光谱产业系列专题：从华为到大疆，光谱成像技术如何重塑视觉边界？（中篇）—

光谱产业系列专题：从华为到大疆，光谱成像技术如何重塑视觉边界？（中篇）——光谱技术与光谱相机分类

CMOS相机技术与应用产业园

2025-04-30

在光谱产业专题上篇（点击蓝字跳转）中，我们简单了解了光谱以及光谱成像应用的生活化场景，而深入了解光谱成像技术可以了解到它的分类方式丰富多样，不同的分类标准下，展现出各具特色的技术类型。这些分类不仅反映了光谱成像技术的发展历程和内在逻辑，更决定了它们在不同应用场景中的独特优势。

一、基础概念

要更深入地了解光谱，波长、波段、波段数与光谱分辨率是至关重要的基础概念，它们相互关联，共同决定了光谱数据的特性和应用价值。

波长是指电磁波（如可见光、红外线等）的振动周期长度，通常用纳米（nm）为单位表示。不同物质对不同波长的光具有独特的吸收、反射特性，这是光谱分析的基础。波长决定了光的颜色（可见光）或类型（如红外线、紫外线等不可见光），就像音调高低由声波波长决定一样。

波段是人为划分的电磁波波长范围区间，用于分类或研究特定波长范围的光。例如：

可见光波段：380-780nm

近红外波段：780-1500nm

波段数是指传感器能够同时记录的波段数量。波段数越多，每个波段的宽度越窄，能够区分更细微的光谱差异。

光谱分辨率指成像仪或传感器能区分的最小波长间隔。相当于光谱仪的“视力清晰度”。例如光谱分辨率为1nm，代表设备可分辨出300nm以及301nm的光。成像的波段范围，分的越细，波段越多，光谱分辨率越高，越高的光谱分辨率可更容易区分和识别目标性质和组成成分。

二、按光谱分辨率分类

（1）多光谱成像仪

获得的目标物的波段数在3~12之间，光谱分辨率一般在10nm-30nm，主要用于农作物分类等方面。

（2）高光谱成像仪

获得的目标物的波段数在100~200之间，光谱分辨率在10nm左右，被广泛用于矿物勘探、医学肿瘤边界检测、工业质检中。

（3）超光谱成像仪

获得的目标物的波段数在1000~10000之间，光谱分辨率在1nm以下，通常用于大气微粒探测等精细探测领域及实验室级分子光谱分析中。

三、按技术原理分类

（1）色散型（根据色散原理）

通过棱镜或光栅分光，直接分离不同波长的光。该技术成本低廉，能够同时对所有波长进行成像，技术比较成熟。但同一时刻只能获得一条线的影像，光谱分辨率容易受到狭缝宽度的限制，很难做到5nm以下。通常应用于工业线扫描相机、医学影像等。

（2）滤光片型（根据窄带滤波原理）

在普通相机前安装滤光片，利用滤光片的特性，让特定波长范围内的光线通过，从而实现对不同波长光线的选择和测量。光学布局简单，价格相对较低。但无法获取连续谱段的图像，存在实时性问题，且高质量高光谱分辨率的滤光片制造难度大且价格昂贵。适用于对光谱分辨率要求不高、成本预算有限的应用场景，如一些简单的颜色测量、多光谱探测等领域。

（3）干涉型（根据傅里叶变换原理）

利用迈克尔逊干涉仪或傅里叶变换重构光谱，通过对探测器得到的干涉图进行傅里叶变换获得待测光谱。光谱分辨率较高，具有高通量、多通道和较大视场等优点。但对加工精度、装调精度和外界振动要求较高，必须扫描全程获得整个范围的谱图，不能直接获得某一波段或某一波长的谱图，使用灵活性较差。应用于实验室光谱仪、高精度遥感。

（4）计算层析型（根据计算重建原理）

借用计算机断层扫描的原理，与成像光谱技术相结合，探测目标数据立方体的一个投影或者多个投影方向的投影图像，然后由这些投影图像重建目标的光谱信息和空间图像信息。在光谱与图像的快速探测、无视场扫描、高通量、性能稳定等方面具有显著特征，能够对空间位置和光谱特性瞬时变化的二维目标进行光谱成像，得到目标的空间信息和光谱信息。但成本较高，技术复杂，图像重建算法的理论和工程实现存在一定难度，目前的研究多数处于实验室的仿真模拟和实验阶段。应用于动态场景检测，如活体细胞代谢追踪。

三、按数据采集方式分类

成像方式	扫描方式	成像速度	应用场景
挥扫式成像（点扫描）	逐点扫描	最慢	显微成像、微观光谱分析
推扫式成像（线扫描）	逐行扫描	较快	航天遥感、航空摄影
凝视型成像（谱扫描）	面阵探测器结合分光元件获取光谱信息	取决于获取光谱信息方式，一般较快	高光谱遥感、环境监测、军事侦察
凝视型成像（谱扫描）	一次曝光获取多维信息	最快	高速运动物体监测、工业在线检测

四、按应用波段分类

（1）可见光-近红外（VIS-NIR, 380-1500nm）

应用于农业叶绿素检测、医学皮肤成像、消费电子，如手机多光谱传感器。

（2）短波红外（SWIR, 1500-2500nm）

应用于矿物成分分析、塑料分拣、夜间农业检测，如植被水分评估等。

（3）中波红外（MWIR, 3-5μm）

应用于工业热成像、军事目标识别，如伪装探测等。

（4）长波红外（LWIR, 8-14μm）

应用于天文观测、大气成分分析，如温室气体检测等。

结语

光谱的精细分类不仅揭示了物质与能量的本质联系，更推动了从微观粒子到宏观宇宙的跨尺度探索，每一波段都是自然法则的独特注脚。人类对光谱的解析，既是对物理规律的解码，也是技术创新的源泉，光谱技术始终在科学探索与实际应用间架起桥梁。未来，随着探测器灵敏度的突破与多波段融合技术的发展，光谱分析将继续在生命科学、材料工程、气候变化等前沿领域释放无限可能，成为人类认知世界、改造世界的核心工具之一。

参考资料：

[1]光谱成像技术的分类

https://www.guayunfan.com/lilun/747387.html

[2]成像光谱技术是什么？

https://www.antpedia.com/news/59/n-1275359.html

[3]全色波段和多光谱波段卫星遥感数据

https://www.sohu.com/a/470793611_121120774

[4]可见光以及光谱颜色波段划分

http://www.ciyolo.cn/xingyezixun/568.html

[5]CIS技术中，背照式(BSI)相比前照式(FSI)有何优势？

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1764018199340761635

[6]鉴知科普-光谱分辨率：揭示光的秘密