高光譜相機(jī)，也被稱為高光譜成像光譜儀，是一種綜合了光譜采集和目標(biāo)成像的探測(cè)設(shè)備。通過(guò)利用成像光譜技術(shù)，它能夠在連續(xù)光譜波段上對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行光譜成像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的空間、輻射和光譜三重信息的綜合分析，極大地提升了目標(biāo)觀測(cè)的信息維度。

高光譜相機(jī)根據(jù)分光原理的不同可以分為三類(lèi)：色散型、干涉型和濾光片型。其中，色散型高光譜相機(jī)具有成本低廉、光譜分辨率高以及能夠同時(shí)對(duì)所有波長(zhǎng)進(jìn)行成像等特點(diǎn)，但同一時(shí)刻只能獲得一條線的影像。色散型高光譜相機(jī)通常利用色散元件（如光柵或棱鏡）進(jìn)行分光，然后通過(guò)成像系統(tǒng)將分光后的光線投射到探測(cè)器上。下圖展示了光柵色散型高光譜相機(jī)的具體工作原理。

如果我們要對(duì)圖中的樹(shù)葉進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)的測(cè)量，首先需要通過(guò)入射光在光柵面上的反射來(lái)分解入射光在不同波長(zhǎng)處的能量分布，為了實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，我們需要使用反射光柵或透射光柵來(lái)對(duì)光線進(jìn)行分光。

這種測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)在于可以一次性處理一條線上的所有點(diǎn)。對(duì)于每一個(gè)點(diǎn)，我們可以測(cè)量其不同波長(zhǎng)處的能量。因此，大多數(shù)光柵型的高光譜相機(jī)都設(shè)計(jì)成線掃描相機(jī)，以便一次獲取一條線上每一點(diǎn)的所有波長(zhǎng)的光譜數(shù)據(jù)。由于每一點(diǎn)的不同波長(zhǎng)處的光譜數(shù)據(jù)是同時(shí)獲取的，我們可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)計(jì)算。這是光柵型高光譜相機(jī)非常重要的一個(gè)特性。

光柵型的高光譜相機(jī)特別適用于顏色測(cè)量、水果分類(lèi)和品質(zhì)評(píng)估、糖度檢測(cè)以及塑料垃圾回收中塑料的分類(lèi)等領(lǐng)域。這些應(yīng)用都需要對(duì)每個(gè)點(diǎn)的多個(gè)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)運(yùn)算，以得出所需的結(jié)果。

如果我們希望獲得一張完整的高光譜數(shù)據(jù)圖像，而不僅僅是一條線的高光譜數(shù)據(jù)，我們需要使線掃描高光譜相機(jī)與樹(shù)葉之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，通過(guò)類(lèi)似掃描儀的方式掃描過(guò)去，就可以獲取整株樹(shù)葉的高清光譜數(shù)據(jù)了。

目前，光柵色散型高光譜相機(jī)是所有手段中分光能力最強(qiáng)、光譜分辨率最高、性價(jià)比最高且應(yīng)用最廣泛的高光譜相機(jī)類(lèi)型。2020年以前，一臺(tái)國(guó)外生產(chǎn)的高光譜相機(jī)的價(jià)格約為40萬(wàn)~50萬(wàn)人民幣。然而，現(xiàn)在杭州彩譜生產(chǎn)的高光譜相機(jī)在國(guó)內(nèi)的售價(jià)已經(jīng)低于10萬(wàn)元，因此具有非常高的性價(jià)比。目前已經(jīng)在顏色測(cè)量、水果分類(lèi)和品質(zhì)測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在糖酸度檢測(cè)和塑料垃圾回收方面。

干涉型高光譜相機(jī)主要是利用干涉圖與光譜圖之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)使用干涉儀來(lái)測(cè)量譜線元的干涉強(qiáng)度，并對(duì)干涉圖進(jìn)行逆傅里葉變換，以獲得目標(biāo)的光譜圖。具體原理如圖所示：

高光譜相機(jī)的特點(diǎn)之一是價(jià)格昂貴，但其光譜分辨率較高，它能在一個(gè)時(shí)刻對(duì)整幅圖像成像一個(gè)波長(zhǎng)，但無(wú)法同時(shí)成像所有波長(zhǎng)。

干涉型高光譜相機(jī)具有獨(dú)特的特性，它能夠在特定波長(zhǎng)下同時(shí)獲得整張圖像的光譜數(shù)據(jù)。然而，要獲取其他波長(zhǎng)處的光譜數(shù)據(jù)，需要移動(dòng)內(nèi)部的棱鏡，并在另一個(gè)時(shí)刻獲得整張圖像的其他波長(zhǎng)處的數(shù)據(jù)。

這種特性非常重要，目前國(guó)外已經(jīng)有人研發(fā)了基于相同原理的高光譜相機(jī)，并且價(jià)格并不昂貴。他們使用法布里波羅腔（FPI）作為分光器件。

這種原理的高光譜相機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在一些明顯的劣勢(shì)。

舉例來(lái)說(shuō)，如果我們想從一堆塑料中挑選出所需的塑料，最簡(jiǎn)單的方法是拍攝一張高光譜圖像，然后比較圖像中每個(gè)點(diǎn)的光譜譜線，以確定它們屬于哪種塑料。

如果使用光柵型高光譜相機(jī)進(jìn)行線掃描成像，由于圖像中的每個(gè)點(diǎn)都能同時(shí)獲取所有波長(zhǎng)處的光譜數(shù)據(jù)，因此可以對(duì)每個(gè)點(diǎn)的整個(gè)光譜曲線進(jìn)行分析。

如果使用干涉型高光譜相機(jī)，例如它只能在特定時(shí)刻獲取整張圖像在600納米處的光譜數(shù)據(jù)，需要移動(dòng)透鏡（經(jīng)過(guò)一段時(shí)間）后才能獲取700納米處的光譜圖像。但是600納米和700納米并不是在同一時(shí)刻拍攝的，因此在透鏡移動(dòng)期間，照射光源的光強(qiáng)和光譜可能發(fā)生變化。因此在這種情況下，比較600納米和700納米處的數(shù)據(jù)受到照射光源的光強(qiáng)和光譜的影響，就失去了意義。

如果應(yīng)用中不需要比較和運(yùn)算不同波長(zhǎng)處的數(shù)據(jù)，那么干涉型光譜相機(jī)仍然是一個(gè)非常好的選擇。然而，大多數(shù)應(yīng)用都需要對(duì)一個(gè)點(diǎn)的多個(gè)波長(zhǎng)處的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和運(yùn)算，這極大地限制了其應(yīng)用范圍。

由于我在學(xué)習(xí)過(guò)程中專注于濾光片型高光譜相機(jī)，因此對(duì)此有很多要分享的觀點(diǎn)。

濾光片型高光譜相機(jī)的原理是在普通相機(jī)前安裝一個(gè)濾光片，就像我們戴墨鏡一樣。如果這個(gè)濾光片的帶寬或允許通過(guò)的光譜范圍足夠窄，就可以對(duì)該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光線進(jìn)行光譜測(cè)量。

該類(lèi)型相機(jī)的特點(diǎn)包括價(jià)格低廉和較低的光譜分辨率，它可以在每個(gè)時(shí)刻對(duì)整幅圖像成像一個(gè)波長(zhǎng)，而無(wú)法同時(shí)成像所有波長(zhǎng)。

由于當(dāng)前的濾光片技術(shù)，普通的窄帶濾光片可以實(shí)現(xiàn)10到20納米的光譜半波寬，實(shí)際允許通過(guò)的光的光譜范圍為30-60納米。因此，濾光片型高光譜相機(jī)的光譜分辨率很難達(dá)到非常高的水平。如圖所示。

盡管目前通過(guò)計(jì)算成像方法可以實(shí)現(xiàn)較高的光譜分辨率，但會(huì)帶來(lái)能量線性問(wèn)題，稍后會(huì)詳細(xì)討論。

根據(jù)濾光片的不同應(yīng)用方式給傳感器戴上"墨鏡"，濾光片型高光譜相機(jī)可可以進(jìn)一步細(xì)分為：

旋轉(zhuǎn)濾光片型

濾光片輪高光譜相機(jī)采用濾光片輪作為分光元件，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)濾光片輪實(shí)現(xiàn)不同波段的光譜成像。濾光片輪由一組具有不同波長(zhǎng)透過(guò)率的窄帶濾光片固定在輪式結(jié)構(gòu)上，每次曝光使用一個(gè)濾光片。通過(guò)控制濾光片輪的旋轉(zhuǎn)速度，使其與傳感器采樣頻率同步，以確保每個(gè)濾光片對(duì)應(yīng)的譜段都能在傳感器上成像。

這種高光譜相機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.可以根據(jù)觀測(cè)波段的不同，輕松更換相應(yīng)譜段范圍的濾光片輪。

2.光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使得譜段更換變得靈活方便。

也存在一些缺點(diǎn)：

1.由于光譜通道之間的切換依賴于輪式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量有明顯的影響。

2.成像所需的曝光時(shí)間較長(zhǎng)。

3.單次曝光只能獲得指定光譜范圍的圖像，導(dǎo)致光譜響應(yīng)曲線是離散的，無(wú)法獲取連續(xù)譜段的圖像，這存在實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。

濾光片輪上各個(gè)濾光片的共面情況和厚度均勻性會(huì)對(duì)成像質(zhì)量產(chǎn)生模糊等負(fù)面影響。隨著光譜成像技術(shù)的進(jìn)步，探測(cè)波段數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)的濾光片輪已經(jīng)無(wú)法滿足寬譜段高分辨率觀測(cè)的需求，因此越來(lái)越多地應(yīng)用于多光譜探測(cè)領(lǐng)域。需要注意的是，目前所謂的多光譜相機(jī)基本上都是基于這一原理實(shí)現(xiàn)的。