高光譜相機(jī)成像技術(shù)原理

1.光柵色分光原理

在經(jīng)典物理學(xué)中，光波穿過(guò)狹縫、小孔或者圓盤(pán)之類(lèi)的障礙物時(shí)，不同波長(zhǎng)的光會(huì)發(fā)生不同程度的彎散傳播，再通過(guò)光柵進(jìn)行折射分光，形成一條條譜帶。也就是說(shuō)空間中的一維信息通過(guò)鏡頭和狹縫后，不同波長(zhǎng)的光按照不同程度的彎散傳播，這一維圖像上的每個(gè)點(diǎn)，再通過(guò)光柵進(jìn)行衍射分光，形成一個(gè)譜帶，照射到探測(cè)器上，探測(cè)器上的每個(gè)像素位置和強(qiáng)度表征光譜和強(qiáng)度。一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)譜段，一條線(xiàn)就對(duì)應(yīng)一個(gè)譜面，因此探測(cè)器每次成像是空間一條線(xiàn)上的光譜信息，為了獲得空間二維圖像再通過(guò)機(jī)械推掃，完成整個(gè)平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。

2.聲光可調(diào)諧濾波分光(AOTF)原理:

AOTF由聲光介質(zhì)、換能器和聲終端三部分組成。射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)換能器在聲光介質(zhì)內(nèi)激勵(lì)出超聲波。改變射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，可以改變AOTF衍射光的波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧波長(zhǎng)的掃描。

3.AOTF系統(tǒng)組成:

AOTF系統(tǒng)組成:成像物鏡+準(zhǔn)直鏡+偏振片+晶體+偏振片+物鏡+detector，入射光經(jīng)過(guò)物鏡會(huì)聚之后進(jìn)入準(zhǔn)平行鏡(把所有的入射光變成平行光)，準(zhǔn)平行光進(jìn)入偏振片通過(guò)同一方向的傳播的光，平行光進(jìn)入晶體之后，平行于光軸的光按照原來(lái)方向前行，非平行光進(jìn)行衍射，分成兩束相互垂直o光和e光(入射光的波長(zhǎng)不同經(jīng)過(guò)晶體之后的o光與e光的角度也不同，因此在改變波長(zhǎng)的過(guò)程中，圖像會(huì)出現(xiàn)漂移);o光和e光及0級(jí)光分別會(huì)聚在不同的面上。

如圖所示:

為了保證入射光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)平行鏡之后能夠完全變化成平行光，因此對(duì)前端的物鏡視場(chǎng)角有一定的要求，根據(jù)晶體的xxx角，可算出物鏡最大的視場(chǎng)角，小于最大視場(chǎng)角的情況，成像ok，如果大于視場(chǎng)角，則會(huì)造成重影(衍射光與0級(jí)光都進(jìn)入了sensor);

4.棱鏡分光

入射光通過(guò)棱鏡后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探測(cè)器上進(jìn)行成像。棱鏡分光后，在棱鏡的出射面鍍了不同波段的濾光膜，使得不同方向的探測(cè)器可以采集到不同光譜信息，實(shí)現(xiàn)同時(shí)采集空間及光譜信息。

5.芯片鍍膜

近年來(lái)，IMEC(歐洲微電子研究中心)采用高靈敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一種新的高光譜成像技術(shù)，在探測(cè)器的像元上分別鍍不同波段的濾波膜實(shí)現(xiàn)高光譜成像，此技術(shù)大大降低的高光譜成像的成本。

目前IMEC提供三種標(biāo)準(zhǔn)的光譜探測(cè)器:100波帶的線(xiàn)掃描探測(cè)器，32波帶的瓷磚式鍍膜探測(cè)器，16波帶以4x4為一個(gè)波段的馬賽克式鍍膜探測(cè)器

這種光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)獲得光譜分辨率和空間分辨率，可以進(jìn)行快速、高性能地獲得光譜信息和空間信息，集成度高，成本低。但是缺點(diǎn)是光譜靈敏度較低，一般大于10nm，多用于無(wú)人機(jī)等大范圍掃描的光譜應(yīng)用領(lǐng)域。

高光譜相機(jī)具有自定義波段的功能，大大方便了在圖像采集、顏色檢測(cè)應(yīng)用中對(duì)不同波長(zhǎng)圖像的采集需求，配合軟件可以讀取單個(gè)像素的光譜數(shù)據(jù)，非常適合非均勻顏色的測(cè)量

　　目前市面上有四種原理的高光譜相機(jī)：光譜掃描、快照、點(diǎn)掃描和線(xiàn)掃描。

　　1)光譜掃描

　　就是一次獲得一個(gè)波段的圖像，成像設(shè)備是個(gè)可調(diào)的濾光片和灰度相機(jī)。

　　2)快照

　　就是一次獲得一個(gè)立體的高光譜圖像。目前應(yīng)用比較多的是通過(guò)多通道的濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)。成像快，但是光譜分辨率低。

　　3)點(diǎn)掃描

　　就是一次獲得一個(gè)點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)，成像設(shè)備是個(gè)分光儀?？梢杂迷谛l(wèi)星上，需要兩個(gè)方向的自由度。

　　4)線(xiàn)掃描

　　就是一次獲得一條線(xiàn)上的光譜數(shù)據(jù)，成像設(shè)備是個(gè)光譜儀和灰度相機(jī)。由于光譜分辨率高，成像比較快，目前應(yīng)用最多。

　　高光譜相機(jī)普遍都有的幾個(gè)特點(diǎn)：

　　1、支持多區(qū)域ROI

　　具有自定義波段選擇(ROI)功能，在可以滿(mǎn)足許多不同應(yīng)用的需求同時(shí)，還可以具有高速數(shù)據(jù)采集速度。

　　2、非常低的臺(tái)間差

　　經(jīng)過(guò)統(tǒng)一波長(zhǎng)標(biāo)定的高光譜相機(jī)每臺(tái)設(shè)備都可產(chǎn)生相同的數(shù)據(jù)，方便安裝和替換，無(wú)需返廠再次標(biāo)定。標(biāo)定后的圖像數(shù)據(jù)即可實(shí)時(shí)處理也可替代應(yīng)用于后期的數(shù)據(jù)處理。

　　3、超高感光

　　采用高透光率的光學(xué)設(shè)計(jì)，把相機(jī)的聚光能力提升到了一個(gè)嶄新的標(biāo)準(zhǔn)，并且只需要一個(gè)線(xiàn)光源就可滿(mǎn)足設(shè)備需求。

　　4、穩(wěn)定優(yōu)秀的數(shù)據(jù)

　　對(duì)所有的工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用的領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，線(xiàn)陣推掃式的成像方式是高速獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)的技術(shù)。高光譜相機(jī)在高速成像的同時(shí)，同一時(shí)間獲得目標(biāo)區(qū)域的所有光譜信息數(shù)據(jù)，保證每一個(gè)空間像素的光譜純潔度。為客戶(hù)提供更加真實(shí)準(zhǔn)確的高光譜數(shù)據(jù)。

高光譜相機(jī)結(jié)構(gòu)功能

1. 光學(xué)組件

高光譜相機(jī)通常包含光學(xué)透鏡、濾光片和光譜分離元件等光學(xué)組件。光學(xué)透鏡用于聚焦物體的光到相機(jī)內(nèi)部，濾光片用于選擇感興趣的波段，光譜分離元件（如光柵、棱鏡等）用于將光按照波長(zhǎng)進(jìn)行分離。

2. 光譜分辨率

高光譜相機(jī)的光譜分辨率較高，通常可以達(dá)到幾納米甚至更小的量級(jí)。光譜分辨率決定了相機(jī)能夠分辨的不同波長(zhǎng)之間的差異程度，從而影響了對(duì)物體細(xì)節(jié)和成分的分析能力。

3. 存儲(chǔ)和處理

高光譜相機(jī)通常配備存儲(chǔ)設(shè)備和處理器，可以將采集到的光譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，并進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。存儲(chǔ)設(shè)備常常是高容量的存儲(chǔ)卡，處理器則用于執(zhí)行數(shù)據(jù)處理算法和分析方法。

高光譜相機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

1. 光學(xué)采集

相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)將來(lái)自物體的光聚焦到相機(jī)內(nèi)部。

2. 光譜分離

光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的色散元件（如棱鏡或光柵）將聚焦的光按照波長(zhǎng)進(jìn)行分離。

3. 分光

被分離的光傳遞到光電傳感器。

4. 光電轉(zhuǎn)換

光電傳感器將不同波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

5. 數(shù)據(jù)采集

對(duì)光電傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字化。

6. 數(shù)據(jù)處理與分析

通過(guò)算法和方法對(duì)采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取物體的光譜信息。

高光譜相機(jī)的技術(shù)是基于非常多窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù)，它將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合，探測(cè)目標(biāo)的二維幾何空間及一維光譜信息，獲取高光譜分辨率的連續(xù)、窄波段的圖像數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的材質(zhì)、成分、結(jié)構(gòu)等信息的提取和分析

　　應(yīng)用

　　可廣泛應(yīng)用印刷品檢測(cè)、紡織品檢測(cè)、藥品成分分析、薄膜檢測(cè)、分選設(shè)備、屏幕檢測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)等場(chǎng)合。