上一期，我們介紹了光譜成像系統(tǒng)如何利用光柵、濾光、干涉和計(jì)算重建等方式，將復(fù)色光分解為不同波長。但“把光分開"只是第一步——這些波長最終還需要被探測器真正記錄下來。

為什么有的高光譜相機(jī)工作在 400–1000 nm，有的覆蓋 900–1700 nm，還有一些系統(tǒng)能夠進(jìn)入 3–5 μm甚至 8–14 μm？

這背后不僅是分光方式的差異，還與不同波長攜帶的信息以及探測器材料本身的響應(yīng)能力有關(guān)。

波段決定我們能夠獲取什么信息，而探測器決定這些信息能不能真正被記錄。

01 從可見光到熱紅外：不同波段究竟在“看"什么？

人眼能夠感知的可見光大致位于 400–700 nm。而借助不同的光學(xué)系統(tǒng)和探測器，光譜成像的“視野"可以進(jìn)一步拓展到近紅外、短波紅外，甚至中波和長波紅外。

隨著波長不斷增加，我們獲得的信息也在發(fā)生變化。

可見光—近紅外：顏色、色素與結(jié)構(gòu)

對于農(nóng)業(yè)、生態(tài)和地表遙感而言，400–1000 nm的可見光—近紅外（VNIR）是最常見的高光譜范圍之一，其信號主要來自目標(biāo)對太陽輻射的反射。

以綠色植物為例，在可見光區(qū)域，葉綠素、類胡蘿卜素等色素會產(chǎn)生選擇性吸收。其中，葉綠素在約 660–680 nm附近具有較強(qiáng)的紅光吸收；從約 680–750 nm開始，植被反射率快速上升，形成遙感研究中非常重要的紅邊。

進(jìn)入近紅外后，色素吸收減弱，葉片內(nèi)部組織和冠層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的散射作用更加突出。因此，VNIR廣泛用于植被長勢、色素與氮素估算、生態(tài)監(jiān)測及地物識別等研究。

簡單來說，VNIR更多回答的是“顏色、色素與結(jié)構(gòu)發(fā)生了什么變化"。

短波紅外：從“看結(jié)構(gòu)"進(jìn)一步走向“看成分"

繼續(xù)向長波方向延伸，就進(jìn)入了短波紅外（SWIR，約1000–2500 nm）。

這一范圍的重要特點(diǎn)，是與O–H、C–H、N–H等化學(xué)鍵相關(guān)的分子振動倍頻和組合頻吸收開始表現(xiàn)出豐富的光譜特征。

因此，SWIR對水分以及多種有機(jī)成分非常敏感，在水分檢測、食品與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析、有機(jī)材料識別、塑料分選和礦物分析等領(lǐng)域具有重要價(jià)值。

這里還有一個(gè)實(shí)際使用中經(jīng)常遇到的問題：為什么很多設(shè)備不是1000–2500 nm，而是 900–1700 nm？

原因之一就在于探測器。標(biāo)準(zhǔn)InGaAs探測器的典型響應(yīng)范圍約為 0.9–1.7 μm，因此900–1700 nm成為非常常見的SWIR系統(tǒng)配置。它并不是與1000–2500 nm完*獨(dú)立的另一種“自然波段"，而與探測器材料和儀器設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

VNIR更擅長“看顏色與結(jié)構(gòu)"，SWIR則進(jìn)一步深入“水分與成分"。

中長波紅外：從成分信息走向熱狀態(tài)

當(dāng)波長進(jìn)一步進(jìn)入中波紅外（MWIR，典型約3–5 μm），目標(biāo)自身熱輻射的重要性逐漸增加。對于火焰、發(fā)動機(jī)和高溫工業(yè)過程等目標(biāo)，其自身熱輻射在這一范圍內(nèi)已經(jīng)十分顯著。

繼續(xù)來到長波紅外（LWIR，典型約8–14 μm），對于常溫目標(biāo)而言，成像信息主要來自物體自身的熱輻射，因此非常適合溫度場、熱異常和夜間熱成像等應(yīng)用。

需要注意的是，反射輻射與自身熱輻射的相對貢獻(xiàn)，與目標(biāo)溫度、材料發(fā)射率、光照條件和波長共同有關(guān)，并不存在一個(gè)適用于所有場景的固定分界點(diǎn)。

從VNIR到SWIR，再到MWIR/LWIR，我們獲取的信息也逐漸從“顏色與結(jié)構(gòu)"深入到“成分"，再走向“熱狀態(tài)"。

圖1 從可見光到熱紅外的典型光譜范圍及主要信息示意圖。

02 為什么不同波段需要不同探測器？

既然都是光，為什么不能使用同一種探測器，從400 nm一直“看到"十幾微米？

這首先與光子的能量有關(guān)：

E = hc / λ

其中，E為光子能量，h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為波長。

這個(gè)關(guān)系說明：波長越長，單個(gè)光子的能量越低。

對于半導(dǎo)體光子探測器而言，能否有效響應(yīng)某一波段，與材料自身的能帶結(jié)構(gòu)和禁帶寬度密切相關(guān)。不同材料具有不同的禁帶寬度，因此適合探測的波長范圍也不同。

例如，Si（硅）非常適合可見光—近紅外；進(jìn)入SWIR后，InGaAs（銦鎵砷）成為重要選擇；到了更長波長的中長波紅外，則需要InSb、HgCdTe等更加適合低能量光子的材料體系。

因此，一套光譜成像系統(tǒng)能覆蓋哪些波長，并不是只由光柵或其他分光元件決定。

分光系統(tǒng)解決的是“如何把不同波長分開"，探測器解決的則是“這些波長能不能被有效記錄"。

即使光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)把某個(gè)波長“分出來"，如果探測器對這一波段幾乎沒有響應(yīng)，這部分信息依然無法被有效獲取。

圖2 不同光譜范圍與典型探測器響應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)關(guān)系。

03 從Si到InGaAs：光譜范圍如何改變探測器？

Si CMOS / CCD：VNIR的成熟基礎(chǔ)

在可見光—近紅外區(qū)域，最常見的是硅基CMOS/CCD探測器。

硅在可見光區(qū)域具有良好的光電響應(yīng)，并可以向近紅外延伸至約1 μm附近。同時(shí)，硅基制造工藝高度成熟，具有像元規(guī)模大、空間分辨率高、成本相對較低等優(yōu)勢。

因此，大量 400–1000 nm VNIR高光譜系統(tǒng)都建立在硅基探測器之上。這也是400–1000 nm成為最常見高光譜范圍之一的重要工程基礎(chǔ)。

但隨著波長繼續(xù)增加，硅的響應(yīng)會快速減弱。

這意味著，一套400–1000 nm高光譜系統(tǒng)并不能簡單通過“換一塊光柵"，就直接變成1700 nm甚至2500 nm系統(tǒng)——探測器本身也必須改變。

InGaAs：打開SWIR窗口

進(jìn)入短波紅外后，InGaAs（銦鎵砷）成為最重要的探測器體系之一。

標(biāo)準(zhǔn)InGaAs探測器典型響應(yīng)范圍約為 0.9–1.7 μm，與許多SWIR應(yīng)用所需的光譜區(qū)域高度匹配，因此900–1700 nm高光譜系統(tǒng)在工業(yè)和科研領(lǐng)域十分常見。

通過調(diào)整材料組分和器件結(jié)構(gòu)，還可以形成可見擴(kuò)展型或長波擴(kuò)展型InGaAs，使響應(yīng)范圍向更短或更長波長拓展。

但這里需要特別注意：

不能把這些特殊擴(kuò)展器件的能力，直接理解為普通InGaAs天然覆蓋400–2500 nm。

響應(yīng)范圍的擴(kuò)展通常還需要在暗電流、噪聲、冷卻方式和成本之間重新權(quán)衡。

從Si到InGaAs，本質(zhì)上反映了一個(gè)很重要的規(guī)律：

當(dāng)研究目標(biāo)從“顏色與結(jié)構(gòu)"進(jìn)一步走向“水分與成分"，探測器材料也必須隨光譜范圍一起改變。

圖3 Si CMOS/CCD與InGaAs典型探測器及響應(yīng)范圍示意圖。

04 從光子探測到熱探測：進(jìn)入中長波紅外之后

進(jìn)入中長波紅外后，探測器面對的是能量更低的光子，同時(shí)器件自身的熱噪聲問題也更加突出。此時(shí)，紅外探測逐漸形成兩條不同的技術(shù)路線：光子探測和熱探測。

光子探測：InSb與MCT

InSb（銻化銦）是MWIR領(lǐng)域較成熟的光子探測材料之一，具有較高的量子效率。為了抑制暗電流和熱噪聲，高性能InSb器件通常需要在低溫環(huán)境下工作。

另一類重要材料是 HgCdTe（碲鎘汞，MCT）。

MCT一個(gè)非常突出的特點(diǎn)，是可以通過調(diào)整材料組分改變禁帶寬度，使其截止波長具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，從而針對不同的中長波紅外區(qū)域進(jìn)行器件設(shè)計(jì)。

高性能MCT探測器通常也需要制冷，但具體工作溫度取決于截止波長、器件結(jié)構(gòu)和性能要求，不能簡單理解為所有MCT探測器都必須工作在液氮溫度。

熱探測：VOx微測輻射熱計(jì)

到了熱紅外，還有另一種完*不同的探測思路。

Si、InGaAs、InSb和MCT主要屬于光子探測器，其基本過程可以概括為：

光子 → 激發(fā)載流子 → 電信號

而VOx（氧化釩）微測輻射熱計(jì)屬于熱探測器，其工作過程更接近：

紅外輻射 → 敏感單元溫升 → 電阻變化 → 電信號

由于不需要像高性能中長波光子探測器那樣進(jìn)行深度低溫制冷，VOx微測輻射熱計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)更小的體積、更低的功耗和相對較低的系統(tǒng)成本，因此被廣泛應(yīng)用于非制冷熱成像。

到了熱紅外，探測器不僅是在“換材料"，甚至可能是在“換一種探測物理機(jī)制"。

探測器還在繼續(xù)發(fā)展

除傳統(tǒng)材料外，Ⅱ類超晶格（T2SL）可以通過人工能帶工程調(diào)節(jié)響應(yīng)波段；量子點(diǎn)探測器則可以通過材料組成、尺寸和器件結(jié)構(gòu)調(diào)控光電響應(yīng)。

這些新型路線仍在持續(xù)發(fā)展，也為未來更加靈活、集成化的光譜探測提供了新的可能。

圖4 中長波紅外光子探測與熱探測兩類技術(shù)路線對比。

05 光譜范圍越寬，設(shè)備就越好嗎？

既然不同波段能夠提供不同的信息，是不是覆蓋范圍越寬的光譜成像設(shè)備就一定越好？

并不是。

光譜范圍只是評價(jià)一套系統(tǒng)的一個(gè)維度。實(shí)際選擇設(shè)備時(shí)，還需要綜合考慮目標(biāo)有效波段、光譜分辨率、空間分辨率、信噪比和成像速度。

更重要的是，不同研究目標(biāo)真正需要的信息并不相同。

如果關(guān)注植被的色素、紅邊和冠層結(jié)構(gòu)，VNIR本身就包含大量關(guān)鍵信息；

如果研究水分、有機(jī)物或食品品質(zhì)，SWIR通常能夠提供更加豐富的成分相關(guān)特征；

如果關(guān)注的是高溫過程、溫度場和熱異常，則需要進(jìn)一步考慮MWIR或LWIR。

與此同時(shí)，更寬的波段往往意味著不同的探測器材料、光學(xué)材料、更復(fù)雜的標(biāo)定過程以及更高的系統(tǒng)成本。

所以，與其首先問：“哪臺設(shè)備的波長范圍最長？"

不如先問：“我的研究對象，真正有用的信息在哪里？"

*好的光譜范圍，不是最長的范圍，而是*適合研究目標(biāo)的范圍。

圖5 不同研究目標(biāo)與典型光譜范圍選擇示意圖。

常見光譜探測器快速對比

注：不同探測器的實(shí)際響應(yīng)范圍會受到材料組分、器件結(jié)構(gòu)、工作溫度及具體型號等因素影響，表中僅表示典型工作區(qū)域，不應(yīng)理解為絕對的波長邊界。

結(jié)語

從可見光到熱紅外，不同波段記錄的是不同維度的信息，而不同探測器則幫助我們打開這些不同的光譜窗口。選擇波段，本質(zhì)上是在選擇信息；選擇探測器，則是在選擇獲取這些信息的方式。