高光譜成像係統的組成和成像原理

高光譜成像技術的具體定義是在多光譜成像的基礎上，從紫外到近紅外（200-2500nm）的光譜範圍內，利用成像光譜儀，在光譜覆蓋範圍內的數十或數百條光諧波段對目標物體連續成像。本文從高光譜成像方式的角度簡單介紹了高光譜成像係統的組成和成像原理。

光柵分光光譜儀

空間中的一維信息通過鏡頭和狹縫後，不同波長的光按照不同程度的彎散傳播，這一維圖像上的每個點，再通過光柵進行衍射分光，形成一個譜帶，照射到探測器上，探測器上的每個像素位置和強度表征光譜和強度。一個點對應一個譜段，一條線就對應一個譜麵，因此探測器每次成像是空間一條線上的光譜信息，為了獲得空間二維圖像再通過機械推掃，完成整個平麵的圖像和光譜數據采集。如下圖所示。

經過狹縫的光由於不同波長照射到不同的探測器像元上，光能量很低，因此需要選擇高靈敏相機，同時需要加光源。例如係統如下：

光源相機（成像光譜儀+ccd）裝備有圖像采集卡的計算機是高光譜成像技術的硬件組成，其光譜的覆蓋範圍為200-400nm，400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm。其中光譜相機的主要組成部分為準直鏡，光柵光譜儀，聚焦透鏡以及麵陣ccd。

其掃描過程是當ccd探測器在光學焦麵的垂直方向上做橫向掃描（x），當橫向的平行光垂直入射到投身光柵是就形成了光柵光譜，這是像元經過高光譜儀在ccd上得出的數據，它的橫向式x方向上的像素點也就是掃描的象元，它的總像是各像元對應的信息。在檢測係統輸送前進是排列的他測器完成縱向掃麵（y）。綜合掃描信息即可得到物體的三圍高光譜數據。

聲光可調諧濾波分光（AOTF）光譜儀

AOTF由聲光介質、換能器和聲終端三部分組成。射頻驅動信號通過換能器在聲光介質內激勵出超聲波。改變射頻驅動信號的頻率，可以改變AOTF衍射光的波長，從而實現電調諧波長的掃描。

最常用的AOTF晶體材料為TeO2即非共線晶體，也就是說光波通過晶體之後以不同的出射角傳播。如上圖所示：在晶體前端有一個換能器，作用於不同的驅動頻率，產生不同頻率的振動即聲波。不同的驅動頻率對應於不同振動的聲波，聲波通過晶體TeO2之後，使晶體中晶格產生了布拉格衍射，晶格更像一種濾波器，使晶體隻能通過一種波長的光。光進入晶體之後發生衍射，產生衍射光和零級光。

上圖是AOTF的組成。由圖可知，AOTF是由成像物鏡+準直鏡+偏振片+晶體+偏振片+物鏡+detector，入射光經過物鏡會聚之後進入準平行鏡（把所有的入射光變成平行光），準平行光進入偏振片通過同一方向的傳播的光，平行光進入晶體之後，平行於光軸的光按照原來方向前行，非平行光進行衍射，分成兩束相互垂直o光和e光（入射光的波長不同經過晶體之後的o光與e光的角度也不同，因此在改變波長的過程中，圖像會出現漂移）；o光和e光及0級光分別會聚在不同的麵上。如下圖所示：

為了保證入射光經過準平行鏡之後能夠完全變化成平行光，因此對前端的物鏡視場角有一定的要求，根據晶體的xxx角，可算出物鏡最大的視場角，小於最大視場角的情況，成像ok，如果大於視場角，則會造成重影（衍射光與0級光都進入了sensor）。可在晶體的出光口加入遮擋片，即遮擋0級光，避免與衍射光一起進入sensor，以免造成重影現象。同時，對聚光準直係統的優化有兩個方麵：1.提高光源的聚光效果，2.減小聚光準直係統的外形尺寸。

棱鏡分光光譜儀

入射光通過棱鏡後被分成不同的方向，然後照射到不同方向的探測器上進行成像。棱鏡分光後，在棱鏡的出射麵鍍了不同波段的濾光膜，使得不同方向的探測器可以采集到不同光譜信息，實現同時采集空間及光譜信息。

芯片鍍膜光譜儀

近年來，IMEC（歐洲微電子研究中心）采用高靈敏CCD芯片及SCMOS芯片研製了一種新的高光譜成像技術，在探測器的像元上分別鍍不同波段的濾波膜實現高光譜成像，此技術大大降低了高光譜成像的成本。

目前IMEC提供三種標準的光譜探測器：100波帶的線掃描探測器，32波帶的瓷磚式鍍膜探測器，16波帶以4x4為一個波段的馬賽克式鍍膜探測器。

這種光譜技術的優點是可以同時獲得光譜分辨率和空間分辨率，可以進行快速、高性能地獲得光譜信息和空間信息，集成度高，成本低。但是缺點是光譜靈敏度較低，一般大於10nm，多用於無人機等大範圍掃描的光譜應用領域。