Предисловие
Мультиспектральная съемка — это метод получения и анализа данных изображения из различных спектральных диапазонов. В отличие от традиционных цветных изображений, мультиспектральная съемка способна захватывать информацию в более широком спектральном диапазоне, включая диапазоны за пределами видимого света, такие как инфракрасный и ультрафиолетовый свет. Эти различные диапазоны соответствуют различным диапазонам длин волн, и различные вещества и материалы отражают, поглощают или пропускают свет по-разному в этих диапазонах.
Мультиспектральные камеры используют несколько оптических датчиков или оптических фильтров для разделения света с различными длинами волн и захвата изображений каждого диапазона одновременно, что делает их устройствами камер, которые захватывают спектральную информацию в различных диапазонах длин волн. Это отличается от обычных камер RGB, которые могут захватывать изображения только в видимом диапазоне света, в то время как мультиспектральные камеры могут захватывать более широкий спектральный диапазон, обычно включающий видимый свет, инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны. Это позволяет мультиспектральным камерам предоставлять более богатую информацию, чем обычные камеры RGB, и особенно подходит для многих областей применения, включая сортировку сельскохозяйственной продукции, инспекцию сельскохозяйственных угодий, безопасность пищевых продуктов, мониторинг окружающей среды и т. д.
Разработка мультиспектральных камер
В 1960-х годах появилась новая технология обнаружения — технология многоспектральной визуализации. Эта технология позволяет получать пространственную информацию о целях в разных спектральных диапазонах одновременно и может сочетать технологию визуализации со спектральной технологией посредством проектирования оптических систем.
Обычные аэрофотоаппараты, использовавшиеся в ранние годы, могли снимать только одну определенную спектральную полосу, но не могли нести информацию о цели. Разработанная многоспектральная камера может выполнять многоспектральную и многоспектральную съемку, а метод съемки в основном основан на эффекте фильтрации полосовых фильтров. Объединяя фильтры, можно одновременно получать информацию, переносимую одной и той же целью в разных полосах, тем самым реализуя съемку в широком спектральном диапазоне. Многоспектральные камеры можно разделить на призменную структуру расщепления, структуру колеса фильтров и структуру расщепления фильтров в соответствии с различными методами расщепления.
Классификация мультиспектральных камер
Призматическая спектрометрия
Призматические спектроскопические многоспектральные камеры обычно включают входную оптическую систему для направления падающего света. Эта система может включать линзы или другие оптические компоненты для фокусировки света на призму. Призматический светоделитель является основным компонентом камеры, который используется для рассеивания падающего света в спектр с различными длинами волн. Обычно камера использует одну или несколько призм, каждая из которых соответствует полосе. Несколько призм могут быть соединены последовательно для рассеивания нескольких полос света одновременно. Разделяя свет разных полос через призму, а затем разделенный свет поступает в разные камеры для выборки, можно получить изображения нескольких спектров.
Преимущества:
Высокая частота кадров: очень важно для приложений с высоким временным разрешением, таких как мониторинг динамических процессов
Полное разрешение: может захватывать все полосы в непрерывном диапазоне длин волн, недискретная энергия
Отсутствие потерь: работает на основе принципа преломления и дисперсии, не снижает интенсивность света
Недостатки:
Высокая стоимость: стоимость настройки оптических компонентов и оптических путей чрезвычайно высока
Большой размер: многоспектральные камеры, работающие на основе призматической спектрометрии, обычно требуют больших призм и оптических компонентов, что делает камеру слишком большой
Технология фильтрующего колеса
Камеры с колесом фильтров используют фильтры для вращения, чтобы получать многоканальные спектральные изображения. Эти фильтры обычно располагаются перед датчиком или объективом. Это колесо фильтров обычно поддерживает 8-12 полос, каждая из которых соответствует разному спектральному диапазону. Впоследствии спектральную отражательную способность каждого пикселя можно оценить путем обработки многоспектрального изображения. Одним из преимуществ камер с колесом фильтров является то, что они имеют полное пространственное разрешение в каждой полосе, при этом позволяя настраивать и заменять фильтры в соответствии с потребностями конкретных приложений. Однако эта камера должна постоянно переключаться между различными полосами, а скорость съемки низкая. Поэтому она подходит только для съемки неподвижных целей.
Фильтр массива
Мультиспектральные камеры на основе решеток фильтров могут получать мультиспектральные изображения за один снимок без увеличения размера или стоимости. Обычно они поддерживают несколько каналов видимого света, ближнего инфракрасного и коротковолнового инфракрасного диапазона. Они имеют широкий спектр применения в сельском хозяйстве, мониторинге окружающей среды, дистанционном зондировании и спутниковой съемке. Однако из-за ограниченного количества фильтров в решетке фильтров диапазоны, охватываемые этой камерой, ограничены.
Технология мультиспектральной камеры
Человеческое зрение трихроматично, что означает, что каждый видимый цвет является продуктом сигналов, генерируемых тремя типами фоторецепторных клеток, расположенных на нашей сетчатке, что ограничивает наше зрение трехмерным цветовым пространством. Теперь представьте, что у вас есть устройство, например, мобильный телефон, которое позволяет вам расширить свое зрение до многомерного цветового пространства, и подумайте обо всей скрытой информации, которую оно может раскрыть. Поэтому один из способов добиться этого — использовать мультиспектральную визуализацию. Получается серия узкополосных изображений объекта, которые затем объединяются в то, что называется «спектральным кубом». Таким образом, этот куб содержит много информации об объекте и позволяет проводить спектральный анализ каждого объекта, поэтому возникает вопрос: как нам получить это узкополосное изображение?
Когда свет проходит через несколько поверхностей с антибликовыми покрытиями, он резонирует и интерферирует в зазорах, разделяющих эти поверхности, что приводит к узкополосному спектру пропускания этой структуры. Теперь, если мы просто изменим оптический зазор в этом фильтре, этот спектр пропускания сместится. Пик пропускания тогда сместится в инфракрасный диапазон.
Еще в 1987 году Мелонсон реализовал этот принцип с помощью устройств MEMS. Однако современные фильтры Фабри-Перо на основе MEMS ограничены тем, что их диапазон настройки очень ограничен, и они могут уменьшить начальный зазор только на одну треть. Когда он превышает одну треть, возникает явление натяжения. Для получения многоспектральных изображений требуется очень широкий диапазон настройки фильтра, и явление натяжения можно избежать, просто развязав оптику и устройства MEMS.
В этой конструкции у нас есть подвижное зеркало с набором внешних электродов. На рисунке ниже представлена физическая картина настраиваемого фильтра. Он имеет толщину всего 1,05 мм и состоит из трех пластин. В этой концепции, когда мы применяем управляющее напряжение, оптический зазор больше не уменьшается, а увеличивается, и эта конструкция может достичь расширения зазора в 6 раз.
Эта совместимая снизу вверх мультиспектральная камера для мобильных телефонов широко используется в сельскохозяйственном инспекционном осмотре, автономном вождении, промышленной автоматизации, распознавании лиц, медицине и т. д. Испытания показали, что она может нормально работать в широком диапазоне температур и давлений, что значительно превышает стандарты допуска мобильных телефонов.