來(lái)源：友思特新品| 多光譜與高光譜相機(jī)：基于隨心而定的可調(diào)諧濾光片技術(shù)

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#高光譜成像 #高光譜相機(jī)

導(dǎo)讀

高光譜成像拓展了人類(lèi)的視野，讓我們能看到可見(jiàn)光之外的東西。友思特高光譜相機(jī)與多光譜相機(jī)基于可調(diào)諧濾光片技術(shù)，具備緊湊、高分辨率、低成本的優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用拓展至智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)檢測(cè)、皮膚檢測(cè)等領(lǐng)域。

高光譜成像

高光譜成像 ，也稱為成像光譜，是一種測(cè)量圖像每個(gè)像素反射光強(qiáng)度的技術(shù)。該強(qiáng)度針對(duì)光的每個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行捕獲，并顯示為強(qiáng)度光譜，即所謂的反射光譜。每種材料反射光的方式都不同。因此，每種材料的反射光譜也是獨(dú)一無(wú)二的。就像人的指紋一樣，反射光譜可用于識(shí)別相應(yīng)的材料。因此，還可以通過(guò)反射光譜分析材料和物體的各種特性。

在成像界有一種不言而喻的理解，即2-20個(gè)波段的成像可以稱為多光譜，有時(shí)也會(huì)將多光譜擴(kuò)展到多達(dá)25個(gè)波段的系統(tǒng)。盡管這種情況有些模糊，但有一點(diǎn)在科學(xué)文獻(xiàn)中已經(jīng)得到了很好的定義，那就是： 多光譜成像可以由彼此離散定位的光譜帶組成 ，它們不必是連續(xù)的。

光譜相機(jī)的技術(shù)原理

實(shí)現(xiàn)光譜相機(jī)的技術(shù)路線有多種，接下來(lái)我們介紹幾種典型的光譜相機(jī)的技術(shù)原理。

1. 多個(gè)相機(jī)系統(tǒng)同時(shí)使用

這是很直觀的一種方式，為機(jī)器視覺(jué)設(shè)置增加更多光譜范圍的最初方法是將 多個(gè)攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo) 。比如，通過(guò)彩色相機(jī)檢測(cè)水果表面損傷，再添加一臺(tái)近紅外/短波紅外相機(jī)檢查亞表面的瘀斑。這種系統(tǒng)設(shè)置不需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)，可按需增加。

但缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的——將兩幅圖像的光譜數(shù)據(jù)合并分析很容易出錯(cuò)。即使兩臺(tái)相機(jī)緊挨著放置，仍然存在足夠的視差，使兩幅圖像的 像素幾乎不可能對(duì)齊 。每個(gè)系統(tǒng)使用單獨(dú)的相機(jī)，照明，鏡頭和安裝，設(shè)備成本費(fèi)用顯著增加。

適用場(chǎng)景 ：對(duì)單獨(dú)波段數(shù)據(jù)做分析，或者需要單獨(dú)的通過(guò)/不通過(guò)的評(píng)估。

2. 分束器實(shí)現(xiàn)多個(gè)相機(jī)探測(cè)

解決與多個(gè)獨(dú)立相機(jī)方法相關(guān)的問(wèn)題的一種方法是引入一個(gè)分束器元件，該元件通過(guò)分光導(dǎo)入到多個(gè)相機(jī)進(jìn)行光譜圖像采集。比如下圖集成了一個(gè)RGB相機(jī)與一個(gè)NIR相機(jī)。

這種方法減輕了上一種多相機(jī)方法相關(guān)的圖像捕獲和圖像配準(zhǔn)問(wèn)題，光譜信息可以在多個(gè)圖像之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)和組合。然而，分束器會(huì)造成光強(qiáng)損失，且多個(gè)相機(jī)的系統(tǒng)在體積和價(jià)格上都有影響。這種方法通常需要高功率照明，因此在高速和系統(tǒng)的光敏度之間存在權(quán)衡。

適合場(chǎng)景： 光強(qiáng)足夠強(qiáng)、可以移動(dòng)、對(duì)檢測(cè)設(shè)備的體積要求不高的場(chǎng)景。

3. 濾光片輪

如果考慮單一相機(jī)系統(tǒng)，那么最直接的思路就是在鏡頭前加上 窄帶濾光片 ，只允許特定波長(zhǎng)的光通過(guò)。然后將濾光片進(jìn)行切換，即可獲得多個(gè)不同光譜通道的圖像。濾光輪相機(jī)就是這種形式，通過(guò)旋轉(zhuǎn)安裝在傳感器或鏡頭前面的濾光輪中的濾光片來(lái)捕獲多通道光譜圖像。

這種濾光輪通?？梢愿鶕?jù)需要對(duì)濾光片的波長(zhǎng)、數(shù)量進(jìn)行定制和切換，基于濾光輪的相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)波段的 全空間分辨率 。然而這種機(jī)械元件的切換總是比較慢速的，波段之間可能存在 位置偏移 ，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件需要 定期更換維護(hù) 。

適合場(chǎng)景 ：靜態(tài)目標(biāo)、不同目標(biāo)需要不同的濾光片、可接受較低的平均故障間隔時(shí)間（MTBF） 。

4. 多鏡頭單相機(jī)結(jié)構(gòu)

這種形式將多個(gè)鏡頭與探測(cè)器集成在一個(gè)相機(jī)硬件系統(tǒng)中，它具有多個(gè)鏡頭，每個(gè)鏡頭各有一個(gè)濾光片，多個(gè)鏡頭同時(shí)拍攝同一景物，同時(shí)記錄幾個(gè)不同光譜帶的圖像信息。

多鏡頭單相機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于多波段同時(shí)采集，每個(gè)探測(cè)器的完整分辨率采集，且光譜分離度強(qiáng)，系統(tǒng)也比較緊湊。缺點(diǎn)在于每個(gè)波段存在位置偏差，在后處理中需要復(fù)雜的對(duì)齊算法，內(nèi)部的光路設(shè)置也會(huì)比較復(fù)雜。

適用場(chǎng)景 ：主要是集成無(wú)人機(jī)，遙感的近地空遙感領(lǐng)域，如對(duì)植被、河流等分布做檢測(cè)分析的場(chǎng)景。這種遠(yuǎn)距離成像場(chǎng)景下，每個(gè)探測(cè)器之間的固定差距將影響較小。

5. 多傳感器二向色棱鏡相機(jī)

這種方法只用 傳感器 ，而不是完整的相機(jī)去做多波段光的探測(cè)，減小了相機(jī)的整體尺寸。另外，棱鏡使用 二向色涂層 ，將入射光的適當(dāng)光譜范圍引導(dǎo)到每個(gè)傳感器。因此，與之前分束器將相同光分光降低強(qiáng)度，這種方法每個(gè)通道接收的是該光譜范圍內(nèi)的全部光。

這種方法實(shí)現(xiàn)每個(gè)波段的全空間分辨率，每個(gè)探測(cè)器的單獨(dú)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn) 低噪聲 。另外，棱鏡分光的光譜分離度也較好，幀頻可以達(dá)到 100fps以上 。這種方法缺點(diǎn)在于通道數(shù)量受到棱鏡設(shè)計(jì)的限制，目前最多只能實(shí)現(xiàn) 5通道 。此外，棱鏡自身的尺寸也會(huì)影響相機(jī)的尺寸大小。

適合場(chǎng)景： 快速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景物體、傾斜不平坦表面或不同物體尺寸的場(chǎng)景、同時(shí)需要光譜和空間精度。

6. 像素級(jí)濾光片陣列

該方法是在采用了濾光片，但濾光片不是附著或“粘”在傳感器上 - 它們?cè)诰A級(jí)直接 “單片” 沉積到CMOS傳感器的像素上，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)濾光片，分布可以有2×2，3×3，4×4，5×5。通過(guò)將拜耳彩色濾光片陣列(CFA)的概念擴(kuò)展到 多光譜濾波陣列(MSFA) ，可以在不增加尺寸或成本的情況下獲得多光譜圖像，在某些情況下甚至是高光譜圖像。

主要問(wèn)題在于這些像素級(jí)的濾光片波段可能具有相對(duì)較高的 串?dāng)_ ，這會(huì)影響整體光譜靈敏度、像素相關(guān)噪聲參數(shù)和光譜重建的精度。另外，這類(lèi)濾光片陣列的生產(chǎn)批次的一致性也會(huì)有明顯影響。這種成像方式與上述幾種技術(shù)最大的區(qū)別在于，每個(gè)波段并不是全空間分辨率，每個(gè)波段實(shí)際上是一種 插值成像 ，因?yàn)?a href="http://srfitnesspt.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器陣列中每個(gè)光譜帶的采樣非常稀疏。波段越多，各波段的 空間精度越低 ，這種去馬賽克的技術(shù)一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

適合場(chǎng)景： 可以接受較低分辨率、可容忍光譜不確定性、靜態(tài)物體。

7. 推掃相機(jī)

推掃相機(jī)是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的光譜成像技術(shù)之一。一般由三個(gè)主要部件組成，一個(gè)鏡頭，成像光譜儀和一個(gè)圖像傳感器。成像光譜儀是推掃式相機(jī)的關(guān)鍵部件，由光分散單元和聚焦光學(xué)元件組成。在成像光譜儀中，光線通過(guò)輸入狹縫，即準(zhǔn)直器，到達(dá)色散單元，然后聚焦到提供單線x-λ坐標(biāo)的圖像傳感器上。

這種技術(shù)提供了良好的靈活性，非常適合傳送帶場(chǎng)景的檢測(cè)。缺點(diǎn)在于它隨著通道數(shù)量的增加而 速度變慢 ，另外需要搭配移動(dòng)設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。

適合場(chǎng)景： 傳送帶移動(dòng)場(chǎng)景。

基于****可調(diào)濾波片的多光譜與高光譜相機(jī)

可調(diào)諧濾光片也是實(shí)現(xiàn)光譜相機(jī)的一種可行方法，并被商業(yè)化應(yīng)用。濾波器基于法布里-珀羅光學(xué)腔原理。這一結(jié)構(gòu)的特性為，當(dāng)入射光的頻率滿足其共振條件時(shí)，其透射頻譜會(huì)出現(xiàn)很高的峰值，對(duì)應(yīng)著很高的透射率。

在相機(jī)中它被設(shè)計(jì)為一系列涂層反射鏡，安裝在MEMS 組件上。通過(guò)控制施加在上鏡面支架上的電壓的變化，使F-P空間發(fā)生變化以僅允許所需的紅外波長(zhǎng)光通過(guò)。該濾光片采用全晶圓級(jí)技術(shù)制造，并且提供一個(gè)可隨時(shí)安裝并與相機(jī)組件和設(shè)備控制器集成的組件。

具體原理如下：

l 下方靜止的鏡面帶有光學(xué)介質(zhì)涂層；

l 上層垂直移動(dòng)的鏡面帶有光學(xué)介質(zhì)圖層- 執(zhí)行器。執(zhí)行器安裝在彈簧懸置裝置上可以在內(nèi)部垂直運(yùn)動(dòng)；

l 通過(guò)給上層硅膠框架施加不同級(jí)別的直流張力，可以精準(zhǔn)地控制上下鏡面之間的距離[±2nm]，而下硅膠框架是靜止和電接地的；

l 鏡面之間的可變光學(xué)腔產(chǎn)生結(jié)構(gòu)干涉，僅允許指定所需波長(zhǎng)[±15nm] 的光通過(guò)。

該技術(shù)原理的優(yōu)勢(shì)在于每次拍攝的全分辨率成像，整個(gè)相機(jī)采用單鏡頭單探測(cè)器，設(shè)備體積也可以做到非常緊湊。濾波片不需要機(jī)械切換，變換速度比濾光輪更快。當(dāng)然，這種波段調(diào)整始終是需要一定時(shí)間的，因此通道數(shù)目越多，幀頻也就越慢，更適合檢測(cè)靜止樣品的場(chǎng)景。

基于以上技術(shù)原理，友思特提供基于可調(diào)諧濾波片，覆蓋可見(jiàn)光-近紅外范圍的 多光譜相機(jī) 。**Monarch Pro 與 Neptune **在705-920 nm 范圍有10個(gè)光譜通道，其中心波長(zhǎng)固定，但通道數(shù)可以按需打開(kāi)/關(guān)閉。其最大特點(diǎn)在于 高分辨率、緊湊設(shè)備以及低成本 ，為實(shí)驗(yàn)室以及工業(yè)應(yīng)用提供光譜成像方案。

最新的Solomon 高光譜相機(jī)進(jìn)一步拓展了光譜范圍，囊括了可見(jiàn)光，并將光譜通道數(shù)拓展到了20個(gè)，額外的RGB攝像頭還提供彩色圖像。最重要的是，光譜通道的中心波長(zhǎng)可以根據(jù)客戶需要做自行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)的更多靈活性。其使用簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，使得多光譜成像從科學(xué)儀器、遙感應(yīng)用向智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)檢測(cè)、皮膚檢測(cè)等應(yīng)用拓展成為可能。

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審核編輯 黃宇