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高光譜相機(jī)成像方式的類型——波長(zhǎng)

2023-12-22

高光譜相機(jī)在成像時(shí)，首先要考慮的是所用光的波長(zhǎng)，因?yàn)檫@對(duì)色差和光傳輸都有重大影響。使用單色照明可以實(shí)現(xiàn)與波長(zhǎng)相關(guān)的最佳鏡頭性能。本文以波長(zhǎng)為依據(jù)，簡(jiǎn)單介紹了高光譜相機(jī)成像方式的類型。

近紅外（NIR）成像

近紅外（NIR）波段范圍從700nm延伸到1μm。傳統(tǒng)的CMOS傳感器具有一定的NIR靈敏度，而在850nm以上具有增強(qiáng)靈敏度的版本正變得越來越普遍。NIR可以揭示水果、蔬菜、堅(jiān)果和肉類等食物中的腐爛、機(jī)械損傷和蟲害等非表面特征。NIR照明還可以穿透某些染料和油墨，從而可以通過印刷包裝檢查產(chǎn)品。在木材、紡織、紙張、玻璃、瓷磚和電子工業(yè)中也有應(yīng)用，并用于檢查圓柱形物品（如罐頭、瓶子、鋼筆等）甚至旋轉(zhuǎn)物體上的標(biāo)簽。

此外，將脈沖NIR光源與NIR通濾光片結(jié)合使用可消除因環(huán)境光波動(dòng)而產(chǎn)生的任何不良影響。如果同時(shí)對(duì)物體進(jìn)行NIR和彩色成像很重要，則使用兩個(gè)單獨(dú)的相機(jī)可能會(huì)在獲得兩個(gè)圖像之間的準(zhǔn)確配準(zhǔn)方面存在問題。多傳感器棱鏡相機(jī)是一種強(qiáng)大的替代方案。在這里，棱鏡將來自樣品的光分離成可見光和NIR波長(zhǎng)通道，這些通道配備了單獨(dú)的傳感器，從而為兩個(gè)圖像提供完全相同的視野，如下圖所示。與這些相機(jī)一起使用的鏡頭必須與棱鏡的光學(xué)特性很好地匹配。

短波紅外（SWIR）成像

短波紅外（SWIR）的范圍約為1-5μm，許多相機(jī)經(jīng)過優(yōu)化可以在0.9-1.7μm范圍內(nèi)工作。這些相機(jī)需要特殊的探測(cè)器，如砷化銦鎵或碲化汞鎘。

SWIR相機(jī)產(chǎn)生的單色圖像的分辨率和細(xì)節(jié)與可見光相似，但在該波段中可用于鏡頭的商用光學(xué)玻璃較少。這些玻璃通常提供隨著波長(zhǎng)增加而進(jìn)一步降低的低色散，因此可能需要一些更昂貴的高色散特種玻璃元件來生產(chǎn)消色差透鏡。結(jié)晶紅外材料，例如硒化鋅和氟化鈣，具有高色散性能，但這些材料的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)低于玻璃，而且價(jià)格也更高，因此，大多數(shù)SWIR鏡頭繼續(xù)由具有抗反射涂層的玻璃制成。

水在SWIR區(qū)域強(qiáng)烈吸收光，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)中的大量水分分布檢測(cè)應(yīng)用以及檢查瓶中水性液體的填充水平。硅對(duì)SWIR輻射的透明性使得能夠檢測(cè)非表面半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池，包括檢測(cè)半導(dǎo)體晶錠中的雜質(zhì)和多晶材料中的裂縫，而在回收過程中，可以區(qū)分塑料材料。有機(jī)材料和塑料根據(jù)其成分選擇性吸收SWIR波長(zhǎng)而產(chǎn)生的獨(dú)特“指紋”可使高光譜成像成為它們的唯一識(shí)別。這將紅外光譜與機(jī)器視覺相結(jié)合，生成根據(jù)被成像物體的化學(xué)成分進(jìn)行顏色編碼的圖像，如下圖所示。SWIR成像還可以測(cè)量250℃和800℃之間的溫度，使其可用于在制造和焊接應(yīng)用的早期檢查熱玻璃材料。

長(zhǎng)波紅外（LWIR）成像

長(zhǎng)波紅外（LWIR）波段范圍為8-14μm。具有微測(cè)輻射熱計(jì)傳感器的LWIR相機(jī)使用自然發(fā)射的輻射（熱成像）可實(shí)現(xiàn)高達(dá)250℃的高精度表面溫度分布測(cè)量。可以在遠(yuǎn)距離、完全黑暗的環(huán)境中以及通過霧、灰塵、雨和煙霧檢測(cè)到熱輻射。應(yīng)用包括監(jiān)視、安全、救援、無損檢測(cè)和過程檢測(cè)。LWIR光學(xué)器件通常由鍺或硫?qū)倩锊牧现瞥?，例如Ge33As12Se55。硫?qū)倩锞哂信c鍺相似的光學(xué)和機(jī)械性能，但折射率不同。

紫外（uv）成像

紫外成像系統(tǒng)提供比可見光更高的分辨率能力，能夠解析亞微米特征。這對(duì)于檢測(cè)拋光或高度鏡面表面上的劃痕和缺陷以及印刷電路板、文件和信用卡等產(chǎn)品中非常小的表面細(xì)節(jié)特別有用。由于玻璃會(huì)減弱紫外線，石英透鏡可用于UV-A（320–400nm）和UV-B（290-320nm）照明，并且可以構(gòu)建消色差雙合透鏡。