高光谱相机技术原理

高光谱相机成像技术原理

1.光栅色分光原理

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，再通过光栅进行折射分光，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。

2.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。

3.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);

4.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。

5.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。

高光谱相机具有自定义波段的功能，大大方便了在图像采集、颜色检测应用中对不同波长图像的采集需求，配合软件可以读取单个像素的光谱数据，非常适合非均匀颜色的测量

　　目前市面上有四种原理的高光谱相机：光谱扫描、快照、点扫描和线扫描。

　　1)光谱扫描

　　就是一次获得一个波段的图像，成像设备是个可调的滤光片和灰度相机。

　　2)快照

　　就是一次获得一个立体的高光谱图像。目前应用比较多的是通过多通道的滤光片来实现。成像快，但是光谱分辨率低。

　　3)点扫描

　　就是一次获得一个点的光谱数据，成像设备是个分光仪。可以用在卫星上，需要两个方向的自由度。

　　4)线扫描

　　就是一次获得一条线上的光谱数据，成像设备是个光谱仪和灰度相机。由于光谱分辨率高，成像比较快，目前应用最多。

　　高光谱相机普遍都有的几个特点：

　　1、支持多区域ROI

　　具有自定义波段选择(ROI)功能，在可以满足许多不同应用的需求同时，还可以具有高速数据采集速度。

　　2、非常低的台间差

　　经过统一波长标定的高光谱相机每台设备都可产生相同的数据，方便安装和替换，无需返厂再次标定。标定后的图像数据即可实时处理也可替代应用于后期的数据处理。

　　3、超高感光

　　采用高透光率的光学设计，把相机的聚光能力提升到了一个崭新的标准，并且只需要一个线光源就可满足设备需求。

　　4、稳定优秀的数据

　　对所有的工业实时应用的领域来说，线阵推扫式的成像方式是高速获得稳定的数据的技术。高光谱相机在高速成像的同时，同一时间获得目标区域的所有光谱信息数据，保证每一个空间像素的光谱纯洁度。为客户提供更加真实准确的高光谱数据。

高光谱相机结构功能

1. 光学组件

高光谱相机通常包含光学透镜、滤光片和光谱分离元件等光学组件。光学透镜用于聚焦物体的光到相机内部，滤光片用于选择感兴趣的波段，光谱分离元件（如光栅、棱镜等）用于将光按照波长进行分离。

2. 光谱分辨率

高光谱相机的光谱分辨率较高，通常可以达到几纳米甚至更小的量级。光谱分辨率决定了相机能够分辨的不同波长之间的差异程度，从而影响了对物体细节和成分的分析能力。

3. 存储和处理

高光谱相机通常配备存储设备和处理器，可以将采集到的光谱数据存储下来，并进行后续的数据处理和分析。存储设备常常是高容量的存储卡，处理器则用于执行数据处理算法和分析方法。

高光谱相机的技术实现原理

1. 光学采集

相机的光学系统将来自物体的光聚焦到相机内部。

2. 光谱分离

光学系统内的色散元件（如棱镜或光栅）将聚焦的光按照波长进行分离。

3. 分光

被分离的光传递到光电传感器。

4. 光电转换

光电传感器将不同波长的光转换为电信号。

5. 数据采集

对光电传感器输出的电信号进行采样和数字化。

6. 数据处理与分析

通过算法和方法对采集到的光谱数据进行处理和分析，提取物体的光谱信息。

高光谱相机的技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据，从而实现对物体的材质、成分、结构等信息的提取和分析

　　应用

　　可广泛应用印刷品检测、纺织品检测、药品成分分析、薄膜检测、分选设备、屏幕检测、农产品检测等场合。