多光譜成像技術是一種用于獲取和分析來自不同光譜波段的圖像數(shù)據(jù)的方法。與傳統(tǒng)的彩色圖像不同，多光譜成像技術能夠捕獲更廣泛光譜范圍內(nèi)的信息，包括可見光以外的波段，如紅外光和紫外光。這些不同波段對應于不同的波長范圍，而不同的物質(zhì)和材料在這些波段中反射、吸收或透射光的方式也不同。多光譜相機通過使用多個光學傳感器或光學濾波器來分離不同波長的光，并同時捕獲每個波段的圖像，實現(xiàn)捕捉不同波長范圍內(nèi)光譜信息的攝像設備。它不同于普通的RGB相機，后者只能捕捉可見光波段的圖像，而多光譜相機可以捕捉更廣泛的光譜范圍，通常包括可見光、紅外線和紫外線波段。這使得多光譜相機能夠提供比普通RGB相機更豐富的信息，特別適用于許多應用領域，包括農(nóng)產(chǎn)品分揀、農(nóng)田檢測、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等。

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多光譜相機的發(fā)展

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上個世紀60年代，出現(xiàn)了一種全新的探測技術一一多光譜成像技術。該技術能夠在同一時間獲得目標位于不同譜段處的空間圖像信息，通過光學系統(tǒng)設計的方式能夠?qū)⒊上窦夹g與光譜技術進行結合。早期使用的普通航空膠片相機只能對特定的單一譜段進行成像，而無法攜帶目標信息。經(jīng)發(fā)展而成的多光譜相機能夠進行多光譜、多譜段成像，成像方法主要依靠帶通濾光片的濾光作用。通過結合濾光片，能同時接收相同目標處于不同波段所攜帶的信息，從而實現(xiàn)寬譜段范圍內(nèi)成像。多光譜相機可根據(jù)分光方式的不同分為棱鏡分光結構、濾光輪結構、濾光片分光式結構。

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多光譜相機的分類

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01. 棱鏡分光法

棱鏡分光多光譜相機通常包括一個輸入光學系統(tǒng)，以引導入射光線。這個系統(tǒng)可以包括透鏡或其他光學組件，將光線聚焦到棱鏡上。棱鏡分光器是該相機的核心部件，它用于將入射光線分散成不同波長的光譜。通常，相機會使用一個或多個棱鏡，每個棱鏡對應一個波段。多個棱鏡可以串聯(lián)在一起，以便一次性分散多個波段的光。通過棱鏡將不同波段的光分離，然后分離的光進入不同的相機進行采樣，便可以獲得多個光譜的圖像。

優(yōu)點：

幀率高：對于高時間分辨率的應用非常重要，如動態(tài)過程的監(jiān)測

全分辨率：可以捕獲連續(xù)波長范圍內(nèi)的所有波段，非離散

能量無損失：基于折射和色散原理工作，不會減弱光的強度

缺點：

成本高：光學元件和光路調(diào)整成本極高

尺寸大：基于棱鏡分光的多光譜相機通常需要大型棱鏡和光學元件，使相機體積過大

02. 濾光輪技術

濾光輪相機采用濾光片旋轉(zhuǎn)的方式來獲取多通道光譜圖像，這些濾光片通常位于傳感器或鏡頭前面。這種濾光片輪通常支持8-12個波段，每個波段對應不同的光譜范圍。隨后，通過多光譜圖像的處理，可以估計每個像素的光譜反射率。濾光輪相機的優(yōu)勢之一是在每個波段上具有全空間分辨率，同時允許根據(jù)具體應用的需求進行濾光片的定制和更換。然而，這種相機需要在不同波段間不斷切換，成像速度較慢，因此，只適合于拍攝靜止的目標。

濾光輪多光譜相機結構示意圖

03. 濾光片陣列

基于濾光片陣列的多光譜相機可以一次拍攝獲得多光譜圖像，而不會增加尺寸或成本。通常可以支持可見光、近紅外和短波紅外多個通道。它在農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、遙感和衛(wèi)星圖像等領域具有廣泛的應用。但由于濾光片陣列上的濾光片數(shù)目有限，這種相機覆蓋的波段有限。

濾光片陣列多光譜相機結構示意圖

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虹科新型Monarch Pro多光譜相機方案

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虹科提供了一種新型Monarch Pro多光譜相機方案，它是世界上第一個便攜式可調(diào)多光譜紅外相機，用于個人，工業(yè)，科學和商業(yè)用途，可以讓您輕松、廉價、隨時隨地捕獲光譜圖像的設備。不再需要昂貴，笨重和敏感的設備或手持式點光譜儀，需要訓練有素的操作員，不能捕捉場景背景。Monarch Pro為任何細分市場開辟了廣泛的新應用。

可調(diào)諧近紅外解決方案通過捕獲近紅外波段的多個光譜圖像，為即時檢查、檢測和分類應用提供了額外的可操作信息層。MonarchPro的相機可以在680nm-940nm的光譜范圍內(nèi)捕獲并立即輸出多個單波段光譜立方體高分辨率圖像。它的可負擔性和簡單性消除了在許多應用程序和大眾市場平臺中廣泛采用的障礙。

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Monarch Pro多光譜相機技術

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人類的視覺是三色視覺，這意味著看到的每種顏色都是由位于我們視網(wǎng)膜上的三種感光細胞產(chǎn)生的信號的產(chǎn)物，這一特征將我們的視覺限制在三維顏色空間中。現(xiàn)在想象一下您有一種設備，例如手機，可以讓您將視野擴展到高維色彩空間，并思考這可能揭示的所有隱藏信息。因此，實現(xiàn)這一目標的一種方法是使用多光譜成像。獲取物體的一系列窄帶圖像，然后將其組合成所謂的“光譜立方體”。因此，該立方體保存了物體的大量信息，并允許在每個物體上進行光譜分析，那么問題是，我們?nèi)绾潍@得這種窄帶圖像？

當光穿過幾個具有抗反射涂層的表面時，它會在分隔這些表面的間隙中產(chǎn)生共振并干涉，從而導致這種結構的窄帶透射光譜。現(xiàn)在，如果我們簡單地改變該濾光片中的光學間隙，則該透射光譜會發(fā)生偏移。進而傳輸峰值將轉(zhuǎn)移到紅外范圍。

傳統(tǒng)的基于MEMS的Fabry-Perot濾波器

早在1987年，Melonson采用MEMS設備就實現(xiàn)了這一原理。而目前基于MEMS的Fabry-Perot濾波器受到了限制，它們的可調(diào)諧范圍非常有限，僅可以縮小初始間隙的三分之一，當超過三分之一時，會產(chǎn)生拉動現(xiàn)象。而多光譜成像需要非常寬的濾光片可調(diào)范圍，通過簡單的解耦光學和MEMS設備可以避免拉動現(xiàn)象。

虹科多光譜相機結構示意圖

在該設計中，我們有一個可移動鏡子，它有一組外部電極，下圖是該可調(diào)諧濾光片實物圖，它的厚度僅為1.05mm，由三個晶圓組成，在這個概念中，當我們施加驅(qū)動電壓時，光學間隙不再減少而是增加，并且利用此設計可以實現(xiàn)將間隙擴大到之前的6倍。

虹科可調(diào)諧多光譜濾光片

這款自下而上兼容手機的多光譜相機在農(nóng)業(yè)檢驗、自動駕駛、工業(yè)自動化、面部識別、醫(yī)學等領域展開了廣泛的應用。通過測試，它可以在較寬的溫度和壓力范圍內(nèi)正常運行，遠超出了手機的耐受標準。

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虹科Monarch Pro功能與應用

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不同液體的光譜圖像測試

酒、可樂、水 光譜圖像

如果我們以該圖像的紅外通道為例，并在三種液體選擇三個點，可以在右上圖看到該位置的強度響應。從這個響應中，可以明顯看到水、可樂和酒具有不同的光譜響應，您可以使用它來區(qū)分液體。

Monarch Pro專業(yè)分析軟件

多光譜圖像和假色突出顯示光譜功能的差異

虹科Monarch Pro提供分析應用程序，該應用程序?qū)⒃试S您從剛剛拍攝的圖像中提取任何底層信息。無論是分選、診斷還是檢測，您的具體專業(yè)知識和經(jīng)驗很容易集成并注冊到系統(tǒng)算法中，通過偽彩色顯示突出高光譜圖像的細微灰度反射差異。此功能將虹科Monarch Pro轉(zhuǎn)變?yōu)閺姶蟮膶崟r決策系統(tǒng)。

Monarch Pro多光譜相機農(nóng)產(chǎn)品檢驗

農(nóng)田應用：Monarch Pro可立即診斷土壤、單個植物或整個農(nóng)田的狀況。它可以測量各種農(nóng)產(chǎn)品(如番茄、蘋果、香蕉、谷物等)中的水分含量、氮磷鉀含量、鎂、鐵、鈣、糖分、pH值、淀粉、酸度、蛋白質(zhì)、直鏈淀粉和支鏈淀粉等健康、成熟度以及其他數(shù)值。