Как ИК-технологии помогают зрению
SWIR-излучение (SWIR – short wave infrared – коротковолновый инфракрасный диапазон) – это общепринятое название светового излучения в диапазоне электромагнитных волн 0,9–2,5 мкм. SWIR съемка требует особых оптических компонентов, работающих в диапазоне короткого ИК. Типичными сенсорами, используемыми при съемке в SWIR диапазоне, являются сенсоры на основе арсенида индия-галлия (InGaAs). В отличие от излучения среднего ИК и длинного ИК диапазонов, которые исходят от самих объектов, SWIR-излучение близко к видимому диапазону в том, что фотоны либо отражаются, либо поглощаются объектами, и это свойство обеспечивает широкий динамический диапазон, необходимый для изображений с высоким разрешением. Атмосферное звездное свечение и фоновое излучение (ночное сияние) являются естественными источниками света SWIR диапазона и великолепной подсветкой объектов при ночной уличной съемке. Производимые сенсоры на основе InGaAs могут быть исключительно чувствительными, «подсчитывающими» буквально каждый фотон.
В конце 2018 года ученые из Стэнфорда представили новый способ улучшения качества оптической когерентной томографии (ОКТ) — направления диагностической медицины, которое позволяет врачам наблюдать кровеносные сосуды глаза и изучать структуру тканей через специальные приложения. Одно из ключевых достоинств ОКТ — безопасность: инфракрасное излучение камеры не вредит органам зрения, а значит, процедуру можно повторять многократно. Но есть проблема: диагностика затрудняется при отеке роговицы, помутнении глаза и кровоизлияниях. Этой сложностью отчасти и продиктованы экспериментальные изыскания Стэнфордских исследователей. Их метод строится на добавлении в кровоток золотых наноразмерных призм, в результате чего становятся различимы элементы даже молекулярного уровня. Потенциально это может привести к созданию комбинированной техники, которая обеспечит структурную и функциональную визуализацию тканей и кровеносных сосудов. Нанопризмы уже прошли лабораторные испытания: с их помощью ученые визуализировали кровеносные сосуды и опухоли меланомы в ушах мышей. Для сравнения опыт повторили без наноразмерных призм, и качественное различие оказалось поразительным. По словам специалистов из Стэнфорда, новый метод значительно упростит обнаружение раковых клеток и анализ их компонентов.
Одним из главных инструментов ОКТ является коротковолновое инфракрасное излучение. Оно же — свет с длиной волны более 1000 нанометров, оно же — SWIR-излучение. Именно это направление развивает холдинг «Швабе» Госкорпорации Ростех, создавая отечественную SWIR-камеру. Камеры этого диапазона отличаются от стандартных тепловизионных тем, что принимают отраженное инфракрасное излучение, а не исходящее от самих объектов. Это дает изображение высокого разрешения без функций дополнительной обработки и усиления.
Видеть насквозь
Технически ОКТ подобен ультразвуковому исследованию, где вместо звуковой волны — световая. Источником излучения является светоизлучающий диод.
В основе методики — различие отражений световых волн посредством структуры тканей, подвергшихся диагностике. Результаты сканирования транслируются на мониторе, где полученные файлы преобразуются в графики. После прохождения глазных структур на мониторе появляется их изображение, где зоны с высокой отражаемостью имеют красные оттенки, а слабо отражаемые окрашены в холодные тона. Отсутствие травматичности, радиационного облучения и возрастных ограничений, высокая четкость изображения, обнаружение даже мельчайших изменений в структуре глаза на любой стадии патологического процесса — очевидные преимущества методики, которую берут на вооружение офтальмологи по всему миру. Совсем скоро, считают эксперты, ОКТ будет взят на вооружение в ежедневной клинической практике, и сейчас важная задача — познакомить с ее возможностями и практическими основами российских врачей.
В этом свете активное применение SWIR-камер в офтальмологии — вопрос ближайшего будущего. Финансисты и маркетологи прогнозируют, что с 2018-го по 2025-й рынок этих устройств будет расти на 7,1% ежегодно.
SWIR-камера Госкорпорации Ростех / Пресс-служба Госкорпорации Ростех
Конечно, не только медицина поднимет их продажи. У камер SWIR-диапазона применение широкое: это и наблюдательные комплексы, и обнаружение замаскированных объектов, и экспертиза качества продуктов питания. Совсем недавно первую полностью отечественную SWIR-камеру испытали в Государственном научно-исследовательском институте реставрации. Разработка Госкорпорации Ростех просканировала икону XVIII века и картину, написанную в 1937 году. В результате на иконе камера выявила подлинные надписи, перекрытые в свое время новыми слоями красок, а на картине — первоначальный вариант композиции.
Конечно, не только медицина поднимет их продажи. У камер SWIR-диапазона применение широкое: это и наблюдательные комплексы, и обнаружение замаскированных объектов, и экспертиза качества продуктов питания. Совсем недавно первую полностью отечественную SWIR-камеру испытали в Государственном научно-исследовательском институте реставрации. Разработка Госкорпорации Ростех просканировала икону XVIII века и картину, написанную в 1937 году. В результате на иконе камера выявила подлинные надписи, перекрытые в свое время новыми слоями красок, а на картине — первоначальный вариант композиции.
Также SWIR-камера Ростеха активно применяется службами МЧС. В составе с дроном такую камеру можно отправлять на поиски людей и транспортных средств, не обращая внимания на плотный дым лесного пожара, плохую погоду или темное время суток. В условиях звездного неба любые объекты через соответствующую камеру видны особенно четко. Так что от «всевидящего ока» не скроется никто и ничто.
В свободной продаже SWIR-камеры представлены в основном американскими разработчиками. Такие компании, как Xenics, Raptor photonics, Goodrich, Allied Scientific Pro, Allied Vision Technologies и Sensors Unlimited Inc., заметно доминируют на рынке, в том числе российском.
Чуть скромнее ведут себя производители из Канады, Англии, ряда европейских стран и Японии. Россию на этом поприще можно в принципе назвать совсем новичком. Особенно если говорить об устройствах, собранных полностью из отечественных компонентов.
Ростех разрабатывал собственную SWIR-камеру около двух лет. Цены на аналоги начинаются от 2,5 миллиона, в то время как стоимость отечественной разработки вдвое ниже. Более того, по прогнозам экспертов отрасли, при серийном производстве стоимость российского изделия может еще снизиться — сразу на 15-20%.
На сегодня разработчик способен производить сотни камер в год. Новинку впервые показали на оружейной выставке «Армия» в 2017 году. С тех пор устройство периодически модернизируют.
