過去十年來，高光譜成像在軍事、工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域越來越受歡迎。無論是偽裝的車輛、手臂或水果上的瘀傷，還是大片植被，能夠精確表征所查看物品的顏色，使用戶能夠做出過去夢(mèng)寐以求的明智決定。曾經(jīng)需要大型、精密且昂貴的實(shí)驗(yàn)室光譜儀的工作現(xiàn)在可以在衛(wèi)星、無人機(jī)和便攜式手持設(shè)備上實(shí)時(shí)完成。

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圖 1.某國(guó)高光譜礦物數(shù)據(jù)

高光譜成像是在大量波長(zhǎng)下捕獲和處理圖像。多光譜成像可能會(huì)評(píng)估三種或四種顏色的圖像(例如，紅色、綠色、藍(lán)色和近紅外 (NIR))，而高光譜成像則將圖像分解為數(shù)十或數(shù)百種顏色。

擴(kuò)展視覺系統(tǒng)以創(chuàng)建更多“箱子”可能會(huì)異常復(fù)雜。對(duì)一系列 16 個(gè)分光鏡進(jìn)行鍍膜。這些分束器配置為四個(gè)主光學(xué)鏈，每個(gè)主光學(xué)鏈有四個(gè)輔助鏈，從而產(chǎn)生十六個(gè)離散光路，每個(gè)光路終止于單獨(dú)的檢測(cè)器。最終結(jié)果是一個(gè)覆蓋 400 - 900 nm 波長(zhǎng)范圍的 16 通道光譜成像系統(tǒng)。每個(gè)光學(xué)元件必須保持大于 98% 的透射率和反射率，以確保探測(cè)器的最終信號(hào)水平至少為 90%。雖然這個(gè)系統(tǒng)按設(shè)計(jì)工作，但它龐大、昂貴且脆弱。它適合所需的臺(tái)式演示，但不適用于當(dāng)今傳感器系統(tǒng)所需的許多現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

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高光譜成像支持技術(shù)

有兩個(gè)廣泛定義的技術(shù)領(lǐng)域促進(jìn)了高光譜成像的發(fā)展和進(jìn)步。它們是廉價(jià)、高質(zhì)量衍射光柵的開發(fā)以及多維數(shù)據(jù)處理的進(jìn)步。為了了解這些技術(shù)如何改善高光譜成像的狀態(tài)，有必要簡(jiǎn)要了解一下大多數(shù)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行方式。請(qǐng)注意，這是一般性討論。大多數(shù)提供儀器或服務(wù)的公司都有獨(dú)特的、專有的方法來區(qū)分彼此。我們只會(huì)查看一個(gè)識(shí)別一些關(guān)鍵功能的簡(jiǎn)化系統(tǒng)。這種簡(jiǎn)化的系統(tǒng)如圖 2 所示。

大多數(shù)高光譜成像系統(tǒng)由成像光學(xué)器件、窄縫、衍射光柵和二維焦平面陣列 (FPA) 探測(cè)器(通常是 CCD 或 CMOS)組成。圖像通過狹縫投影到衍射光柵上，在衍射光柵上，光被分成離散的波長(zhǎng)并在投影到焦平面陣列之前進(jìn)行物理分離。FPA 的一維對(duì)應(yīng)于由衍射光柵分隔的光的波長(zhǎng)。另一個(gè)維度對(duì)應(yīng)于沿著狹縫的“垂直”位置。

在每個(gè) XY 坐標(biāo)處，根據(jù)該位置和波長(zhǎng)的光強(qiáng)度，像素會(huì)被激發(fā)到一定程度。結(jié)果是每個(gè)窄縫寬度都有一個(gè) 3 維陣列(縫上的位置、波長(zhǎng)和強(qiáng)度)。通過索引狹縫寬度，可以將整個(gè)圖像映射到 4 維數(shù)組中。這種索引(稱為“推掃”)可以通過移動(dòng)狹縫或移動(dòng)傳感器設(shè)備來完成。在上述美國(guó)地質(zhì)勘探局對(duì)阿富汗的調(diào)查中，每個(gè)狹縫寬度對(duì)應(yīng)于一條飛行路線或飛機(jī)的航道。確定要使用多少重疊，以及使用哪些已知標(biāo)準(zhǔn)或特征進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)于獲得可靠的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

圖 2. 通用高光譜測(cè)量系統(tǒng)示意圖2

使這一過程發(fā)揮作用的是高質(zhì)量、輕量級(jí)且價(jià)格實(shí)惠的衍射光柵。衍射光柵在各種光譜測(cè)量設(shè)備中的應(yīng)用已有數(shù)百年歷史。從歷史上看，它們是在高品質(zhì)玻璃上精確燒制的。它們既脆弱又昂貴。如今，大多數(shù)高光譜成像系統(tǒng)都使用由精密加工母模鑄造而成的高質(zhì)量聚合物光柵。它們更耐用、更便宜并且不同儀器的性能一致。衍射光柵的一個(gè)局限性是，一般來說，它們僅限于單一級(jí)數(shù)，這意味著它們對(duì)有限的波長(zhǎng)范圍有效(通常在 200 - 800 nm 級(jí)，在紅外波段稍大一些)。如果您希望收集更廣泛的光譜范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，這通常意味著您必須使用多個(gè)模塊，就像美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局上面所做的那樣。

高光譜成像難題的第二塊是高速計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析的巨大進(jìn)步。事實(shí)上，每個(gè)系統(tǒng)供應(yīng)商都有一個(gè)現(xiàn)成的軟件包，可以綁定 GPS 坐標(biāo)、交錯(cuò)推掃數(shù)據(jù)(正確考慮重疊)、自動(dòng)檢查已知功能，并且能夠以超過每秒 500 幀 (fps) 的周期運(yùn)行。這種能力對(duì)于從處理單行數(shù)據(jù)到處理整個(gè)合成圖像來說絕對(duì)至關(guān)重要。

目前的技術(shù)水平

本文調(diào)查的許多供應(yīng)商生產(chǎn)的系統(tǒng)至少具有 100 個(gè)光譜范圍波段，半峰全寬 (FWHM) 帶寬約為 1 - 5 nm。幀捕獲速率為 100 - 600 fps。當(dāng)然，實(shí)際性能很大程度上取決于系統(tǒng)配置參數(shù)，例如衍射光柵的特性、視場(chǎng)和所使用的傳感器類型。紅外傳感器通常必須冷卻，從而增加了設(shè)備的尺寸和重量。

圖 3. 沉積在 200 mm 晶圓上的 4 色圖案濾光片示例。每個(gè)元件由 4 個(gè)濾光片組成，被切成小塊并安裝到探測(cè)器組上

選擇高光譜成像系統(tǒng)時(shí)必須仔細(xì)考慮應(yīng)用。在許多情況下，選擇最高分辨率并不是最佳選擇，因?yàn)樗拗屏斯庾V數(shù)據(jù)的范圍或信號(hào)質(zhì)量。如上所述，衍射光柵具有基于其操作物理原理的局限性。高分辨率光柵的帶寬往往更有限。如果您的應(yīng)用需要處理寬光譜范圍內(nèi)的 10 或 20 個(gè)特定波段，請(qǐng)考慮使用薄膜濾光片，在許多情況下，薄膜濾光片可以直接沉積在有源傳感器設(shè)備上。這些濾波器可以調(diào)整到您的應(yīng)用所需的精確中心波長(zhǎng)和帶寬。圖 3 顯示了這些薄膜圖案濾光片的示例。

在短短的十五年里，該行業(yè)在高光譜成像方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。農(nóng)業(yè)、自然資源和生物科學(xué)等領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。執(zhí)法、航空航天和國(guó)防可以利用這些知識(shí)庫(kù)來定義和獲取幾乎現(xiàn)成的高光譜成像系統(tǒng)。