友思特新品 多光谱与高光谱相机：基于随心而定的可调谐滤光片技术

导读

高光谱成像拓展了人类的视野，让我们能看到可见之外的东西。友思特多光谱相机基于可调谐滤光片技术，具备紧凑、高分辨率、低成本的优势，将其应用从拓展至智慧农业、工业检测、皮肤检测等领域。

高光谱成像

高光谱成像，也称为成像光谱，是一种测量图像每个像素反射光强度的技术。该强度针对光的每个波长进行捕获，并显示为强度光谱，即所谓的反射光谱。每种材料反射光的方式都不同。因此，每种材料的反射光谱也是独一无二的。就像人的指纹一样，反射光谱可用于识别相应的材料。因此，还可以通过反射光谱分析材料和物体的各种特性。

在成像界有一种不言而喻的理解，即2-20个波段的成像可以称为多光谱，有时也会将多光谱扩展到多达25个波段的系统。尽管这种情况有些模糊，但有一点在科学文献中已经得到了很好的定义，那就是：多光谱成像可以由彼此离散定位的光谱带组成，它们不必是连续的。

光谱相机的技术原理

实现光谱相机的技术路线有多种，接下来我们介绍几种典型的光谱相机的技术原理。

1. 多个相机系统同时使用

这是很直观的一种方式，为机器视觉设置增加更多光谱范围的最初方法是将多个摄像机对准目标。比如，通过彩色相机检测水果表面损伤，再添加一台近红外/短波红外相机检查亚表面的瘀斑。这种系统设置不需要专业技术，可按需增加。

但缺点也是显而易见的——将两幅图像的光谱数据合并分析很容易出错。即使两台相机紧挨着放置，仍然存在足够的视差，使两幅图像的像素几乎不可能对齐。每个系统使用单独的相机，照明，镜头和安装，设备成本费用显著增加。

适用场景：对单独波段数据做分析，或者需要单独的通过/不通过的评估。

2. 分束器实现多个相机探测

解决与多个独立相机方法相关的问题的一种方法是引入一个分束器元件，该元件通过分光导入到多个相机进行光谱图像采集。比如下图集成了一个RGB相机与一个NIR相机。

这种方法减轻了上一种多相机方法相关的图像捕获和图像配准问题，光谱信息可以在多个图像之间进行关联和组合。然而，分束器会造成光强损失，且多个相机的系统在体积和价格上都有影响。这种方法通常需要高功率照明，因此在高速和系统的光敏度之间存在权衡。

适合场景：光强足够强、可以移动、对检测设备的体积要求不高的场景。

3. 滤光片轮

如果考虑单一相机系统，那么最直接的思路就是在镜头前加上窄带滤光片，只允许特定波长的光通过。然后将滤光片进行切换，即可获得多个不同光谱通道的图像。滤光轮相机就是这种形式，通过旋转安装在传感器或镜头前面的滤光轮中的滤光片来捕获多通道光谱图像。

这种滤光轮通常可以根据需要对滤光片的波长、数量进行定制和切换，基于滤光轮的相机的优点是每个波段的全空间分辨率。然而这种机械元件的切换总是比较慢速的，波段之间可能存在位置偏移，机械运动部件需要定期更换维护。

适合场景：静态目标、不同目标需要不同的滤光片、可接受较低的平均故障间隔时间（MTBF） 。

4. 多镜头单相机结构

这种形式将多个镜头与探测器集成在一个相机硬件系统中，它具有多个镜头，每个镜头各有一个滤光片，多个镜头同时拍摄同一景物，同时记录几个不同光谱带的图像信息。

多镜头单相机的优势在于多波段同时采集，每个探测器的完整分辨率采集，且光谱分离度强，系统也比较紧凑。缺点在于每个波段存在位置偏差，在后处理中需要复杂的对齐算法，内部的光路设置也会比较复杂。

适用场景：主要是集成无人机，遥感的近地空遥感领域，如对植被、河流等分布做检测分析的场景。这种远距离成像场景下，每个探测器之间的固定差距将影响较小。

5. 多传感器二向色棱镜相机

这种方法只用传感器，而不是完整的相机去做多波段光的探测，减小了相机的整体尺寸。另外，棱镜使用二向色涂层，将入射光的适当光谱范围引导到每个传感器。因此，与之前分束器将相同光分光降低强度，这种方法每个通道接收的是该光谱范围内的全部光。

这种方法实现每个波段的全空间分辨率，每个探测器的单独优化可以实现低噪声。另外，棱镜分光的光谱分离度也较好，帧频可以达到100fps以上。这种方法缺点在于通道数量受到棱镜设计的限制，目前最多只能实现5通道。此外，棱镜自身的尺寸也会影响相机的尺寸大小。

适合场景：快速运动场景物体、倾斜不平坦表面或不同物体尺寸的场景、同时需要光谱和空间精度。

6. 像素级滤光片阵列

该方法是在采用了滤光片，但滤光片不是附着或“粘”在传感器上 - 它们在晶圆级直接“单片”沉积到CMOS传感器的像素上，每个像素对应一个滤光片，分布可以有2×2，3×3，4×4，5×5。通过将拜耳彩色滤光片阵列(CFA)的概念扩展到多光谱滤波阵列(MSFA)，可以在不增加尺寸或成本的情况下获得多光谱图像，在某些情况下甚至是高光谱图像。

主要问题在于这些像素级的滤光片波段可能具有相对较高的串扰，这会影响整体光谱灵敏度、像素相关噪声参数和光谱重建的精度。另外，这类滤光片阵列的生产批次的一致性也会有明显影响。这种成像方式与上述几种技术最大的区别在于，每个波段并不是全空间分辨率，每个波段实际上是一种插值成像，因为滤波器阵列中每个光谱带的采样非常稀疏。波段越多，各波段的空间精度越低，这种去马赛克的技术一直是一个具有挑战性的问题。

适合场景：可以接受较低分辨率、可容忍光谱不确定性、静态物体。

7. 推扫相机

推扫相机是现在应用最为广泛的光谱成像技术之一。一般由三个主要部件组成，一个镜头，成像光谱仪和一个图像传感器。成像光谱仪是推扫式相机的关键部件，由光分散单元和聚焦光学元件组成。在成像光谱仪中，光线通过输入狭缝，即准直器，到达色散单元，然后聚焦到提供单线x-λ坐标的图像传感器上。

这种技术提供了良好的灵活性，非常适合传送带场景的检测。缺点在于它随着通道数量的增加而速度变慢，另外需要搭配移动设备对样品进行检测。

适合场景：传送带移动场景。

基于可调滤波片的多光谱相机

可调谐滤光片也是实现光谱相机的一种可行方法，并被商业化应用。滤波器基于法布里-珀罗光学腔原理。这一结构的特性为，当入射光的频率满足其共振条件时，其透射频谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率。

在相机中它被设计为一系列涂层反射镜，安装在 MEMS 组件上。通过控制施加在上镜面支架上的电压的变化，使F-P空间发生变化以仅允许所需的红外波长光通过。该滤光片采用全晶圆级技术制造，并且提供一个可随时安装并与相机组件和设备控制器集成的组件。

具体原理如下：

下方静止的镜面带有光学介质涂层；

上层垂直移动的镜面带有光学介质图层 - 执行器。执行器安装在弹簧悬置装置上可以在内部垂直运动；

通过给上层硅胶框架施加不同级别的直流张力，可以精准地控制上下镜面之间的距离[±2nm]，而下硅胶框架是静止和电接地的；

镜面之间的可变光学腔产生结构干涉，仅允许指定所需波长 [±15nm] 的光通过。

该技术原理的优势在于每次拍摄的全分辨率成像，整个相机采用单镜头单探测器，设备体积也可以做到非常紧凑。滤波片不需要机械切换，变换速度比滤光轮更快。当然，这种波段调整始终是需要一定时间的，因此通道数目越多，帧频也就越慢，更适合检测静止样品的场景。

基于以上技术原理，友思特提供基于可调谐滤波片，覆盖可见光-近红外范围的多光谱相机。Monarch Pro 与 Neptune 在 705-920 nm 范围有10个光谱通道，其中心波长固定，但通道数可以按需打开/关闭。其最大特点在于高分辨率、紧凑设备以及低成本，为实验室以及工业应用提供光谱成像方案。

最新的 Solomon 高光谱相机进一步拓展了光谱范围，囊括了可见光，并将光谱通道数拓展到了20个，额外的RGB摄像头还提供彩色图像。最重要的是，光谱通道的中心波长可以根据客户需要做自行设置，实现了检测的更多灵活性。其使用简单、经济，使得多光谱成像从科学仪器、遥感应用向智慧农业、工业检测、皮肤检测等应用拓展成为可能。

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审核编辑 黄宇