Галацан В.С.
SWIR-ОБЪЕКТИВЫ ДЛЯ ПРИБОРОВ НАБЛЮДЕНИЯ И ОБНАРУЖЕНИЯ: ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС И ПЕРСПЕКТИВЫ *
Аннотация:
в статье рассмотрены особенности и преимущества swir-объективов в оптико-электронном приборостроении. Исследованы основные свойства swir-объективов в оптико-электронном приборостроении. Проанализированы перспективы развития и использования swir-объективов в оптико-электронном приборостроении.
Ключевые слова:
инфракрасное излучение, оптико-электронное приборостроение, оптические свойства, температура, приемники излучения, обнаружение, распознавание
Введение. Всякая человеческая деятельность, в особенности производственная, связана с получением, преобразованием, передачей, хранением и потреблением энергии. Любой из этих процессов связан с рассеиванием энергии в окружающую среду, следовательно, температура любых физических объектов характеризует их состояние и функционирование.Тепловидение – научно-техническое направление, изучающее физические основы, методы и приборы (тепловизоры), обеспечивающие возможность наблюдения слабо нагретых объектов, главным образом, по их собственному тепловому излучению в инфракрасной области спектра. Это достигается путем преобразования невидимого для человеческого глаза инфракрасного излучения в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое излучение. В результате чего получают видимое глазом эквивалентное изображение тепловых полей объекта, что позволяет визуально обнаруживать и распознавать объекты.Системы тепловой диагностики (тепловизоры) входят в класс оптико-электронных приборов (ОЭП).ОЭП работают не только в видимой, но и в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Однако, работа в ультрафиолетовом диапазоне ограничивается сильным поглощением ультрафиолетовых лучей атмосферой, а видимое излучение наиболее эффективно может использоваться только в светлое время суток. Инфракрасный участок спектра привлекателен тем, что основная доля электромагнитного излучения окружающих нас тел приходится именно на этот диапазон. Кроме того, инфракрасное излучение проходит сквозь дымку и туман лучше, чем видимое излучение.На рисунке 1 представлена структурная схема наблюдательного тепловизионного прибора и его состав.Рис. 1. Схема тепловизионного прибора.В систему входят: источники излучения объекта и фона, оптическая среда (атмосфера), в которой распространяется излучение, несущее информацию,оптическая система, приемник излучения, преобразующий оптический сигнал в электрический, устройство обработки сигнала и система визуализации теплового изображения.Визуальные тепловизионные системы (приборы) – сложные устройства, которые представляют собой синтез различных преобразователей визуальной информации с использованием оптических, электронных, вычислительных средств. Из рассмотрения структурной схемы тепловизионного прибора наблюдения видно, что подобная система должна наилучшим образом удовлетворять, с одной стороны, характеристикам объекта и фона, с другой стороны - соответствовать требованиям со стороны потребителя информации (оператора).Области применения тепловизоров представлены в таблице 1.Таблица 1. Области применения тепловизоров.Инфракрасное излучение – это электромагнитное излучение с длиной волны больше, чем у видимого света, но короче, чем у микроволн. Человеческое зрение не способно воспринимать инфракрасное излучение напрямую, но его можно ощущать как тепло. Солнце, лампы накаливания, и любое тело с температурой выше абсолютного нуля испускают инфракрасное излучение.Основные типы инфракрасного излучения представлены в таблице 2.Таблица 2. Основные типы ИК излучения.Основная часть.В последние десятилетия наблюдается значительный прогресс в разработке технологий наблюдения и обнаружения. Эти достижения становятся возможными благодаря внедрению новых методов обработки данных и оптических систем, которые способны работать в различных спектрах электромагнитного излучения. SWIR (Short-wave Infrared, ближний инфракрасный диапазон) - это часть электромагнитного спектра, которая находится между видимым светом и средним инфракрасным диапазоном (MWIR) с динами волн от 0,9 до 1,7 микрометра.Рис. 2. SWIR-камера.SWIR-технологии получили широкое распространение во множестве областей, включая безопасность, военные технологии, экологический мониторинг и промышленность. Их уникальная способность обеспечивать высококачественные изображения в условиях плохой видимости и выявлять детали, которые остаются недоступными для человеческого зрения и традиционных оптических систем, делает их неоценимыми инструментами в современных исследованиях и практических приложениях.В отличие от видимого спектра, коротковолновое инфракрасное излучение способно проходить через такие материалы, как дым, туман и легкие атмосферные загрязнители, что предоставляет дополнительные преимущества в различных условиях окружающей среды. Это делает SWIR-объективы особенно полезными для военных операций, где наблюдение и идентификация целей имеют критическое значение.Кроме того, повсеместное использование компактных и эффективных зарядовых связей, таких как InGaAs и GaAs, открывает новые горизонты для создания более компактных и мобильных приборов, что позволяет осуществлять наблюдения с больших расстояний и оптимизировать процесс сбора данных.Исследование направлено на анализ текущего состояния технологии SWIR-объективов, их преимуществ и недостатков, а также перспектив их применения в самых различных сферах. Будет рассмотрено, как дальнейшее улучшение этих технологий может изменить подходы к наблюдению и обнаружению, обеспечивая более эффективное использование ресурсов и улучшая возможности анализа данных. В условиях глобальных вызовов, таких как изменение климата, рост угроз безопасности и необходимость заботы об окружающей среде, развитие SWIR-технологий может сыграть ключевую роль в обеспечении устойчивого будущего.SWIR-излучение обладает уникальными свойствами, которые позволяют его использовать в различных оптических приборах, таких как:Приборы наблюдения: SWIR-объективы обеспечивают превосходную видимость в условиях низкой освещенности, тумана или дыма. Они способны видеть через некоторые непрозрачные материалы, такие как одежда, пластик и стекло.Приборы обнаружения: такие объективы используются для обнаружения объектов, излучающих тепло, таких как люди, транспортные средства и технические объекты. Они широко используются в системах видеонаблюдения, безопасности и военном деле.Спектроскопия: объективы используются для анализа состава веществ и материалов, что позволяет идентифицировать и классифицировать образцы.Благодаря своим уникальным свойствам, swir-объективы нашли широкое применение в различных отраслях, включая науку, промышленность, сельское хозяйство и оборону.Swir-объективы работают по принципу фокусирования света с использованием линз, изготовленных из специальных материалов, пропускающих swir-излучение. Основные элементы swir-объектива включают в себя:Линзы – должны быть изготовлены из материалов пропускающих swir-излучение. Часто используются германий, кремний и другие материалы. Качества и свойства этих материалов влияют на характеристики объектива, такие как разрешение, фокусное расстояние и пропускание.Диафрагма – регулирует количество swir-излучения, проходящее через объектив, что позволяет контролировать уровень освещенности изображения.Механизм фокусировки – позволяет настроить объектив для получения резкого изображения объекта на разном состоянии.Swir-объективы часто используют комбинацию линз с различными свойствами для достижения оптимальной передачи swir-излучения.Данные объективы обладают рядом преимуществ, которые делают их ценным инструментом в различных сферах применения:Визуализация в условиях низкой освещенности: SWIR-объективы способны "видеть" в условиях низкой освещенности, где видимый свет ограничен. Это позволяет использовать их в системах видеонаблюдения ночью и в условиях тумана.Проникновение через материалы: SWIR-излучение способно проникать через некоторые непрозрачные материалы, такие как одежда, пластик и стекло. Это делает SWIR-объективы применимыми для обнаружения скрытых объектов или изучения внутренних свойств материалов.Обнаружение тепловых объектов: SWIR-объективы чувствительны к тепловому излучению, которое испускают нагретые объекты. Это позволяет использовать их для обнаружения людей, животных и других объектов в темноте или в условиях плохой видимости.Низкая чувствительность к атмосферным помехам: SWIR-излучение менее склонно к рассеянию в атмосфере, что делает SWIR-объективы более пригодными для работы в условиях тумана, дыма и дождя.Благодаря этим преимуществам, SWIR-объективы предоставляют более широкие возможности для наблюдения и обнаружения по сравнению с традиционными объективами, работающими в видимом спектре.Современные технологии позволяют создавать SWIR-объективы с улучшенными характеристиками. Некоторые из последних достижений в этой области включают:Новые материалы: Разработка новых материалов с повышенным пропусканием SWIR-излучения. Это позволяет создавать объективы с более широким спектральным диапазоном и улучшенными характеристиками изображения.Усовершенствованные методы изготовления: Применение более точных и современных методов изготовления линз. Это позволяет создавать объективы с более высоким разрешением и более точной фокусировкой.Компактные конструкции: Разработка компактных конструкций SWIR-объективов. Это делает их более портативными и удобными в использовании в полевых условиях.Интеграция с сенсорами: Развитие сенсоров, чувствительных к SWIR-излучению, что позволяет создавать более эффективные и компактные системы наблюдения и обнаружения.Постоянное развитие технологий в этой области обеспечивает улучшение характеристик SWIR-объективов и расширяет их применение в различных сферах.SWIR-объективы все чаще интегрируются в современные оптико-электронные системы. Это делает системы более функциональными и эффективными. Некоторые примеры интеграции SWIR-объективов в современные системы включают:Системы видеонаблюдения: SWIR-объективы позволяют получать изображение в темноте и при плохой видимости, что делает системы видеонаблюдения более эффективными в любое время суток.Военные приложения: SWIR-объективы используются в системах наведения оружия, системах ночного видения и других военных приложениях, где требуется обнаружение и отслеживание целей в разных условиях.Медицинские приложения: SWIR-объективы используются в медицинских приборах для диагностики и лечения различных заболеваний.Промышленные приложения: SWIR-объективы используются в промышленных системах контроля и управления для мониторинга процессов и обнаружения дефектов.Интеграция SWIR-объективов в современные системы позволяет расширить их функциональные возможности и сделать их более эффективными в различных областях.Несмотря на свои преимущества, SWIR-объективы также имеют некоторые проблемы и ограничения, которые следует учитывать при их использовании:Стоимость: SWIR-объективы обычно дороже, чем традиционные объективы. Это обусловлено использованием специальных материалов и технологий для их изготовления.Размер и вес: SWIR-объективы могут быть более габаритными и тяжелыми, чем традиционные объективы. Это может быть проблемой в некоторых приложениях, где требуется компактность и портативность.Чувствительность к температуре: SWIR-объективы могут быть чувствительными к температурным изменениям, что может привести к искажению изображения или неправильной работе объектива.Ограниченное проникновение через некоторые материалы: Хотя SWIR-излучение способно проникать через некоторые непрозрачные материалы, оно не способно проникать через все материалы.Будущее SWIR-объективов обещает еще более широкое применение и улучшенные характеристики. Некоторые из будущих тенденций в этой области включают:Разработка новых материалов: Разработка новых материалов с более высоким пропусканием SWIR-излучения и улучшенными оптическими свойствами.Совершенствование методов изготовления: Совершенствование методов изготовления SWIR-объективов с целью создания более компактных, легких и долговечных объективов.Интеграция с другими технологиями: Интеграция SWIR-объективов с другими технологиями, такими как искусственный интеллект и машинное обучение, чтобы повысить эффективность и точность систем наблюдения и обнаружения.Создание более доступных SWIR-систем: Создание более доступных и компактных SWIR-систем, которые можно использовать в широком круге приложений.Развитие SWIR-технологий обеспечивает возможности для создания более мощных и многофункциональных систем наблюдения и обнаружения, которые будут использоваться в различных сферах жизни человечества.Заключение.В заключение, можно сказать, что SWIR-объективы представляют собой значительный шаг вперед в области оптических технологий, предлагая улучшенные характеристики в условиях низкой освещенности и плохой видимости. Их применение в системах наблюдения и обнаружения постоянно расширяется, несмотря на существующие ограничения в стоимости и доступности материалов.В будущем, ожидается развитие более компактных и недорогих SWIR-объективов, что сделает их более доступными для широкого круга применений. Это может привести к интеграции SWIR-технологий в потребительские устройства, такие как смартфоны и камеры наблюдения, расширив возможности ночной съемки и визуализации скрытых объектов.Однако, перед разработчиками стоят задачи по решению ряда проблем. Повышение чувствительности к шуму и улучшение разрешения являются ключевыми направлениями исследований. Разработка новых материалов с большей прозрачностью в SWIR-диапазоне также необходима для создания высококачественных объективов с минимальными потерями света.Будущее развитие SWIR-технологий обещает еще более высокую эффективность и новые возможности в различных областях, от ночного видения до медицинской диагностики, а также в таких областях, как сельское хозяйство (мониторинг состояния растений), промышленный контроль и научные исследования.
Номер журнала Вестник науки №1 (82) том 2
Ссылка для цитирования:
Галацан В.С. SWIR-ОБЪЕКТИВЫ ДЛЯ ПРИБОРОВ НАБЛЮДЕНИЯ И ОБНАРУЖЕНИЯ: ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС И ПЕРСПЕКТИВЫ // Вестник науки №1 (82) том 2. С. 1135 - 1147. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/20750 (дата обращения: 24.06.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+