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，促進了機器視覺、食品和農業分析、環境監測和健康護理等領域的先進傳感應用。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，但是它們在工業和消費領域的應用還存在很多障礙，例如與RGB相機相比，具有較低的靈敏度、分辨率和/或幀速率等。

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，有助于提高許多傳感系統的性能。

最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光譜相機，因此阻礙了高光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。

該濾波器陣列提供了高光學傳輸，同時最小化后續迭代圖像重建中的重建誤差。該高光譜相機對可見光的靈敏度為45%，空間分辨率為3? px（3 dB對比度），并提供32.3 fps的幀速率?（VGA分辨率）。這些指標與等效RGB相機相當，因此，能夠滿足實際應用的要求。

在該高光譜成像方案中，來自物體的光由測量矩陣進行空間和光譜編碼，然后基于物體的空間稀疏性進行圖像重建。其測量矩陣被實現為一種空間隨機透射率模式的編碼掩模，不同波長之間具有較小的相關性，即光譜隨機性。

采用一種空間-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，對于大規模量產，可以使用CMOS兼容的工藝將其單片集成到傳感器上。編碼掩模是像素間距為5.5 ?μm的正方形單元陣列，與圖像傳感器的像素間距匹配。

編碼掩模中Fabry-Pérot濾波器結構和特性

高光譜相機圖像采集的實驗結果

總結來說，研究人員展示了一種可比擬RGB相機靈敏度和分辨率的視頻速率高光譜相機。通過將CMOS兼容的空間和光譜隨機編碼掩模集成到單色圖像傳感器上，從而實現了這種高光譜相機的制造。該相機對可見光的靈敏度為45%，空間分辨率為3 px（3 dB對比度），從而提供了與標準RGB相機相當的性能。

通過假設空間稀疏性的迭代圖像重建，獲得了平均絕對誤差為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）的重建進一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手機、無人機和物聯網（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