高光譜相機(jī)，也被稱為高光譜成像光譜儀，是一種綜合了光譜采集和目標(biāo)成像的探測設(shè)備。通過利用成像光譜技術(shù)，它能夠在連續(xù)光譜波段上對同一目標(biāo)進(jìn)行光譜成像，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的空間、輻射和光譜三重信息的綜合分析，極大地提升了目標(biāo)觀測的信息維度。

高光譜相機(jī)根據(jù)分光原理的不同可以分為三類：色散型、干涉型和濾光片型。其中，色散型高光譜相機(jī)具有成本低廉、光譜分辨率高以及能夠同時(shí)對所有波長進(jìn)行成像等特點(diǎn)，但同一時(shí)刻只能獲得一條線的影像。色散型高光譜相機(jī)通常利用色散元件（如光柵或棱鏡）進(jìn)行分光，然后通過成像系統(tǒng)將分光后的光線投射到探測器上。下圖展示了光柵色散型高光譜相機(jī)的具體工作原理。

如果我們要對圖中的樹葉進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)的測量，首先需要通過入射光在光柵面上的反射來分解入射光在不同波長處的能量分布，為了實(shí)現(xiàn)這一過程，我們需要使用反射光柵或透射光柵來對光線進(jìn)行分光。

這種測量方法的優(yōu)勢在于可以一次性處理一條線上的所有點(diǎn)。對于每一個(gè)點(diǎn)，我們可以測量其不同波長處的能量。因此，大多數(shù)光柵型的高光譜相機(jī)都設(shè)計(jì)成線掃描相機(jī)，以便一次獲取一條線上每一點(diǎn)的所有波長的光譜數(shù)據(jù)。由于每一點(diǎn)的不同波長處的光譜數(shù)據(jù)是同時(shí)獲取的，我們可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)計(jì)算。這是光柵型高光譜相機(jī)非常重要的一個(gè)特性。

光柵型的高光譜相機(jī)特別適用于顏色測量、水果分類和品質(zhì)評估、糖度檢測以及塑料垃圾回收中塑料的分類等領(lǐng)域。這些應(yīng)用都需要對每個(gè)點(diǎn)的多個(gè)波長數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)運(yùn)算，以得出所需的結(jié)果。

如果我們希望獲得一張完整的高光譜數(shù)據(jù)圖像，而不僅僅是一條線的高光譜數(shù)據(jù)，我們需要使線掃描高光譜相機(jī)與樹葉之間產(chǎn)生相對移動，通過類似掃描儀的方式掃描過去，就可以獲取整株樹葉的高清光譜數(shù)據(jù)了。

目前，光柵色散型高光譜相機(jī)是所有手段中分光能力最強(qiáng)、光譜分辨率最高、性價(jià)比最高且應(yīng)用最廣泛的高光譜相機(jī)類型。2020年以前，一臺國外生產(chǎn)的高光譜相機(jī)的價(jià)格約為40萬~50萬人民幣。然而，現(xiàn)在杭州彩譜生產(chǎn)的高光譜相機(jī)在國內(nèi)的售價(jià)已經(jīng)低于10萬元，因此具有非常高的性價(jià)比。目前已經(jīng)在顏色測量、水果分類和品質(zhì)測量等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在糖酸度檢測和塑料垃圾回收方面。

干涉型高光譜相機(jī)主要是利用干涉圖與光譜圖之間的對應(yīng)關(guān)系，通過使用干涉儀來測量譜線元的干涉強(qiáng)度，并對干涉圖進(jìn)行逆傅里葉變換，以獲得目標(biāo)的光譜圖。具體原理如圖所示：

高光譜相機(jī)的特點(diǎn)之一是價(jià)格昂貴，但其光譜分辨率較高，它能在一個(gè)時(shí)刻對整幅圖像成像一個(gè)波長，但無法同時(shí)成像所有波長。

干涉型高光譜相機(jī)具有獨(dú)特的特性，它能夠在特定波長下同時(shí)獲得整張圖像的光譜數(shù)據(jù)。然而，要獲取其他波長處的光譜數(shù)據(jù)，需要移動內(nèi)部的棱鏡，并在另一個(gè)時(shí)刻獲得整張圖像的其他波長處的數(shù)據(jù)。

這種特性非常重要，目前國外已經(jīng)有人研發(fā)了基于相同原理的高光譜相機(jī)，并且價(jià)格并不昂貴。他們使用法布里波羅腔（FPI）作為分光器件。

這種原理的高光譜相機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在一些明顯的劣勢。

舉例來說，如果我們想從一堆塑料中挑選出所需的塑料，最簡單的方法是拍攝一張高光譜圖像，然后比較圖像中每個(gè)點(diǎn)的光譜譜線，以確定它們屬于哪種塑料。

如果使用光柵型高光譜相機(jī)進(jìn)行線掃描成像，由于圖像中的每個(gè)點(diǎn)都能同時(shí)獲取所有波長處的光譜數(shù)據(jù)，因此可以對每個(gè)點(diǎn)的整個(gè)光譜曲線進(jìn)行分析。

如果使用干涉型高光譜相機(jī)，例如它只能在特定時(shí)刻獲取整張圖像在600納米處的光譜數(shù)據(jù)，需要移動透鏡（經(jīng)過一段時(shí)間）后才能獲取700納米處的光譜圖像。但是600納米和700納米并不是在同一時(shí)刻拍攝的，因此在透鏡移動期間，照射光源的光強(qiáng)和光譜可能發(fā)生變化。因此在這種情況下，比較600納米和700納米處的數(shù)據(jù)受到照射光源的光強(qiáng)和光譜的影響，就失去了意義。

如果應(yīng)用中不需要比較和運(yùn)算不同波長處的數(shù)據(jù)，那么干涉型光譜相機(jī)仍然是一個(gè)非常好的選擇。然而，大多數(shù)應(yīng)用都需要對一個(gè)點(diǎn)的多個(gè)波長處的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和運(yùn)算，這極大地限制了其應(yīng)用范圍。

由于我在學(xué)習(xí)過程中專注于濾光片型高光譜相機(jī)，因此對此有很多要分享的觀點(diǎn)。

濾光片型高光譜相機(jī)的原理是在普通相機(jī)前安裝一個(gè)濾光片，就像我們戴墨鏡一樣。如果這個(gè)濾光片的帶寬或允許通過的光譜范圍足夠窄，就可以對該波長范圍內(nèi)的光線進(jìn)行光譜測量。

該類型相機(jī)的特點(diǎn)包括價(jià)格低廉和較低的光譜分辨率，它可以在每個(gè)時(shí)刻對整幅圖像成像一個(gè)波長，而無法同時(shí)成像所有波長。

由于當(dāng)前的濾光片技術(shù)，普通的窄帶濾光片可以實(shí)現(xiàn)10到20納米的光譜半波寬，實(shí)際允許通過的光的光譜范圍為30-60納米。因此，濾光片型高光譜相機(jī)的光譜分辨率很難達(dá)到非常高的水平。如圖所示。

盡管目前通過計(jì)算成像方法可以實(shí)現(xiàn)較高的光譜分辨率，但會帶來能量線性問題，稍后會詳細(xì)討論。

根據(jù)濾光片的不同應(yīng)用方式給傳感器戴上"墨鏡"，濾光片型高光譜相機(jī)可可以進(jìn)一步細(xì)分為：

旋轉(zhuǎn)濾光片型

濾光片輪高光譜相機(jī)采用濾光片輪作為分光元件，通過轉(zhuǎn)動濾光片輪實(shí)現(xiàn)不同波段的光譜成像。濾光片輪由一組具有不同波長透過率的窄帶濾光片固定在輪式結(jié)構(gòu)上，每次曝光使用一個(gè)濾光片。通過控制濾光片輪的旋轉(zhuǎn)速度，使其與傳感器采樣頻率同步，以確保每個(gè)濾光片對應(yīng)的譜段都能在傳感器上成像。

這種高光譜相機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.可以根據(jù)觀測波段的不同，輕松更換相應(yīng)譜段范圍的濾光片輪。

2.光路結(jié)構(gòu)簡單，使得譜段更換變得靈活方便。

也存在一些缺點(diǎn)：

1.由于光譜通道之間的切換依賴于輪式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)帶來的振動對成像質(zhì)量有明顯的影響。

2.成像所需的曝光時(shí)間較長。

3.單次曝光只能獲得指定光譜范圍的圖像，導(dǎo)致光譜響應(yīng)曲線是離散的，無法獲取連續(xù)譜段的圖像，這存在實(shí)時(shí)性的問題。

濾光片輪上各個(gè)濾光片的共面情況和厚度均勻性會對成像質(zhì)量產(chǎn)生模糊等負(fù)面影響。隨著光譜成像技術(shù)的進(jìn)步，探測波段數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)的濾光片輪已經(jīng)無法滿足寬譜段高分辨率觀測的需求，因此越來越多地應(yīng)用于多光譜探測領(lǐng)域。需要注意的是，目前所謂的多光譜相機(jī)基本上都是基于這一原理實(shí)現(xiàn)的。