在傳統(tǒng)印象中，高光譜相機(jī)是一種大型、復(fù)雜、通常需要配合無(wú)人機(jī)或載車(chē)平臺(tái)使用的專(zhuān)業(yè)設(shè)備。但隨著光學(xué)技術(shù)與微型電子系統(tǒng)的發(fā)展，越來(lái)越多小型高光譜相機(jī)出現(xiàn)在科研和行業(yè)應(yīng)用中，甚至有人在背包里就能裝下一整套系統(tǒng)。

問(wèn)題來(lái)了——小型化之后，這類(lèi)設(shè)備還能用來(lái)干嘛?它的便攜性帶來(lái)了哪些優(yōu)勢(shì)?又是否會(huì)犧牲測(cè)量精度和光譜分辨率?這篇文章就來(lái)聊聊這些問(wèn)題。

一、小型高光譜相機(jī)能做什么？

高光譜成像的最大優(yōu)勢(shì)在于：能“看見(jiàn)”人眼看不見(jiàn)的光譜信息。每個(gè)像素都有一組光譜曲線(xiàn)，這使得它在材料識(shí)別、病害檢測(cè)、成分分析等領(lǐng)域具備天然優(yōu)勢(shì)。那么小型版本是否只是“玩具”級(jí)別的存在?并不是。

1. 野外調(diào)查和環(huán)境監(jiān)測(cè)

小型高光譜設(shè)備尤其適合野外場(chǎng)景，例如森林健康監(jiān)測(cè)、水體污染檢測(cè)、礦物識(shí)別等。傳統(tǒng)設(shè)備動(dòng)輒十幾公斤、需要電源供給，而小型設(shè)備可背負(fù)、手持甚至掛載在小型無(wú)人機(jī)上，實(shí)現(xiàn)“走到哪兒測(cè)到哪兒”。

2. 農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)種植

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，小型設(shè)備可用于對(duì)葉片進(jìn)行近距離光譜分析，監(jiān)測(cè)植物氮素、水分含量或病蟲(chóng)害等。尤其適合科研試驗(yàn)田、溫室種植等場(chǎng)景，省去了大型平臺(tái)的搭建和調(diào)試過(guò)程。

3. 文物保護(hù)與藝術(shù)品分析

文博單位常常需要對(duì)畫(huà)作、壁畫(huà)進(jìn)行非接觸式分析，小型高光譜設(shè)備的輕便性正好滿(mǎn)足這種“既不能碰也不能久待”的精細(xì)需求。通過(guò)表面光譜反射信息判斷材料老化、顏料成分等，避免了破壞性取樣。

4. 實(shí)驗(yàn)室與教學(xué)

高?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)在教學(xué)和初步實(shí)驗(yàn)階段，也會(huì)傾向于使用體積小、成本低、操作方便的設(shè)備。雖然參數(shù)上比不上實(shí)驗(yàn)室級(jí)大型設(shè)備，但足夠應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)訓(xùn)練和演示目的。

二、便攜與精度：如何權(quán)衡？

說(shuō)實(shí)話(huà)，小型高光譜相機(jī)最大的賣(mài)點(diǎn)確實(shí)是“便攜”，但這并不意味著它們?cè)诰群蛥?shù)上毫無(wú)作為。只是，這中間存在一些“妥協(xié)”和“選擇”。

1. 光譜范圍和分辨率的取舍

高精度往往意味著更多通道、更高分辨率和更寬的光譜范圍。但這也意味著更大的探測(cè)器、更高的功耗、更復(fù)雜的熱控系統(tǒng)。小型設(shè)備通常在400–1000nm的可見(jiàn)–近紅外范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化，分辨率維持在10–15nm的水平。對(duì)于很多實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這已經(jīng)“夠用了”。

2. 成像方式的限制

小型高光譜設(shè)備多采用推掃式、點(diǎn)掃式或線(xiàn)掃式成像。推掃與點(diǎn)掃方式在移動(dòng)過(guò)程中容易受抖動(dòng)影響，精度略有下降;線(xiàn)掃需要穩(wěn)定平臺(tái)配合，室外使用門(mén)檻稍高。但設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)脑O(shè)備，配合三腳架或穩(wěn)定器，仍然能獲得非常清晰的光譜立方數(shù)據(jù)。

3. 信噪比與光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化

在光學(xué)設(shè)計(jì)上，小型設(shè)備通常犧牲了一部分光通量來(lái)保證體積，但通過(guò)優(yōu)化濾光片、采用高靈敏度探測(cè)器等手段，依然可以獲得可接受的信噪比。只要不是要求極端精度的科學(xué)研究，一般場(chǎng)景都能滿(mǎn)足。

三、什么時(shí)候選小型設(shè)備，什么時(shí)候別湊合？

如果你的應(yīng)用場(chǎng)景是戶(hù)外野外頻繁移動(dòng)、對(duì)極高分辨率沒(méi)有硬性要求，或者實(shí)驗(yàn)教學(xué)入門(mén)，小型高光譜相機(jī)是不錯(cuò)的選擇。它可以幫你快速完成現(xiàn)場(chǎng)采樣、判斷物質(zhì)特征，或者在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的光譜分析思維。

但如果你的目標(biāo)是高精度化學(xué)定量分析、需要覆蓋短波紅外甚至中紅外波段，或者涉及遙感數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)對(duì)比分析，那么小型設(shè)備可能不太夠用，建議還是選擇大型、高性能的系統(tǒng)。

歡迎關(guān)注萊森光學(xué)，了解更多光譜知識(shí)。 萊森光學(xué)(深圳)有限公司是一家提供光機(jī)電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專(zhuān)注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售。

審核編輯 黃宇