高光譜成像技術原理

高光譜成像技術是將傳統(tǒng)的二維成像技術和光譜技術有機結合在一起從而獲得數據立方體的一門新興技術,具有空間可識別性、超多波段、光譜分辨率高以及圖譜合一等優(yōu)點,可應用于大氣、食品、藥品安全檢測等領域?？煺帐礁吖庾V成像技術是高光譜成像技術的一種,該技術通過一次拍照即可獲取目標二維空間和一維光譜的全部信息,具有成像速度快,可進行實時監(jiān)測等突出優(yōu)點。

什么是高光譜成像？

高光譜成像（Hypespectral）：是一種可以捕獲和分析一片空間區(qū)域內逐點上光譜的精細技術，由于可以檢測到單個對象不同空間位置上的獨特光譜“特征”因此可以檢測到在視覺上無法區(qū)分的物質。

圖2 高光譜波段示意圖

圖3 高光譜成像與顏色成像的區(qū)別

圖4 多光譜、高光譜、超光譜相機的種類

根據分光原理的不同，現有的高光譜相機主要分為三類：色散型、干涉型和濾光片型。

色散型高光譜相機一般先利用色散元件 (光柵或者棱鏡) 進行分光， 再經由成像系統(tǒng)成像在探測器上 ；

干涉型高光譜相 機主要是利用干涉圖與光譜圖之間的對應關系，借助 干涉儀來測量譜線元的干涉強度，并對干涉圖進行逆傅里葉變換得到目標的光譜圖；

濾光片型高光譜 相機則是在成像光路中加入濾光片進行分光，根據濾光片的不同，濾光片型高光譜相機又可以細分為旋轉濾光片型、楔形濾光片型、可調諧濾光片型和量子點濾光片型。下圖所示為前三種濾光片高光譜相機的原理示意圖?；跒V光片型的高光譜相機具有系統(tǒng)結構形式簡單、體積小、質量輕、空間分辨率高、靈活性好等優(yōu)點。

  圖5 高光譜成像原理示意圖

高光譜相機成像一共有一下四種原理：

遙感成像原理： 

光進入相機鏡頭，光電感應裝置將光信號轉換為電信號，量化電脈沖信號，記錄為一個像素值。傳感器響應函數設計為，要使光電感應裝置產生這個電脈沖信號，光子強度必須達到一個閾值。進入鏡頭的光子數量取決于相機的感受野大小，鏡頭能通過的光子。多光譜圖像要分出多個波段，鏡頭會分光，紅濾鏡只過紅光，藍濾鏡只通過藍光，假設相同的光打到全色與多光譜鏡頭上，顯然因為濾光的緣故，多光譜感光器接收到的光子要少于全色感光器。而這些光子已經足夠全色產生電脈沖，卻不夠多光譜產生電脈沖，這時，為了接收到更多的光子，多光譜相機需要更大的感受野。也就是說，全色看了一眼北京市，就吃夠了光子，多光譜需要看一遍河北省，才能吃的和全色一樣飽。后面接收光子的底片一樣大，也就是說將北京市和河北省畫到同樣大小的一張紙上且占滿整張紙，顯然北京市的一張紙細節(jié)要多的多，而河北省的紅綠藍三張紙卻一片模糊。

高光譜成像原理:

物理老師說過，光波穿過狹縫、小孔或者圓盤之類的障礙物時，不同波長的光會發(fā)生不同程度的彎散傳播，再通過光柵進行衍射分光，形成一條條譜帶。也就是說：空間中的一維信息通過鏡頭和狹縫后，不同波長的光按照不同程度的彎散傳播，這一維圖像上的每個點，再通過光柵進行衍射分光，形成一個譜帶，照射到高光譜儀上，儀器上的每個像素位置和強度表征光譜和強度。一個點對應一個譜段，一條線就對應一個譜面。因此高光譜儀每次成像是空間一條線上的光譜信息，為了獲得空間二維圖像再通過機械推掃，完成整個平面的圖像和光譜數據采集。

當然，好馬配好鞍，高光譜成像，就得用好的設備。

高光譜相機：賽斯拜克SINESPEC SP130M

高光譜相機（線掃描） SPX系列光譜范圍：400-1700nm 光譜波段：256-1200 光譜分辨率：2.5nm-6nm 狹縫寬度：25-30um

SineSpec?SPX系列高光譜相機包含可見光（400-700nm）、近紅外（400-1000nm）和短波近紅外（900-1700nm）3種光譜區(qū)域，特點：范圍廣采集速度快。廣泛應用于印刷，紡織等各種工業(yè)制品的表面顏色紋理檢測（顏色測量單像素重復性可達dE*ab<0.1），成分識別，物質鑒別，機器視覺，農產品品質等領域。

可見近紅外高光譜相機SP130M技術參數