Was ist SWIR?
Kurzwelliges Infrarotlicht (SWIR) wird in der Regel definiert als Licht mit einer Wellenlänge zwischen 0,9 und 1,7 μm, gelegentlich auch als das Spektrum zwischen 0,7 und 2,5 μm. Da Silizium-Sensoren eine obere Erkennungsgrenze von etwa 1,0 μm haben, sind für die SWIR-Bildgebung spezifische optische und elektronische Komponenten erforderlich, die das SWIR-Spektrum verarbeiten können. Für die SWIR-Bildgebung werden vor allem Indium-Gallium-Arsenid-Sensoren (InGaAs-Sensoren) eingesetzt, die das typische SWIR-Spektrum abdecken, aber auch Wellenlängen von 550 nm bis 2,5 μm erkennen. Zeilensensoren auf InGaAs-Basis sind zwar frei erhältlich, entsprechende Flächensensoren sind aber in der Regel ITAR-kontrolliert.
Abb.1: Elektromagnetisches Spektrum und SWIR-Wellenlängen
WARUM SWIR-LICHT VERWENDEN?
Im Gegensatz zu Infrarotlicht mittlerer Wellenlänge (MWIR) und Infrarotlicht mit langen Wellenlängen (LWIR), das von Objekten selbst, als Temperaturstrahlung abgegeben wird, ähnelt das SWIR-Spektrum in seinen Eigenschaften dem sichtbaren Licht, d. h. Photonen werden von einem Objekt reflektiert oder absorbiert, sodass der starke Kontrast entsteht, der für eine Bildgebung mit hoher Auflösung erforderlich ist. Natürliche Quellen für SWIR-Licht sind das Sternenlicht und das Nachthimmelsleuchten, die eine ausgezeichnete Beleuchtung für Bildgebung unter freiem Himmel bei Nacht liefern.
Wichtig ist dabei, dass ein Objektiv eingesetzt wird, das für das SWIR-Spektrum konstruiert, optimiert und beschichtet wurde. Wird statt dessen eine Linse für das sichtbare Spektrum verwendet, ergeben sich Bilder mit niedrigerer Auflösung und mehr Abbildungsfehlern. Da Glas für SWIR-Wellenlängen durchlässig ist, können Linsen und andere optische Komponenten für das SWIR-Spektrum (optische Filter, Fenster usw.) mit den gleichen Verfahren gefertigt werden wie Komponenten für das sichtbare Spektrum. Damit sinken die Fertigungskosten und es können Schutzfenster und Filter in dem System verwendet werden.
Mit SWIR-Licht werden zahlreiche Anwendungen möglich, die mit sichtbarem Licht schwierig oder unmöglich wären. So sind zum Beispiel Wasserdampf, Nebel und bestimmte Materialien wie Silizium transparent für SWIR-Wellenlängen. Auch Farben, die im sichtbaren Licht fast gleich aussehen, können mit SWIR-Licht einfach unterschieden werden.
SWIR-ANWENDUNGEN
Die SWIR-Bildgebung wird für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, beispielsweise zur Prüfung von Leiterplatten, Solarzellen und Lebensmitteln, zur Identifizierung und Sortierung, zur Überwachung, zur Erkennung von Fälschungen, zur Prozess-Qualitätskontrolle usw. Um die Vorteile der SWIR-Bildgebung zu verdeutlichen, werden einige Beispiele für übliche Alltagsprodukte vorgestellt, die mit sichtbarem Licht und mit kurzwelligem Infrarotlicht aufgenommen wurden.
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Abb.2a: Bild eines roten Apfels im sichtbaren Licht. Der Apfel sieht perfekt rot aus. Mängel sind nur schwer zu erkennen.
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Abb.2b: Bild eines roten Apfels im kurzwelligen Infrarotlicht. Im kurzwelligen Infrarotlicht ist deutlich eine Quetschstelle zu erkennen. Fehler auf der Schale sind leicht erkennbar.
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Abb.3a: Bild einer Flasche mit Babypuder im sichtbaren Licht. Die Flasche sieht im sichtbaren Licht weiß und glänzend aus. Das Babypuder ist nicht zu erkennen.
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Abb.3b: Bild der Babypuder-Flasche im SWIR-Spektrum. Die Flasche ist für das SWIR-Spektrum transparent. Es ist leicht zu erkennen, wie viel Babypuder in der Flasche ist.
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Abb. 4a: Eine Aufnahme des Gemäldes The Last Judgment von Jan Provoost im SWIR-Spektrum zeigt die ursprüngliche Idee des Künstlers, da die Skizzen unterhalb der Farbschicht sichtbar werden. Rechteinhaber des Bildes ist das Detroit Institute of Arts. Verwendet mit Genehmigung.
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Abb. 4b: Unterhalb des Erzengels sind zehn Trompeten zu erkennen, im Gegensatz zu den fünf im eigentlichen Gemälde. Deren Platzierung machte auch ein Verschieben des Segelschiffes notwendig. Die Zehen auf dem Globus wurden ebenfalls nicht an derselben Stelle gemalt, wie in der ursprünglichen Skizze vorgesehen. Rechteinhaber des Bildes ist das Detroit Institute of Arts. Verwendet mit Genehmigung.<
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Abb. 5a: Bountiful Fruit gemalt von der Künstlerin Nicole Koenitzer aus Philadelphia, verdeutlicht die Planungsphase in der Entstehung eines Ölgemäldes. Mit Hilfe einer SWIR-Aufnahme kann die Idee der Künstlerin von der ursprünglichen Skizze bis zum endgültigen Feinschliff verfolgt werden.
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Abb. 5b: Die ursprüngliche Skizze enthielt einen Teller mit Bananen, sowie einen Rahmen an der Wand, die im fertigen Bild nicht mehr vorhanden sind. Im unteren, rechten Eck erscheinen Farbflecken, die mit sichtbarem Licht nicht zu sehen sind. Eventuell verwendete die Künstlerin zuerst andere Materialien für den Hintergrund, und änderte das später noch ab.
Unter kurzwelligem Infrarotlicht (SWIR-Spektrum) ist ein spezifischer Wellenlängenbereich zu verstehen, für den optische und elektronische Komponenten konstruiert und beschichtet werden. Die SWIR-Bildgebung hat zahlreiche Vorteile gegenüber der Bildgebung mit sichtbarem Licht für Prüfungs- und Sortieraufgaben, Überwachung, Qualitätskontrolle und viele andere Anwendungen. Es ist wichtig, dass Komponenten ausgewählt werden, die speziell für das SWIR-Spektrum konstruiert, optimiert und beschichtet wurden, um die höchste Auflösung bei möglichst niedrigen Aberrationen zu erreichen. Hersteller wie Edmund Optics haben Erfahrung in der Konstruktion, Fertigung und Beschichtung von SWIR-Linsen. Edmund Optics bietet Objektive aus Gläsern an, die für das SWIR-Spektrum optimiert wurden, sowie passende Antireflexbeschichtungen, die speziell für eine maximale Transmission des SWIR-Spektrums konzipiert wurden. Auf der Seite Anwendungen zur SWIR-Bildgebung finden Sie weitere Informationen darüber, was Edmund Optics für Sie tun kann, und eine Antwort auf die Frage "Können Sie mehr sehen, als sichtbar ist?".
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