高光譜（Hyperspectral，HS）相機由于能夠在圖像的每個像素上提供豐富的光譜信息，促進了機器(qi)視(shi)覺、食品和農業分析、環境監測和健康護理等領域的*傳感應用。盡管空間掃描式、光譜掃描式和快照式這三種通用類型的高光譜相機已有市售，但是它們在工(gong)業和(he)消(xiao)費領(ling)域(yu)的應用還存在很多障(zhang)礙，例如與RGB相(xiang)(xiang)機相(xiang)(xiang)比，具有(you)較低(di)的靈敏度、分辨率(lv)和(he)/或幀(zhen)速率(lv)等。
新興的計算成像有潛力通過優化硬件設計和圖像后處理來增強高光譜相機的傳感能力。壓縮傳感是一種從欠采樣測量中有效獲取信號的技術，有助于提高(gao)許多(duo)傳感系統(tong)的性能。
*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，目前還沒有制造出具有與RGB相機相當靈敏度和分辨率的視頻速率高(gao)光(guang)譜相機，因(yin)此阻(zu)礙了(le)高(gao)光(guang)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，利用了高效采集壓縮在二維傳感器信號中的空間和光譜信息。這款高光譜相機采用壓縮傳感，通過將包含64個CMOS兼容的法布里·珀羅（Fabry-Pérot，F-P）濾波器陣列放置在單色圖像傳感器上，實現了空間-光譜編碼。
該(gai)濾波器陣(zhen)列提供了高光學傳輸，同時*小化后(hou)續(xu)迭(die)代(dai)圖像重建中的重建誤差。該(gai)高光譜(pu)相機對(dui)可(ke)見(jian)光的靈敏度(du)為45%，空間分(fen)辨率(lv)為3? px（3 dB對(dui)比度(du)），并(bing)提供32.3 fps的幀(zhen)速率(lv)?（VGA分(fen)辨率(lv)）。這些指標與(yu)等效RGB相機相當，因此，能夠滿足實際應用(yong)的要(yao)求。
在該高光譜(pu)成像方(fang)案中，來自物(wu)體的(de)光由測(ce)量矩(ju)陣(zhen)進(jin)行空間和光譜(pu)編碼，然(ran)后基(ji)于物(wu)體的(de)空間稀疏性(xing)進(jin)行圖像重建。其測(ce)量矩(ju)陣(zhen)被實現(xian)為一(yi)種空間隨(sui)機透射(she)率模(mo)式的(de)編碼掩(yan)模(mo)，不(bu)同波長之間具(ju)有較小的(de)相關性(xing)，即光譜(pu)隨(sui)機性(xing)。
采用一種(zhong)空間-光譜編碼掩模的高光譜相機
如上圖c所示，編碼掩模直接放置在單色圖像傳感器上(shang)，對(dui)于大規模量(liang)產，可(ke)以使用CMOS兼容的(de)工藝將其單片集成到傳感器上(shang)。編碼掩模是像(xiang)素(su)(su)間(jian)距(ju)為5.5 ?μm的(de)正方形單元陣(zhen)列(lie)，與圖像(xiang)傳感器的(de)像(xiang)素(su)(su)間(jian)距(ju)匹配。
編碼掩模中(zhong)Fabry-Pérot濾波器結構和特性
高光譜相(xiang)機(ji)圖(tu)像采集的實驗結果
總結來說(shuo)，研究人員展示(shi)了一(yi)種可比擬RGB相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)靈敏度(du)和(he)分辨(bian)率(lv)的(de)視頻速率(lv)高光譜(pu)相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)。通過將CMOS兼容的(de)空(kong)間和(he)光譜(pu)隨機(ji)(ji)編碼掩模集成到(dao)單色(se)圖像傳(chuan)感(gan)器上，從而實現了這種高光譜(pu)相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)的(de)制造(zao)。該相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)對可見光的(de)靈敏度(du)為45%，空(kong)間分辨(bian)率(lv)為3 px（3 dB對比度(du)），從而提供(gong)了與標準RGB相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)相(xiang)(xiang)(xiang)當的(de)性能(neng)。
通過假設空間稀疏性的迭代圖像重建，獲得了平均*誤差為2.2%的高光譜圖像。通過使用迭代圖像重建實現了32.3 fps的幀速率（VGA分辨率），并可以通過基于人工智能（AI）的重(zhong)建進一(yi)步增強到全高清分辨率。
其實用的靈敏度、緊湊的尺寸和數據壓縮等優勢，為高光譜成像技術在智能(neng)手機、無(wu)人機和物聯網（IoT）設備等各種場景中的廣泛應用帶來了無限可能。
審核編輯：劉清
