導讀

高光譜成像拓展了人類的視野，讓我們能看到可見之外的東西。友思特多光譜相機基于可調諧濾光片技術，具備緊湊、高分辨率、低成本的優勢，將其應用從拓展至智慧農業、工業檢測、皮膚檢測等領域。

高光譜成像

高光譜成像，也稱為成像光譜，是一種測量圖像每個像素反射光強度的技術。該強度針對光的每個波長進行捕獲，并顯示為強度光譜，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一無二的。就像人的指紋一樣，反射光譜可用于識別相應的材料。因此，還可以通過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個波段的成像可以稱為多光譜，有時也會將多光譜擴展到多達25個波段的系統。盡管這種情況有些模糊，但有一點在科學文獻中已經得到了很好的定義，那就是：多光譜成像可以由彼此離散定位的光譜帶組成，它們不必是連續的。

光譜相機的技術原理

實現光譜相機的技術路線有多種，接下來我們介紹幾種典型的光譜相機的技術原理。

1. 多個相機系統同時使用

這是很直觀的一種方式，為機器視覺設置增加更多光譜范圍的最初方法是將多個攝像機對準目標。比如，通過彩色相機檢測水果表面損傷，再添加一臺近紅外/短波紅外相機檢查亞表面的瘀斑。這種系統設置不需要專業技術，可按需增加。

但缺點也是顯而易見的——將兩幅圖像的光譜數據合并分析很容易出錯。即使兩臺相機緊挨著放置，仍然存在足夠的視差，使兩幅圖像的像素幾乎不可能對齊。每個系統使用單獨的相機，照明，鏡頭和安裝，設備成本費用顯著增加。

適用場景：對單獨波段數據做分析，或者需要單獨的通過/不通過的評估。

2. 分束器實現多個相機探測

解決與多個獨立相機方法相關的問題的一種方法是引入一個分束器元件，該元件通過分光導入到多個相機進行光譜圖像采集。比如下圖集成了一個RGB相機與一個NIR相機。

這種方法減輕了上一種多相機方法相關的圖像捕獲和圖像配準問題，光譜信息可以在多個圖像之間進行關聯和組合。然而，分束器會造成光強損失，且多個相機的系統在體積和價格上都有影響。這種方法通常需要高功率照明，因此在高速和系統的光敏度之間存在權衡。

適合場景：光強足夠強、可以移動、對檢測設備的體積要求不高的場景。

3. 濾光片輪

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

這種濾光輪通常可以根據需要對濾光片的波長、數量進行定制和切換，基于濾光輪的相機的優點是每個波段的全空間分辨率。然而這種機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，機械運動部件需要定期更換維護。

適合場景：靜態目標、不同目標需要不同的濾光片、可接受較低的平均故障間隔時間（MTBF） 。

4. 多鏡頭單相機結構

這種形式將多個鏡頭與探測器集成在一個相機硬件系統中，它具有多個鏡頭，每個鏡頭各有一個濾光片，多個鏡頭同時拍攝同一景物，同時記錄幾個不同光譜帶的圖像信息。

多鏡頭單相機的優勢在于多波段同時采集，每個探測器的完整分辨率采集，且光譜分離度強，系統也比較緊湊。缺點在于每個波段存在位置偏差，在后處理中需要復雜的對齊算法，內部的光路設置也會比較復雜。

適用場景：主要是集成無人機，遙感的近地空遙感領域，如對植被、河流等分布做檢測分析的場景。這種遠距離成像場景下，每個探測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

這種方法只用傳感器，而不是完整的相機去做多波段光的探測，減小了相機的整體尺寸。另外，棱鏡使用二向色涂層，將入射光的適當光譜范圍引導到每個傳感器。因此，與之前分束器將相同光分光降低強度，這種方法每個通道接收的是該光譜范圍內的全部光。

這種方法實現每個波段的全空間分辨率，每個探測器的單獨優化可以實現低噪聲。另外，棱鏡分光的光譜分離度也較好，幀頻可以達到100fps以上。這種方法缺點在于通道數量受到棱鏡設計的限制，目前最多只能實現5通道。此外，棱鏡自身的尺寸也會影響相機的尺寸大小。

適合場景：快速運動場景物體、傾斜不平坦表面或不同物體尺寸的場景、同時需要光譜和空間精度。

6.像素級濾光片陣列

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 - 它們在晶圓級直接“單片”沉積到CMOS傳感器的像素上，每個像素對應一個濾光片，分布可以有2×2，3×3，4×4，5×5。通過將拜耳彩色濾光片陣列(CFA)的概念擴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。

主要問題在于這些像素級的濾光片波段可能具有相對較高的串擾，這會影響整體光譜靈敏度、像素相關噪聲參數和光譜重建的精度。另外，這類濾光片陣列的生產批次的一致性也會有明顯影響。這種成像方式與上述幾種技術最大的區別在于，每個波段并不是全空間分辨率，每個波段實際上是一種插值成像，因為濾波器陣列中每個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一直是一個具有挑戰性的問題。

適合場景：可以接受較低分辨率、可容忍光譜不確定性、靜態物體。

7.推掃相機

推掃相機是現在應用最為廣泛的光譜成像技術之一。一般由三個主要部件組成，一個鏡頭，成像光譜儀和一個圖像傳感器。成像光譜儀是推掃式相機的關鍵部件，由光分散單元和聚焦光學元件組成。在成像光譜儀中，光線通過輸入狹縫，即準直器，到達色散單元，然后聚焦到提供單線x-λ坐標的圖像傳感器上。

這種技術提供了良好的靈活性，非常適合傳送帶場景的檢測。缺點在于它隨著通道數量的增加而速度變慢，另外需要搭配移動設備對樣品進行檢測。

適合場景：傳送帶移動場景。

基于可調濾波片的多光譜相機

可調諧濾光片也是實現光譜相機的一種可行方法，并被商業化應用。濾波器基于法布里-珀羅光學腔原理。這一結構的特性為，當入射光的頻率滿足其共振條件時，其透射頻譜會出現很高的峰值，對應著很高的透射率。

在相機中它被設計為一系列涂層反射鏡，安裝在 MEMS 組件上。通過控制施加在上鏡面支架上的電壓的變化，使F-P空間發生變化以僅允許所需的紅外波長光通過。該濾光片采用全晶圓級技術制造，并且提供一個可隨時安裝并與相機組件和設備控制器集成的組件。

具體原理如下：

下方靜止的鏡面帶有光學介質涂層；

上層垂直移動的鏡面帶有光學介質圖層 - 執行器。執行器安裝在彈簧懸置裝置上可以在內部垂直運動；

通過給上層硅膠框架施加不同級別的直流張力，可以精準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；

鏡面之間的可變光學腔產生結構干涉，僅允許指定所需波長 [±15nm] 的光通過。

該技術原理的優勢在于每次拍攝的全分辨率成像，整個相機采用單鏡頭單探測器，設備體積也可以做到非常緊湊。濾波片不需要機械切換，變換速度比濾光輪更快。當然，這種波段調整始終是需要一定時間的，因此通道數目越多，幀頻也就越慢，更適合檢測靜止樣品的場景。

基于以上技術原理，友思特提供基于可調諧濾波片，覆蓋可見光-近紅外范圍的多光譜相機。Monarch Pro 與 Neptune 在 705-920 nm 范圍有10個光譜通道，其中心波長固定，但通道數可以按需打開/關閉。其最大特點在于高分辨率、緊湊設備以及低成本，為實驗室以及工業應用提供光譜成像方案。

最新的 Solomon 高光譜相機進一步拓展了光譜范圍，囊括了可見光，并將光譜通道數拓展到了20個，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可以根據客戶需要做自行設置，實現了檢測的更多靈活性。其使用簡單、經濟，使得多光譜成像從科學儀器、遙感應用向智慧農業、工業檢測、皮膚檢測等應用拓展成為可能。

了解更多？歡迎訪問官網，探索豐富案例：https://viewsitec.com/multispectral-nir-camera/

關注友思特機器視覺與光電公眾號、加入行業交流群或直接聯系我們，輕松收獲更多技術干貨！

審核編輯 黃宇