的焦平面探測(cè)器，還要求焦平面探測(cè)器具有高靈敏度響應(yīng)、響應(yīng)光譜范圍寬、均勻性好等高性能。在極限弱光照環(huán)境下，短波相機(jī)的圖像增強(qiáng)技術(shù)占重要地位，圖像增強(qiáng)方法一般有：灰度變化方法、直方圖均衡方法、頻域變換方法以及深度學(xué)習(xí)方法。

短波紅外光學(xué)成像相機(jī)中光學(xué)設(shè)計(jì)是核心部分，光學(xué)系統(tǒng)的通光效率直接影響整個(gè)相機(jī)系統(tǒng)接收到的能量。與中長(zhǎng)波的光學(xué)設(shè)計(jì)方式不同，短波紅外光學(xué)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)口徑要小于中長(zhǎng)波系統(tǒng)的光學(xué)口徑，采用的紅外材料也與中長(zhǎng)波所用的光學(xué)材料不同，需采用鍍專(zhuān)屬的透射膜的光學(xué)鏡片。

短波紅外光學(xué)成像的主要優(yōu)點(diǎn)有：1）當(dāng)選用短波紅外激光作為輔助照明時(shí)，具有隱蔽性；2）在低照度或環(huán)境情況惡劣時(shí)仍能維持工作；3）短波紅外能透過(guò)常規(guī)光學(xué)玻璃材料成像，設(shè)計(jì)和優(yōu)化的自由度被大幅提升。

隨著民用商用和其他領(lǐng)域的需要，若想獲得包含更多信息的圖像，需要的不止可見(jiàn)光波段的圖像，故現(xiàn)代光學(xué)成像工作波段向近紅外、短波紅外拓展，短波紅外所具有的獨(dú)一無(wú)二的光學(xué)成像特點(diǎn)使得短波紅外光學(xué)成像在未來(lái)具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的開(kāi)發(fā)潛力。由于空間目標(biāo)的復(fù)雜與多樣化，單一波段的成像已經(jīng)無(wú)法滿足，構(gòu)建短波紅外與可見(jiàn)光或和中波紅外、長(zhǎng)波紅外一體化的成像光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)波段同時(shí)成像，可以大大提高適用性[20]。目前短波光學(xué)成像設(shè)計(jì)具有如下的發(fā)展趨勢(shì)：

1）微光夜視條件下的短波紅外成像及目標(biāo)檢測(cè)；

2）多波段的機(jī)載紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

3）短波紅外激光距離選通成像技術(shù)；

4）短波紅外光探測(cè)系統(tǒng)和可見(jiàn)光望遠(yuǎn)系統(tǒng)共光路成像設(shè)計(jì)；

5）短波紅外相機(jī)結(jié)合顯微光學(xué)結(jié)構(gòu)鏡頭，進(jìn)行多聚焦圖像融合設(shè)計(jì)等。

短波紅外相比于中波、長(zhǎng)波等紅外相機(jī)能夠更多地采集到被觀測(cè)物體或者人員的細(xì)節(jié)信息，能夠極大地提升被觀測(cè)物體與人員的肉眼可識(shí)別性。短波紅外光學(xué)成像相機(jī)在民用領(lǐng)域應(yīng)用方面需要向低成本、易操作方向發(fā)展；在其他應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用方面需要向高靈敏度、高性能方向發(fā)展，應(yīng)用前景廣闊。國(guó)內(nèi)目前銦鎵砷探測(cè)器的發(fā)展水平逐步上升，短波紅外光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面需要跟進(jìn)發(fā)展，在保證光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單輕量、視場(chǎng)更大的多波段紅外光學(xué)系統(tǒng)。

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Research Progress in the Design and Application of Shortwave Infrared Imaging Systems

ZHANG Yi，HU Jianchuan，ZHU Youpan，SUN Aiping，CHEN Jie

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

Shortwave infrared imaging is a popular topic worldwide. By receiving shortwave infrared radiation for detection and imaging, more information about the target objects can be obtained, compensating for the shortage of visible light imaging to achieve full-band imaging. Based on the optical characteristics, imaging principle, and optical system structure design of shortwave infrared optical imaging, this study compares the advantages and disadvantages of shortwave infrared imaging with visible light and medium-long wave infrared imaging. It briefly introduces the characteristics of indium gallium as a detector in shortwave infrared imaging systems, its development status at home and abroad, and the application of shortwave infrared imaging in different fields. Finally, future developments of shortwave infrared imaging are discussed.

short wave infrared imaging, optical design, InGaAs detector

TN215

A

1001-8891(2024)03-0246-10

2023-05-30；

2023-08-25.

張藝（2000-），女，碩士研究生，研究方向：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：1648414768@qq.com。

胡健釧（1991-），男，碩士，工程師，研究方向：紅外整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。E-mail：hjc200930@sina.com。