机器视觉之高光谱成像技术分析

1、高光谱成像技术高光谱成像技术起源于地质矿物识别填图研究，逐渐扩展为植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气的研究中。对空间探测、军事安全、国土资源、科学研究等领域都具有非常重要的意义。所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此，通过高光谱设备获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。目前高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜

2、分光、芯片镀膜等。原理：光栅分光原理：在经典物理学中，光波穿过狭缝、小孔或者圆盘之类的障碍物时，不同波长的光会发生不同程度的弯散传播，再通过光栅进行衍射分光，形成一条条谱带。也就是说：空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。经过狭缝的光由于不同波长照射到不同的探测器像元上，光能量很低，因此需要

3、选择高灵敏相机，同时需要加光源。例如系统如下：声光可调谐滤波分光(AOTF)原理：AOTF由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器在声光介质内激励出超声波。改变射频驱动信号的频率，可以改变AOTF衍射光的波长，从而实现电调谐波长的扫描。最常用的AOTF晶体材料为TeO2即非共线晶体，也就是说光波通过晶体之后以不同的出射角传播。如上图所示：在晶体前端有一个换能器，作用于不同的驱动频率，产生不同频率的振动即声波。不同的驱动频率对应于不同振动的声波，声波通过晶体TeO2之后，使晶体中晶格产生了布拉格衍射，晶格更像一种滤波器，使晶体只能通过一种波长的光。光进入晶体之后发生衍射，产生

4、衍射光和零级光。l AOTF系统组成：AOTF系统组成：成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector，入射光经过物镜会聚之后进入准平行镜(把所有的入射光变成平行光)，准平行光进入偏振片通过同一方向的传播的光，平行光进入晶体之后，平行于光轴的光按照原来方向前行，非平行光进行衍射，分成两束相互垂直o光和e光(入射光的波长不同经过晶体之后的o光与e光的角度也不同，因此在改变波长的过程中，图像会出现漂移);o光和e光及0级光分别会聚在不同的面上。如图所示：为了保证入射光经过准平行镜之后能够完全变化成平行光，因此对前端的物镜视场角有一定的要求，根据晶体的xxx角，可算出物镜最大的视场角

5、，小于最大视场角的情况，成像ok，如果大于视场角，则会造成重影(衍射光与0级光都进入了sensor);实现方法：不同波长的光经过晶体之后衍射光与0级光的夹角也不同，因此为了能够保证更好的成像效果，在晶体的出光口加入遮挡片，即遮挡0级光，避免与衍射光一起进入sensor，造成重影。对聚光准直系统的优化有两个方面：1提高光源的聚光效果，2减小聚光准直系统的外形尺寸。棱镜分光：入射光通过棱镜后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探测器上进行成像。棱镜分光后，在棱镜的出射面镀了不同波段的滤光膜，使得不同方向的探测器可以采集到不同光谱信息，实现同时采集空间及光谱信息。芯片镀膜近年来，IMEC(欧洲微电子研究中心)采用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一种新的高光谱成像技术，在探测器的像元上分别镀不同波段的滤波膜实现高光谱成像，此技术大大降低的高光谱成像的成本。目前IMEC提供三种标准的光谱探测器：100波带的线扫描探测器，32波带的瓷砖式镀膜探测器，16波带以4x4为一个波段的马赛克式镀膜探测器这种光谱技术的优点是可以同时获得光谱分辨