多光谱相机：捕捉世界的隐秘之色

前言

多光谱成像技术是一种用于获取和分析来自不同光谱波段的图像数据的方法。与传统的彩色图像不同，多光谱成像技术能够捕获更广泛光谱范围内的信息，包括可见光以外的波段，如红外光和紫外光。这些不同波段对应于不同的波长范围，而不同的物质和材料在这些波段中反射、吸收或透射光的方式也不同。

多光谱相机通过使用多个光学传感器或光学滤波器来分离不同波长的光，并同时捕获每个波段的图像，实现捕捉不同波长范围内光谱信息的摄像设备。它不同于普通的RGB相机，后者只能捕捉可见光波段的图像，而多光谱相机可以捕捉更广泛的光谱范围，通常包括可见光、红外线和紫外线波段。这使得多光谱相机能够提供比普通RGB相机更丰富的信息，特别适用于许多应用领域，包括农产品分拣、农田检测、食品安全、环境监测等。

多光谱相机的发展

上个世纪60年代，出现了一种全新的探测技术一一多光谱成像技术。该技术能够在同一时间获得目标位于不同谱段处的空间图像信息，通过光学系统设计的方式能够将成像技术与光谱技术进行结合。

早期使用的普通航空胶片相机只能对特定的单一谱段进行成像，而无法携带目标信息。经发展而成的多光谱相机能够进行多光谱、多谱段成像，成像方法主要依靠带通滤光片的滤光作用。通过结合滤光片，能同时接收相同目标处于不同波段所携带的信息，从而实现宽谱段范围内成像。多光谱相机可根据分光方式的不同分为棱镜分光结构、滤光轮结构、滤光片分光式结构。

多光谱相机的分类

棱镜分光法

棱镜分光多光谱相机通常包括一个输入光学系统，以引导入射光线。这个系统可以包括透镜或其他光学组件，将光线聚焦到棱镜上。棱镜分光器是该相机的核心部件，它用于将入射光线分散成不同波长的光谱。通常，相机会使用一个或多个棱镜，每个棱镜对应一个波段。多个棱镜可以串联在一起，以便一次性分散多个波段的光。通过棱镜将不同波段的光分离，然后分离的光进入不同的相机进行采样，便可以获得多个光谱的图像。

优点：

帧率高：对于高时间分辨率的应用非常重要，如动态过程的监测
全分辨率：可以捕获连续波长范围内的所有波段，非离散
能量无损失：基于折射和色散原理工作，不会减弱光的强度

缺点：

成本高：光学元件和光路调整成本极高
尺寸大：基于棱镜分光的多光谱相机通常需要大型棱镜和光学元件，使相机体积过大

滤光轮技术

滤光轮相机采用滤光片旋转的方式来获取多通道光谱图像，这些滤光片通常位于传感器或镜头前面。这种滤光片轮通常支持8-12个波段，每个波段对应不同的光谱范围。随后，通过多光谱图像的处理，可以估计每个像素的光谱反射率。滤光轮相机的优势之一是在每个波段上具有全空间分辨率，同时允许根据具体应用的需求进行滤光片的定制和更换。然而，这种相机需要在不同波段间不断切换，成像速度较慢，因此，只适合于拍摄静止的目标。

滤光片阵列

基于滤光片阵列的多光谱相机可以一次拍摄获得多光谱图像，而不会增加尺寸或成本。通常可以支持可见光、近红外和短波红外多个通道。它在农业、环境监测、遥感和卫星图像等领域具有广泛的应用。但由于滤光片阵列上的滤光片数目有限，这种相机覆盖的波段有限。

虹科新型 Monarch Pro 多光谱相机方案

虹科提供了一种新型Monarch Pro多光谱相机方案，它是世界上第一个便携式可调多光谱红外相机，用于个人，工业，科学和商业用途，可以让您轻松、廉价、随时随地捕获光谱图像的设备。不再需要昂贵，笨重和敏感的设备或手持式点光谱仪，需要训练有素的操作员，不能捕捉场景背景。Monarch Pro为任何细分市场开辟了广泛的新应用。

可调谐近红外解决方案通过捕获近红外波段的多个光谱图像，为即时检查、检测和分类应用提供了额外的可操作信息层。MonarchPro的相机可以在680nm-940nm的光谱范围内捕获并立即输出多个单波段光谱立方体高分辨率图像。它的可负担性和简单性消除了在许多应用程序和大众市场平台中广泛采用的障碍。

Monarch Pro多光谱相机技术

人类的视觉是三色视觉，这意味着看到的每种颜色都是由位于我们视网膜上的三种感光细胞产生的信号的产物，这一特征将我们的视觉限制在三维颜色空间中。现在想象一下您有一种设备，例如手机，可以让您将视野扩展到高维色彩空间，并思考这可能揭示的所有隐藏信息。因此，实现这一目标的一种方法是使用多光谱成像。获取物体的一系列窄带图像，然后将其组合成所谓的“光谱立方体”。因此，该立方体保存了物体的大量信息，并允许在每个物体上进行光谱分析，那么问题是，我们如何获得这种窄带图像？

当光穿过几个具有抗反射涂层的表面时，它会在分隔这些表面的间隙中产生共振并干涉，从而导致这种结构的窄带透射光谱。现在，如果我们简单地改变该滤光片中的光学间隙，则该透射光谱会发生偏移，进而传输峰值将转移到红外范围。

早在1987年，Melonson采用MEMS设备就实现了这一原理。而目前基于MEMS的Fabry-Perot滤波器受到了限制，它们的可调谐范围非常有限，仅可以缩小初始间隙的三分之一，当超过三分之一时，会产生拉动现象。而多光谱成像需要非常宽的滤光片可调范围，通过简单的解耦光学和MEMS设备可以避免拉动现象。

在该设计中，我们有一个可移动镜子，它有一组外部电极，下图是该可调谐滤光片实物图，它的厚度仅为1.05mm，由三个晶圆组成，在这个概念中，当我们施加驱动电压时，光学间隙不再减少而是增加，并且利用此设计可以实现将间隙扩大到之前的6倍。

这款自下而上兼容手机的多光谱相机在农业检验、自动驾驶、工业自动化、面部识别、医学等领域展开了广泛的应用。通过测试，它可以在较宽的温度和压力范围内正常运行，远超出了手机的耐受标准。

虹科Monarch Pro功能与应用

不同液体的光谱图像测试

如果我们以该图像的红外通道为例，并在三种液体选择三个点，可以在右上图看到该位置的强度响应。从这个响应中，可以明显看到水、可乐和酒具有不同的光谱响应，您可以使用它来区分液体。

Monarch Pro专业分析软件

虹科Monarch Pro提供分析应用程序，该应用程序将允许您从刚刚拍摄的图像中提取任何底层信息。无论是分选、诊断还是检测，您的具体专业知识和经验很容易集成并注册到系统算法中，通过伪彩色显示突出高光谱图像的细微灰度反射差异。此功能将虹科Monarch Pro转变为强大的实时决策系统。

农业产品检验测试

农田应用：Monarch Pro可立即诊断土壤、单个植物或整个农田的状况。它可以测量各种农产品(如番茄、苹果、香蕉、谷物等)中的水分含量、氮磷钾含量、镁、铁、钙、糖分、pH值、淀粉、酸度、蛋白质、直链淀粉和支链淀粉等健康、成熟度以及其他数值。