短波紅外成像系統設計及應用的研究進展

張 藝，胡健釧，朱尤攀，孫愛平，陳 潔

短波紅外成像系統設計及應用的研究進展

張 藝，胡健釧，朱尤攀，孫愛平，陳 潔

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

短波紅外光學成像是目前國際上研究熱點之一，通過接收短波紅外輻射進行探測和成像，可得到更多目標物體的信息，彌補了可見光成像的不足，從而實現全波段成像。本文從短波紅外光學成像的光學特性、成像原理和光學系統結構設計出發，比較了短波紅外與可見光和中長波紅外成像的優缺點，并簡單介紹了短波紅外成像系統中銦鎵砷探測器的特點和國內外發展現狀，以及介紹了短波紅外成像在不同領域的應用情況，最后，對短波紅外成像未來的發展進行了展望。

短波紅外成像；光學設計；銦鎵砷探測器

0 引言

短波紅外波段作為大氣光學窗口之一，近年來因其優良的光學特性被廣泛應用于軍事領域和民用領域。短波紅外成像類似于可見光的反射式成像，具有穿透煙霧、雨雪、沙塵進行成像等可見光成像不具備的能力，另外與中波紅外和長波紅外對比，短波紅外擁有更高的細節分辨能力[1]。工作在可見和近紅外波段的傳統微光夜視設備無法探測到波長處在1.1～1.7mm內的短波紅外激光，1.1～1.7mm內的短波紅外激光可在夜間作為輔助照明光源用來進行夜視成像[2]。加工工藝成熟的高響應度銦鎵砷（InGaAs）探測器的峰值響應波長處于短波紅外波段中，可用于制備工業化的短波紅外成像器件，如短波紅外相機等[3]。近年來短波紅外成像的發展使得可見光與紅外光譜之間可以無縫銜接地進行光學成像設計，這在對目標進行信息獲取時能夠全波段獲取目標信息具有重要意義。在應用方面，短波紅外成像不僅可以用于夜視偵察、空間遙感觀測等領域，還可用于半導體表面特征分析、醫療、農產品檢測等領域。未來短波紅外成像將會向大視場、寬波段方向發展。

1 短波紅外成像系統簡介

1.1 短波紅外特性

除了可見光之外，還有眾多人眼無法直接看到的射線，物理學界統一稱為電磁波，將電磁波根據其波長的大小來排列，由大到小分為無線電波、微波、紅外波段、可見光、紫外波段。紅外波段的波長范圍為0.7～12mm，其中還可再細分為近紅外、短波紅外、中波紅外和長波紅外。短波紅外的波長范圍有多種定義，美國試驗和材料協會（American Society for Testing and Materials，ASTM）將0.7～2.5mm劃分為短波紅外，醫用短波紅外定義為0.76～1.5mm，根據探測器響應可以定義為0.9～1.7mm，根據大氣光譜透過率可以定義為1～3mm。一般來說，短波紅外（short-wave infrared band, SWIR）通常是指波長范圍在1～2.5mm范圍的電磁波。

短波紅外介于近紅外和熱紅外之間，是大氣光學窗口之一，具有良好的大氣傳輸特性，短波紅外在0.9～1.1mm、1.15～1.3mm、1.4～1.8mm三個波段內的大氣透射率均在80%以上，如圖1所示，在1mm、1.24mm、1.64mm處的大氣透過率達到峰值，說明太陽光經過大氣透射后，在自然環境中仍存在較高光照強度的短波紅外輻射[4]。一般來說，探測器所接受到的短波紅外輻射主要來自于高溫物體自身輻射、目標對環境的反射以及人工制造的短波紅外輻射。

圖1 短波紅外波段大氣透過率

1.2 短波紅外成像原理

任何物體溫度在非絕對零度時都會發出紅外輻射，隨著溫度升高，物體所發出的紅外輻射會越來越強。利用光電探測器獲取目標的紅外輻射并進行光電轉換，可以將紅外輻射轉化為紅外圖像。

但是當目標物體是自身能發射足夠強的短波紅外輻射的高溫物體時候，對該物體的短波紅外成像原理就變成既接收高溫目標自身短波紅外輻射又接收反射周圍環境內的短波紅外輻射來進行成像。不同的地物目標具有各自的光譜特性，相同條件下，不同地物目標反射電磁波的能力是不同的，主要體現在反射強度和反射波譜的形態兩個方面，這為地物目標的探測和識別提供了理論依據。

夜間大氣光譜輻射通量大部分分布在0.5～2mm波段范圍內。在夜間有月光的條件下，在可見光范圍內包括近紅外輻射范圍內的輻射通量隨著波長增加都有所增加，短波紅外成像在天氣晴朗的夜間具有良好的夜視效果。如圖2所示，夜間天空輻亮度的大氣輝光現象所發出的光照度在1.5～1.7mm光譜范圍內的輻亮度與滿月光的輻亮度相比要強，故在夜間低照度的環境下依然可以進行成像[5]。

圖2 月光與大氣輝光光輻射亮度曲線圖

衍射是電磁波的固有屬性，光線傳播過程中當障礙物的尺寸和電磁波波長相近時，電磁波能夠繞過障礙物傳播，繞射能力和波長成正比。短波紅外在進行大氣傳輸時受到空氣中漂浮物影響較小，傳輸距離較遠。短波紅外透煙、透霧成像的能力和在低照度環境下成像的能力使全天時、全天候對地觀測成為可能。

短波紅外成像和可見光成像都是接收來自地物目標反射的周圍環境中的光輻射來進行成像，這種相似性使得短波紅外圖像具有豐富的細節特征，能夠提供媲美可見光圖像質量的短波紅外遙感影像。

1.3 短波紅外成像系統中的材料選擇

常規光學玻璃與光學膠在可見光、近紅外、短波紅外3個波段內都具有良好的光學透過率，均可用于可見光、短波紅外光學成像系統。不過由于材料的折射率會隨工作波長的變化而變化，常規光學玻璃材料在短波紅外波段內的色散特性與在可見光波段內的色散特性不同[6]。在可見光譜段內火石類玻璃具有較高的色散，在短波紅外波段內高色散的火石玻璃的色散特性降低了。在可見光波段一些玻璃材料的阿貝數主要集中在20～80的范圍之內，而在短波紅外波段的阿貝數區間則會被壓縮到40～60之間。

表1給出了一些在短波波段內具有較高透射率的氟化物玻璃和其他光學晶體材料的光學特性。

表1 不同材料折射率與透射范圍

光學設計過程中有時候也會采用雙膠合、三膠合透鏡組等方式來滿足像差平衡的需要，而光學膠在0.4～1.7mm也具有較高的透射率，可靈活運用搭配不同材料合成所需要的等效材料。此外，在進行短波紅外光學系統消熱差分析時，通常采用選擇不同透鏡材料搭配、分配光焦度的方法[7]。紅外光學材料存在熱特性差異，例如：衍射光學元件具有負色散、負的衍射熱常量、正光焦度的特性。當溫度變化時，鏡筒材料的熱膨脹也會導致光學系統的像面移動，故要將兩者配合起來，以達到消熱差的效果。

1.4 光學系統結構的選擇

紅外光學系統常使用反射式系統、折射式系統以及折反射式系統。反射式系統的優勢是無色差，反射鏡的口徑不受紅外透光材料限制，可以制作得較大，系統光能損失較小。但是反射式系統的最大缺點是軸外像差較大，一般只適用于小視場、小相對孔徑的光學系統。

對于經典的卡塞格倫（Cassegrain）或里奇-克雷季昂（Ritchey-Chretien）雙反射鏡系統來說，當相對孔徑增大，比如相對孔徑大于1:2時，或者視場增大，比如視場大于1°時，其像質都將迅速惡化。此外，當通光口徑大于20mm時，像質也會變壞。國外研究機構常采用離軸三反射結構來設計大口徑大視場反射式紅外光學系統，但離軸三反射結構的光學系統加工和裝調難度極大[8]。

折射式系統由多片不同材料的透鏡組成，如圖3所示，可利用一個鏡片的像差去平衡另一個鏡片的像差，在滿足大相對孔徑、大視場的同時可得到良好的像質。但是，由于紅外透光材料的尺寸受到較大的限制，折射式光學系統不能做成太大的口徑。而且折射式光學系統通常只用于特定且范圍有限的波段，例如1～3mm波段、3～5mm、8～13mm波段。這是因為同時能透過很寬波段的紅外光學材料種類很少，同時，由于光學材料色散的存在，同時消除兩個波段的色差比較困難。

圖3 折射式結構圖示例

Fig 3 Example refraction structure diagram

折反射式系統由反射鏡與折射式校正透鏡組組合而成，既具有反射式系統口徑可以做得很大的優點，同時也具有折射式系統的大相對孔徑、大視場的優點，但比較難實現大視場要求，并且存在中心遮攔。

1.5 短波紅外與可見光譜段、中長波紅外譜段成像優點比較

可見光作為傳統的光學成像波段，具有波長短的特點，可以獲得高分辨率圖像，但在光照條件不好的情況下如夜晚，無法對目標實現有效觀測。如圖4所示，短波紅外可進行夜晚觀測且穿透障礙物能力強，如圖5所示，短波紅外還可以對偽裝的目標進行識別。

圖4 夜間可見光成像（左）和短波紅外成像（右）

圖5 可見光（左）和短波紅外（右）偽裝識別圖像對比

Fig 5 Comparison of visible light (left) and short-wave infrared (right) camouflage recognition images

相較于傳統可見光成像光學系統，紅外成像光學系統由于紅外光熱成像的特點，可以對空間目標實現全天時全天候的觀測，且可以實現目標溫度差異化觀測，對其內部核心部件及其功能的推測提供有效依據，進而實現空間目標的精確識別。具有抗干擾性能好和作用距離遠的特點。但紅外光波長較長，分辨率較低，無法實現對目標的高分辨率觀測。

短波紅外光學系統所成的圖像具有明顯的陰影和強烈的反差對比，如圖6所示，這些豐富的細節特征信息為短波紅外圖像提供了遠高于中波紅外和長波紅外圖像的分辨率和動態范圍，以及媲美可見光圖像的成像質量。

圖6 可見光、短波紅外、中波紅外、長波紅外成像效果對比

Fig 6 Comparison of visible light, short-wave infrared, medium-wave infrared and long-wave infrared imaging effect

2 短波紅外探測器

2.1 短波紅外探測器概述

短波紅外對人眼不可見，其探測需要專門的探測器。短波紅外成像技術起步較晚，但發展迅速，普通的硅基探測器值只覆蓋了很少一部分短波波段，鍺基探測器的紅外噪聲較高，目前常采用的有碲鎘汞和銦鎵砷兩種材料所制成的探測器。碲鎘汞探測器常需要制冷，故使用范圍不廣[9]。根據不同應用場景下對短波相機應用需求的不同，市面上主流的短波紅外探測器以硅基（Si）、鍺基（Ge）以及銦鎵砷基（InGaAs）為主。常規的InGaAs短波紅外探測器件的波長覆蓋范圍為0.9～1.7mm，通過Inp襯底去除技術可以在短波方向將探測器的截止頻率延伸至0.4mm，通過調節In材料的組分，可以實現InGaAs材料的探測波長外延至2.5mm，如圖7所示，分別為截止頻率在1.7mm、2.2mm和2.5mm的探測器的光譜響應和量子效率。當波長延伸后，銦鎵砷探測器可更廣泛地應用于短波紅外夜視和探測領域。

圖7 不同截止頻率InGaAs探測器光譜響應（左）及量子效率（右）

銦鎵砷探測器具有靈敏度高、小型化、低功耗、可室溫下工作等特點，是近幾年短波紅外探測器的不二選擇。InGaAs短波紅外探測器從探測器的結構上來區分，主要分為單元探測器、線列探測器和面陣探測器。面陣短波紅外探測器因其像素數量多、面陣覆蓋范圍大，適合做凝視型短波紅外場景成像。相比于單元探測器和線列探測器而言，面陣短波紅外探測器在進行短波紅外場景成像時具有幀率高、無需掃描機械設備、便攜性強等優點[10]。經過幾十年的發展，國外已經實現大面陣、高像素的銦鎵砷探測器的產業化。國內目前市面上所推出的銦鎵砷探測器主要是15mm中心距、像元數640×512規格的，更高規格的正在陸續推出[11]。上海技術物理研究所研發的面陣InGaAs短波探測器發展過程如圖8所示。

圖8 上海技術物理研究所InGaAs探測器組件發展史

Fig 8 History of InGaAs detector assembly at Shanghai Institute of Technical Physics

未來銦鎵砷探測器向著更加小型化、分辨率高、陣列規格更大的方面發展，且進一步降低成本，提高民用領域應用占比。為了向寬波段響應方向發展，國內外相關研究機構正在對銦鎵砷探測器的新結構進行研究，例如：集成微納人工結構的銦鎵砷焦平面探測器。為了向減小像元中心距，增大陣列規格，提出膠體量子點短波紅外探測技術，以及單像素成像技術[12]。

若為短波紅外焦平面探測器設計相匹配的偏振光學系統，可實現分時偏振成像、分振幅偏振成像和分孔徑偏振成像。這種傳統的偏振成像系統組件過程簡單對探測器加工工藝也沒有特別高要求，但是光學部分光路較為復雜且光通量損失較高，整個偏振探測成像系統總體體積也會較大。

近年來，焦平面陣列（Focal Plane Array，FPA）技術的發展和微納加工工藝的提高直接促進了新型偏振探測器的發展。具有特殊形態的微納半導體結構，比如納米片和橢圓形納米線，可以具有高效光電轉化和偏振探測功能直接實現偏振高效探測。將微納陣列集成在短波紅外探測器之上可以對動態目標的偏振圖像信息進行處理時直接融合進行偏振成像。微納金屬光柵偏振片與探測器焦平面的光敏區的距離應盡可能近，即銦鎵砷探測器的襯底應盡可能做薄或者去除InP襯底。偏振元件與焦平面探測器集成的短波紅外探測器可以同時獲取到接收到的紅外輻射的強度和偏振的多維信息，同時具有體積小、重量輕、能耗低、可靠性強等優勢，是未來新型紅外探測器的熱門發展方向[13]。

2.2 短波紅外探測器國內外發展概況

隨著短波紅外探測技術的發展，銦鎵砷探測器的使用潛力已經被世界各個行業所認可，全世界大多數國家和研發機構都在進行深入研究，以美國、法國為代表的許多發達國家在基礎研究處于世界領先水平[14]。據報道，美國的Sensors Unlimited Incorporation（SUI）公司推出的面陣列的銦鎵砷探測器的分辨率達到1920×1280，并推出了所對應的成像儀。2018年，應美國海軍的戰術開發光譜和偵察圖像（SPRITE）計劃要求，美國聯合技術公司航空航天系統傳感器業務部（UTC Aerospace Systems）開發出世界上分辨率最高的銦鎵砷（InGaAs）近紅外/短波紅外（NIR/SWIR）成像傳感器，該傳感器像元間距5mm，陣列規格為4k×4k的高分辨率銦鎵砷探測器。

比利時Xenics公司產品覆蓋0.9～1.7mm紅外譜段，部分產品更可擴展到0.4～2.35mm譜段，推出的最新型T2SL短波紅外相機，具有超低暗電流和ROIC噪聲。

以色列Semi Conductor Devices（SCD）公司所研制開發的兩種不同規格的短波紅外探測器均采用銦鎵砷焦平面陣列，像元中心距由15mm降到10mm，并有640×512和1280×1024兩種規格。日本索尼公司研發的探測器產品響應波長為0.4～1.7mm，在此響應波段內測得探測器的量子效率＞60%，但器件靈敏度和噪聲未見報道。

除此之外，法國、德國、英國等許多國家也正在大力支持該國的短波紅外光學成像技術的基礎研究發展，并正在實現分辨率為640×512的銦鎵砷焦平面探測的產業化[15-16]，如表2所示。

在國內領域，中國電子科技集團公司第四十四研究所、上海技術物理研究所、昆明物理研究所等都對銦鎵砷探測器進行了相關研究。

中國電子科技集團公司第四十四研究所在紅外焦平面領域研究頗深，在2015年期間，該研究所完成了可見短波紅外銦鎵砷探測器的技術開發，其單個像元尺寸做到了25mm，像元規模為640×512，且該探測器的平均峰值探測率也可達5×1012cmHz1/2W－1。

上海技術物理研究所在紅外領域深耕多年，在短波紅外波段的探測器研發成果頗多，近年來已經研制多個波長的線面陣探測器，還研制了平面型線陣的銦鎵砷焦平面探測器，還研發了兩種大面陣探測器，其像元規模分別為512×256元和1024×1280元，其截止波長擴展到2.5mm，在國內同時期也屬前沿。

國內其他公司也正在研制并生產規格為640×512的InGaAs焦平面探測器。表3列出了一些國內主要InGaAs科研生產單位的生產情況。

總之，人是企業發展最為重要的因素，企業應該通過有效的人力資源管理，努力提升企業員工隊伍的凝聚力、提升企業員工的各項能力、提升企業員工的工作效率，促進企業的持續發展。

表2 國外代表性InGaAs 探測器廠家及器件性能

表3 國內主要InGaAs科研生產單位情況

目前，國內市場上常見的銦鎵砷短波紅外探測器的規格是15mm、640×512、1280×1024，2560×2048陣列規格的探測器還在陸續推出，像元間距縮小到10mm及以下，器件響應波段向可見光波段拓展，各類探測器產品性能指標正在追趕國際水平。但國內的短波紅外成像系統研究在民用和商用上還不夠普遍，我國使用的短波紅外探測系統和國外發達國家已經裝備上系統相比還有很大差距，所以為了滿足國內科技市場的需求，開展短波紅外銦鎵砷探測領域的研究顯得十分必要。

3 短波紅外成像系統的應用

短波紅外成像的應用領域非常廣泛，不僅可以用于夜視、對地遙感探測等應用領域，還可用于半導體表面特征分析、醫療、農產品檢測等民用應用領域。

短波紅外相機配合短波紅外激光，在夜間時進行主動照明成像，可以實現低照度成像且由于有輔助照明光源可提高夜間作用距離，如圖9所示。且短波紅外激光作為輔助照明光源，傳統微光夜視設備無法探測到。短波紅外光也可用于激光的探測領域，作為激光器的光源，常用波段如1064nm、1330nm和1550nm等。短波紅外能實現主動和被動式成像，短波紅外光具有高透性，能夠增長探測的作用距離。

圖9 雪夜對3.6km處防火塔進行輔助照明成像

機載光學系統在偵察活動中是不可或缺的裝備之一，相比其他偵察系統隱蔽性強，可對偵查目標實時成像。短波紅外成像技術在機載偵察方面逐漸被廣泛利用，這類裝備了紅外光學成像系統的機載系統可適應各種惡劣偵察環境的高隱蔽性和抗干擾能力，故可代替地面人員在各種惡劣的環境及高危險性的情況下進行偵察觀測任務[17]。

短波紅外成像技術在空間光學對地遙感中得到了長足的發展和廣泛的應用?？臻g光學對地遙感技術的基礎是光學成像技術，早期的空間光學對地遙感主要集中在可見光波段，對于電磁波譜特征分布較寬的地物目標，可見光不能準確、全面地反映其特征信息?？臻g光學對地遙感技術的光譜域從最早的可見光向近紅外、短波紅外、熱紅外、微波方向拓展。如圖10所示，神舟三號飛船搭載了由中國科學院上海技術物理研究所研制中分辨率成像光譜儀，實現了我國空間成像光譜儀零的突破，同時這也是全球第一款覆蓋連續可見光近紅外光譜、短波紅外、熱紅外的成像光譜儀。

圖10 神舟三號光譜儀整機結構和在軌影像圖

短波紅外成像可用于太陽能電池品質檢測，也可根據不同塑料的不同的光譜特性來應用于塑料制品分揀。短波紅外對100℃以上的高溫物體熱輻射敏感因此可用于高溫物體監測。

由于生物體中不同成分對短波紅外的吸收系數不同，生物醫學成像也是短波紅外的一個重要的應用方向?；诙滩t外的光學相干斷層掃描（SD-OCT）技術通過光學相干斷層掃描可以獲得血管以及神經纖維的分布圖，通過短波紅外血管造影甚至可以觀測到血管中血液的流動，可以對病變組織進行監測和診斷。

由硅制作而成的半導體晶圓和芯片在短波紅外光下是透明的。在對太陽能電池板上的裂縫和缺陷進行檢測或者實現集成電路故障分析的時候采用短波紅外照明的硅基設備成像采集系統可以有效實現對表面特征的觀測。如圖11所示。

圖11 硅半導體的邊緣成像

近年來，隨著銦鎵砷探測器的加工工藝成熟與焦平面探測陣列的發展，以及非制冷型探測器的發展，利用短波紅外在大氣中較強的透過率的特性，以及對煙霧較強的穿透力，在對粉塵和霧霾較多的城區、煙霧彌漫的火災現場成像時，高空短波紅外成像能獲得相比于可見光和長波紅外等波段更多的細節特征。在民用和商用的領域，也隨處可見短波紅外出現的身影。在民用的車載、測溫槍和安防鏡頭等，在商用的船載、激光測距儀和無人機拍攝等使用了短波紅外光的拓展。如圖13所示，在無人機拍攝方面，環境的復雜性限制了可見光拍攝的范圍，在可見度不高的煙霧環境下，無人機使用可見光拍攝不能夠很好地拍攝到物體的清晰影像，而使用短波紅外成像拍攝無需借助外界的環境光照射，其拍攝距離也更遠，像質更清晰[19]。

圖12 短波紅外在農產品檢測領域的應用

圖13 可見光（左）和短波紅外（右）透煙成像

Fig.13 Visible light (left) and short-wave infrared (right) through smoke imaging

4 總結與展望

短波紅外相機與中長波熱成像相機捕獲圖像信息不同，短波紅外相機接收物體反射的環境中的輻射，所得到的輸出圖像類似普通相機輸出的可見光圖像，圖像中存在陰影和其他細節，具有高對比度。此外短波紅外相機可放置在玻璃（車窗）后，但熱成像相機目前不行。相比于中長波成像被動接收物體自身發出的紅外輻射，短波紅外成像相機可與激光距離選通成像技術結合，通過主動輔助照明光源，控制短波紅外激光照明特定目標點，濾除非目標點的反射輻射，自主選擇需要成像的目標進行成像。

短波紅外光學成像相機設計過程中涵蓋了光學設計、結構設計、電路設計、圖像處理等眾多關鍵技術。高分辨率的短波紅外成像相機需要搭配先進的大規模的焦平面探測器，還要求焦平面探測器具有高靈敏度響應、響應光譜范圍寬、均勻性好等高性能。在極限弱光照環境下，短波相機的圖像增強技術占重要地位，圖像增強方法一般有：灰度變化方法、直方圖均衡方法、頻域變換方法以及深度學習方法。

短波紅外光學成像相機中光學設計是核心部分，光學系統的通光效率直接影響整個相機系統接收到的能量。與中長波的光學設計方式不同，短波紅外光學設計的系統口徑要小于中長波系統的光學口徑，采用的紅外材料也與中長波所用的光學材料不同，需采用鍍專屬的透射膜的光學鏡片。

短波紅外光學成像的主要優點有：1）當選用短波紅外激光作為輔助照明時，具有隱蔽性；2）在低照度或環境情況惡劣時仍能維持工作；3）短波紅外能透過常規光學玻璃材料成像，設計和優化的自由度被大幅提升。

隨著民用商用和其他領域的需要，若想獲得包含更多信息的圖像，需要的不止可見光波段的圖像，故現代光學成像工作波段向近紅外、短波紅外拓展，短波紅外所具有的獨一無二的光學成像特點使得短波紅外光學成像在未來具有廣闊的應用前景和巨大的開發潛力。由于空間目標的復雜與多樣化，單一波段的成像已經無法滿足，構建短波紅外與可見光或和中波紅外、長波紅外一體化的成像光學系統，實現多個波段同時成像，可以大大提高適用性[20]。目前短波光學成像設計具有如下的發展趨勢：

1）微光夜視條件下的短波紅外成像及目標檢測；

2）多波段的機載紅外光學系統設計；

3）短波紅外激光距離選通成像技術；

4）短波紅外光探測系統和可見光望遠系統共光路成像設計；

5）短波紅外相機結合顯微光學結構鏡頭，進行多聚焦圖像融合設計等。

短波紅外相比于中波、長波等紅外相機能夠更多地采集到被觀測物體或者人員的細節信息，能夠極大地提升被觀測物體與人員的肉眼可識別性。短波紅外光學成像相機在民用領域應用方面需要向低成本、易操作方向發展；在其他應用領域應用方面需要向高靈敏度、高性能方向發展，應用前景廣闊。國內目前銦鎵砷探測器的發展水平逐步上升，短波紅外光學成像系統設計方面需要跟進發展，在保證光學系統的成像質量的基礎上，實現更簡單輕量、視場更大的多波段紅外光學系統。

[1] 熊文同. 基于銦鎵砷探測器的雙波段光學系統設計[D]. 西安: 西安工業大學, 2022. XIONG Wentong. Design of Dual-Band Optical System Based on Indium Gallium Arsenide Detector[D]. Xi'an: Xi'an Technological University, 2022.

[2] 張瑞. InGaAs短波紅外低照度成像技術研究及其應用[D]. 上海: 中國科學院大學（中國科學院上海技術物理研究所）, 2021. ZHANG Rui. Research and Application of InGaAs Short-Wave Infrared Low-Illumination Imaging Technology[D]. Shanghai: University of Chinese Academy of Sciences (Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences), 2021.

[3] 王偉. 多波段短波紅外相機光學系統設計與成像質量評估[D]. 長春: 中國科學院大學（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）, 2020. WANG Wei. Optical System Design and Imaging Quality Evaluation of Multi-Band Short-Wave Infrared Camera[D]. Changchun: University of Chinese Academy of Sciences (Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences), 2020.

[4] 李建偉. 雙波段短波紅外InGaAs線列探測器成像技術研究[D]. 上海: 中國科學院研究生院（中國科學院上海技術物理研究所）, 2016. LI Jianwei. Research on Imaging Technology of Dual-Band Short-Wave Infrared InGaAs Linear Detector[D]. Shanghai: Graduate School of Chinese Academy of Sciences (Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences), 2016.

[5] 王振東. 寬波段成像光學系統設計[D]. 西安: 西安工業大學, 2022. WANG Zhendong. Design of Wide-band Imaging Optical System[D]. Xi'an: Xi 'an Technological University, 2022.

[6] 曲銳, 鄧鍵, 彭曉樂, 等. 0.4～1.7mm寬波段大相對孔徑光學系統設計[J]. 光學學報, 2015, 35(8): 302-307. QU Rui, DENG Jian, PENG Xiaole, et al. Design of optical system with wide band and large relative aperture from 0.4-1.7mm[J]., 2015, 35(8): 302-307.

[7] 楊小儒, 張良, 王希軍, 等. 一種高分辨率短波紅外寬溫度范圍被動消熱差光學系統[J]. 激光與光電子學進展, 2012, 49(1): 129-132. YANG Xiaoru, ZHANG Liang, WANG Xijun, et al. A high resolution short-wave infrared passive thermal suppression optical system with wide temperature range[J]., 2012, 49(1): 129-132.

[8] 郭永洪, 沈忙作, 陸祖康. 離軸三反射鏡系統研究[J].光電工程, 1999, 26(3): 45-48. GUO Yonghong, SHEN Mangzuo, LU Zukang. Research on off-axis three-mirror system[J]., 1999, 26(3): 45-48.

[9] 雷亞貴, 王戎瑞, 陳苗海. 國外非制冷紅外焦平面陣列探測器進展[J]. 激光與紅外, 2007(9): 801-805. LEI Yagui, WANG Rongrui, CHEN Miaohai. Progress of uncooled infrared focal plane array detectors abroad[J]., 2007(9): 801-805.

[10] 張衛鋒, 張若嵐, 趙魯生, 等. InGaAs 短波紅外探測器研究進展[J]. 紅外技術, 2012, 34(6): 361-365. ZHANG Weifeng, ZHANG Ruolan, ZHAO Lusheng, et al. Research progress of InGaAs short-wave infrared detector [J]., 2012, 34(6): 361-365.

[11] 馬旭, 李云雪, 黃潤宇, 等. 短波紅外探測器的發展與應用(特邀)[J]. 紅外與激光工程, 2022, 51(1): 135-146. MA Xu, LI Yunxue, HUANG Runyu, et al. Development and application of short-wave infrared detector [J]., 2022, 51(1): 135-146.

[12] 費宬. 基于國產InGaAs焦平面探測器的短波紅外成像關鍵技術研究[D]. 濟南: 山東大學, 2020. FEI Cheng. Research on Key Technologies of Short-wave Infrared Imaging Based on Domestic InGaAs Focal Plane Detector[D]. Jinan: Shandong University, 2020.

[13] 周建, 周易, 倪歆玥, 等. 偏振集成紅外光電探測器研究進展與應用[J]. 光電工程, 2023, 50(5): 67-84. ZHOU Jian, ZHOU Yi, NI Xinyue, et al. Research progress and application of polarization integrated infrared photodetector[J]., 2023, 50(5): 67-84.

[14] FEI Cheng, LI Yongfu, CHEN Darning, et al. Applications of InGaAs near-infrared linear scanning camera in solar cell inspection[C]//, 2018, 10846: 1084613.

[15] Ali Can Karaca, Alp Erturk, M Kemal Gullu, et al. Plastic waste sorting using infrared hyperspectral imaging system[C]//21st(), 2013: 6531170.

[16] Wilson R H, Nadeau K P, Jaworski F B, et al. Review of short-wave infrared spectroscopy and imaging methods for biological tissue characterization[J]., 2015, 20(3): 030901.

[17] 楊愛粉. 短波紅外激光在光電偵察與反偵察中的應用[J]. 應用光學, 2019, 40(6): 937-943. YANG Aifen. Application of short-wave infrared laser in photoelectric reconnaissance and anti-reconnaissance[J]., 2019, 40(6): 937-943.

[18] 徐葦. 紅外技術在食品工業中的應用[J]. 中國食品添加劑, 2005(1): 86-89. XU Wei. Application of infrared technology in food industry [J], 2005(1): 86-89.

[19] 趙爽. InGaAs短波紅外640×512面陣視頻成像系統設計[D]. 中國科學院大學（中國科學院上海技術物理研究所）, 2017. ZHAO Shuang. Design of InGaAs Short-wave Infrared 640×512 Planar Array Video Imaging System[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Technical Physics, University of Chinese Academy of Sciences, 2017.

[20] 閆茹夢. 多波段紅外光學成像系統的研究[D]. 西安: 西安工業大學, 2022. YAN Rumeng. Research on Multi-Band Infrared Optical Imaging System [D]. Xi 'an: Xi 'an Technological University, 2022.

Research Progress in the Design and Application of Shortwave Infrared Imaging Systems

ZHANG Yi，HU Jianchuan，ZHU Youpan，SUN Aiping，CHEN Jie

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

Shortwave infrared imaging is a popular topic worldwide. By receiving shortwave infrared radiation for detection and imaging, more information about the target objects can be obtained, compensating for the shortage of visible light imaging to achieve full-band imaging. Based on the optical characteristics, imaging principle, and optical system structure design of shortwave infrared optical imaging, this study compares the advantages and disadvantages of shortwave infrared imaging with visible light and medium-long wave infrared imaging. It briefly introduces the characteristics of indium gallium as a detector in shortwave infrared imaging systems, its development status at home and abroad, and the application of shortwave infrared imaging in different fields. Finally, future developments of shortwave infrared imaging are discussed.

short wave infrared imaging, optical design, InGaAs detector

TN215

A

1001-8891(2024)03-0246-10

2023-05-30；

2023-08-25.

張藝（2000-），女，碩士研究生，研究方向：光學系統設計。E-mail：1648414768@qq.com。

胡健釧（1991-），男，碩士，工程師，研究方向：紅外整機系統設計及軟件設計。E-mail：hjc200930@sina.com。