光譜成像技術(shù)起源于上世紀八十年代，其前身是多光譜遙感成像技術(shù)。由于光譜成像具有良好的信息獲取能力，光譜成像技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展出多種光譜成像技術(shù)，成像光譜儀產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代。光譜成像技術(shù)的分類標準多種多樣，比如按照光譜分辨率、掃描方式、調(diào)制方式、重構(gòu)理論等分類標準。

A 色散型光譜成像技術(shù)

a)色散棱鏡分光技術(shù)

色散棱鏡典型應(yīng)用

色散棱鏡是光譜成像中最常用、最簡單的分光元件，上圖是色散棱鏡在光譜成像儀中的典型應(yīng)用。如圖所示，入射狹縫位于準直系統(tǒng)的前焦面上，入射光經(jīng)準直系統(tǒng)后，經(jīng)棱鏡由成像系統(tǒng)將狹縫按波長成像在焦平面探測器上。

b)衍射光柵分光技術(shù)

衍射光柵的典型用法

衍射光柵的應(yīng)用方法和色散棱鏡一樣。如上圖所示，入射狹縫位于準直系統(tǒng)前焦面上，入射光經(jīng)準直系統(tǒng)后，經(jīng)光柵將狹縫按波長成像在焦平面探測器上。

發(fā)散光束中的光柵分光技術(shù)

衍射光柵的另外一種用法是將其置于發(fā)散光束中，如上圖所示，從狹縫入射的光不需要準直系統(tǒng)直接入射到光柵上，經(jīng)光柵衍射后可得到目標狹縫的光譜虛像，成像系統(tǒng)將狹縫按波長成像在面陣探測器的不同位置，這種成像技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到OrbView-4衛(wèi)星的戰(zhàn)術(shù)遙感器的概念設(shè)計中。目前國際上比較成熟的機載和航空航天打在的色散型光譜儀都是基于衍射光柵的，比如美國噴氣推進實驗室的AVIRIS、加拿大的CASI、芬蘭的AISA，以及光譜輻射計MODIS等儀器和設(shè)備。

c)二元分光元件分光技術(shù)

二元元件色散示意圖

二元光學(xué)元件既是色散元件也是成像元件，利用單色面陣探測器沿光軸方向?qū)λx波段成像范圍進行掃描，每一位置對應(yīng)相應(yīng)波長的成像區(qū)，如上圖所示。二元光學(xué)元件同普通透鏡一樣會聚入射光線，但是它依據(jù)的是衍射原理，由衍射產(chǎn)生的色差的有效焦距與波長成反比。與棱鏡或光柵元件沿垂直于光軸方向色散的特性不同，二元光學(xué)元件沿軸線色散，采用二元光學(xué)元件的成像光譜儀其光譜分辨率由探測器的尺寸決定。該結(jié)構(gòu)成像光譜儀結(jié)構(gòu)緊湊，衍射效率高。

d)聲光可調(diào)諧濾光片分光技術(shù)

聲光可調(diào)諧濾光片(AOTF)是一種新型的色散元件，由聲光介質(zhì)、換能器陣列和聲終端三部分組成。根據(jù)聲光衍射原理，當復(fù)色光以特定的角度入射到聲光介質(zhì)后，由于聲光相互作用，滿足動量匹配條件的入射光被超聲波衍射成兩束正交的單色光，分別位于零級光兩側(cè)。改變射頻信號的頻率，衍射光的波長也相應(yīng)改變。連續(xù)快速的改變射頻信號的頻率就能實現(xiàn)在衍射光波長范圍內(nèi)快速的光譜掃描。

B 干涉型成像光譜儀

由于色散型成像光譜儀的光譜分辨率與入射狹縫的寬度成反比，要獲得更高的光譜分辨率，就要不斷減小狹縫的寬度，以至于系統(tǒng)的光通量減少，導(dǎo)致探測靈敏度很低。隨著成像光譜儀的技術(shù)指標要求的提高，尤其是空間分辨率、光譜分辨率、對弱信號的探測能力等方面，色散型成像光譜儀漸漸不能滿足要求。干涉成像光譜儀在原理上具有高光譜分辨率與高能量利用率等優(yōu)點，能夠滿足不斷提高的應(yīng)用需求。干涉成像光譜儀的主要分光技術(shù)有邁克爾遜干涉法、三角共光路干涉法、雙折射干涉法等。近年來又發(fā)展出了利用液晶可調(diào)諧濾光片獲得偏振光，進而發(fā)生干涉的技術(shù)。除了以上的雙光束干涉技術(shù)，還有基于多光束干涉的分光技術(shù)。

C 濾光片型成像光譜儀

濾光片型成像光譜儀是在光路中加入濾光片作為分光元件，通過更換濾光片來獲得不同的光譜通道。濾光片型光譜成像以電調(diào)諧的方式改變中心波長，波長調(diào)整一次，相機曝光一次，系統(tǒng)記錄下該波段的二維圖像信息，然后在設(shè)定下一個透過波長。依次循環(huán)，直到完成所有波長的圖像采集任務(wù)，獲得最終的光譜數(shù)據(jù)立方體。

審核編輯：湯梓紅