高光譜成像系統(tǒng)的組成和成像原理

高光譜成像技術(shù)的具體定義是在多光譜成像的基礎(chǔ)上，從紫外到近紅外（200-2500nm）的光譜范圍內(nèi)，利用成像光譜儀，在光譜覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)十或數(shù)百條光諧波段對(duì)目標(biāo)物體連續(xù)成像。本文從高光譜成像方式的角度簡(jiǎn)單介紹了高光譜成像系統(tǒng)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后，不同波長(zhǎng)的光按照不同程度的彎散傳播，這一維圖像上的每個(gè)點(diǎn)，再通過光柵進(jìn)行衍射分光，形成一個(gè)譜帶，照射到探測(cè)器上，探測(cè)器上的每個(gè)像素位置和強(qiáng)度表征光譜和強(qiáng)度。一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)譜段，一條線就對(duì)應(yīng)一個(gè)譜面，因此探測(cè)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(jī)械推掃，完成整個(gè)平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。如下圖所示。

經(jīng)過狹縫的光由于不同波長(zhǎng)照射到不同的探測(cè)器像元上，光能量很低，因此需要選擇高靈敏相機(jī)，同時(shí)需要加光源。例如系統(tǒng)如下：

光源相機(jī)（成像光譜儀+ccd）裝備有圖像采集卡的計(jì)算機(jī)是高光譜成像技術(shù)的硬件組成，其光譜的覆蓋范圍為200-400nm，400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm。其中光譜相機(jī)的主要組成部分為準(zhǔn)直鏡，光柵光譜儀，聚焦透鏡以及面陣ccd。

其掃描過程是當(dāng)ccd探測(cè)器在光學(xué)焦面的垂直方向上做橫向掃描（x），當(dāng)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(jīng)過高光譜儀在ccd上得出的數(shù)據(jù)，它的橫向式x方向上的像素點(diǎn)也就是掃描的象元，它的總像是各像元對(duì)應(yīng)的信息。在檢測(cè)系統(tǒng)輸送前進(jìn)是排列的他測(cè)器完成縱向掃面（y）。綜合掃描信息即可得到物體的三圍高光譜數(shù)據(jù)。

聲光可調(diào)諧濾波分光（AOTF）光譜儀

AOTF由聲光介質(zhì)、換能器和聲終端三部分組成。射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過換能器在聲光介質(zhì)內(nèi)激勵(lì)出超聲波。改變射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，可以改變AOTF衍射光的波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧波長(zhǎng)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后以不同的出射角傳播。如上圖所示：在晶體前端有一個(gè)換能器，作用于不同的驅(qū)動(dòng)頻率，產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)即聲波。不同的驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)于不同振動(dòng)的聲波，聲波通過晶體TeO2之后，使晶體中晶格產(chǎn)生了布拉格衍射，晶格更像一種濾波器，使晶體只能通過一種波長(zhǎng)的光。光進(jìn)入晶體之后發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射光和零級(jí)光。

上圖是AOTF的組成。由圖可知，AOTF是由成像物鏡+準(zhǔn)直鏡+偏振片+晶體+偏振片+物鏡+detector，入射光經(jīng)過物鏡會(huì)聚之后進(jìn)入準(zhǔn)平行鏡（把所有的入射光變成平行光），準(zhǔn)平行光進(jìn)入偏振片通過同一方向的傳播的光，平行光進(jìn)入晶體之后，平行于光軸的光按照原來方向前行，非平行光進(jìn)行衍射，分成兩束相互垂直o光和e光（入射光的波長(zhǎng)不同經(jīng)過晶體之后的o光與e光的角度也不同，因此在改變波長(zhǎng)的過程中，圖像會(huì)出現(xiàn)漂移）；o光和e光及0級(jí)光分別會(huì)聚在不同的面上。如下圖所示：

為了保證入射光經(jīng)過準(zhǔn)平行鏡之后能夠完全變化成平行光，因此對(duì)前端的物鏡視場(chǎng)角有一定的要求，根據(jù)晶體的xxx角，可算出物鏡最大的視場(chǎng)角，小于最大視場(chǎng)角的情況，成像ok，如果大于視場(chǎng)角，則會(huì)造成重影（衍射光與0級(jí)光都進(jìn)入了sensor）。可在晶體的出光口加入遮擋片，即遮擋0級(jí)光，避免與衍射光一起進(jìn)入sensor，以免造成重影現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)聚光準(zhǔn)直系統(tǒng)的優(yōu)化有兩個(gè)方面：1.提高光源的聚光效果，2.減小聚光準(zhǔn)直系統(tǒng)的外形尺寸。

棱鏡分光光譜儀

入射光通過棱鏡后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探測(cè)器上進(jìn)行成像。棱鏡分光后，在棱鏡的出射面鍍了不同波段的濾光膜，使得不同方向的探測(cè)器可以采集到不同光譜信息，實(shí)現(xiàn)同時(shí)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芯片研制了一種新的高光譜成像技術(shù)，在探測(cè)器的像元上分別鍍不同波段的濾波膜實(shí)現(xiàn)高光譜成像，此技術(shù)大大降低了高光譜成像的成本。

目前IMEC提供三種標(biāo)準(zhǔn)的光譜探測(cè)器：100波帶的線掃描探測(cè)器，32波帶的瓷磚式鍍膜探測(cè)器，16波帶以4x4為一個(gè)波段的馬賽克式鍍膜探測(cè)器。

這種光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)獲得光譜分辨率和空間分辨率，可以進(jìn)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(diǎn)是光譜靈敏度較低，一般大于10nm，多用于無人機(jī)等大范圍掃描的光譜應(yīng)用領(lǐng)域。