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什么是多光譜成像？多光譜成像原理和結(jié)構(gòu)

2023-09-26

多光譜成像是一種光譜成像方法，可以提供包括近紫外、紅光、綠光、藍(lán)光、近紅外光、中紅外光和遠(yuǎn)紅外光在內(nèi)的波長(zhǎng)，有時(shí)還可以進(jìn)行熱成像來(lái)檢測(cè)熱輻射。那么，什么是多光譜成像呢？本文從多光譜成像的原理和結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行了總結(jié)。

一般而言，彩色攝影可視為多譜段成像手段之一，但多譜段成像設(shè)備常提供互不重疊的多個(gè)波長(zhǎng)通道，通常數(shù)量為三個(gè)以上。需注意。雖然一些多光譜成像設(shè)備(也稱為多光譜相機(jī))用于空間衛(wèi)星和飛機(jī)(見(jiàn)下文)，但也有手持設(shè)備以及安裝在工業(yè)環(huán)境中的成像設(shè)備。多光譜相機(jī)通常針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行定制，特別是關(guān)于使用的光譜波段。

多光譜圖像傳感器

當(dāng)需要運(yùn)用有限數(shù)量的波長(zhǎng)通道，比如5或8時(shí)，可使用一種圖像傳感器。該傳感器在每個(gè)像素上都配有多個(gè)光電探測(cè)器，每個(gè)波長(zhǎng)通道都對(duì)應(yīng)一個(gè)探測(cè)器。這種傳感器的設(shè)計(jì)與照相機(jī)中使用的RGB傳感器相似。雖然這種工作原理導(dǎo)致簡(jiǎn)單的光學(xué)設(shè)置，但它有一些局限性：

一個(gè)需要根據(jù)所需的光譜通道使用專門的圖像傳感器。

每個(gè)光電探測(cè)器覆蓋一定區(qū)域，相應(yīng)波長(zhǎng)區(qū)域之外的所有光都丟失。這意味著在靈敏度方面存在劣勢(shì)，特別是當(dāng)波長(zhǎng)通道的數(shù)量變大時(shí)。

當(dāng)成像系統(tǒng)需要覆蓋非常寬的光譜區(qū)域時(shí)，可能很難獲得高性能。

在這些地區(qū)，這種技術(shù)方法不是很普遍。

用于光譜掃描的高光譜相機(jī)

高光譜相機(jī)通過(guò)在具有寬帶響應(yīng)的傳統(tǒng)相機(jī)上增加高光譜，可以實(shí)現(xiàn)光譜掃描。這種輪包含多個(gè)光學(xué)帶通濾光片，用于選擇不同的波長(zhǎng)區(qū)域。可以連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，或者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，在每次運(yùn)行時(shí)隨機(jī)選擇一個(gè)過(guò)濾器。這種技術(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用輕松選擇適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾器。

相機(jī)或圖像傳感器的組合

可以采用相機(jī)的組合，例如一個(gè)用于可見(jiàn)光(具有3或4個(gè)通道)和一個(gè)或多個(gè)紅外相機(jī)。每個(gè)相機(jī)都可以配備帶通濾光片，以將靈敏度限制在某個(gè)光譜區(qū)域。然后，每個(gè)光學(xué)系統(tǒng)都可以針對(duì)相關(guān)光譜區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，并且需要不太專業(yè)的圖像傳感器。這項(xiàng)技術(shù)的缺陷是需要使用多個(gè)攝像頭，并且必須確保捕獲的圖像有良好的空間重疊度(這對(duì)于近距離的物體尤其困難)。

一種混合的方法是采用通用光學(xué)器件處理所有波長(zhǎng)，但在將光線送入多個(gè)圖像傳感器前，需將不同波長(zhǎng)的通道分開(kāi)。

掃描儀器

還可以采用掃描成像儀的原理，這最常用于高光譜成像。 最常見(jiàn)的方法是使用圖像平面中的光學(xué)狹縫僅沿線選擇圖像信息，并在垂直于該線的方向上分散不同的波長(zhǎng)分量。 需要通過(guò)組合相機(jī)、狹縫或物體不同方向的記錄來(lái)組裝完整的圖像。 不一定在光譜色散方向上為每個(gè)像素分配一個(gè)光譜箱，而是根據(jù)所需的光譜通道組合多個(gè)像素。

線掃描的原理通常用于飛機(jī)和衛(wèi)星等移動(dòng)物體中的儀器;隨后對(duì)垂直于飛行方向的一條線進(jìn)行記錄就足夠了，并將它們組裝起來(lái)以獲得完整的圖像，這些圖像可以覆蓋大的細(xì)長(zhǎng)區(qū)域。 同樣，固定式掃描儀器用于檢測(cè)工業(yè)工廠傳送帶上的物體。

也可以使用點(diǎn)掃描，其優(yōu)點(diǎn)是可以使用簡(jiǎn)單的光譜儀，例如聲光可調(diào)諧濾波器。 但是，這會(huì)導(dǎo)致采集時(shí)間暫時(shí)更長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)偽影更強(qiáng)。