高光譜成像

典型情況下，3D光譜數(shù)據(jù)有兩種獲取方式。第一種是利用可調(diào)諧濾光成像方式（如：濾光片輪切換、聲光、液晶等），單次獲取一個(gè)窄帶波段內(nèi)的2D空間信息。第二種是利用帶有狹縫的光譜成像方式，單次獲取1D的空間信息和1D的光譜信息，如：棱鏡光柵色散型光譜成像方式和空間調(diào)制型光譜成像方式等。光譜成像技術(shù)根據(jù)光譜分光方式的不同，主要分為色散型、濾光型和干涉型等，這也是光譜成像數(shù)據(jù)的主要獲取方式。

1. 色散型

   棱鏡和光柵色散型光譜成像技術(shù)是光譜成像中使用最普遍的技術(shù)，也是最早出現(xiàn)并發(fā)展成熟的技術(shù)。棱鏡色散型光譜成像儀使用棱鏡作為色散元件，而光柵色散型光譜成像儀則使用光柵作為色散元件。
   

色散副本一棱鏡

①棱鏡可分散光譜特性

在棱鏡色散型光譜成像儀中，不同波長(zhǎng)的光線(xiàn)會(huì)因?yàn)槔忡R的折射而發(fā)生不同程度的色散。一個(gè)典型的棱鏡色散型光譜成像方式如圖1所示。在這個(gè)方式中，成像物鏡會(huì)將場(chǎng)景的復(fù)色光成像到一個(gè)狹縫平面上。入射光經(jīng)過(guò)狹縫后會(huì)被準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直，然后經(jīng)過(guò)棱鏡或光柵的色散，并通過(guò)聚焦鏡聚焦在焦平面探測(cè)器上。最終，不同波長(zhǎng)的光線(xiàn)會(huì)在焦平面探測(cè)器上按照波長(zhǎng)的順序被成像。

② 光柵色散型

光柵色散型是一種光學(xué)元件，使用光柵結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)色散效果。

光柵色散型光譜儀的工作原理是這樣的：光柵可以使不同波長(zhǎng)的光發(fā)生不同的衍射，從而使光發(fā)生色散。就像圖2所示的那樣。與棱鏡色散型光譜儀相比，光柵色散型光譜儀具有一些技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，比如衍射角與光譜波長(zhǎng)近似正相關(guān)、光譜線(xiàn)排列均勻、光譜分辨率較高等。

2.濾光型

傳統(tǒng)的光譜成像技術(shù)采用寬波段成像光路，通過(guò)添加帶有窄帶濾光片的切換機(jī)構(gòu)，每次切入一個(gè)窄帶濾光片并記錄該波段窄帶的空間圖像。在不斷切換不同窄帶濾光片的過(guò)程中，獲取完整的光譜數(shù)據(jù)立方體，這種方法通常用于多光譜成像。

非共線(xiàn)型光濾器的三個(gè)副本

①聲光可調(diào)諧濾光型

聲光調(diào)制型光譜成像技術(shù)有兩種類(lèi)型：共線(xiàn)型和非共線(xiàn)型（圖3）。在聲光晶體介質(zhì)中，共線(xiàn)型AOTF的入射光、衍射光和聲波的傳播方向相同，而非共線(xiàn)型AOTF的入射光、衍射光和聲波的傳播方向不同。與棱鏡和光柵色散型光譜成像技術(shù)相比，聲光調(diào)制型光譜成像技術(shù)有以下特點(diǎn)：

a.體積小、重量輕、全固態(tài)無(wú)移動(dòng)部件；

b.電調(diào)諧能夠快速實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)任意切換或連續(xù)掃描，時(shí)間分辨率高，可達(dá)到16000個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)每秒；

c.利用反常布拉格衍射，衍射效率高，適用于光譜分析儀器。

AOFF的實(shí)際應(yīng)用：在2003年，歐洲航天局發(fā)射的火星探測(cè)器以及2004年的“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”都使用了Brimrose公司生產(chǎn)的微型AOTF近紅外光譜成像儀。

四液晶可調(diào)諧濾光器

②液晶可調(diào)諧濾光型

液晶可調(diào)諧濾光片LCTF是一種利用液晶電控雙折射效應(yīng)制造的新型光譜分離器件。LCTF由多個(gè)Lyot波片單元級(jí)聯(lián)而成，其中單個(gè)Lyot波片如圖4所示，由偏振片、液晶和石英構(gòu)成相位延遲器。然而，LCTF使用偏振片進(jìn)行起偏和檢偏，導(dǎo)致光的利用效率較低。為了解決這個(gè)問(wèn)題，探測(cè)器需要使用低照度寬波段的探測(cè)器，如增強(qiáng)器，這對(duì)于目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別并不理想，從而限制了實(shí)際應(yīng)用的范圍。

干涉型

傅里葉變換干涉型光譜成像技術(shù)是一種間接的光譜成像技術(shù)。它通過(guò)使用具有不同光程差的相干光束來(lái)創(chuàng)建穩(wěn)定的干涉條紋。通過(guò)分析干涉條紋的光波能量和復(fù)色光光譜之間的傅里葉變換關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)窄帶光譜的反演解算。根據(jù)調(diào)制方式的不同，這種技術(shù)可以分為三類(lèi)：

五時(shí)調(diào)制型_備份

①基于邁克爾遜干涉儀原理的時(shí)間調(diào)制型設(shè)備

時(shí)間調(diào)制型干涉的原理如圖5所示。它利用Michelson干涉儀作為光學(xué)分光元件。入射光經(jīng)過(guò)分束鏡分成兩束：反射光和透射光。反射光經(jīng)過(guò)靜鏡反射后，經(jīng)過(guò)分束鏡和透鏡到達(dá)聚焦鏡。透射光經(jīng)過(guò)動(dòng)靜反射后，經(jīng)過(guò)分束鏡反射，也到達(dá)聚焦鏡。兩束光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡后發(fā)生干涉，干涉模式成像在探測(cè)器上，呈現(xiàn)出干涉條紋的形式。

調(diào)制型副本六空間

②空間調(diào)制型（基于薩格納干涉儀原理）

空間調(diào)制型FFT光譜成像儀的工作原理如圖14所示。該儀器采用分體式sagnac干涉儀作為分光元件。分束鏡以45°的角度放置，反射鏡M1和M2相對(duì)于分束鏡BS進(jìn)行布置。當(dāng)M1和M2對(duì)稱(chēng)排列時(shí)，透射光束和反射光束之間沒(méi)有光程差，因此不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。當(dāng)M1和M2不對(duì)稱(chēng)排列時(shí)，例如圖14中M2向平行方向偏移了c，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)橫向剪切量d。透射光束和反射光束之間產(chǎn)生光程差，滿(mǎn)足干涉條件。

七時(shí)空混合調(diào)制型_副本的含義是：這個(gè)副本是“七時(shí)空混合調(diào)制型”的一個(gè)版本。

③ 時(shí)空混合調(diào)制型

時(shí)空混合調(diào)制型是一種混合了時(shí)域和頻域的調(diào)制方式。

根據(jù)圖7所示，時(shí)空混合調(diào)制型FFT光譜成像儀在形式上與空間調(diào)制型FFT光譜成像儀相似。然而，光路中沒(méi)有入射狹縫和柱面鏡。在空間調(diào)制型中，光線(xiàn)通過(guò)1D狹縫進(jìn)入橫向剪切分束鏡。而在時(shí)空混合調(diào)制型中，進(jìn)入分束鏡的是2D場(chǎng)景的平行光。