高光谱工业相机选择应该考虑哪些因素

近年来，随着光学设计、成像技术、计算技术、新型压缩方法以及行业生态系统的日趋成熟，高光谱工业相机的适用领域及应用场景也越来越多。高光谱工业相机主要影响因素如下：

1. 光谱分辨率
   定义：光谱分辨率指的是区分相邻光谱波长的能力，通常以纳米（nm）作为度量单位。
   影响：较高的光谱分辨率能够检测到细微的光谱差异，然而，这会使数据量显著增加，同时降低信噪比。若分辨率过低，则可能造成特征光谱相互混合，进而影响物质识别的精度。
   权衡：在实际应用中，需要依据检测目标的光谱特性，例如化学键吸收峰的宽度等，来选择适宜的分辨率。
2. 空间分辨率
   定义：空间分辨率体现的是相机对物体细节的捕捉能力，具体表现为像素大小或像元尺寸。
   影响：高空间分辨率有助于识别微小缺陷，但这需要更高的光照强度或者更长的曝光时间。由于受到衍射极限的限制，高光谱相机的空间分辨率通常低于普通的RGB相机。
   优化：可通过结合光学镜头，如高倍率镜头，或者采用后期超分辨率算法来实现优化。
3. 光谱范围
   定义：光谱范围是指相机所覆盖的波长范围，例如可见光的400 - 700nm、近红外的900 - 1700nm等。
   影响：不同物质在不同波段会呈现出特征反射或吸收峰，例如有机物在近红外区的响应较为明显。光谱范围越宽，硬件成本就越高，因为需要匹配相应的探测器、滤光片等。
   选择：应根据具体的应用需求进行选择，如农产品检测通常采用近红外波段，而塑料分选则需要短波红外波段。
4. 信噪比（SNR）
   定义：信噪比是指有效信号与噪声的比值。
   影响因素：探测器灵敏度方面，制冷型探测器能够降低暗电流噪声；积分时间上，延长曝光时间虽可提升信号强度，但可能会引入热噪声；光源稳定性也很关键，不均匀照明会引入噪声。
   改进措施：可采取使用高量子效率传感器、主动制冷以及多帧平均降噪等改进措施。
5. 采集速度（帧率）
   定义：采集速度即单位时间内获取高光谱数据立方体的能力。
   限制因素：由于数据量较大，光谱通道众多，其受限于传感器读出速度以及接口带宽，例如USB3.0与Camera Link的差异。高速度采集可能会牺牲分辨率或动态范围。
   工业应用：在工业应用中，需要在速度与精度之间进行平衡，例如在线检测要求具备实时性，而实验室场景则可以采用低速高精度的采集方式。
6. 光学系统
   镜头像差：镜头的色差、畸变等会对光谱和空间信息的准确性产生影响。
   狭缝设计：推扫式（Push - broom）相机的狭缝宽度会影响光通量和杂散光。
   滤光片/光栅：分光元件的效率与稳定性十分重要，例如液晶可调滤光片（LCTF）的切换速度。
7. 校准与标定
   光谱校准：光谱校准的目的是确保波长定位准确，需要定期使用标准光源，如汞灯进行校验。
   辐射校准：辐射校准旨在消除传感器响应的非均匀性，例如采用白板校正的方法。
   几何校准：几何校准用于校正像素偏移，特别是推扫式相机需要严格同步运动平台。
8. 环境因素
   温度：高温会导致传感器噪声增加，可能需要采用主动制冷措施。
   振动：工业现场的振动可能会使图像模糊，需要进行防震设计或者采用高速快门。
   光照条件：不均匀照明情况下，需要使用漫反射光源或匀光板。
9. 数据处理能力
   实时性：可借助嵌入式GPU或FPGA来加速光谱分析算法，如偏最小二乘法（PLS）、支持向量机（SVM）等。
   数据压缩：采用无损压缩方法。

高光谱工业相机是复杂的设备，其性能和价格受诸多因素影响。然而，在为应用找到合适的选择时，可以通过“基于需求的分析”来简化决策。需要确定能够帮助您实现目标的最重要的性能因素。这包括考虑以下因素：

• 正在寻找的光谱特征以及区分它们所需的分辨率
• 执行此分析所需的速度以及所需的相关帧速率
• 捕获图像的条件，例如环境和光照条件。

基于需求的分析结果应该能够反映出您的用例所需的性能底线。考虑到这一点，可以探索性能和价格之间的权衡，以找到最佳的高光谱相机选择。追求市面上最高规格的高光谱相机很容易。然而，这往往会导致资金浪费，因为相机的性能超出了您的需求。

不同行业需要考虑的高光谱相机性能因素包括：

• 农业：需要中等光谱分辨率。飞行器最适合使用推扫式相机，速度快效率高，光谱质量好。
• 质量控制：在各行各业的质量控制和用例分选中，优先考虑高帧率和实时处理，而非光谱分辨率。高光谱系统可能只需要区分固定数量的已知光谱特征，但必须做出实时决策。
• 医疗保健：目前仍处于概念验证研究阶段，但从高光谱数据集得出错误结论的风险可能会带来严重后果。因此，医疗保健用例通常需要更高的光谱和空间分辨率。
• 国防安全：宽光谱范围和高光谱分辨率可检测伪装威胁，高帧率可进行实时分析。