什么是多光谱成像？多光谱成像原理和结构

2023-09-26

多光谱成像是一种光谱成像方法，可以提供包括近紫外、红光、绿光、蓝光、近红外光、中红外光和远红外光在内的波长，有时还可以进行热成像来检测热辐射。那么，什么是多光谱成像呢？本文从多光谱成像的原理和结构两方面进行了总结。

一般而言，彩色摄影可视为多谱段成像手段之一，但多谱段成像设备常提供互不重叠的多个波长通道，通常数量为三个以上。需注意。虽然一些多光谱成像设备(也称为多光谱相机)用于空间卫星和飞机(见下文)，但也有手持设备以及安装在工业环境中的成像设备。多光谱相机通常针对特定应用进行定制，特别是关于使用的光谱波段。

多光谱图像传感器

当需要运用有限数量的波长通道，比如5或8时，可使用一种图像传感器。该传感器在每个像素上都配有多个光电探测器，每个波长通道都对应一个探测器。这种传感器的设计与照相机中使用的RGB传感器相似。虽然这种工作原理导致简单的光学设置，但它有一些局限性：

一个需要根据所需的光谱通道使用专门的图像传感器。

每个光电探测器覆盖一定区域，相应波长区域之外的所有光都丢失。这意味着在灵敏度方面存在劣势，特别是当波长通道的数量变大时。

当成像系统需要覆盖非常宽的光谱区域时，可能很难获得高性能。

在这些地区，这种技术方法不是很普遍。

用于光谱扫描的高光谱相机

高光谱相机通过在具有宽带响应的传统相机上增加高光谱，可以实现光谱扫描。这种轮包含多个光学带通滤光片，用于选择不同的波长区域。可以连续不断地旋转，或者可以通过计算机控制，在每次运行时随机选择一个过滤器。这种技术方法的优点在于，能够根据实际应用轻松选择适当的过滤器。

相机或图像传感器的组合

可以采用相机的组合，例如一个用于可见光(具有3或4个通道)和一个或多个红外相机。每个相机都可以配备带通滤光片，以将灵敏度限制在某个光谱区域。然后，每个光学系统都可以针对相关光谱区域进行优化，并且需要不太专业的图像传感器。这项技术的缺陷是需要使用多个摄像头，并且必须确保捕获的图像有良好的空间重叠度(这对于近距离的物体尤其困难)。

一种混合的方法是采用通用光学器件处理所有波长，但在将光线送入多个图像传感器前，需将不同波长的通道分开。

扫描仪器

还可以采用扫描成像仪的原理，这最常用于高光谱成像。 最常见的方法是使用图像平面中的光学狭缝仅沿线选择图像信息，并在垂直于该线的方向上分散不同的波长分量。 需要通过组合相机、狭缝或物体不同方向的记录来组装完整的图像。 不一定在光谱色散方向上为每个像素分配一个光谱箱，而是根据所需的光谱通道组合多个像素。

线扫描的原理通常用于飞机和卫星等移动物体中的仪器;随后对垂直于飞行方向的一条线进行记录就足够了，并将它们组装起来以获得完整的图像，这些图像可以覆盖大的细长区域。 同样，固定式扫描仪器用于检测工业工厂传送带上的物体。

也可以使用点扫描，其优点是可以使用简单的光谱仪，例如声光可调谐滤波器。 但是，这会导致采集时间暂时更长，运动伪影更强。