淺析高光譜相機(jī)的成像原理

高光譜相機(jī)成像原理：

高光譜相機(jī)的樣式現(xiàn)在也是五花八門的，所以高光譜成像的原理也不是單一的，比如有光柵分光原理、聲光可調(diào)諧濾波分光（AOTF）原理、AOTF系統(tǒng)組成、棱鏡分光、芯片鍍膜等。每個原理成像的方式也是不同的。

1.光柵色分光原理

在經(jīng)典物理學(xué)中，光波穿過狹縫、小孔或者圓盤之類的障礙物時，不同波長的光會發(fā)生不同程度的彎散傳播，再通過光柵進(jìn)行折射分光，形成一條條譜帶。也就是說空間中的一維信息通過鏡頭和狹縫后，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(jìn)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(qiáng)度表征光譜和強(qiáng)度。一個點對應(yīng)一個譜段，一條線就對應(yīng)一個譜面，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(jī)械推掃，完成整個平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。

2.聲光可調(diào)諧濾波分光(AOTF)原理:

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

3.AOTF系統(tǒng)組成:

AOTF系統(tǒng)組成: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，因此在改變波長的過程中，圖像會出現(xiàn)漂移);o光和e光及0級光分別會聚在不同的面上。

如圖所示:

為了保證入射光經(jīng)過準(zhǔn)平行鏡之后能夠變化成平行光，因此對前端的物鏡視場角有一定的要求，根據(jù)晶體的xxx角，可算出物鏡**的視場角，小于**視場角的情況，成像ok，如果大于視場角，則會造成重影(衍射光與0級光都進(jìn)入了sensor);

4.棱鏡分光

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器可以采集到不同光譜信息，實現(xiàn)同時采集空間及光譜信息。

5.芯片鍍膜

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)，在探測器的像元上分別鍍不同波段的濾波膜實現(xiàn)高光譜成像，此技術(shù)大大降低的高光譜成像的成本。

目前IMEC提供三種標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的優(yōu)點是可以同時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。