高光谱（Hyperspectral，HS）相机由于能够在图像的每个像素上提供丰富的光谱信息，促进了机器视觉、食品和农业分析、环境监测和健康护理等领域的*传感应用。尽管空间扫描式、光谱扫描式和快照式这三种通用类型的高光谱相机已有市售，但是它们在工业和消费领域的应用(yong)还存在很多(duo)障碍(ai)，例如与RGB相(xiang)机相(xiang)比，具有较低(di)的灵(ling)敏度、分辨率和/或帧速(su)率等。
新兴的计算成像有潜力通过优化硬件设计和图像后处理来增强高光谱相机的传感能力。压缩传感是一种从欠采样测量中有效获取信号的(de)技术(shu)，有助于(yu)提(ti)高许多(duo)传感系统的(de)性能。
*近的研究成果包括片上光谱器件和编码孔径快照光谱成像等。然而，目前还没有制造出具有与RGB相机相当灵敏度和分辨率的视频(pin)速率高光谱相机，因此阻碍了高光谱成像技(ji)术在工业(ye)和消费领域(yu)的应(ying)用潜力。
据麦姆斯咨询报道，日本松下控股公司（Panasonic Holdings Corporation）的Motoki Yako等研究人员近期在Nature Photonics上发表了一篇题为“Video-rate hyperspectral camera based on a CMOS-compatible random array of Fabry-Pérot filters”的文章。在这篇文章中，研究人员展示了一种视频速率高光谱相机，利用了高效采集压缩在二维传感器信号中的空间和光谱信息。这款高光谱相机采用压缩传感，通过将包含64个CMOS兼容的法布里·珀罗（Fabry-Pérot，F-P）滤波器阵列放置在单色图像传感器上，实现了空间-光谱编码。
该滤(lv)波器阵列(lie)提供了高(gao)光(guang)学(xue)传输(shu)，同时(shi)*小化后续迭(die)代图像(xiang)重建中的(de)重建误差。该高(gao)光(guang)谱相机对(dui)(dui)可见光(guang)的(de)灵敏度为45%，空(kong)间分(fen)辨率为3 px（3 dB对(dui)(dui)比(bi)度），并提供32.3 fps的(de)帧速(su)率 （VGA分(fen)辨率）。这些(xie)指标与等效RGB相机相当，因此，能够满足实际应用的(de)要(yao)求。
在该高光谱(pu)成(cheng)像(xiang)方案中，来自物体的(de)光由测量矩阵(zhen)进行(xing)空间(jian)和光谱(pu)编码，然后基(ji)于物体的(de)空间(jian)稀疏(shu)性进行(xing)图像(xiang)重(zhong)建(jian)。其测量矩阵(zhen)被实现为一种(zhong)空间(jian)随机透射(she)率模(mo)式的(de)编码掩模(mo)，不同波长之间(jian)具有较(jiao)小的(de)相关性，即光谱(pu)随机性。
采用一种空间-光(guang)谱(pu)编码掩模的高(gao)光(guang)谱(pu)相机(ji)
如上图c所示，编码掩模直接放置在单色图像传感器上，对于(yu)大规(gui)模(mo)量产，可以使用(yong)CMOS兼容的工艺(yi)将其单(dan)片集(ji)成到传感(gan)器(qi)上。编码掩模(mo)是像素间距为5.5 μm的正方形单(dan)元阵列，与图像传感(gan)器(qi)的像素间距匹配。
编码掩(yan)模中(zhong)Fabry-Pérot滤波器结构和特性
高(gao)光谱相机图像采集的实验结果(guo)
总结来说，研(yan)究人(ren)员展示了一种(zhong)可比拟RGB相(xiang)(xiang)机(ji)灵敏度和(he)(he)分辨率(lv)的(de)(de)视频速率(lv)高光(guang)(guang)谱(pu)相(xiang)(xiang)机(ji)。通(tong)过将(jiang)CMOS兼容的(de)(de)空(kong)间和(he)(he)光(guang)(guang)谱(pu)随机(ji)编(bian)码掩模集成到(dao)单色(se)图像传感器上，从(cong)而实现了这种(zhong)高光(guang)(guang)谱(pu)相(xiang)(xiang)机(ji)的(de)(de)制造。该(gai)相(xiang)(xiang)机(ji)对(dui)可见光(guang)(guang)的(de)(de)灵敏度为45%，空(kong)间分辨率(lv)为3 px（3 dB对(dui)比度），从(cong)而提供了与(yu)标准RGB相(xiang)(xiang)机(ji)相(xiang)(xiang)当的(de)(de)性能。
通过假设空间稀疏性的迭代图像重建，获得了平均*误差为2.2%的高光谱图像。通过使用迭代图像重建实现了32.3 fps的帧速率（VGA分辨率），并可以通过基于人(ren)工(gong)智(zhi)能（AI）的重建进一步增强到全(quan)高(gao)清分辨(bian)率。
其实用的灵敏度、紧凑的尺寸和数据压缩等优势，为高光谱成像技术在智能手机、无(wu)人(ren)机和物联(lian)网（IoT）设备等(deng)各种场景中的(de)广泛应用(yong)带来了无限可能(neng)。
审核编辑：刘清
