cámaras ópticas hiperespectrales de imágenes multiespectrales

Prólogo

Las imágenes multiespectrales son un método para adquirir y analizar datos de imágenes de diferentes bandas espectrales. A diferencia de las imágenes en color tradicionales, las imágenes multiespectrales son capaces de captar información en una gama espectral más amplia, que incluye bandas más allá de la luz visible, como la luz infrarroja y ultravioleta. Estas diferentes bandas corresponden a diferentes rangos de longitud de onda, y diferentes sustancias y materiales reflejan, absorben o transmiten la luz de diferentes maneras en estas bandas.

Las cámaras multiespectrales utilizan múltiples sensores ópticos o filtros ópticos para separar la luz de diferentes longitudes de onda y capturar imágenes de cada banda al mismo tiempo, lo que las convierte en dispositivos de cámara que capturan información espectral en diferentes rangos de longitud de onda. Es diferente de las cámaras RGB normales, que sólo pueden captar imágenes en la banda de luz visible, mientras que las cámaras multiespectrales pueden captar una gama espectral más amplia, que suele incluir las bandas de luz visible, infrarroja y ultravioleta. Esto permite a las cámaras multiespectrales proporcionar información más rica que las cámaras RGB ordinarias, y es particularmente adecuado para muchas áreas de aplicación, incluyendo la clasificación de productos agrícolas, la inspección de tierras de cultivo, la seguridad alimentaria, la vigilancia del medio ambiente, etc.

El desarrollo de las cámaras multiespectrales

En la década de 1960 surgió una nueva tecnología de detección, la tecnología de imágenes multiespectrales. Esta tecnología puede obtener información de imagen espacial de objetivos en diferentes bandas espectrales al mismo tiempo, y puede combinar la tecnología de imagen con la tecnología espectral mediante el diseño de sistemas ópticos.

Las cámaras de película aérea ordinarias utilizadas en los primeros tiempos sólo podían obtener imágenes de una única banda espectral específica, pero no podían transmitir información sobre el objetivo. La cara multiespectral desarrollada puede realizar imágenes multiespectrales y multiespectrales, y el método de obtención de imágenes se basa principalmente en el efecto de filtrado de los filtros de paso de banda. Mediante la combinación de filtros, la información que transporta el mismo objetivo en diferentes bandas puede recibirse al mismo tiempo, lo que permite obtener imágenes en una amplia gama espectral. Las cámaras multiespectrales pueden dividirse en estructura de división de prisma, estructura de rueda de filtros y estructura de división de filtros, según los diferentes métodos de división.

Clasificación de las cámaras multiespectrales

Espectrometría prismática

Las cámaras multiespectrales espectroscópicas de prisma suelen incluir un sistema óptico de entrada para dirigir la luz incidente. Este sistema puede incluir lentes u otros componentes ópticos para enfocar la luz sobre un prisma. El divisor del haz del prisma es el componente central de la cámara, que se utiliza para dispersar la luz incidente en un espectro de diferentes longitudes de onda. Normalmente, la cámara utiliza uno o varios prismas, cada uno de los cuales corresponde a una banda. Se pueden conectar varios prismas en serie para dispersar varias bandas de luz a la vez. Al separar la luz de diferentes bandas a través del prisma, y luego la luz separada entra en diferentes cámaras para su muestreo, se pueden obtener imágenes de múltiples espectros.

Ventajas:

    Alta frecuencia de imagen: muy importante para aplicaciones con alta resolución temporal, como la supervisión de procesos dinámicos

    Resolución completa: puede capturar todas las bandas dentro de un rango continuo de longitudes de onda, energía no discreta

    Sin pérdidas: funciona según el principio de refracción y dispersión, no reduce la intensidad de la luz

Desventajas:

    Alto coste: el coste de ajustar los componentes ópticos y los caminos ópticos es extremadamente alto

    Gran tamaño: las cámaras multiespectrales basadas en espectrometría de prisma suelen requerir prismas y componentes ópticos de gran tamaño, lo que hace que la cámara sea demasiado grande.

Tecnología de rueda filtrante

Las cámaras con rueda de filtros utilizan filtros que giran para obtener imágenes espectrales multicanal. Estos filtros suelen estar situados delante del sensor o del objetivo. Esta rueda de filtros suele admitir entre 8 y 12 bandas, cada una de las cuales corresponde a un rango espectral diferente. Posteriormente, se puede estimar la reflectancia espectral de cada píxel procesando la imagen multiespectral. Una de las ventajas de las cámaras con rueda de filtros es que tienen una resolución espacial completa en cada banda, al tiempo que permiten personalizar y sustituir los filtros en función de las necesidades de aplicaciones específicas. Sin embargo, esta cámara necesita cambiar continuamente entre las distintas bandas, y la velocidad de obtención de imágenes es lenta. Por lo tanto, sólo es adecuada para fotografiar objetivos fijos.

Matriz de filtros

Las cámaras multiespectrales basadas en matrices de filtros pueden obtener imágenes multiespectrales en una sola toma sin aumentar el tamaño ni el coste. Suelen admitir varios canales de luz visible, infrarrojo cercano e infrarrojo de onda corta. Tiene una amplia gama de aplicaciones en agricultura, vigilancia medioambiental, teledetección e imágenes por satélite. Sin embargo, debido al número limitado de filtros en el conjunto de filtros, las bandas cubiertas por esta cámara son limitadas.

Tecnología de cámara multiespectral

La visión humana es tricromática, lo que significa que cada color visto es el producto de señales generadas por tres tipos de células fotorreceptoras situadas en nuestra retina, una característica que limita nuestra visión a un espacio de color tridimensional. Ahora imagine que dispone de un dispositivo, como un teléfono móvil, que le permite ampliar su visión a un espacio de color de alta dimensión y piense en toda la información oculta que esto podría revelar. Una forma de conseguirlo es utilizar imágenes multiespectrales. Se adquieren una serie de imágenes de banda estrecha de un objeto y luego se combinan en lo que se denomina un «cubo espectral». Este cubo contiene, por tanto, mucha información sobre el objeto y permite realizar análisis espectrales de cada objeto, así que la pregunta es: ¿cómo obtenemos esta imagen de banda estrecha?

Cuando la luz atraviesa varias superficies con revestimientos antirreflectantes, resuena e interfiere en los huecos que separan estas superficies, lo que da lugar a un espectro de transmisión de banda estrecha de esta estructura. Ahora bien, si simplemente cambiamos el hueco óptico de este filtro, este espectro de transmisión se desplazará. El pico de transmisión se desplazará al rango infrarrojo.

Ya en 1987, Melonson hizo realidad este principio utilizando dispositivos MEMS. Sin embargo, los actuales filtros Fabry-Perot basados en MEMS están limitados en el sentido de que su rango sintonizable es muy reducido y sólo pueden reducir la separación inicial en un tercio. Cuando supera un tercio, se produce un fenómeno de tirón. Las imágenes multiespectrales requieren una gama de filtros sintonizables muy amplia, y el fenómeno de tracción puede evitarse simplemente desacoplando la óptica y los dispositivos MEMS.

En este diseño, tenemos un espejo móvil con un conjunto de electrodos externos. La imagen de abajo es una imagen física del filtro sintonizable. Sólo tiene 1,05 mm de grosor y consta de tres obleas. En este concepto, cuando aplicamos un voltaje de conducción, el hueco óptico ya no disminuye, sino que aumenta, y este diseño puede lograr una expansión del hueco de 6 veces.

Esta cámara multiespectral compatible con teléfonos móviles se ha utilizado ampliamente en inspección agrícola, conducción autónoma, automatización industrial, reconocimiento facial, medicina, etc. Mediante pruebas, puede funcionar con normalidad en un amplio rango de temperatura y presión, superando con creces los estándares de tolerancia de los teléfonos móviles.