机器视觉之高光谱成像技术分析

高光谱成像技术

高光谱成像技术起源于地质矿物识别填图研究，逐渐扩展为植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气的研究中。对空间探测、军事安全、国土资源、科学研究等领域都具有非常重要的意义。

所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此，通过高光谱设备获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。

目前高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。

原理：

光栅分光原理：

在经典物理学中，光波穿过狭缝、小孔或者圆盘之类的障碍物时，不同波长的光会发生不同程度的弯散传播，再通过光栅进行衍射分光，形成一条条谱带。也就是说：空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。

经过狭缝的光由于不同波长照射到不同的探测器像元上，光能量很低，因此需要选择高灵敏相机，同时需要加光源。例如系统如下：

声光可调谐滤波分光(AOTF)原理：

AOTF由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器在声光介质内激励出超声波。改变射频驱动信号的频率，可以改变AOTF衍射光的波长，从而实现电调谐波长的扫描。

最常用的AOTF晶体材料为TeO2即非共线晶体，也就是说光波通过晶体之后以不同的出射角传播。如上图所示：在晶体前端有一个换能器，作用于不同的驱动频率，产生不同频率的振动即声波。不同的驱动频率对应于不同振动的声波，声波通过晶体TeO2之后，使晶体中晶格产生了布拉格衍射，晶格更像一种滤波器，使晶体只能通过一种波长的光。光进入晶体之后发生衍射，产生衍射光和零级光。

l AOTF系统组成：

AOTF系统组成：成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector，入射光经过物镜会聚之后进入准平行镜(把所有的入射光变成平行光)，准平行光进入偏振片通过同一方向的传播的光，平行光进入晶体之后，平行于光轴的光按照原来方向前行，非平行光进行衍射，分成两束相互垂直o光和e光(入射光的波长不同经过晶体之后的o光与e光的角度也不同，因此在改变波长的过程中，图像会出现漂移);o 光和e光及0级光分别会聚在不同的面上。

如图所示：

为了保证入射光经过准平行镜之后能够完全变化成平行光，因此对前端的物镜视场角有一定的要求，根据晶体的xxx角，可算出物镜最大的视场角，小于最大视场角的情况，成像ok，如果大于视场角，则会造成重影(衍射光与0级光都进入了sensor);

实现方法：

不同波长的光经过晶体之后衍射光与0级光的夹角也不同，因此为了能够保证更好的成像效果，在晶体的出光口加入遮挡片，即遮挡0级光，避免与衍射光一起进入sensor，造成重影。

对聚光准直系统的优化有两个方面：1提高光源的聚光效果，2减小聚光准直系统的外形尺寸。

棱镜分光：

入射光通过棱镜后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探测器上进行成像。棱镜分光后，在棱镜的出射面镀了不同波段的滤光膜，使得不同方向的探测器可以采集到不同光谱信息，实现同时采集空间及光谱信息。

芯片镀膜

近年来，IMEC(欧洲微电子研究中心)采用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一种新的高光谱成像技术，在探测器的像元上分别镀不同波段的滤波膜实现高光谱成像，此技术大大降低的高光谱成像的成本。

目前IMEC提供三种标准的光谱探测器：100波带的线扫描探测器，32波带的瓷砖式镀膜探测器，16波带以4x4为一个波段的马赛克式镀膜探测器

这种光谱技术的优点是可以同时获得光谱分辨率和空间分辨率，可以进行快速、高性能地获得光谱信息和空间信息，集成度高，成本低。但是缺点是光谱灵敏度较低，一般大于10nm，多用于无人机等大范围扫描的光谱应用领域。

主要产品：