高光譜（Hyperspectral，HS）相機由于能(néng)夠在圖像的每個(gè)像素上(shàng)提供豐富的光譜信息，促進了(le)機器(qì)視(shì)覺、食品和農(nóng)業分(fēn)析、環境監測和健康護理(lǐ)等領域的*傳感應用。盡管空間(jiān)掃描式、光譜掃描式和快(kuài)照式這(zhè)三種通用類型的高光譜相機已有市(shì)售，但(dàn)是它們在工業和消費領域的應用還存在很多障礙，例如(rú)與RGB相機相比，具有較低(dī)的靈敏度、分(fēn)辨率和/或幀速率等。
新(xīn)興的計算(suàn)成像有潛力通過優化(huà)硬件設計和圖像後處理(lǐ)來(lái)增強高光譜相機的傳感能(néng)力。壓縮傳感是一(yī)種從欠采樣測量中有效獲取信号的技術，有助于提高許多傳感系統的性能(néng)。
*近的研究成果包括片上(shàng)光譜器(qì)件和編碼孔徑快(kuài)照光譜成像等。然而，目前還沒有制造出具有與RGB相機相當靈敏度和分(fēn)辨率的視(shì)頻速率高光譜相機，因此阻礙了(le)高光譜成像技術在工業和消費領域的應用潛力。
據麥姆斯咨詢報(bào)道，日本松下(xià)控股公司（Panasonic Holdings Corporation）的Motoki Yako等研究人(rén)員(yuán)近期在Nature Photonics上(shàng)發表了(le)一(yī)篇題為(wèi)“Video-rate hyperspectral camera based on a CMOS-compatible random array of Fabry-Pérot filters”的文章。在這(zhè)篇文章中，研究人(rén)員(yuán)展示了(le)一(yī)種視(shì)頻速率高光譜相機，利用了(le)高效采集壓縮在二維傳感器(qì)信号中的空間(jiān)和光譜信息。這(zhè)款高光譜相機采用壓縮傳感，通過将包含64個(gè)CMOS兼容的法布裏·珀羅（Fabry-Pérot，F-P）濾波器(qì)陣列放(fàng)置在單色圖像傳感器(qì)上(shàng)，實現(xiàn)了(le)空間(jiān)-光譜編碼。
該濾波器(qì)陣列提供了(le)高光學傳輸，同時(shí)*小化(huà)後續叠代圖像重建中的重建誤差。該高光譜相機對可見光的靈敏度為(wèi)45%，空間(jiān)分(fēn)辨率為(wèi)3 px（3 dB對比度），并提供32.3 fps的幀速率 （VGA分(fēn)辨率）。這(zhè)些(xiē)指标與等效RGB相機相當，因此，能(néng)夠滿足實際應用的要求。
在該高光譜成像方案中，來(lái)自物體(tǐ)的光由測量矩陣進行空間(jiān)和光譜編碼，然後基于物體(tǐ)的空間(jiān)稀疏性進行圖像重建。其測量矩陣被實現(xiàn)為(wèi)一(yī)種空間(jiān)随機透射率模式的編碼掩模，不同波長之間(jiān)具有較小的相關(guān)性，即光譜随機性。
采用一(yī)種空間(jiān)-光譜編碼掩模的高光譜相機
如(rú)上(shàng)圖c所示，編碼掩模直接放(fàng)置在單色圖像傳感器(qì)上(shàng)，對于大規模量産，可以使用CMOS兼容的工藝将其單片集成到傳感器(qì)上(shàng)。編碼掩模是像素間(jiān)距為(wèi)5.5 μm的正方形單元陣列，與圖像傳感器(qì)的像素間(jiān)距匹配。
編碼掩模中Fabry-Pérot濾波器(qì)結構和特性
高光譜相機圖像采集的實驗結果
總結來(lái)說(shuō)，研究人(rén)員(yuán)展示了(le)一(yī)種可比拟RGB相機靈敏度和分(fēn)辨率的視(shì)頻速率高光譜相機。通過将CMOS兼容的空間(jiān)和光譜随機編碼掩模集成到單色圖像傳感器(qì)上(shàng)，從而實現(xiàn)了(le)這(zhè)種高光譜相機的制造。該相機對可見光的靈敏度為(wèi)45%，空間(jiān)分(fēn)辨率為(wèi)3 px（3 dB對比度），從而提供了(le)與标準RGB相機相當的性能(néng)。
通過假設空間(jiān)稀疏性的叠代圖像重建，獲得了(le)平均*誤差為(wèi)2.2%的高光譜圖像。通過使用叠代圖像重建實現(xiàn)了(le)32.3 fps的幀速率（VGA分(fēn)辨率），并可以通過基于人(rén)工智能(néng)（AI）的重建進一(yī)步增強到全高清分(fēn)辨率。
其實用的靈敏度、緊湊的尺寸和數據壓縮等優勢，為(wèi)高光譜成像技術在智能(néng)手機、無人(rén)機和物聯網（IoT）設備等各種場(chǎng)景中的廣泛應用帶來(lái)了(le)無限可能(néng)。
審核編輯：劉清
