【产品技术】扩展短波红外波段的光谱成像技术

一些材料的特性可借助光谱成像技术（尤其是1700 nm以上的扩展SWIR波段光谱成像）进行鉴别。在这一波段进行红外光检测的难处在于需要高度成熟的传感器技术。然而，适配这一用途的传感器技术又各有优劣，这里将为您简要介绍一些示例。

硅基传感器可针对其使用的玻璃材料以及内部结构进行优化，使之能够在最低至200 nm的紫外线范围内依旧保持灵敏，或在750 nm以上至最高1100 nm波长内提供更高的灵敏度（NIR传感器）。然而，当波长达到1050 nm以上时，传感器的量子效率通常低于10％并急剧下降，这是因为硅基材料面对大约1100 nm以上波长的光时趋近透明。因此，需要通过其他传感器材料来检测波长超过1100 nm的SWIR波段光线。

XSWIR传感器技术

最常见的短波红外（SWIR）传感器类型使用了铟镓砷 (InGaAs) 等材料。这种传感器通常对900至1700 nm波段的光较为敏感。然而，如果将亚磷酸铟层的厚度加工到足够纤薄，从而使可见光能够到达InGaAs的感光层，则传感器也可以检测可见光波段的光线。例如索尼的IMX99x SenSWIR传感器就是这种情况（可同时检测可见光和近红外光）。关于InGaAs的有趣之处在于，可以采用不同的砷化铟和砷化镓成分来生产此类传感器。铟和镓之间的比例将最终决定传感器的截止波长，即可以检测到光线的最大波长。用于感光1700纳米以上波长光谱的技术被称为InGaAs扩展范围或XSWIR传感器技术，其最大感光度通常为1.9、2.2或最高2.6μm。

另一种传感器由蹄镉汞 (MCT) 构成。它们是SWIR 波段1700 nm以上波长最受欢迎的传感器类型之一。还有II类超晶格 (T2SL) 传感器，它们已在中波红外 (MWIR) 波长范围的成像领域有应用。然而，某些材料组合，如InGaAs/GaAsSb或InAs/AlSb/GaSb，也使T2SL传感器技术，用于SWIR波长范围的感光。用于检测XSWIR波长范围感光的最新的传感器技术是基于硫化铅 (PbS) 的胶体量子点 (CQD) 传感器。由此可见，用于SWIR和XSWIR波长范围图像获取的传感器技术可选项更为广泛。

图2 InGaAs传感器优缺点网络图

选择合适的拓展短波红外相机

选择适于XSWIR波段应用的相机时，某些性能参数起着决定性作用：1700 nm以上波长量子效率最高、可支持量子效率大于30%的光谱范围、低暗电流水平、动态范围、分辨率、帧率、像素尺寸以及成本。对于光谱成像而言，在尽可能宽的波长范围内具备高帧率和高量子效率尤为重要。但在评估参数时，搭载不同XSWIR传感器技术的传统相机表现如何呢？

- 基于CQD传感器的相机目前在SWIR波段量子效率仍然非常低，且帧率相对较低。另一方面，它们在低成本、低暗电流以及通常具备的更高分辨率（目前最高可达2MP像素）方面表现极好。

- 采用二类超晶格传感器技术的相机，尽管像素尺寸很小（在SXGA分辨率下仅为5至12μm），但它具有非常高的动态范围。然而，相比之下，它们的量子效率和帧率则较低。这将导致非常高的暗电流水平并且通常成本较高。

- 基于MTC传感器的相机通常分辨率较低，最高为640x512像素 (VGA)。它们支持从400到2500 nm的宽光谱范围，具有高量子效率。然而，这是一项昂贵的技术，需要使用斯特林冷却器强制冷却，从而弥补传感器的高暗电流所带来的负面影响。

基于InGaAs的XSWIR相机目前仅提供QVGA和VGA分辨率。然而，它们支持高帧率，全分辨率下可达300fps，并且在宽光谱范围内具有非常高的量子效率。借助二级热电冷却技术，可以使暗电流保持在较低水平，从而在总体上维持适中的价格。

图3 400到2400nm波段SWIR传感器对比

综上所述，具有扩展光谱范围的InGaAs传感器非常适用于1700 nm以上波长的特殊成像需求，具有非常高的性价比。尤其是它们比通常配备斯特林冷却器且通常只有三年使用寿命的MCT相机更便宜耐用。另一方面，II类超晶格或CQD等传感器技术虽具有更高的分辨率，但不具备XSWIR InGaAs传感器的高帧率和量子效率优势。

适用于XSWIR的InGaAs相机

Allied Vision的Goldeye XSWIR相机搭载高速InGaAs传感器，帧率高达344fps。这款相机支持高达1.9或2.2μm的扩展SWIR波长范围，以及QVGA和VGA分辨率。Goldeye XSWIR相机可选配GigE Vision或Camera Link Base标准接口，并提供图像校正和处理功能，例如使用2点校正以消除图像不均匀性，或控制多个感兴趣区域(ROI)以提高帧刷新率。高帧率对光谱成像而言至关重要，例如，它可以使传送带以更高速度运行，从而加速进程并提高吞吐量。因此，Goldeye XSWIR相机具有一项特殊功能，可读取多个感兴趣区域 (ROI)。最多可以选择32个区域或波段，每个区域或波段都有一个特定的波长范围。当多ROI功能触发时，只有相关数据才会传输至主机，帧率大幅提升。

然而，对于SWIR波段的许多任务，最高至1,700 nm的感光度已完全足够。Allied Vision通过与SVS-Vistek（和Allied Vision同属于TKH Vision集团）合作，在SWIR波段提供了市面上更全面的产品组合。除了具有扩展感光度的Goldeye XSWIR相机外，产品选型范围还包括搭载索尼SenSWIR传感器技术的紧凑型相机（同时支持可见光和SWIR光谱成像）以及搭载双级热电传感器冷却功能的(TEC2)科研用相机（支持长曝光）。Allied Vision提供了多种接口供选，包括GigE Vision、5GigE、10GigE、USB3 Vision、MIPI CSI-2以及CameraLink和CoaXPress-12。产品组合还包括最高5.3MP像素、全分辨率下帧率可达344fps的机型。

不同的传感器技术对于选择扩展短波红外相机具有重大影响，涉及成本、帧率、分辨率和效率等方面。用户可根据项目的优先需求选择适合的扩展短波红外相机。若波长范围要求较宽，基于MTC的传感器可能更合适，但需承担高电流带来的影响。若追求高动态范围，二类超晶传感器可能更适用。而基于InGaAs传感器技术的扩展红外相机具有较高性价比，比MCT相机更经济耐用，且比II类超晶格或CQD等传感器具有更高分辨率。它能满足对于1700nm以上波长的特殊成像需求，并具有适宜的性价比。

Allied Vision Jens Hashagen

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