高光譜（Hyperspectral，HS）相機(jī)由于能夠在圖像的每個(gè)像素上提供豐富的光譜信息，促進(jìn)了機(jī)器視覺(jué)、食品和農(nóng)業(yè)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)和健康護(hù)理等領(lǐng)域的先進(jìn)傳感應(yīng)用。盡管空間掃描式、光譜掃描式和快照式這三種通用類(lèi)型的高光譜相機(jī)已有市售，但是它們?cè)诠I(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用還存在很多障礙，例如與RGB相機(jī)相比，具有較低的靈敏度、分辨率和/或幀速率等。

新興的計(jì)算成像有潛力通過(guò)優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)和圖像后處理來(lái)增強(qiáng)高光譜相機(jī)的傳感能力。壓縮傳感是一種從欠采樣測(cè)量中有效獲取信號(hào)的技術(shù)，有助于提高許多傳感系統(tǒng)的性能。

最近的研究成果包括片上光譜器件和編碼孔徑快照光譜成像等。然而，目前還沒(méi)有制造出具有與RGB相機(jī)相當(dāng)靈敏度和分辨率的視頻速率高光譜相機(jī)，因此阻礙了高光譜成像技術(shù)在工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，日本松下控股公司（Panasonic Holdings Corporation）的Motoki Yako等研究人員近期在Nature Photonics上發(fā)表了一篇題為“Video-rate hyperspectral camera based on a CMOS-compatible random array of Fabry-Pérot filters”的文章。在這篇文章中，研究人員展示了一種視頻速率高光譜相機(jī)，利用了高效采集壓縮在二維傳感器信號(hào)中的空間和光譜信息。這款高光譜相機(jī)采用壓縮傳感，通過(guò)將包含64個(gè)CMOS兼容的法布里·珀羅（Fabry-Pérot，F(xiàn)-P）濾波器陣列放置在單色圖像傳感器上，實(shí)現(xiàn)了空間-光譜編碼。

該濾波器陣列提供了高光學(xué)傳輸，同時(shí)最小化后續(xù)迭代圖像重建中的重建誤差。該高光譜相機(jī)對(duì)可見(jiàn)光的靈敏度為45%，空間分辨率為3? px（3 dB對(duì)比度），并提供32.3 fps的幀速率?（VGA分辨率）。這些指標(biāo)與等效RGB相機(jī)相當(dāng)，因此，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

在該高光譜成像方案中，來(lái)自物體的光由測(cè)量矩陣進(jìn)行空間和光譜編碼，然后基于物體的空間稀疏性進(jìn)行圖像重建。其測(cè)量矩陣被實(shí)現(xiàn)為一種空間隨機(jī)透射率模式的編碼掩模，不同波長(zhǎng)之間具有較小的相關(guān)性，即光譜隨機(jī)性。

采用一種空間-光譜編碼掩模的高光譜相機(jī)

如上圖c所示，編碼掩模直接放置在單色圖像傳感器上，對(duì)于大規(guī)模量產(chǎn)，可以使用CMOS兼容的工藝將其單片集成到傳感器上。編碼掩模是像素間距為5.5 ?μm的正方形單元陣列，與圖像傳感器的像素間距匹配。

編碼掩模中Fabry-Pérot濾波器結(jié)構(gòu)和特性

高光譜相機(jī)圖像采集的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

總結(jié)來(lái)說(shuō)，研究人員展示了一種可比擬RGB相機(jī)靈敏度和分辨率的視頻速率高光譜相機(jī)。通過(guò)將CMOS兼容的空間和光譜隨機(jī)編碼掩模集成到單色圖像傳感器上，從而實(shí)現(xiàn)了這種高光譜相機(jī)的制造。該相機(jī)對(duì)可見(jiàn)光的靈敏度為45%，空間分辨率為3 px（3 dB對(duì)比度），從而提供了與標(biāo)準(zhǔn)RGB相機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

通過(guò)假設(shè)空間稀疏性的迭代圖像重建，獲得了平均絕對(duì)誤差為2.2%的高光譜圖像。通過(guò)使用迭代圖像重建實(shí)現(xiàn)了32.3 fps的幀速率（VGA分辨率），并可以通過(guò)基于人工智能（AI）的重建進(jìn)一步增強(qiáng)到全高清分辨率。

其實(shí)用的靈敏度、緊湊的尺寸和數(shù)據(jù)壓縮等優(yōu)勢(shì)，為高光譜成像技術(shù)在智能手機(jī)、無(wú)人機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備等各種場(chǎng)景中的廣泛應(yīng)用帶來(lái)了無(wú)限可能。

審核編輯：劉清