高光譜（Hyperspectral，HS）相機由于能(néng)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(fēn)析、環境監測和健康護理(lǐ)等領域的*傳感應用(yòng)。盡管空間掃描式、光譜掃描式和快照式這三種通用(yòng)類型的高光譜相機已有(yǒu)市售，但是它們在工(gōng)業和消費領域的應用(yòng)還存在很(hěn)多(duō)障礙，例如與RGB相機相比，具(jù)有(yǒu)較低的靈敏度、分(fēn)辨率和/或幀速率等。

新(xīn)興的計算成像有(yǒu)潛力通過優化硬件設計和圖像後處理(lǐ)來增強高光譜相機的傳感能(néng)力。壓縮傳感是一種從欠采樣測量中(zhōng)有(yǒu)效獲取信号的技(jì )術，有(yǒu)助于提高許多(duō)傳感系統的性能(néng)。

*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(yǒu)制造出具(jù)有(yǒu)與RGB相機相當靈敏度和分(fēn)辨率的視頻速率高光譜相機，因此阻礙了高光譜成像技(jì )術在工(gōng)業和消費領域的應用(yòng)潛力。

據麥姆斯咨詢報道，日本松下控股公(gōng)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(wèi)“Video-rate hyperspectral camera based on a CMOS-compatible random array of Fabry-Pérot filters”的文(wén)章。在這篇文(wén)章中(zhōng)，研究人員展示了一種視頻速率高光譜相機，利用(yòng)了高效采集壓縮在二維傳感器信号中(zhōng)的空間和光譜信息。這款高光譜相機采用(yòng)壓縮傳感，通過将包含64個CMOS兼容的法布裏·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(xué)傳輸，同時*小(xiǎo)化後續叠代圖像重建中(zhōng)的重建誤差。該高光譜相機對可(kě)見光的靈敏度為(wèi)45%，空間分(fēn)辨率為(wèi)3  px（3 dB對比度），并提供32.3 fps的幀速率 （VGA分(fēn)辨率）。這些指标與等效RGB相機相當，因此，能(néng)夠滿足實際應用(yòng)的要求。

在該高光譜成像方案中(zhōng)，來自物(wù)體(tǐ)的光由測量矩陣進行空間和光譜編碼，然後基于物(wù)體(tǐ)的空間稀疏性進行圖像重建。其測量矩陣被實現為(wèi)一種空間随機透射率模式的編碼掩模，不同波長(cháng)之間具(jù)有(yǒu)較小(xiǎo)的相關性，即光譜随機性。

采用(yòng)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，對于大規模量産(chǎn)，可(kě)以使用(yòng)CMOS兼容的工(gōng)藝将其單片集成到傳感器上。編碼掩模是像素間距為(wèi)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(zhōng)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(kě)比拟RGB相機靈敏度和分(fēn)辨率的視頻速率高光譜相機。通過将CMOS兼容的空間和光譜随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(kě)見光的靈敏度為(wèi)45%，空間分(fēn)辨率為(wèi)3 px（3 dB對比度），從而提供了與标準RGB相機相當的性能(néng)。

通過假設空間稀疏性的叠代圖像重建，獲得了平均*誤差為(wèi)2.2%的高光譜圖像。通過使用(yòng)叠代圖像重建實現了32.3 fps的幀速率（VGA分(fēn)辨率），并可(kě)以通過基于人工(gōng)智能(néng)（AI）的重建進一步增強到全高清分(fēn)辨率。

其實用(yòng)的靈敏度、緊湊的尺寸和數據壓縮等優勢，為(wèi)高光譜成像技(jì )術在智能(néng)手機、無人機和物(wù)聯網（IoT）設備等各種場景中(zhōng)的廣泛應用(yòng)帶來了無限可(kě)能(néng)。

審核編輯：劉清