Lời nói đầu
Chụp ảnh đa phổ là phương pháp thu thập và phân tích dữ liệu hình ảnh từ các dải quang phổ khác nhau. Không giống như hình ảnh màu truyền thống, chụp ảnh đa phổ có thể thu thập thông tin trong phạm vi quang phổ rộng hơn, bao gồm các dải ngoài ánh sáng khả kiến, chẳng hạn như tia hồng ngoại và tia cực tím. Các dải khác nhau này tương ứng với các dải bước sóng khác nhau và các chất và vật liệu khác nhau phản xạ, hấp thụ hoặc truyền ánh sáng theo những cách khác nhau trong các dải này.
Camera đa phổ sử dụng nhiều cảm biến quang học hoặc bộ lọc quang học để tách ánh sáng có bước sóng khác nhau và chụp ảnh từng dải cùng lúc, khiến chúng trở thành thiết bị camera chụp thông tin quang phổ ở các dải bước sóng khác nhau. Nó khác với camera RGB thông thường, chỉ có thể chụp ảnh trong dải ánh sáng khả kiến, trong khi camera đa phổ có thể chụp dải quang phổ rộng hơn, thường bao gồm dải ánh sáng khả kiến, hồng ngoại và cực tím. Điều này cho phép camera đa phổ cung cấp thông tin phong phú hơn camera RGB thông thường và đặc biệt phù hợp với nhiều lĩnh vực ứng dụng, bao gồm phân loại sản phẩm nông nghiệp, kiểm tra đất nông nghiệp, an toàn thực phẩm, giám sát môi trường, v.v.
Sự phát triển của máy ảnh đa phổ
Vào những năm 1960, một công nghệ phát hiện mới, công nghệ hình ảnh đa phổ, đã xuất hiện. Công nghệ này có thể thu được thông tin hình ảnh không gian của các mục tiêu trong các dải quang phổ khác nhau cùng một lúc và có thể kết hợp công nghệ hình ảnh với công nghệ quang phổ thông qua thiết kế hệ thống quang học.
Máy ảnh phim trên không thông thường được sử dụng trong những ngày đầu chỉ có thể chụp ảnh một dải quang phổ đơn lẻ cụ thể, nhưng không thể mang thông tin về mục tiêu. Máy ảnh đa quang phổ đã phát triển có thể thực hiện chụp ảnh đa quang phổ và đa quang phổ, và phương pháp chụp ảnh chủ yếu dựa vào hiệu ứng lọc của các bộ lọc thông dải. Bằng cách kết hợp các bộ lọc, thông tin được mang bởi cùng một mục tiêu trong các dải khác nhau có thể được nhận cùng một lúc, do đó thực hiện chụp ảnh trong phạm vi quang phổ rộng. Máy ảnh đa quang phổ có thể được chia thành cấu trúc phân tách lăng kính, cấu trúc bánh xe lọc và cấu trúc phân tách lọc theo các phương pháp phân tách khác nhau.
Phân loại camera đa phổ
Phổ kế lăng kính
Máy ảnh đa phổ quang phổ lăng kính thường bao gồm một hệ thống quang học đầu vào để hướng ánh sáng tới. Hệ thống này có thể bao gồm các thấu kính hoặc các thành phần quang học khác để hội tụ ánh sáng vào một lăng kính. Bộ chia chùm tia lăng kính là thành phần cốt lõi của máy ảnh, được sử dụng để phân tán ánh sáng tới thành một phổ có các bước sóng khác nhau. Thông thường, máy ảnh sử dụng một hoặc nhiều lăng kính, mỗi lăng kính tương ứng với một dải. Nhiều lăng kính có thể được kết nối nối tiếp để phân tán nhiều dải ánh sáng cùng một lúc. Bằng cách tách ánh sáng của các dải khác nhau qua lăng kính, sau đó ánh sáng tách biệt đi vào các máy ảnh khác nhau để lấy mẫu, có thể thu được hình ảnh của nhiều phổ.
Thuận lợi:
Tốc độ khung hình cao: rất quan trọng đối với các ứng dụng có độ phân giải thời gian cao, chẳng hạn như giám sát các quá trình động
Độ phân giải đầy đủ: có thể thu được tất cả các băng tần trong phạm vi bước sóng liên tục, năng lượng không rời rạc
Không mất mát: hoạt động dựa trên nguyên lý khúc xạ và tán sắc, không làm giảm cường độ ánh sáng
Nhược điểm:
Chi phí cao: chi phí điều chỉnh các thành phần quang học và đường dẫn quang học cực kỳ cao
Kích thước lớn: máy ảnh đa phổ dựa trên phép đo quang phổ lăng kính thường yêu cầu lăng kính và các thành phần quang học lớn, khiến máy ảnh quá lớn
Công nghệ bánh xe lọc
Camera bánh xe lọc sử dụng bộ lọc để xoay để thu được hình ảnh quang phổ đa kênh. Các bộ lọc này thường nằm ở phía trước cảm biến hoặc ống kính. Bánh xe lọc này thường hỗ trợ 8-12 băng tần, mỗi băng tần tương ứng với một phạm vi quang phổ khác nhau. Sau đó, độ phản xạ quang phổ của mỗi điểm ảnh có thể được ước tính bằng cách xử lý hình ảnh đa phổ. Một trong những ưu điểm của camera bánh xe lọc là chúng có độ phân giải không gian đầy đủ ở mỗi băng tần, đồng thời cho phép tùy chỉnh và thay thế bộ lọc theo nhu cầu của các ứng dụng cụ thể. Tuy nhiên, máy ảnh này cần phải chuyển đổi liên tục giữa các băng tần khác nhau và tốc độ chụp ảnh chậm. Do đó, nó chỉ phù hợp để chụp các mục tiêu tĩnh.
Mảng lọc
Máy ảnh đa phổ dựa trên mảng lọc có thể thu được hình ảnh đa phổ trong một lần chụp mà không làm tăng kích thước hoặc chi phí. Chúng thường có thể hỗ trợ nhiều kênh ánh sáng khả kiến, hồng ngoại gần và hồng ngoại sóng ngắn. Nó có nhiều ứng dụng trong nông nghiệp, giám sát môi trường, cảm biến từ xa và hình ảnh vệ tinh. Tuy nhiên, do số lượng bộ lọc trên mảng lọc hạn chế nên các băng tần mà máy ảnh này bao phủ bị hạn chế.
Công nghệ camera đa phổ
Tầm nhìn của con người là ba màu, nghĩa là mỗi màu nhìn thấy là sản phẩm của các tín hiệu được tạo ra bởi ba loại tế bào thụ cảm ánh sáng nằm trên võng mạc của chúng ta, một đặc điểm giới hạn tầm nhìn của chúng ta trong không gian màu ba chiều. Bây giờ hãy tưởng tượng bạn có một thiết bị, giống như điện thoại di động, cho phép bạn mở rộng tầm nhìn của mình thành không gian màu đa chiều và nghĩ về tất cả thông tin ẩn mà điều này có thể tiết lộ. Vì vậy, một cách để đạt được điều này là sử dụng hình ảnh đa phổ. Một loạt hình ảnh băng hẹp của một vật thể được thu thập và sau đó kết hợp thành cái gọi là "khối phổ". Do đó, khối này chứa rất nhiều thông tin về vật thể và cho phép phân tích quang phổ trên từng vật thể, vì vậy câu hỏi đặt ra là, làm thế nào để chúng ta có được hình ảnh băng hẹp này?
Khi ánh sáng đi qua nhiều bề mặt có lớp phủ chống phản xạ, nó sẽ cộng hưởng và giao thoa với các khoảng trống ngăn cách các bề mặt này, tạo ra phổ truyền dẫn băng hẹp của cấu trúc này. Bây giờ, nếu chúng ta chỉ cần thay đổi khoảng trống quang học trong bộ lọc này, phổ truyền dẫn này sẽ dịch chuyển. Đỉnh truyền dẫn sau đó sẽ dịch chuyển sang phạm vi hồng ngoại.
Ngay từ năm 1987, Melonson đã nhận ra nguyên lý này bằng cách sử dụng các thiết bị MEMS. Tuy nhiên, các bộ lọc Fabry-Perot dựa trên MEMS hiện tại bị hạn chế ở chỗ phạm vi điều chỉnh của chúng rất hạn chế và chúng chỉ có thể giảm khoảng cách ban đầu xuống một phần ba. Khi vượt quá một phần ba, hiện tượng kéo sẽ xảy ra. Chụp ảnh đa phổ đòi hỏi phạm vi điều chỉnh của bộ lọc rất rộng và hiện tượng kéo có thể tránh được bằng cách chỉ cần tách quang học và các thiết bị MEMS.
Trong thiết kế này, chúng ta có một gương di động với một bộ điện cực bên ngoài. Hình ảnh bên dưới là hình ảnh vật lý của bộ lọc có thể điều chỉnh. Nó chỉ dày 1,05mm và bao gồm ba tấm wafer. Trong khái niệm này, khi chúng ta áp dụng điện áp điều khiển, khoảng cách quang học không còn giảm nữa mà tăng lên, và thiết kế này có thể đạt được độ giãn nở khoảng cách gấp 6 lần.
Camera đa phổ tương thích từ dưới lên dành cho điện thoại di động này đã được sử dụng rộng rãi trong kiểm tra nông nghiệp, lái xe tự động, tự động hóa công nghiệp, nhận dạng khuôn mặt, y học, v.v. Qua thử nghiệm, nó có thể hoạt động bình thường trong nhiều phạm vi nhiệt độ và áp suất, vượt xa các tiêu chuẩn dung sai của điện thoại di động.
