电磁频谱及其在成像应用中的广泛应用

机器视觉不止限于由物体的可视辐射或照明场景发出的可见光。众多成像检测技术的发展允许使用其他类型的光来探测一些有趣的场景和事物。与成像应用相关的电磁辐射频谱涵盖了从波长为100μm～1mm的太赫兹（Terahertz）波段,到波长为10nm或更短的X射线。甚至波长更短的伽马射线,被用在核医学、高能物理学以及天文应用。微波和无线电波等波长非常长的成像,发现在成像雷达应用上。例如,地球观测、医学[核磁共振成像（MRI）]和天文学。两者之间,存在很窄的380～780nm的可见光波段,以及相邻的红外线（IR）和紫外线（UV）波段。在摄像机成像应用方面,包括机器视觉在内,电磁频谱应用最广泛的区域是可见光波段,其次就是附近的发热红外线。图4.1描绘的是电磁辐射频谱。

图4.1 电磁辐射频谱

电磁辐射可以被视为电磁波或者粒子流构成离散能量数据包,称为光子。一个光子以光的速度穿过空间,携带大量与相关电磁波频率ν成正比（与波长λ成反比）的能量：(www.xing528.com)

式中,普朗克常量h=6.626×10^-34（J·S）;光速c=2.998×10⁸（m·s^-1）。自然常数c关系到电磁波的波长和频率。单个光子的能量通常用电子伏特（eV）表示,1eV即电场中1V电压差所形成的能量。

由于光子是中性粒子,不带电荷,所以使用这种粒子很方便,如同电磁辐射通常是通过辐射与带电粒子的相互作用来检测的。例如,在固态传感器中,光子撞击的能量把电子从价电子能带提升到半导体导带,把它们转化为能读出和处理的电信号。带隙能量E_g,物质属性,定义了这一过程所需的最小光子能量。因此通过经验可知光电检测器材料对光子能量辐射E_ph＞E_g是敏感的。例如,硅（Si）的带隙能量为1.1eV,因此只能检测低于1.1μm的波长。另一种不同的半导体材质锑化铟（InSb）,带隙能量仅为0.18eV,对6.9μm以下的波长敏感。因此,锑化铟用作波长在3～5μm范围的红外摄像机材料,而硅传感器通常用于可见光。