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)

導(dǎo)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(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)用從拓展至智慧農(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)置不需要專業(yè)技術(shù)，可按需增加。

但缺點(diǎn)也是顯而易見的——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/不通過的評(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)的問題的一種方法是引入一個(gè)分束器元件，該元件通過分光導(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，只允許特定波長的光通過。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，通過旋轉(zhuǎn)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?？梢愿鶕?jù)需要對(duì)濾光片的波長、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://ttokpm.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光通過。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：

下方靜止的鏡面帶有光學(xué)介質(zhì)涂層；

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)；

通過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；

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 [±15nm] 的光通過。

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，其中心波長固定，但通道數(shù)可以按需打開/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