多光譜成像技術(shù)是一種用于獲取和分析來自不同光譜波段的圖像數(shù)據(jù)的方法。與傳統(tǒng)的彩色圖像不同，多光譜成像技術(shù)能夠捕獲更廣泛光譜范圍內(nèi)的信息，包括可見光以外的波段，如紅外光和紫外光。這些不同波段對應(yīng)于不同的波長范圍，而不同的物質(zhì)和材料在這些波段中反射、吸收或透射光的方式也不同。多光譜相機(jī)通過使用多個(gè)光學(xué)傳感器或光學(xué)濾波器來分離不同波長的光，并同時(shí)捕獲每個(gè)波段的圖像，實(shí)現(xiàn)捕捉不同波長范圍內(nèi)光譜信息的攝像設(shè)備。它不同于普通的RGB相機(jī)，后者只能捕捉可見光波段的圖像，而多光譜相機(jī)可以捕捉更廣泛的光譜范圍，通常包括可見光、紅外線和紫外線波段。這使得多光譜相機(jī)能夠提供比普通RGB相機(jī)更豐富的信息，特別適用于許多應(yīng)用領(lǐng)域，包括農(nóng)產(chǎn)品分揀、農(nóng)田檢測、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等。

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多光譜相機(jī)的發(fā)展

Hongke

上個(gè)世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了一種全新的探測技術(shù)一一多光譜成像技術(shù)。該技術(shù)能夠在同一時(shí)間獲得目標(biāo)位于不同譜段處的空間圖像信息，通過光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方式能夠?qū)⒊上窦夹g(shù)與光譜技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。早期使用的普通航空膠片相機(jī)只能對特定的單一譜段進(jìn)行成像，而無法攜帶目標(biāo)信息。經(jīng)發(fā)展而成的多光譜相機(jī)能夠進(jìn)行多光譜、多譜段成像，成像方法主要依靠帶通濾光片的濾光作用。通過結(jié)合濾光片，能同時(shí)接收相同目標(biāo)處于不同波段所攜帶的信息，從而實(shí)現(xiàn)寬譜段范圍內(nèi)成像。多光譜相機(jī)可根據(jù)分光方式的不同分為棱鏡分光結(jié)構(gòu)、濾光輪結(jié)構(gòu)、濾光片分光式結(jié)構(gòu)。

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多光譜相機(jī)的分類

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01. 棱鏡分光法

棱鏡分光多光譜相機(jī)通常包括一個(gè)輸入光學(xué)系統(tǒng)，以引導(dǎo)入射光線。這個(gè)系統(tǒng)可以包括透鏡或其他光學(xué)組件，將光線聚焦到棱鏡上。棱鏡分光器是該相機(jī)的核心部件，它用于將入射光線分散成不同波長的光譜。通常，相機(jī)會使用一個(gè)或多個(gè)棱鏡，每個(gè)棱鏡對應(yīng)一個(gè)波段。多個(gè)棱鏡可以串聯(lián)在一起，以便一次性分散多個(gè)波段的光。通過棱鏡將不同波段的光分離，然后分離的光進(jìn)入不同的相機(jī)進(jìn)行采樣，便可以獲得多個(gè)光譜的圖像。

優(yōu)點(diǎn)：

幀率高：對于高時(shí)間分辨率的應(yīng)用非常重要，如動態(tài)過程的監(jiān)測

全分辨率：可以捕獲連續(xù)波長范圍內(nèi)的所有波段，非離散

能量無損失：基于折射和色散原理工作，不會減弱光的強(qiáng)度

缺點(diǎn)：

成本高：光學(xué)元件和光路調(diào)整成本極高

尺寸大：基于棱鏡分光的多光譜相機(jī)通常需要大型棱鏡和光學(xué)元件，使相機(jī)體積過大

02. 濾光輪技術(shù)

濾光輪相機(jī)采用濾光片旋轉(zhuǎn)的方式來獲取多通道光譜圖像，這些濾光片通常位于傳感器或鏡頭前面。這種濾光片輪通常支持8-12個(gè)波段，每個(gè)波段對應(yīng)不同的光譜范圍。隨后，通過多光譜圖像的處理，可以估計(jì)每個(gè)像素的光譜反射率。濾光輪相機(jī)的優(yōu)勢之一是在每個(gè)波段上具有全空間分辨率，同時(shí)允許根據(jù)具體應(yīng)用的需求進(jìn)行濾光片的定制和更換。然而，這種相機(jī)需要在不同波段間不斷切換，成像速度較慢，因此，只適合于拍攝靜止的目標(biāo)。

濾光輪多光譜相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

03. 濾光片陣列

基于濾光片陣列的多光譜相機(jī)可以一次拍攝獲得多光譜圖像，而不會增加尺寸或成本。通?？梢灾С挚梢姽狻⒔t外和短波紅外多個(gè)通道。它在農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、遙感和衛(wèi)星圖像等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但由于濾光片陣列上的濾光片數(shù)目有限，這種相機(jī)覆蓋的波段有限。

濾光片陣列多光譜相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

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虹科新型Monarch Pro多光譜相機(jī)方案

Hongke

虹科提供了一種新型Monarch Pro多光譜相機(jī)方案，它是世界上第一個(gè)便攜式可調(diào)多光譜紅外相機(jī)，用于個(gè)人，工業(yè)，科學(xué)和商業(yè)用途，可以讓您輕松、廉價(jià)、隨時(shí)隨地捕獲光譜圖像的設(shè)備。不再需要昂貴，笨重和敏感的設(shè)備或手持式點(diǎn)光譜儀，需要訓(xùn)練有素的操作員，不能捕捉場景背景。Monarch Pro為任何細(xì)分市場開辟了廣泛的新應(yīng)用。

可調(diào)諧近紅外解決方案通過捕獲近紅外波段的多個(gè)光譜圖像，為即時(shí)檢查、檢測和分類應(yīng)用提供了額外的可操作信息層。MonarchPro的相機(jī)可以在680nm-940nm的光譜范圍內(nèi)捕獲并立即輸出多個(gè)單波段光譜立方體高分辨率圖像。它的可負(fù)擔(dān)性和簡單性消除了在許多應(yīng)用程序和大眾市場平臺中廣泛采用的障礙。

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Monarch Pro多光譜相機(jī)技術(shù)

Hongke

人類的視覺是三色視覺，這意味著看到的每種顏色都是由位于我們視網(wǎng)膜上的三種感光細(xì)胞產(chǎn)生的信號的產(chǎn)物，這一特征將我們的視覺限制在三維顏色空間中。現(xiàn)在想象一下您有一種設(shè)備，例如手機(jī)，可以讓您將視野擴(kuò)展到高維色彩空間，并思考這可能揭示的所有隱藏信息。因此，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是使用多光譜成像。獲取物體的一系列窄帶圖像，然后將其組合成所謂的“光譜立方體”。因此，該立方體保存了物體的大量信息，并允許在每個(gè)物體上進(jìn)行光譜分析，那么問題是，我們?nèi)绾潍@得這種窄帶圖像？

當(dāng)光穿過幾個(gè)具有抗反射涂層的表面時(shí)，它會在分隔這些表面的間隙中產(chǎn)生共振并干涉，從而導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)的窄帶透射光譜?，F(xiàn)在，如果我們簡單地改變該濾光片中的光學(xué)間隙，則該透射光譜會發(fā)生偏移。進(jìn)而傳輸峰值將轉(zhuǎn)移到紅外范圍。

傳統(tǒng)的基于MEMS的Fabry-Perot濾波器

早在1987年，Melonson采用MEMS設(shè)備就實(shí)現(xiàn)了這一原理。而目前基于MEMS的Fabry-Perot濾波器受到了限制，它們的可調(diào)諧范圍非常有限，僅可以縮小初始間隙的三分之一，當(dāng)超過三分之一時(shí)，會產(chǎn)生拉動現(xiàn)象。而多光譜成像需要非常寬的濾光片可調(diào)范圍，通過簡單的解耦光學(xué)和MEMS設(shè)備可以避免拉動現(xiàn)象。

虹科多光譜相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

在該設(shè)計(jì)中，我們有一個(gè)可移動鏡子，它有一組外部電極，下圖是該可調(diào)諧濾光片實(shí)物圖，它的厚度僅為1.05mm，由三個(gè)晶圓組成，在這個(gè)概念中，當(dāng)我們施加驅(qū)動電壓時(shí)，光學(xué)間隙不再減少而是增加，并且利用此設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)將間隙擴(kuò)大到之前的6倍。

虹科可調(diào)諧多光譜濾光片

這款自下而上兼容手機(jī)的多光譜相機(jī)在農(nóng)業(yè)檢驗(yàn)、自動駕駛、工業(yè)自動化、面部識別、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展開了廣泛的應(yīng)用。通過測試，它可以在較寬的溫度和壓力范圍內(nèi)正常運(yùn)行，遠(yuǎn)超出了手機(jī)的耐受標(biāo)準(zhǔn)。

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虹科Monarch Pro功能與應(yīng)用

Hongke

不同液體的光譜圖像測試

酒、可樂、水 光譜圖像

如果我們以該圖像的紅外通道為例，并在三種液體選擇三個(gè)點(diǎn)，可以在右上圖看到該位置的強(qiáng)度響應(yīng)。從這個(gè)響應(yīng)中，可以明顯看到水、可樂和酒具有不同的光譜響應(yīng)，您可以使用它來區(qū)分液體。

Monarch Pro專業(yè)分析軟件

多光譜圖像和假色突出顯示光譜功能的差異

虹科Monarch Pro提供分析應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序?qū)⒃试S您從剛剛拍攝的圖像中提取任何底層信息。無論是分選、診斷還是檢測，您的具體專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)很容易集成并注冊到系統(tǒng)算法中，通過偽彩色顯示突出高光譜圖像的細(xì)微灰度反射差異。此功能將虹科Monarch Pro轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)大的實(shí)時(shí)決策系統(tǒng)。

Monarch Pro多光譜相機(jī)農(nóng)產(chǎn)品檢驗(yàn)

農(nóng)田應(yīng)用：Monarch Pro可立即診斷土壤、單個(gè)植物或整個(gè)農(nóng)田的狀況。它可以測量各種農(nóng)產(chǎn)品(如番茄、蘋果、香蕉、谷物等)中的水分含量、氮磷鉀含量、鎂、鐵、鈣、糖分、pH值、淀粉、酸度、蛋白質(zhì)、直鏈淀粉和支鏈淀粉等健康、成熟度以及其他數(shù)值。