紫外反射成像的应用-电子发烧友网

图1、在可见光和近紫外线波段拍摄的照片。左：彩色，右：近紫外

长期以来，许多摄影师都认为紫外成像技术操作起来既困难又不便，这是因为使用紫外波段的摄影胶片时会遇到诸多难题。而数字紫外成像技术正变得越来越经济实惠，并且具备许多此前被忽视的有趣应用价值，而且现在也有能够覆盖从 200 纳米到 400 纳米紫外波段的数字传感器可供使用。

反射式紫外成像在成像领域中是一个颇为神秘的领域。与近红外成像相比，在互联网或文献中能找到的实际紫外图像要少得多。与近红外波段相比，紫外成像在美学上的应用并未推动技术的发展。与显示雪白植被和明亮白色云朵、背景近乎黑色的近红外照片相比，紫外景观图像通常并不那么有趣。在户外拍摄的纯紫外图像中，蓝色天空看起来是明亮的白色，远处的物体通常呈现出朦胧的外观，但其他一切看起来与传统黑白照片中的情况非常相似。一些婚礼摄影师使用在近红外波段拍摄的转换型数码相机，以在较长波长下消除皮肤上的瑕疵和缺陷。没有人会想要紫外婚礼照片，因为人的皮肤在紫外线波段上有着糟糕的外观，如图 1 所示。

在本次讨论中，为了便于阐述，我们可将紫外光谱分为两类。我们将近紫外波段定义为 300 至 400 纳米。在这个波段进行成像可以通过阳光进行照明;玻璃光学元件(透镜、窗口、滤光片)也可使用。我们将短波紫外波段定义为 200 至 300 纳米。正常情况下处这个波段几乎没有阳光，因此拍摄照片时必须借助人工光源，如汞灯。此外，传统的 BK-7 玻璃在这个波段不透明，因此需要使用熔融石英或钙氟化物光学元件。

标准的黑白胶片在大约 250 至 400 纳米的波长范围内具有丰富的紫外响应。必须与一种阻挡可见光但能透过所需紫外波段的屏障滤镜配合使用。使用黑白胶片和肖特 UG-1 滤镜拍摄的照片，只要有足够的近紫外光，其内容几乎完全是近紫外的，只要滤镜玻璃在 750 纳米处有一个被称为红色泄漏的次级透射峰值。由于黑白胶片对这些波长及更长波长的光线相当不敏感，因此红色泄漏对胶片的影响可以忽略不计。对于数字紫外摄影来说，这是一个严重的问题，导致专业人员和业余爱好者都发布了含有大量红色或近红外成分的近乎紫外的图像。可以通过使用低压汞灯和配备短波紫外光学系统的胶片相机，并在上面安装特殊的带通滤镜来拍摄 254 纳米的短波紫外图像。

在单镜头反光(SLR)相机上使用遮光滤镜会带来一个问题，那就是摄影师在滤镜安装好后无法完成构图。紫外的聚焦点与可见光的聚焦点不同，因此拍摄出的照片可能会模糊。在安装滤镜之前，必须先用眼睛对相机进行预聚焦，并且要使用高 f/值来增加景深。使用能阻挡大部分阳光的滤镜和高 f/值设置意味着即使使用相对较快的胶片，也需要进行长时间曝光。用胶片拍摄紫外场景的不便之处如此之大，以至于这种方法并没有得到广泛的应用或相关的详细介绍。

紫外波段的电子成像

随着世界向数字成像技术的转变，可见光摄影也相应地发生了变化。摄影师们将标准的彩色数码相机转换成了近红外波段(750 至 1100 纳米)。这种转换通常比较简单，因为相机中的硅传感器本身就对近红外光有反应，这意味着标准彩色数码相机的制造商必须安装一个滤光片来阻挡近红外光，以保持正确的色彩平衡。在售后市场转换中，近红外阻挡滤光片被移除，这样近红外光就能到达传感器。然后，在镜头或传感器上放置一个屏障滤光片来阻挡任何可见光，从而得到纯近红外的数字图像。通过这种方式转换的某些相机可以在近红外波段提供连续的实时预览，并自动调整曝光和对焦，即使在近红外屏障滤光片安装的情况下也能做到，使得近红外数字摄影变得非常简单。

将这些相同的概念应用于近紫外领域的数字成像时会遇到难题，因为传统的硅型电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器在 700 纳米及更长波长处的响应非常大，但在近紫外波段的响应相对较小，而低于 300 纳米的波长则几乎完全没有响应。对于商业数码相机而言，情况更为糟糕，因为成像传感器本身几乎总是会在传感器封装窗口中内置一个紫外阻挡层。试图通过这个层穿透足够的近紫外线光可能会很困难，并且需要很长的曝光时间。尽管传感器上成像的场景中的近紫外含量可能比红色和近红外成分高出许多倍，但后者在最终图像中占据了主导地位。这个问题的解决方法有两方面。首先，必须使用一种传感器，其传感器窗口或传感器自身上的抗反射涂层中没有内置紫外阻挡滤镜。其次，用于阻挡除近紫外以外的所有辐射的滤镜必须没有明显的红色泄漏。

市面上有众多制造商提供具有紫外线敏感性的 CCD 相机。价格差异较大，从低成本的机器视觉紫外相机到科学级别的产品都有。其中一些相机采用了背减薄型 CCD，即硅基板被减薄以防止其在背侧的光电二极管产生载流子之前吸收紫外辐射。背减薄型 CCD 的响应范围可达 200 纳米，因此可用于短波紫外成像，前提是信号足够强。一些短波紫外应用使用带有紫外线敏感光电阴极的图像增强器来检测诸如电力线上的电晕放电等通常非常微弱的信号。用于短波紫外成像的常见背减薄型 CCD 相机是索尼 XCD-SX910UV 相机。这款 200 万像素的相机以 15 赫兹的频率拍摄图像。其光谱响应如图 2 所示。它可用于使用玻璃镜头和高质量阻挡滤光片拍摄出色的近紫外图像，以及与汞灯照明结合使用拍摄短波紫外图片。

图2、归一化到峰值的光谱响应

紫外滤光片

一种常用于与硅成像传感器配合进行近紫外成像的商业滤镜是巴德勒金星滤镜。天文学家使用这种滤镜来拍摄金星大气中的云层图案。这些云层是由硫酸构成的，而在紫外波段具有很强的吸收性，因此在这些照片中会出现极大的对比度。巴德勒滤镜的红色泄漏量极小，其在 360 纳米处的峰值透射率的泄漏量低于 0.1%，比施科特 UG-1 更适合与硅传感器配合使用。只要通过使用第二块滤镜来封堵红色泄漏，就可以使用带有红色泄漏的滤镜。第二块滤镜通常由蓝色玻璃制成，它能减少红色泄漏而不会破坏紫外透射。

若要生成不含阻挡滤镜的纯近紫外图像，光源必须富含紫外辐射，同时尽可能减少可见光或近红外光的照射，并且环境光线必须降低至接近于零。如果需要反射的紫外图像，那么至关重要的是场景或物体不能有太强的荧光现象，因为如果没有可见光阻挡滤镜，荧光信号将能够到达传感器。

Newport公司有一系列适用于不同紫外波段成像的紫外带通滤光片。这些滤光片通常会有较小的红色泄漏，其数值小于 5×10^-3 。它们可以与汞灯配合使用，以生成非常纯净的短波紫图像。

紫外光源

大多数紫外成像应用都需要外部的紫外光源，除非所关注的对象是诸如激光束、高温火焰或能自身产生紫外辐射的高压电晕放电之类的东西。用于成像的最常见紫外光源包括直接阳光、气体放电灯和紫外发光二极管。

太阳光谱中富含近紫外光，这是因为太阳光球层的温度极高。大气层在可见光波段的透射率较高，但在 400 纳米以下开始截断辐射，而在 300 纳米处由于臭氧层的存在会形成硬性截断。对于许多近紫外成像应用来说，直接的阳光是一个极好的紫外光源，但对于短波紫外应用，则需要人工照明。

室内几乎没有近紫外光线，因为大多数现代窗户玻璃都采用了防紫外线涂层。室内近紫外应用需要的光源不同于传统的白炽灯或荧光灯，因为它们通常旨在减少近紫外线，因为近紫外线会褪色壁纸和织物，而且也不用于人类视觉。人工近紫外光源的标准传统上是汞气体放电管。汞在 365 纳米处有一个很强的光谱线(称为 i 线)。这对于许多近紫外成像应用来说是一个非常有用的波长，比例如 396 纳米的近紫外 LED 灯来说更有效。与紫外成像相关的现象通常随着波长的降低而改善，而且在 396 纳米和 365 纳米之间，物体的外观会有显著差异，尽管这只是 31 纳米的波长差异。还有在 254 和 306 纳米处的汞线可用于短波紫外应用中的照明。

这种黑色的汞放电灯内部涂有滤光材料，从视觉上看几乎呈黑色。这种滤光材料类似于Woods’ 玻璃，它能阻挡可见光，同时允许紫外通过。需要指出的是，这些滤光涂层中存在红色泄漏现象，这使得这些灯不适合与硅基成像传感器配合使用，除非使用屏障滤光片。254 纳米和 306 纳米的灯是围绕未涂覆的熔融石英管制造的。这些灯用于杀菌应用，因此价格相对较低。低压汞灯尤其具有非常纯净的光谱特性，因为 254 纳米的谱线的亮度比其他谱线高出 100 倍。由于灯内压力较低，由于没有压力展宽效应，这些谱线极其狭窄。

氙灯具有极高的色温(超过 10,000 开尔文)并且会产生大量的近紫外辐射。在某些紫外光源中，它们会与Woods’玻璃滤光片配合使用。短弧氙灯可以通过合适的光学器件产生定向光束，因为其光线是在一个极小的体积内(通常约为一立方毫米)发出的。氘灯是另一种常用的紫外光源，不过其发射光谱相当宽广。所有这些光源都会在 300 纳米处产生玻璃的截止线以下的辐射。由于这种辐射相当有害，对于近紫外线成像应用，可能有必要使用未镀膜的 BK-7 玻璃窗口来阻挡它。

紫外发光二极管

在过去几年中，基于氮化镓半导体合金的紫外发光二极管已成为气体放电灯的重大挑战。这些器件相较于气体放电灯具有诸多优势：光谱纯净度高、使用寿命长、光强高、抗冲击和振动能力强，而且无需高压电源。

制造商们正在研发波长更短、亮度更高的发光二极管。这些发光二极管的光谱纯度极高，且能在极小的表面积内发出辐射。发光二极管阵列已可商业化生产，并且能够形成准聚焦的紫外线光束。一些较小的紫外发光二极管被封装在塑料外壳中，其内部具有成型的透镜结构，就像许多标准的可见光发光二极管一样。而使用圆柱形光源形成紧密聚焦的光束则较为困难。

在短波紫外线波段有几款发光二极管，但它们的功率水平非常低，而且价格昂贵。目前来看，在 300 纳米以下用于短波紫外成像应用的光源中，低压汞放电灯似乎是综合性能最佳的选择。

紫外光学元件

标准的玻璃光学元件在波长低于约 320 纳米时表现不佳。例如，玻璃 BK-7 在 1 毫米厚度的情况下，其 70%的透射率点出现在约 325 纳米处。而在 3 毫米厚度的情况下，透射率则降至 34%。在 325 纳米以下，透射率会迅速下降，到大约 280 纳米时几乎降为零。然而，熔融石英(通常称为石英)在大约 250 纳米以下的波长范围内具有良好的透射性能，使其成为用于紫外成像系统的理想透镜和窗口材料，尽管由于其硬度难以进行形状加工。专门为紫外成像而制造的特殊透镜是由诸如熔融石英和钙氟石等材料制成，并与消色差透镜结合使用。

图3、BK-7窗口(左)和熔融石英窗口(右)在三个紫外波段成像

传统观点认为，如果要进行任何类型的紫外成像，就必须使用熔融石英光学元件。虽然确实可以说熔融石英光学元件相较于玻璃具有某些优势，但它们的价格要高得多，而且在 330 至 400 纳米的近紫外波段进行近红外成像时，尤其是对 360 至 400 纳米之间的成像，通常并不需要这种光学元件。某些基于玻璃的彩色视频镜头表现得相当出色，价格仅几百美元。这些镜头在近紫外波段(约 1 个光圈)的透光率约为 50%，能生成不错的图像。通过使用快镜头，可以轻松恢复 1 个光圈的损失。对于波长低于约 320 纳米的成像，需要使用熔融石英镜头，因为传统玻璃镜头在该波长以下会吸收大量光线，如图 3 所示。这一系列图像展示了一块 BK-7 玻璃窗和一块熔融石英窗，它们放置在一个经过打磨的铝基底上，该基底起到了有效的漫反射作用。BK-7 在 306 纳米时变暗，在 254 纳米时完全变黑。

近紫外成像应用

紫外成像的应用可以大致分为三个主要的科学现象类别：吸收效应、散射效应以及紫外光源的成像。

紫外吸收

大多数近紫外成像应用都利用了这样一个事实：近紫外光相较于可见光或近红外光更容易被吸收。近紫外光子的能量更高，因此其与材料中的电子的相互作用更为直接。这会导致相对于可见光和近红外光而言，吸收效果更强。

图4、涂上蜡的乙烯基地砖上有鞋印。彩色图像仅显示了与瓷砖图案(左)相反的打印痕迹。在近紫外线图像中，蜡不再透明，布涂抹器留下的线条和漩涡图案占据了图像，除了鞋印已经使漩涡痕迹变平的地方。

事实上，当观察紫外波段下的日常物体时，人们首先注意到的就是这些物体看起来有多么暗淡。这种更高的吸收率还意味着，人们往往会看到物体最外层的那些部分，而这些部分在较长波长下可能具有一定的半透明性。对于许多材料——尤其是有机材料而言——入射光的波长越短，其吸收就越强，穿透的深度也就越浅。

这种吸收作用能够使我们检测到附着在基底上的极薄且可见透明的物质层及其表面纹理(图 4)。

图 5 中所示的牙齿是真实的，但左侧的门齿是用复合树脂修复过的。这种树脂在近紫外波段具有很强的吸收能力，且吸收效果随着波长的缩短而增强。正常的牙齿材料是无机的，由于空气与羟基磷灰石微晶体(构成牙釉质的矿物质)之间的界面处的菲涅尔反射，它容易反射近紫外线。

图5、左门牙用牙树脂修复。左：彩色，右：近紫外

图6、有划痕的CD首饰盒会比可见光更容易散射近紫外线。左：彩色，右：近紫外。

波散射效应

还有一类应用则利用了近紫外光的短波长以及光线在物体表面的反射特性。光波往往会从与光波波长相当或更大的表面特征(如划痕和凹陷)上散射开来。这意味着，当用近紫外光照射一个表面，并用近紫外相机拍摄其反射图像时，表面异常(如划痕和凹陷)处的散射会比用可见光相机观察时更明显。用钢丝绒打磨过的金属在肉眼观察下会呈现出暗淡的表面效果。而在近红外波段，同一块金属通常会呈现出完美的镜面效果。表面的划痕小于红外光的波长(约 0.5 微米)，但大于可见光的波长(约 0.5 微米)。对于较短波长的光，这种效应则会反过来发生。像 CD 珠宝盒这样的光滑塑料表面在肉眼观察下可能会显得非常光滑。而当用近紫外成像系统观察同一表面时，就会出现许多小划痕，如图 6 所示。这种效果还延伸到了短波紫外波段。一些生产精密玻璃光学制品的厂家会使用短波紫外系统来检查其产品的抛光效果。

图7、一个轻微烧伤的透镜，355nm激光能量散射出烧伤痕迹。左：彩色，右：近紫外。

紫外光源

第三类应用是紫外光源的成像。在许多使用紫外光的场景中，无需直接对紫外光源进行成像。例如，在图 7 中，镜头座中的镜头正在传输一束紫外激光束，即频率三倍频的钇铝石榴石激光器，其工作波长为 355 纳米。操作人员可以通过将一张标准商务卡置于光路中来验证系统中是否存在紫外线光。这张卡会因经过了荧光光亮剂处理而发光，从而显示出紫外线的存在。但在这一特定情况下，该镜头因激光强度过大而被烧毁。烧伤的痕迹起到了扩散器的作用，将激光能量向各个方向扩散。而紫外摄像系统能够以一种无法用荧光卡重现的方式看到这种效果。

图 8. 一块镶嵌有蛋清蛋白的大理石瓷砖，其图像被分为三个区域。左侧的点代表蛋黄，中间部分呈纯白色，右侧则是未煮熟的蛋。

短波紫外成像应用

300 纳米以下波长的成像应用与之前讨论过的近紫外波段应用类似。通常观察到的现象是，在近紫外波段显现的现象在短波紫外波段会变得更加明显。例如，图 8 展示了一块带有蛋黄、蛋清和炒蛋斑点的白色大理石瓷砖(从左至右排列)。最上面一行斑点与下面一行相同，只是下面一行由更薄的层组成。这是一个模拟带有蛋基颜料残留的大理石雕像的测试样本。显然，反射紫外成像已被用于寻找古典时期雕像上古代颜料的痕迹。

在 254 纳米波长的图像中，鸡蛋蛋白的吸收现象比 365 纳米波段或可见光图像中的表现要明显得多。同样的效果也适用于几乎任何沉积在具有与痕量物质不同的反射率的基底上的有机痕量物质。

图 9 展示了对比增强对波长敏感性的另一个例子。这是一张由四个塑料样品容器(内含 SPF30 防晒霜)的图像拼接而成的图。310 纳米的图像非常显著，因为容器盖内侧有一些小的防晒霜污渍清晰可见。254 纳米的图像也显示了这些污渍，但对比度较低，因为塑料在这个波长下吸收得相当强烈。很明显，好事也可能过头，较短波长的紫外线并不总是能增强对比度，特别是如果所关注的目标是有机基底上的有机微量物质的话。