高光谱成像系统的组成和成像原理

高光谱成像技术的具体定义是在多光谱成像的基础上，从紫外到近红外（200-2500nm）的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谐波段对目标物体连续成像。本文从高光谱成像方式的角度简单介绍了高光谱成像系统的组成和成像原理。

光栅分光光谱仪

空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。如下图所示。

经过狭缝的光由于不同波长照射到不同的探测器像元上，光能量很低，因此需要选择高灵敏相机，同时需要加光源。例如系统如下：

光源相机（成像光谱仪+ccd）装备有图像采集卡的计算机是高光谱成像技术的硬件组成，其光谱的覆盖范围为200-400nm，400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm。其中光谱相机的主要组成部分为准直镜，光栅光谱仪，聚焦透镜以及面阵ccd。

其扫描过程是当ccd探测器在光学焦面的垂直方向上做横向扫描（x），当横向的平行光垂直入射到投身光栅是就形成了光栅光谱，这是像元经过高光谱仪在ccd上得出的数据，它的横向式x方向上的像素点也就是扫描的象元，它的总像是各像元对应的信息。在检测系统输送前进是排列的他测器完成纵向扫面（y）。综合扫描信息即可得到物体的三围高光谱数据。

声光可调谐滤波分光（AOTF）光谱仪

AOTF由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器在声光介质内激励出超声波。改变射频驱动信号的频率，可以改变AOTF衍射光的波长，从而实现电调谐波长的扫描。

最常用的AOTF晶体材料为TeO2即非共线晶体，也就是说光波通过晶体之后以不同的出射角传播。如上图所示：在晶体前端有一个换能器，作用于不同的驱动频率，产生不同频率的振动即声波。不同的驱动频率对应于不同振动的声波，声波通过晶体TeO2之后，使晶体中晶格产生了布拉格衍射，晶格更像一种滤波器，使晶体只能通过一种波长的光。光进入晶体之后发生衍射，产生衍射光和零级光。

上图是AOTF的组成。由图可知，AOTF是由成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector，入射光经过物镜会聚之后进入准平行镜（把所有的入射光变成平行光），准平行光进入偏振片通过同一方向的传播的光，平行光进入晶体之后，平行于光轴的光按照原来方向前行，非平行光进行衍射，分成两束相互垂直o光和e光（入射光的波长不同经过晶体之后的o光与e光的角度也不同，因此在改变波长的过程中，图像会出现漂移）；o光和e光及0级光分别会聚在不同的面上。如下图所示：

为了保证入射光经过准平行镜之后能够完全变化成平行光，因此对前端的物镜视场角有一定的要求，根据晶体的xxx角，可算出物镜最大的视场角，小于最大视场角的情况，成像ok，如果大于视场角，则会造成重影（衍射光与0级光都进入了sensor）。可在晶体的出光口加入遮挡片，即遮挡0级光，避免与衍射光一起进入sensor，以免造成重影现象。同时，对聚光准直系统的优化有两个方面：1.提高光源的聚光效果，2.减小聚光准直系统的外形尺寸。

棱镜分光光谱仪

入射光通过棱镜后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探测器上进行成像。棱镜分光后，在棱镜的出射面镀了不同波段的滤光膜，使得不同方向的探测器可以采集到不同光谱信息，实现同时采集空间及光谱信息。

芯片镀膜光谱仪

近年来，IMEC（欧洲微电子研究中心）采用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一种新的高光谱成像技术，在探测器的像元上分别镀不同波段的滤波膜实现高光谱成像，此技术大大降低了高光谱成像的成本。

目前IMEC提供三种标准的光谱探测器：100波带的线扫描探测器，32波带的瓷砖式镀膜探测器，16波带以4x4为一个波段的马赛克式镀膜探测器。

这种光谱技术的优点是可以同时获得光谱分辨率和空间分辨率，可以进行快速、高性能地获得光谱信息和空间信息，集成度高，成本低。但是缺点是光谱灵敏度较低，一般大于10nm，多用于无人机等大范围扫描的光谱应用领域。