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高光谱成像技术的介绍
  • 大话成像
    • 2021-07-28
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1.      光谱学的基本定义

光谱学(Spectroscopy),是利用物质发射、吸收或反射的光、声或粒子的现象,来研究物质或能量的方法,一般定义为研究不同波长的电磁波和物质之间相互作用的学科。光谱学被频繁的用在物理和分析化学中,通过发射或吸收电磁波来鉴定物质。相互作用的图被称为频谱图,或者有时候被称为光学频谱。

    

光谱学是一个大学科,至今诞生已经有三百多年,近百年,与光谱相关的诺贝尔奖就有34次以上。光谱学相关的仪器、设备甚至智能硬件已经在我们日常生活中不可或缺。

     

由于光谱学分类和不同的技术路径非常多,包括傅里叶变换光谱学、拉曼光谱、荧光光谱、太赫兹、光谱仪等。


2.      光谱成像技术

光源发出包含各个频率(不同波长)的光,这些光照射到物体上,由于物体表面物质的物理性质导致一部分光被物体表面吸收,另一部分光被反射出去。其机理是物质内部不同的分子、原子和离子对应着不同特征分布的能级,在特定频率的波谱下产生跃迁,由此引起不同波长的光谱发射和吸收,从而产生不同的光谱特征。


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图1 蔬菜叶子在太阳光下的简单光谱曲线


在同样条件下,不同物质(对应不同的原子、分子或分子基团)的光谱特性具有唯一性和一些特性,依据这些特性就可以对被测物体进行分析。


传统光谱技术,都是通过待测物自发光或者与光源的相互作用而进行分析的物体的,从空间维度上看,传统光谱技术大多是针对一个单点位置,也就是单点的光谱仪。而光谱成像则是结合了光谱技术和成像技术,将光谱分辨能力和图形分辨能力相结合,造就了空间维度上的面光谱分析,也就是现在的多光谱成像和高光谱成像技术。


3.   多光谱与高光谱


光谱成像技术,其本质是充分利用了物质对不同电磁波谱的吸收或辐射特性,在普通的二维空间成像的基础上,增加了一维的光谱信息。成像光谱可以同时获取影像信息与像元的光谱信息,根据光谱分辨率不同介绍下多光谱成像、高光谱成像技术;


多光谱技术(Multispectral):目标物波段数在3~30之间(通常大于等于3个);


高光谱成像(Hypespectral):目标物波段数在100~300之间,光谱分辨率一般会更精细。


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图2  RGB 成像、多光谱成像和高光谱成像的比较 2


高光谱成像是一种基于光谱分析的新技术。它收集数百幅不同波长的图像对于相同的空间区域。收集到的数据形成一个所谓的高光谱立方体,通常图像的横纵坐标分别表示光谱的波长和光谱强度。该数据立方体由沿着光谱轴的以一定光谱分辨率间隔的连续二维图像组成。

 

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图3 光谱立方示意图


4.    多光谱或高光谱简单分类


从光谱信息的获取方式来看,高光谱成像主要存在以下两大类,如图4:


(1)       基于扫描方法(多次曝光),该方法还可分为3种形式:点扫描、线扫描、谱扫描;


(2)       计算成像方法(单次曝光的高光谱成像);


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图4 基于扫描方法与计算成像方法示意图 2


  5.   高光谱与多光谱的区别

很多时候材料的反射率特征光谱相对于波长的变化可能非常复杂,而其他微小特征使用较粗糙的多光谱成像方法也有可能无法分辨。


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图5 多光谱与高光谱区别示意图 3


上图中使用多光谱成像(左)识别无法分辨的物质,通过使用高光谱成像(右)被分辨出来。其原因是由于高光谱具有更多的光谱频带,因此可以通过更高的光谱分辨率准确地获得更复杂的指纹特征。


总结来说,高光谱相对多光谱有以下优势:


l通过更高光谱分辨率获得更复杂、更精准的光谱特征信息;


l获取更丰富的光谱波段信息,应用场景更丰富;


l可用一套硬件根据应用灵活选择光谱序列,免去系统重新设计的过程;


6.   高光谱成像技术关键参数

对于多种多样的光谱成像技术如何评价和了解,可以重点关注空间分辨率、光谱分辨率和准确率等主要参数,同时关注成像系统在设计复杂度、物理尺寸、系统成本、可量产性、可靠性方面。总的来说,就是得到一个稳定可靠的高质量的光谱图像,是整个技术的核心。下面简单介绍几个关键参数。


6.1   空间分辨率(Spatial Resolution


空间分辨率是评价传感器性能和图像的重要指标之一,同样也是用成像像素来表征空间分辨率,一般分辨率在一百万以下。


6.2    光谱分辨率(Spectral Resolution)

       

指光谱系统所选用的波段数多少、各波段的波长位置、及波长间隔的大小。即通道数、中心波长、带宽三个因素共同决定光谱分辨率,可理解为能够区分或识别光谱中各波段光的能力。与光谱仪的分辨能力密切相关。分得愈细,波段愈多,光谱分辨率就愈高。


光谱分辨率是一个概念,狭义的光谱分辨率仅指波段宽度,如何计算需要一个指标,半波宽度就是这个指标。


6.3    半峰全宽(Full width at half maximum)

      

英文简称FWHM,也称作半高全宽、或半高宽、半波宽。指达到光谱峰高一半处的光谱宽度。如下图。半波宽是衡量高光谱成像系统的一个关键技术参数,可表征其对光谱细分和区分的能力。多光谱常见半波宽在10-1λ量级 ,高光谱通常在10-2λ量级。


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 图6 FWHW示意图

6.4    光谱采样率


通俗理解为通道数,即能获取的不同中心波长的波段数。多光谱常见3-30个 ,高光谱通常在100-300个。相同条件下,高光谱成像系统支持的通道数的多少,由光谱调节精细度、灵活度决定。


6.5   可靠性


毕竟光谱信息属于光与物体相互作用所产生的信息,比较敏感。那么稳定性、一致性、抗震动等就变得非常重要。有很多的器件随温度变化、机械和时间变化形成的漂移是成像系统的主要误差来源,实际应用中的测试精度很大依赖于成像系统在此方面的稳定性。主要关注温度漂移特性、震动稳定性等。没有稳定一致的物理数据采集,要保证基于数据的算法运行有良好应用效果有很大难度。

     
7.      高光谱主流技术类型分析

目前高光谱成像技术发展迅速,主流常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光AOTF、液晶光学滤波LCTF、棱镜分光、芯片镀膜、法珀腔MEMS芯片等。下面简单介绍现基本原理和差异:


7.1    光栅分光


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。


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7.2   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。

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图8 棱镜分光原理图 6


由于系统是基于单个分立器件的,为了保证空间分辨率和光谱分辨率,必须引入物镜、光阑、准直器、各类透镜等光学器件,同时必须考虑各种器件之间的聚焦、准直问题,这就导致传统的系统复杂度很高、体积较大、成本颇高、应用范围受到极大限制。针对不同应用要求的修改,系统再设计复杂度非常高。目前市场上主要这类系统多为面向科研及大型检测单位应用。


7.3   声光可调谐滤波分光(AOTF)

 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。

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图9 AOTF原理图 5


AOTF系统组成:成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector,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。本技术的缺陷是无法做大尺寸,目前可看到的只是单点的光谱仪。


7.4    液晶光学滤波(LCTF)


LCTF滤光型光谱成像技术特征是:施加不同的电压,调节双折射液晶造成的相位差,从而使不同波长的光发生干涉,实现对不同波长的连续可调性扫描。基本结构如下:

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图10 LCTF结构图 6


LCTF的液晶对外界的环境温度非常敏感,造成温漂,使检测结果不准,另外的缺陷就是成本高,无法降低,至今从研究成果和已推出市场的产品看,技术路线不是太乐观。


7.5   芯片镀膜


欧洲微电子研究中心IMEC在这方面投入了大量的研究,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。如图所示:


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图11 4x4滤光片阵列拼接的马赛克镀膜示意图 6


该方式在CMOS表面镀膜,对应带来的限制空间解析度较多低,要求每个镀膜高度一致性,那么芯片生产工艺要求高,对批量生产有很大挑战。也因为无法全光谱连续可调,在应用场景不灵活,会有一定的限制,一般可作定性。


7.6   法珀腔MEMS芯片


法布里-珀罗干涉仪简称FPI或法珀腔,是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪。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。


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图12 Fabry-Perot Interferometer


基于法布里珀罗腔体原理设计,结合MEMS芯片微加工工艺及成熟的图像传感器技术实现的高光谱成像,能快速实现宽光谱输入,特定光谱选通输出,完成不同光谱图像信息采集。此种方式与现有器件产业链及模组工艺很好地结合,同时拥有这种MEMS器件尺寸极小、性价比高的优点,适合大批量生产。当然这种方式目前全世界只有个别的研究所和公司在研究,技术门槛高。


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图13 基于法珀腔MEMS芯片的高光谱原理


  8.   高光谱成像技术发展趋势与应用展望


高光谱成像技术的物体成分识别在不同应用已得到证明,但现有技术的体积、成本、使用体验都极大的限制了在更多场景应用中的推广和产业化,高光谱成像技术必须快速的降低成本、小型化微型化,并且在使用体验方面更加便捷。


高光谱成像技术,早期是用于航空航天和军事,目前已逐步走出了应用局限,在自然灾害预测、环境保护、生物医学、农林牧畜渔等领域均有非常多应用,甚至很多民用消费和日常生活场景有了更多使用高光谱分析技术的可能。


高光谱成像技术的应用价值已在一些非民用领域得到了证明,但仍存在一些限制其推广进入更多领域的困难,主要有:1)高光谱相机系统复杂、成本高;2)体积大重量沉;3)使用体验是否便捷。目前厂商现正在努力克服这些缺点,随着应用需求扩展,以及传感器设计和技术创新,产业链成熟发展,这些都是高光谱成像推广主要驱动力。如果高光谱相机进入日常生产,例如智能手机、物联网设备,基于新技术带来更丰富应用、更智能功能,生活方式将带来巨大影响,真正让高光谱进入寻常百姓家。


——————————————


参考文献:

1《Red Light Therapy vs Sunlight》, Red Light Man

2《计算光谱成像的前沿进展》,曹汛 周凯来 戴琼海 ,中国计算机协会通讯;

3《一文读懂光谱、多光谱、高光谱技术》,海洋微课堂;

4《高光谱成像技术》,微视界;

5《红外光谱仪的分光系统中红外光谱仪的种类及结构分析》,仪器学习网;

6《高光谱成像与应用技术发展》,高泽东等,传感器与应用专辑;

7《Stabilized Fabry-Perot Interferometer》,West Virginia University;

《高光谱成像遥感载荷技术的现状与发展》,刘银年,遥感学报

《遥感应用中的本征光谱感知》,康旭东,中国计算机协会通讯;

10 《细分万物之像,记录千谱之图——高光谱成像感知与信息分析》,肖亮 曹汛,中国计算机协会通讯;

11 《遥感应用分析原理与方法》,赵英时 等,科学出版社;


--文章转载自微信公众号《大话成像》


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