近红外相机为安全、军事和工业成像增加了可见光谱

安全与军事应用长期以来一直是红外(IR)成像技术的冠军，因为红外是隐形的——在没有主动照明的帮助下，它可以发现目标。自从第一套夜视系统问世以来，工业上已经发现红外成像的用途，从熔炼等热过程的控制，到评估透明材料(如胶水和水)的有效性和覆盖范围。

不幸的是，大多数用于成像传感器的红外敏感材料只对红外光谱的部分敏感，通常不包括可见光谱的灵敏度。对于安全应用来说，这意味着一个摄像头用于日间监控，另一个用于夜间监控。例如，工业应用可能需要一个可见摄像头来验证物体的颜色。其结果是增加了成本，特别是对于空间溢价的应用，如某些军事应用和OEM工业设备。

今天，相机制造商正在开发可以同时探测可见光和部分红外光谱的传感器，即近波和短波红外，波长介于450 nm和1700 nm之间。sensor Unlimited, Inc.(普林斯顿，新泽西州)和NoblePeak Vision Corporation(韦克菲尔德，马萨诸塞州)是两家采用不同方法开发新光谱景观的供应商，这种新光谱景观包括传统成像和部分红外光谱。

反射红外
Unlike the mid- and far-wave infrared bands of the electromagnetic spectrum, near infrared (NIR) and short wave IR (SWIR) sensors primarily detect ‘‘reflected’‘ short-wavelength infrared light as opposed to medium and long-wavelength ‘‘thermal’‘ IR, or radiation emitted from black body sources (e.g., heat). The sensitivity to shorter IR wavelengths means NIR and SWIR sensors are able to use smaller pixel sizes. Reflected light imagery also brings more contrast out of the same object due to surface variations and spectral absorbance variations due to the material properties of the object.

在过去,近红外和SWIR传感器的敏感材料是使用复杂的半导体材料——即铟(In)镓(Ga)砷(As)磷(P)组合以及锗(Ge)——这些材料比它们的中波对应物更便宜，与远波红外对应物的制造价格相当。额外的成本来自于必须将独立的传感器芯片连接到电子读数芯片。直到最近，每个像素都必须通过凹凸或线键合连接到单独的读出单元，因为晶格不匹配阻止了在硅上生长高产量的红外敏感半导体材料。

sensor Unlimited的标准近红外相机使用背光InGaAs传感器连接到读出芯片，以探测940到1700纳米之间的辐射。几年前，该公司首次提供了通过可见光响应的相机，可达400纳米。

sensor Unlimited商业业务发展经理Doug Malchow解释道:“使用背光传感器，光线会穿过InGaAs，滤掉940纳米以下的光线。”“通过稀释基片，我们可以将传感器降低到400纳米，但这确实增加了额外的制造成本，使其更适用于军事应用。然而，这种可见波长设计用于夜视监视的灵敏度一直受到限制，直到最近sensor Unlimited推出了NIR/SWIR InGaAs传感器，可以看到波长从0.7 um到1.7 um的光波。在此之前，传统的夜视摄像机能探测到的波长约为1.0 um。”

每台InGaAs NIR/SWIR相机都配备了一个集成在相机外壳内的单级热电冷却器，即使环境条件不断变化，也能将FPA保持在18°C的稳定性。在这个波长范围内工作的其他半导体化合物必须冷却到-70°C。新型InGaAs近红外/SWIR成像仪是唯一具有低暗电流和高响应性的相机，在室温下运行所需的低功耗，适用于轻便、紧凑的便携式或小型无人机应用。

该公司最近还在其他方向上延伸了线性阵列灵敏度，高达2.6微米。这是通过改变铟与镓的比率来实现，使带隙移动到更长的波长。由于晶格与基板层的晶格错配，这一变化导致更高的暗电流，因此该公司最近重新设计了线性阵列的读出电路，以减少暗电流，使传感器更敏感。这允许IngaAs探测器成为光谱学的实用装置，以与铟锑苷酸（INSB）或汞碲化镉（HGCDTE）相比仅适度的热电冷却。

Malchow补充说:“这种扩展范围对于光谱学的应用将是非常强大的，因为在化学分析中有很强的分子吸收带，在1.8到2.5微米之间。”“此外，通过使用多重过滤器，新的区域阵列可以成为多光谱成像仪，应用于成功依赖特定波长灵敏度的应用，例如检测机械零件上的水薄膜。制药公司也用它来验证包装中的药丸是否是正确的药丸，这是基于对药丸内部化合物的光谱分析。随着制药公司将不同的药物组合成一种药丸，这一点变得越来越重要。你要能够辨别出里面有正确的化合物，而且数量也正确。同样的逻辑也适用于塑料制造商，他们必须遵守“使用寿命结束”的规定，这些规定要求对回收的塑料材料进行更多的分类。

生长锗
一种基于硅上锗技术的新型相机，为电信密集光开关而研制，可能很快就会降低传统红外相机解决方案的价格。

根据销售和市场营销副总裁Phil Davies的说法，NoblePeak Vision公司的研究人员已经发现了如何管理在标准硅晶片上生长红外敏感锗时的晶格失配。“我们与世界上最大的CMOS代工厂合作，在硅片上形成晶体管。他们将晶片发送给我们，我们在那里种植锗像素。然后我们把它运回给他们，他们用金属层完成传感器。”

结果是一个单芯片可见SWIR (400nm到1650nm)传感器，不需要额外的双芯片解决方案的键合步骤，或者需要薄芯片对SWIR和可见波段都敏感。NoblePeak展示了一款名为TriWave的128x128 10微米像素阵列渐进扫描锗传感器，但它有一个基于VGA/NTSC/PAL 744 x 576 TriWave的评估相机，将于5月底发货，并计划在2009年初为其传感器添加彩色滤光片;百万像素阵列将在今年晚些时候跟进。

Davies估计，基于NoblePeak vga的相机模块将以1000个单位的大约3000美元的价格出售，或比基于InGaAs和其他架构的传统SWIR相机低一个数量级。