高光譜成像

　　光柵分光原理

　　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(shí)，不同波長(zhǎng)的光會(huì)發(fā)生不同程度的彎散傳播，再通過光柵進(jìn)行衍射分光，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(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。

　　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。

　　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(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。

　　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(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。

　　實(shí)現(xiàn)方法

　　不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過晶體之后衍射光與0級(jí)光的夾角也不同，因此為了能夠保證更好的成像效果，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，造成重影。

　　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

　　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

　　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。