圖1、在可見光和近紫外線波段拍攝的照片。左：彩色，右：近紫外

長期以來，許多攝影師都認為紫外成像技術(shù)操作起來既困難又不便，這是因為使用紫外波段的攝影膠片時會遇到諸多難題。而數(shù)字紫外成像技術(shù)正變得越來越經(jīng)濟實惠，并且具備許多此前被忽視的有趣應(yīng)用價值，而且現(xiàn)在也有能夠覆蓋從 200 納米到 400 納米紫外波段的數(shù)字傳感器可供使用。

反射式紫外成像在成像領(lǐng)域中是一個頗為神秘的領(lǐng)域。與近紅外成像相比，在互聯(lián)網(wǎng)或文獻中能找到的實際紫外圖像要少得多。與近紅外波段相比，紫外成像在美學上的應(yīng)用并未推動技術(shù)的發(fā)展。與顯示雪白植被和明亮白色云朵、背景近乎黑色的近紅外照片相比，紫外景觀圖像通常并不那么有趣。在戶外拍攝的純紫外圖像中，藍色天空看起來是明亮的白色，遠處的物體通常呈現(xiàn)出朦朧的外觀，但其他一切看起來與傳統(tǒng)黑白照片中的情況非常相似。一些婚禮攝影師使用在近紅外波段拍攝的轉(zhuǎn)換型數(shù)碼相機，以在較長波長下消除皮膚上的瑕疵和缺陷。沒有人會想要紫外婚禮照片，因為人的皮膚在紫外線波段上有著糟糕的外觀，如圖 1 所示。

在本次討論中，為了便于闡述，我們可將紫外光譜分為兩類。我們將近紫外波段定義為 300 至 400 納米。在這個波段進行成像可以通過陽光進行照明;玻璃光學元件(透鏡、窗口、濾光片)也可使用。我們將短波紫外波段定義為 200 至 300 納米。正常情況下處這個波段幾乎沒有陽光，因此拍攝照片時必須借助人工光源，如汞燈。此外，傳統(tǒng)的 BK-7 玻璃在這個波段不透明，因此需要使用熔融石英或鈣氟化物光學元件。

標準的黑白膠片在大約 250 至 400 納米的波長范圍內(nèi)具有豐富的紫外響應(yīng)。必須與一種阻擋可見光但能透過所需紫外波段的屏障濾鏡配合使用。使用黑白膠片和肖特 UG-1 濾鏡拍攝的照片，只要有足夠的近紫外光，其內(nèi)容幾乎完全是近紫外的，只要濾鏡玻璃在 750 納米處有一個被稱為紅色泄漏的次級透射峰值。由于黑白膠片對這些波長及更長波長的光線相當不敏感，因此紅色泄漏對膠片的影響可以忽略不計。對于數(shù)字紫外攝影來說，這是一個嚴重的問題，導致專業(yè)人員和業(yè)余愛好者都發(fā)布了含有大量紅色或近紅外成分的近乎紫外的圖像。可以通過使用低壓汞燈和配備短波紫外光學系統(tǒng)的膠片相機，并在上面安裝特殊的帶通濾鏡來拍攝 254 納米的短波紫外圖像。

在單鏡頭反光(SLR)相機上使用遮光濾鏡會帶來一個問題，那就是攝影師在濾鏡安裝好后無法完成構(gòu)圖。紫外的聚焦點與可見光的聚焦點不同，因此拍攝出的照片可能會模糊。在安裝濾鏡之前，必須先用眼睛對相機進行預(yù)聚焦，并且要使用高 f/值來增加景深。使用能阻擋大部分陽光的濾鏡和高 f/值設(shè)置意味著即使使用相對較快的膠片，也需要進行長時間曝光。用膠片拍攝紫外場景的不便之處如此之大，以至于這種方法并沒有得到廣泛的應(yīng)用或相關(guān)的詳細介紹。

紫外波段的電子成像

隨著世界向數(shù)字成像技術(shù)的轉(zhuǎn)變，可見光攝影也相應(yīng)地發(fā)生了變化。攝影師們將標準的彩色數(shù)碼相機轉(zhuǎn)換成了近紅外波段(750 至 1100 納米)。這種轉(zhuǎn)換通常比較簡單，因為相機中的硅傳感器本身就對近紅外光有反應(yīng)，這意味著標準彩色數(shù)碼相機的制造商必須安裝一個濾光片來阻擋近紅外光，以保持正確的色彩平衡。在售后市場轉(zhuǎn)換中，近紅外阻擋濾光片被移除，這樣近紅外光就能到達傳感器。然后，在鏡頭或傳感器上放置一個屏障濾光片來阻擋任何可見光，從而得到純近紅外的數(shù)字圖像。通過這種方式轉(zhuǎn)換的某些相機可以在近紅外波段提供連續(xù)的實時預(yù)覽，并自動調(diào)整曝光和對焦，即使在近紅外屏障濾光片安裝的情況下也能做到，使得近紅外數(shù)字攝影變得非常簡單。

將這些相同的概念應(yīng)用于近紫外領(lǐng)域的數(shù)字成像時會遇到難題，因為傳統(tǒng)的硅型電荷耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)探測器在 700 納米及更長波長處的響應(yīng)非常大，但在近紫外波段的響應(yīng)相對較小，而低于 300 納米的波長則幾乎完全沒有響應(yīng)。對于商業(yè)數(shù)碼相機而言，情況更為糟糕，因為成像傳感器本身幾乎總是會在傳感器封裝窗口中內(nèi)置一個紫外阻擋層。試圖通過這個層穿透足夠的近紫外線光可能會很困難，并且需要很長的曝光時間。盡管傳感器上成像的場景中的近紫外含量可能比紅色和近紅外成分高出許多倍，但后者在最終圖像中占據(jù)了主導地位。這個問題的解決方法有兩方面。首先，必須使用一種傳感器，其傳感器窗口或傳感器自身上的抗反射涂層中沒有內(nèi)置紫外阻擋濾鏡。其次，用于阻擋除近紫外以外的所有輻射的濾鏡必須沒有明顯的紅色泄漏。

市面上有眾多制造商提供具有紫外線敏感性的 CCD 相機。價格差異較大，從低成本的機器視覺紫外相機到科學級別的產(chǎn)品都有。其中一些相機采用了背減薄型 CCD，即硅基板被減薄以防止其在背側(cè)的光電二極管產(chǎn)生載流子之前吸收紫外輻射。背減薄型 CCD 的響應(yīng)范圍可達 200 納米，因此可用于短波紫外成像，前提是信號足夠強。一些短波紫外應(yīng)用使用帶有紫外線敏感光電陰極的圖像增強器來檢測諸如電力線上的電暈放電等通常非常微弱的信號。用于短波紫外成像的常見背減薄型 CCD 相機是索尼 XCD-SX910UV 相機。這款 200 萬像素的相機以 15 赫茲的頻率拍攝圖像。其光譜響應(yīng)如圖 2 所示。它可用于使用玻璃鏡頭和高質(zhì)量阻擋濾光片拍攝出色的近紫外圖像，以及與汞燈照明結(jié)合使用拍攝短波紫外圖片。

圖2、歸一化到峰值的光譜響應(yīng)

紫外濾光片

一種常用于與硅成像傳感器配合進行近紫外成像的商業(yè)濾鏡是巴德勒金星濾鏡。天文學家使用這種濾鏡來拍攝金星大氣中的云層圖案。這些云層是由硫酸構(gòu)成的，而在紫外波段具有很強的吸收性，因此在這些照片中會出現(xiàn)極大的對比度。巴德勒濾鏡的紅色泄漏量極小，其在 360 納米處的峰值透射率的泄漏量低于 0.1%，比施科特 UG-1 更適合與硅傳感器配合使用。只要通過使用第二塊濾鏡來封堵紅色泄漏，就可以使用帶有紅色泄漏的濾鏡。第二塊濾鏡通常由藍色玻璃制成，它能減少紅色泄漏而不會破壞紫外透射。

若要生成不含阻擋濾鏡的純近紫外圖像，光源必須富含紫外輻射，同時盡可能減少可見光或近紅外光的照射，并且環(huán)境光線必須降低至接近于零。如果需要反射的紫外圖像，那么至關(guān)重要的是場景或物體不能有太強的熒光現(xiàn)象，因為如果沒有可見光阻擋濾鏡，熒光信號將能夠到達傳感器。

Newport公司有一系列適用于不同紫外波段成像的紫外帶通濾光片。這些濾光片通常會有較小的紅色泄漏，其數(shù)值小于 5×10^-3 。它們可以與汞燈配合使用，以生成非常純凈的短波紫圖像。

紫外光源

大多數(shù)紫外成像應(yīng)用都需要外部的紫外光源，除非所關(guān)注的對象是諸如激光束、高溫火焰或能自身產(chǎn)生紫外輻射的高壓電暈放電之類的東西。用于成像的最常見紫外光源包括直接陽光、氣體放電燈和紫外發(fā)光二極管。

太陽光譜中富含近紫外光，這是因為太陽光球?qū)拥臏囟葮O高。大氣層在可見光波段的透射率較高，但在 400 納米以下開始截斷輻射，而在 300 納米處由于臭氧層的存在會形成硬性截斷。對于許多近紫外成像應(yīng)用來說，直接的陽光是一個極好的紫外光源，但對于短波紫外應(yīng)用，則需要人工照明。

室內(nèi)幾乎沒有近紫外光線，因為大多數(shù)現(xiàn)代窗戶玻璃都采用了防紫外線涂層。室內(nèi)近紫外應(yīng)用需要的光源不同于傳統(tǒng)的白熾燈或熒光燈，因為它們通常旨在減少近紫外線，因為近紫外線會褪色壁紙和織物，而且也不用于人類視覺。人工近紫外光源的標準傳統(tǒng)上是汞氣體放電管。汞在 365 納米處有一個很強的光譜線(稱為 i 線)。這對于許多近紫外成像應(yīng)用來說是一個非常有用的波長，比例如 396 納米的近紫外 LED 燈來說更有效。與紫外成像相關(guān)的現(xiàn)象通常隨著波長的降低而改善，而且在 396 納米和 365 納米之間，物體的外觀會有顯著差異，盡管這只是 31 納米的波長差異。還有在 254 和 306 納米處的汞線可用于短波紫外應(yīng)用中的照明。

這種黑色的汞放電燈內(nèi)部涂有濾光材料，從視覺上看幾乎呈黑色。這種濾光材料類似于Woods’ 玻璃，它能阻擋可見光，同時允許紫外通過。需要指出的是，這些濾光涂層中存在紅色泄漏現(xiàn)象，這使得這些燈不適合與硅基成像傳感器配合使用，除非使用屏障濾光片。254 納米和 306 納米的燈是圍繞未涂覆的熔融石英管制造的。這些燈用于殺菌應(yīng)用，因此價格相對較低。低壓汞燈尤其具有非常純凈的光譜特性，因為 254 納米的譜線的亮度比其他譜線高出 100 倍。由于燈內(nèi)壓力較低，由于沒有壓力展寬效應(yīng)，這些譜線極其狹窄。

氙燈具有極高的色溫(超過 10,000 開爾文)并且會產(chǎn)生大量的近紫外輻射。在某些紫外光源中，它們會與Woods’玻璃濾光片配合使用。短弧氙燈可以通過合適的光學器件產(chǎn)生定向光束，因為其光線是在一個極小的體積內(nèi)(通常約為一立方毫米)發(fā)出的。氘燈是另一種常用的紫外光源，不過其發(fā)射光譜相當寬廣。所有這些光源都會在 300 納米處產(chǎn)生玻璃的截止線以下的輻射。由于這種輻射相當有害，對于近紫外線成像應(yīng)用，可能有必要使用未鍍膜的 BK-7 玻璃窗口來阻擋它。

紫外發(fā)光二極管

在過去幾年中，基于氮化鎵半導體合金的紫外發(fā)光二極管已成為氣體放電燈的重大挑戰(zhàn)。這些器件相較于氣體放電燈具有諸多優(yōu)勢：光譜純凈度高、使用壽命長、光強高、抗沖擊和振動能力強，而且無需高壓電源。

制造商們正在研發(fā)波長更短、亮度更高的發(fā)光二極管。這些發(fā)光二極管的光譜純度極高，且能在極小的表面積內(nèi)發(fā)出輻射。發(fā)光二極管陣列已可商業(yè)化生產(chǎn)，并且能夠形成準聚焦的紫外線光束。一些較小的紫外發(fā)光二極管被封裝在塑料外殼中，其內(nèi)部具有成型的透鏡結(jié)構(gòu)，就像許多標準的可見光發(fā)光二極管一樣。而使用圓柱形光源形成緊密聚焦的光束則較為困難。

在短波紫外線波段有幾款發(fā)光二極管，但它們的功率水平非常低，而且價格昂貴。目前來看，在 300 納米以下用于短波紫外成像應(yīng)用的光源中，低壓汞放電燈似乎是綜合性能最佳的選擇。

紫外光學元件

標準的玻璃光學元件在波長低于約 320 納米時表現(xiàn)不佳。例如，玻璃 BK-7 在 1 毫米厚度的情況下，其 70%的透射率點出現(xiàn)在約 325 納米處。而在 3 毫米厚度的情況下，透射率則降至 34%。在 325 納米以下，透射率會迅速下降，到大約 280 納米時幾乎降為零。然而，熔融石英(通常稱為石英)在大約 250 納米以下的波長范圍內(nèi)具有良好的透射性能，使其成為用于紫外成像系統(tǒng)的理想透鏡和窗口材料，盡管由于其硬度難以進行形狀加工。專門為紫外成像而制造的特殊透鏡是由諸如熔融石英和鈣氟石等材料制成，并與消色差透鏡結(jié)合使用。

圖3、BK-7窗口(左)和熔融石英窗口(右)在三個紫外波段成像

傳統(tǒng)觀點認為，如果要進行任何類型的紫外成像，就必須使用熔融石英光學元件。雖然確實可以說熔融石英光學元件相較于玻璃具有某些優(yōu)勢，但它們的價格要高得多，而且在 330 至 400 納米的近紫外波段進行近紅外成像時，尤其是對 360 至 400 納米之間的成像，通常并不需要這種光學元件。某些基于玻璃的彩色視頻鏡頭表現(xiàn)得相當出色，價格僅幾百美元。這些鏡頭在近紫外波段(約 1 個光圈)的透光率約為 50%，能生成不錯的圖像。通過使用快鏡頭，可以輕松恢復 1 個光圈的損失。對于波長低于約 320 納米的成像，需要使用熔融石英鏡頭，因為傳統(tǒng)玻璃鏡頭在該波長以下會吸收大量光線，如圖 3 所示。這一系列圖像展示了一塊 BK-7 玻璃窗和一塊熔融石英窗，它們放置在一個經(jīng)過打磨的鋁基底上，該基底起到了有效的漫反射作用。BK-7 在 306 納米時變暗，在 254 納米時完全變黑。

近紫外成像應(yīng)用

紫外成像的應(yīng)用可以大致分為三個主要的科學現(xiàn)象類別：吸收效應(yīng)、散射效應(yīng)以及紫外光源的成像。

紫外吸收

大多數(shù)近紫外成像應(yīng)用都利用了這樣一個事實：近紫外光相較于可見光或近紅外光更容易被吸收。近紫外光子的能量更高，因此其與材料中的電子的相互作用更為直接。這會導致相對于可見光和近紅外光而言，吸收效果更強。

圖4、涂上蠟的乙烯基地磚上有鞋印。彩色圖像僅顯示了與瓷磚圖案(左)相反的打印痕跡。在近紫外線圖像中，蠟不再透明，布涂抹器留下的線條和漩渦圖案占據(jù)了圖像，除了鞋印已經(jīng)使漩渦痕跡變平的地方。

事實上，當觀察紫外波段下的日常物體時，人們首先注意到的就是這些物體看起來有多么暗淡。這種更高的吸收率還意味著，人們往往會看到物體最外層的那些部分，而這些部分在較長波長下可能具有一定的半透明性。對于許多材料——尤其是有機材料而言——入射光的波長越短，其吸收就越強，穿透的深度也就越淺。

這種吸收作用能夠使我們檢測到附著在基底上的極薄且可見透明的物質(zhì)層及其表面紋理(圖 4)。

圖 5 中所示的牙齒是真實的，但左側(cè)的門齒是用復合樹脂修復過的。這種樹脂在近紫外波段具有很強的吸收能力，且吸收效果隨著波長的縮短而增強。正常的牙齒材料是無機的，由于空氣與羥基磷灰石微晶體(構(gòu)成牙釉質(zhì)的礦物質(zhì))之間的界面處的菲涅爾反射，它容易反射近紫外線。

圖5、左門牙用牙樹脂修復。左：彩色，右：近紫外

圖6、有劃痕的CD首飾盒會比可見光更容易散射近紫外線。左：彩色，右：近紫外。

波散射效應(yīng)

還有一類應(yīng)用則利用了近紫外光的短波長以及光線在物體表面的反射特性。光波往往會從與光波波長相當或更大的表面特征(如劃痕和凹陷)上散射開來。這意味著，當用近紫外光照射一個表面，并用近紫外相機拍攝其反射圖像時，表面異常(如劃痕和凹陷)處的散射會比用可見光相機觀察時更明顯。用鋼絲絨打磨過的金屬在肉眼觀察下會呈現(xiàn)出暗淡的表面效果。而在近紅外波段，同一塊金屬通常會呈現(xiàn)出完美的鏡面效果。表面的劃痕小于紅外光的波長(約 0.5 微米)，但大于可見光的波長(約 0.5 微米)。對于較短波長的光，這種效應(yīng)則會反過來發(fā)生。像 CD 珠寶盒這樣的光滑塑料表面在肉眼觀察下可能會顯得非常光滑。而當用近紫外成像系統(tǒng)觀察同一表面時，就會出現(xiàn)許多小劃痕，如圖 6 所示。這種效果還延伸到了短波紫外波段。一些生產(chǎn)精密玻璃光學制品的廠家會使用短波紫外系統(tǒng)來檢查其產(chǎn)品的拋光效果。

圖7、一個輕微燒傷的透鏡，355nm激光能量散射出燒傷痕跡。左：彩色，右：近紫外。

紫外光源

第三類應(yīng)用是紫外光源的成像。在許多使用紫外光的場景中，無需直接對紫外光源進行成像。例如，在圖 7 中，鏡頭座中的鏡頭正在傳輸一束紫外激光束，即頻率三倍頻的釔鋁石榴石激光器，其工作波長為 355 納米。操作人員可以通過將一張標準商務(wù)卡置于光路中來驗證系統(tǒng)中是否存在紫外線光。這張卡會因經(jīng)過了熒光光亮劑處理而發(fā)光，從而顯示出紫外線的存在。但在這一特定情況下，該鏡頭因激光強度過大而被燒毀。燒傷的痕跡起到了擴散器的作用，將激光能量向各個方向擴散。而紫外攝像系統(tǒng)能夠以一種無法用熒光卡重現(xiàn)的方式看到這種效果。

圖 8. 一塊鑲嵌有蛋清蛋白的大理石瓷磚，其圖像被分為三個區(qū)域。左側(cè)的點代表蛋黃，中間部分呈純白色，右側(cè)則是未煮熟的蛋。

短波紫外成像應(yīng)用

300 納米以下波長的成像應(yīng)用與之前討論過的近紫外波段應(yīng)用類似。通常觀察到的現(xiàn)象是，在近紫外波段顯現(xiàn)的現(xiàn)象在短波紫外波段會變得更加明顯。例如，圖 8 展示了一塊帶有蛋黃、蛋清和炒蛋斑點的白色大理石瓷磚(從左至右排列)。最上面一行斑點與下面一行相同，只是下面一行由更薄的層組成。這是一個模擬帶有蛋基顏料殘留的大理石雕像的測試樣本。顯然，反射紫外成像已被用于尋找古典時期雕像上古代顏料的痕跡。

在 254 納米波長的圖像中，雞蛋蛋白的吸收現(xiàn)象比 365 納米波段或可見光圖像中的表現(xiàn)要明顯得多。同樣的效果也適用于幾乎任何沉積在具有與痕量物質(zhì)不同的反射率的基底上的有機痕量物質(zhì)。

圖 9 展示了對比增強對波長敏感性的另一個例子。這是一張由四個塑料樣品容器(內(nèi)含 SPF30 防曬霜)的圖像拼接而成的圖。310 納米的圖像非常顯著，因為容器蓋內(nèi)側(cè)有一些小的防曬霜污漬清晰可見。254 納米的圖像也顯示了這些污漬，但對比度較低，因為塑料在這個波長下吸收得相當強烈。很明顯，好事也可能過頭，較短波長的紫外線并不總是能增強對比度，特別是如果所關(guān)注的目標是有機基底上的有機微量物質(zhì)的話。

圖9、四張涂有SPF30防曬霜的塑料樣品容器的圖片。注意310 nm圖像中蓋子內(nèi)部的污跡。

結(jié)論

將上述研究結(jié)果總結(jié)為一些經(jīng)驗法則，有助于指導對紫外線成像的調(diào)查工作，這一點頗具意義：

在膠片或數(shù)字攝影中使用的三種常見成像波段中，相對于可見光或近紅外光，紫外光傾向于被材料吸收到最大程度。

數(shù)字傳感器在近波段和短波波段都有效地取代了膠片進行紫外成像，但它們需要仔細控制任何帶外光(特別是可見光譜的紅色部分)才能有效。

用于紫外線成像的特殊光學元件需要在約320納米以下工作，但玻璃透鏡將在近紫外線工作中令人滿意。

太陽光譜包含大量用于成像的近紫外光(300至400納米)，但實際上沒有短波紫外光(低于300納米)。因此，利用反射陽光在近紫外波段進行室外成像是可能的，但短波紫外成像需要一個主動照明源。

室內(nèi)紫外線成像需要特殊的紫外線光源，因為室內(nèi)空間的紫外線很小。

基于led的光源在許多近紫外應(yīng)用中取代了氣體放電管，但充滿汞蒸氣的管仍然是短波紫外成像照明的最佳選擇。

有機材料比無機物更容易吸收紫外線。因此，在無機襯底上有有機材料的場景(反之亦然)在紫外波段會比在可見光或近紅外波段顯示出更多的對比度。

上述有機與無機對比效應(yīng)隨著波長的減小而增加，直至254 nm。低于這個波長，光源和光學元件將迅速變得更加昂貴，而且難以成像。

審核編輯 黃宇