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高光谱相机成像方式的类型——波长

2023-12-22

高光谱相机在成像时，首先要考虑的是所用光的波长，因为这对色差和光传输都有重大影响。使用单色照明可以实现与波长相关的最佳镜头性能。本文以波长为依据，简单介绍了高光谱相机成像方式的类型。

近红外（NIR）成像

近红外（NIR）波段范围从700nm延伸到1μm。传统的CMOS传感器具有一定的NIR灵敏度，而在850nm以上具有增强灵敏度的版本正变得越来越普遍。NIR可以揭示水果、蔬菜、坚果和肉类等食物中的腐烂、机械损伤和虫害等非表面特征。NIR照明还可以穿透某些染料和油墨，从而可以通过印刷包装检查产品。在木材、纺织、纸张、玻璃、瓷砖和电子工业中也有应用，并用于检查圆柱形物品（如罐头、瓶子、钢笔等）甚至旋转物体上的标签。

此外，将脉冲NIR光源与NIR通滤光片结合使用可消除因环境光波动而产生的任何不良影响。如果同时对物体进行NIR和彩色成像很重要，则使用两个单独的相机可能会在获得两个图像之间的准确配准方面存在问题。多传感器棱镜相机是一种强大的替代方案。在这里，棱镜将来自样品的光分离成可见光和NIR波长通道，这些通道配备了单独的传感器，从而为两个图像提供完全相同的视野，如下图所示。与这些相机一起使用的镜头必须与棱镜的光学特性很好地匹配。

短波红外（SWIR）成像

短波红外（SWIR）的范围约为1-5μm，许多相机经过优化可以在0.9-1.7μm范围内工作。这些相机需要特殊的探测器，如砷化铟镓或碲化汞镉。

SWIR相机产生的单色图像的分辨率和细节与可见光相似，但在该波段中可用于镜头的商用光学玻璃较少。这些玻璃通常提供随着波长增加而进一步降低的低色散，因此可能需要一些更昂贵的高色散特种玻璃元件来生产消色差透镜。结晶红外材料，例如硒化锌和氟化钙，具有高色散性能，但这些材料的机械强度远低于玻璃，而且价格也更高，因此，大多数SWIR镜头继续由具有抗反射涂层的玻璃制成。

水在SWIR区域强烈吸收光，导致农业和农业中的大量水分分布检测应用以及检查瓶中水性液体的填充水平。硅对SWIR辐射的透明性使得能够检测非表面半导体和太阳能电池，包括检测半导体晶锭中的杂质和多晶材料中的裂缝，而在回收过程中，可以区分塑料材料。有机材料和塑料根据其成分选择性吸收SWIR波长而产生的独特“指纹”可使高光谱成像成为它们的唯一识别。这将红外光谱与机器视觉相结合，生成根据被成像物体的化学成分进行颜色编码的图像，如下图所示。SWIR成像还可以测量250℃和800℃之间的温度，使其可用于在制造和焊接应用的早期检查热玻璃材料。

长波红外（LWIR）成像

长波红外（LWIR）波段范围为8-14μm。具有微测辐射热计传感器的LWIR相机使用自然发射的辐射（热成像）可实现高达250℃的高精度表面温度分布测量。可以在远距离、完全黑暗的环境中以及通过雾、灰尘、雨和烟雾检测到热辐射。应用包括监视、安全、救援、无损检测和过程检测。LWIR光学器件通常由锗或硫属化物材料制成，例如Ge33As12Se55。硫属化物具有与锗相似的光学和机械性能，但折射率不同。

紫外（uv）成像

紫外成像系统提供比可见光更高的分辨率能力，能够解析亚微米特征。这对于检测抛光或高度镜面表面上的划痕和缺陷以及印刷电路板、文件和信用卡等产品中非常小的表面细节特别有用。由于玻璃会减弱紫外线，石英透镜可用于UV-A（320–400nm）和UV-B（290-320nm）照明，并且可以构建消色差双合透镜。