通過適當(dāng)?shù)慕M件選擇，高光譜成像技術(shù)可提供可見光范圍以外的有效圖像捕獲。

高光譜成像（HSI）技術(shù)最初用于地球觀測(cè)，已擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域，從工業(yè)分類到醫(yī)學(xué)研究，例如科學(xué)家利用該技術(shù)生成皮膚和皮下組織的數(shù)據(jù)庫。

隨著圖像傳感器和照相機(jī)的改進(jìn)，研究人員和開發(fā)人員正在發(fā)現(xiàn)越來越多的高光譜成像應(yīng)用，包括食品質(zhì)量控制，制藥過程控制，塑料分選和生物測(cè)量。

應(yīng)用范例

食品質(zhì)量控制

過去，食品質(zhì)量控制需要破壞性的測(cè)量。質(zhì)量保證人員在每個(gè)批次中選擇一個(gè)樣本進(jìn)行采樣，檢查其外觀，并使用破壞性測(cè)量技術(shù)根據(jù)分析結(jié)果確定等級(jí)。現(xiàn)在，SWIR高光譜成像可以幫助識(shí)別和量化食品的化學(xué)成分，并基于所分析的每個(gè)分子的不同波長或光譜指紋，提供諸如營養(yǎng)，脂肪百分比，糖含量和新鮮度等信息。例如，一架無人駕駛飛機(jī)上的SWIR高光譜攝像機(jī)可以幫助測(cè)量生長在樹上的蘋果中的糖含量，并在收獲季節(jié)之前預(yù)測(cè)其等級(jí)和質(zhì)量。

塑料分選

2017年，美國的塑料回收率為8.4％，但回收工廠每年接收300萬噸塑料。隨著對(duì)回收利用意識(shí)的提高，預(yù)計(jì)會(huì)有更多的人對(duì)廢物進(jìn)行回收，這意味著需要更多的塑料用于回收工廠進(jìn)行處理。但是，不同的塑料材料需要不同的回收過程，如果使用錯(cuò)誤的過程，則無法區(qū)分它們可能會(huì)濾出有毒化學(xué)物質(zhì)，或在此過程中損壞儀器。借助高光譜成像，回收站可以輕松地利用1.7至2.6 m光譜信息區(qū)分塑料材料，并使用從相機(jī)收集的空間信息在傳送帶上標(biāo)記位置。

圖2：高光譜攝像機(jī)類型及其各自的采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法包括：（a）掃帚攝像機(jī)；（b）掃帚相機(jī)；（c）基于光譜掃描的高光譜相機(jī)；（d）快照相機(jī)。

高光譜成像的類型

高光譜相機(jī)可以通過四種方式捕獲信息：點(diǎn)掃（點(diǎn)掃描）相機(jī)，線掃（線掃描）相機(jī)，基于光譜掃描（區(qū)域掃描或平面掃描）的相機(jī)以及快照（單次拍攝）相機(jī)。

點(diǎn)掃攝像機(jī)一次捕獲一個(gè)像素。圖像隨著相機(jī)光柵掃描樣品而建立，并包含其所有光譜信息。雖然在圖像采集期間非常耗時(shí)，但是該方法導(dǎo)致非常高的光譜分辨率。

高光譜成像系統(tǒng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)

線掃相機(jī)比點(diǎn)掃式攝像機(jī)快，并提供高光譜分辨率，線掃式攝像機(jī)一次可捕獲一條線。相機(jī)會(huì)在樣品上掃描這條線以生成完整圖像。盡管比點(diǎn)掃更快，但線掃相機(jī)可能會(huì)在結(jié)果圖像中產(chǎn)生鋸齒和運(yùn)動(dòng)偽影。

光譜掃描相機(jī)一次收集給定波長的整個(gè)空間信息。高光譜立方一次生成一個(gè)圖像/一個(gè)波長。雖然每張圖像速度很快，但是光譜掃描由于改變波長所需的時(shí)間而緩慢地產(chǎn)生立方體。

高光譜快照相機(jī)可以捕獲高光譜視頻，是快速成像運(yùn)動(dòng)物體的理想選擇。但是，這些相機(jī)通常只能提供有限的光譜和空間分辨率。

圖3：Hamamatsu Photonics提供了G14741-0808W InGaAs面積圖像傳感器（頂部），該傳感器提供了光敏度和光譜響應(yīng)曲線，如圖所示（底部）。

圖像傳感器要求

獨(dú)立于高光譜平臺(tái)，光學(xué)傳感器在數(shù)據(jù)采集中扮演著最重要的角色。在本節(jié)中，本文介紹了HSI所需的傳感器規(guī)格。

光譜響應(yīng)范圍

與傳統(tǒng)的RGB成像相比，HSI的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠在更寬的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)以更高分辨率的光譜捕獲更多細(xì)節(jié)。借助CCD和CMOS圖像傳感器等硅技術(shù)，可以在可見光和近紅外范圍（從400 nm至1100 nm波長）中檢測(cè)出肉制品中的變色和一些異物。但是，使用反射成像方法檢測(cè)肉的水分含量（嫩度）需要900至1700 nm的光譜范圍。在此波長范圍內(nèi)，CCD和CMOS傳感器沒有足夠的響應(yīng)，而標(biāo)準(zhǔn)的InGaAs技術(shù)可以以相當(dāng)可觀的成本實(shí)現(xiàn)超過70％的量子效率。

作為另一個(gè)示例，檢測(cè)牛肉中的脂肪酸需要1000至2300 nm的光譜范圍。借助擴(kuò)展的InGaAs技術(shù)，該傳感器可以檢測(cè)900 nm至2.5 m的波長，使其適用于1.7 m以上的高光譜成像。作為可以提供擴(kuò)展波長的InGaAs圖像傳感器的少數(shù)供應(yīng)商之一，濱松光電公司發(fā)布了一系列QVGA InGaAs區(qū)域圖像傳感器，其截止波長為1.7 m， 1.9 m，2.2 m和2.5 m。

動(dòng)態(tài)范圍

光學(xué)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于在寬光譜范圍內(nèi)獲取信息非常重要，尤其是在部署推掃技術(shù)進(jìn)行圖像獲取時(shí)。推掃式攝像頭可以同時(shí)捕獲一整條圖像線和光譜信息，并且可以將所有波長的曝光時(shí)間設(shè)置為一個(gè)值，因此傳感器需要具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍以獲取非常低的信號(hào)和整個(gè)光譜中的峰值信號(hào)。動(dòng)態(tài)范圍取決于讀出噪聲和傳感器的飽和度。讀出的噪聲通常確定傳感器可以檢測(cè)到的最小信號(hào)電平。例如，要達(dá)到1.2V飽和輸出電平下的1500動(dòng)態(tài)范圍，就需要800 V rms的讀出噪聲，這對(duì)于CMOS ROIC設(shè)計(jì)而言并不容易。長時(shí)間曝光 需要考慮暗電流散粒噪聲，特別是在使用擴(kuò)展的InGaAs時(shí)。例如，在相同的像素格式下，如果標(biāo)準(zhǔn)InGaAs傳感器（1.7 m截止波長）的暗電流指定為0.03 pA，則擴(kuò)展的InGaAs傳感器（2.5 m截止波長）的暗電流可以指定為30 pA。

新型寬帶LED增強(qiáng)了高光譜成像應(yīng)用

靈敏度

與可以將曝光時(shí)間設(shè)置為030秒的傳統(tǒng)光譜相比，HSI的曝光時(shí)間必須足夠短（有時(shí)以毫秒為單位，甚至是微秒，范圍），以避免任何波長下的飽和，這可能導(dǎo)致曝光不足如果傳感器在任何波長下都不具有足夠的靈敏度，則某些光譜帶的光譜會(huì)降低，并且光譜測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)降低。傳感器的靈敏度包括光電二極管陣列的光電靈敏度和片上讀出電路的電荷電壓轉(zhuǎn)換增益。然而，讀出噪聲水平通常隨著靈敏度的增加而增加。使用區(qū)域掃描HSI技術(shù)，可以為每個(gè)波長設(shè)置合適的曝光時(shí)間或片上增益。例如，可以為低信號(hào)范圍設(shè)置較長的曝光時(shí)間或較高的轉(zhuǎn)換增益，可以為強(qiáng)信號(hào)范圍設(shè)置較短的曝光時(shí)間或較低的轉(zhuǎn)換增益，以便在整個(gè)波長范圍內(nèi)獲得平滑的輸出光譜。

作為最流行的高光譜成像方法，pushbroom方法以按行帶狀交錯(cuò)（BIL）的格式存儲(chǔ)高光譜數(shù)據(jù)立方體-一種在一個(gè)方向上連續(xù)掃描的方案。因此，線掃式攝像機(jī)特別適合在工業(yè)過程中常用的傳送帶系統(tǒng)，例如食品質(zhì)量和安全檢查，回收工廠的分類以及藥品標(biāo)簽和包裝。對(duì)于具有快速移動(dòng)物體的應(yīng)用，快速采集變得至關(guān)重要。不僅曝光時(shí)間短，而且傳感器設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)都可以提高讀出速度。例如，片上采樣保持電路啟用“邊讀取邊積分”（IWR）功能，因此傳感器可以在第二行曝光時(shí)開始讀取第二行曝光，同時(shí)讀取整條線（來自前一次曝光的數(shù)據(jù)）。

區(qū)域掃描方法可以在一系列波長中記錄空間和光譜信息，因此對(duì)于快速成像應(yīng)用很有吸引力，但是區(qū)域掃描相機(jī)不適合需要移動(dòng)樣本測(cè)量的應(yīng)用。濱松光電制造的區(qū)域圖像傳感器具有列平行結(jié)構(gòu)和部分讀出（ROI）功能，不僅可以按像素?cái)?shù)量成比例地縮短讀出時(shí)間，而且可以節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理工作。

相機(jī)要求

攝影機(jī)

高光譜成像相機(jī)有兩種類型：線掃描相機(jī)和面掃描相機(jī)。

線掃描攝像機(jī)集成了線性一維傳感器，并具有高幀率的優(yōu)勢(shì)，速度超過40,000行/秒，使其非常適合組裝線的在線檢查。當(dāng)與人工智能（AI）結(jié)合用于缺陷識(shí)別或模式識(shí)別時(shí)，它是檢查系統(tǒng)的重要組成部分，因?yàn)楦卟杉俣瓤蓪?shí)現(xiàn)基于AI的分類和缺陷識(shí)別任務(wù)。

區(qū)域掃描相機(jī)集成了2D傳感器，并通過生成整個(gè)場(chǎng)景的快照?qǐng)D像來提供高空間信息。典型的區(qū)域掃描InGaAs攝像機(jī)采用QVGA或VGA格式。攝像機(jī)可以快速捕獲許多圖像，提供大視野，并適合農(nóng)業(yè)中的廣域成像應(yīng)用。

高光譜成像攝像機(jī)還可以用于食品檢驗(yàn)，安全性，塑料分揀和藥物發(fā)現(xiàn)。大多數(shù)相機(jī)的傳感器上都有散熱裝置，可降低噪聲和暗電流，從而改善整體圖像質(zhì)量。板載內(nèi)存或用戶可訪問的FPGA使攝像機(jī)對(duì)于定制非常有吸引力。

接口

接口選擇是選擇攝像機(jī)的重要考慮因素，因?yàn)樗x了攝像機(jī)的速度，連接性以及與其他儀器的集成程度。相機(jī)有許多為不同目的而設(shè)計(jì)的接口。USB和GigE是最常的，而示例包括RS-422 / LVDS，Camera Link，RS-232和CoaXPress接口。

軟件支持

將正確的軟件與高光譜硬件配對(duì)代表了系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵一步。必須考慮硬件驅(qū)動(dòng)程序的支持，因?yàn)橄鄼C(jī)必須在選定的軟件環(huán)境中運(yùn)行。

對(duì)于希望對(duì)接口進(jìn)行自我編程的用戶，軟件開發(fā)工具包支持是他們的主要考慮因素。編寫自定義界面使用戶可以完全控制最終用戶的體驗(yàn)。Python和C ++是常見的編程語言，而Linux操作系統(tǒng)為控制設(shè)備和數(shù)據(jù)流提供了極大的靈活性。作為開發(fā)人員，必須確認(rèn)照相機(jī)支持這些編程工具，或進(jìn)行昂貴的系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷