本文旨在解析短波红外（SWIR）传感器的核心技术原理、主流制造工艺及其在多个关键领域的典型应用，为在实际项目中理解和选用该技术提供清晰指引。
SWIR技术简介
SWIR，即短波红外光，其波长范围通常在0.9至1.7微米之间（也有扩展至2.5微米的说法）。
下图展示了红外光在电磁波谱中的位置。通常，红外波段可进一步划分为短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）。
从成像原理上讲，SWIR传感器与常见的可见光图像传感器工作机制相似，都依赖于物体表面对外部光照的反射特性：入射光子被物体反射或吸收，从而在图像中形成对比度与阴影。
- 这与MWIR和LWIR的成像原理有本质区别。后两者的成像依赖于物体自身的黑体辐射，其强度与温度直接相关。因此，可见光与SWIR成像需要依赖外部光源照明，并非全天候工作，夜间通常需要补光；而MWIR/LWIR成像则不受此限，可支持24小时不间断工作。
因此，SWIR相机所生成的图像，在细节表现力和对比度上与可见光图像相当，拥有分明的明暗层次。需要注意的是，SWIR成像结果为单色图像。
SWIR传感器的工艺及其限制
主流的可见光图像传感器基于标准硅（Si）工艺制造。然而，硅材料对光子的吸收能力在波长接近1100纳米时会急剧下降，这使得基于硅工艺的传感器有效检测上限通常为1000纳米左右。对于波长更长的光子，硅几乎无法吸收，信号响应极弱，因此不适用于SWIR成像。
目前，SWIR成像传感器主要采用铟镓砷（InGaAs）工艺制造。该材料对光子的探测波长上限可达约1700纳米，能有效吸收并转换900-1700纳米波段的光子，是SWIR成像领域的主流技术选择。
但InGaAs传感器也存在其局限性：
- 成本高昂：InGaAs材料无法直接在硅晶圆上生长，其本身材料昂贵，制造工艺复杂且良率较低，导致传感器生产成本和最终售价居高不下。
- 集成度挑战：缩小InGaAs传感器的像素尺寸会对图像质量产生负面影响，难以实现像CMOS工艺那样的高集成度与大面阵规模，这涉及到半导体制造中的精密工艺。
SWIR传感器的典型应用
夜视成像
夜间监控对普通可见光相机始终是一大挑战。核心原因并非夜晚完全没有光线，而是可见光波段的背景光强太弱，进入传感器的光子数量不足。通常需要依赖外部补光、提高增益（会导致图像质量下降）或增大像素尺寸和镜头光圈（增加成本）来缓解。
然而，在900-1700纳米的短波红外波段，大气辉光、星光乃至特定波长的激光反射等人眼不可见的光源仍然相对充足。SWIR传感器（基于InGaAs）能够将这些不可见光转换为高分辨率图像。
因此，在夜视应用中，SWIR相机相比可见光相机，其图像亮度可高出5-7倍；而与工作在LWIR波段的热成像仪相比，其图像分辨率又具备显著优势。
下图为同一场景下，可见光相机（左）与SWIR相机（右）的成像效果对比：
水果水分/农产品分选
水分子对900-1700纳米波段的光线，特别是在1.45微米和1.95微米处，有强烈的吸收特性。大多数农产品和水本身含水量很高，含水量越高，物体对SWIR波段光线的反射率就越低，在SWIR图像中就显得越暗。而农产品的生理变化，如成熟、损伤、腐烂或糖分积累，都会改变其内部水分或糖分分布，从而在SWIR图像中产生肉眼无法察觉的明暗差异。
穿透雾霾成像
雾霾天气中，雾霾颗粒的直径多在0.1至1微米之间。该尺寸的颗粒对可见光的散射作用最强，而对SWIR波段光线的散射则弱得多。因此，更多的SWIR光线能够穿透雾霾颗粒，使得SWIR相机成像中的“白雾”层显著变薄。在边境、机场、海岸等需要进行大范围监控的领域，SWIR成像系统在浓雾或雾霾天气下的清晰度远胜于可见光相机。
高温检测
当物体温度超过约140摄氏度时，会开始显著地向外辐射红外能量，这部分辐射光可通过SWIR技术检测到。物体温度越高，其辐射的红外光就越强，在SWIR图像中就显得越亮。这使得SWIR技术能够在工业监测等领域，为温度检测提供一种非接触式的解决方案，在传统测量方法不适用或存在危险的环境中尤为有用。
下图展示了400摄氏度的电烙铁在可见光相机（左）与SWIR相机（右）下的成像对比：
参考资料
- What is SWIR? | Edmund Optics
- What is SWIR? | SWIR Vision Systems
- Understanding SWIR: Applications and Benefits | Oxford Instruments
- Clear Align Knowledge Center | Why SWIR is Ideal for Border Surveillance & Maritime Imaging
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发表于 3 天前
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