簡析光譜成像數據的獲取方式

光譜成像數據是3D光譜數據立方體，包括2D空間信息和1D光譜信息。很多用戶對光譜成像數據的獲取方式比較好奇，本文進行瞭(le)簡單(dān)分析彙總。

通常來說
，3D光譜數據通常有兩種方式：第一種是一次獲得一個窄帶(dài)波段内的2D空間信息，如濾光片輪切換方式，聲光、液晶等可調(diào)諧濾光成像方式；第二種是一次獲得1D空間信息加1D光譜信息，如帶(dài)狹縫的光譜成像方式，常見的有棱鏡光栅色散型光譜成像方式、空間調(diào)制型光譜成像方式。根據光譜分光方式的不同，光譜成像技術主要分爲色散型、濾光型、幹涉型等，這也是光譜成像數據的主要獲取方式。

1. 色散型

棱鏡和光栅色散型光譜成像技術出現較(jiào)早，較(jiào)爲成熟，是目前光譜成像採(cǎi)用最多的技術。棱鏡色散型光譜成像儀以棱鏡爲色散元件，而光栅色散型以光栅爲色散元件。

① 棱鏡色散型

在棱鏡色散型光譜成像儀中，不同波長的光線受到棱鏡不同程度的折射而被色散。典型的棱鏡色散型光譜成像方式如圖1所示，成像物鏡将場(chǎng)景的複色光成像到狹縫平面上，透過狹縫的入射光經準直物鏡準直後
，經過棱鏡或光栅的色散由聚焦鏡聚焦到焦平面探測(cè)器上，最終狹縫按波長成像在焦平面探測(cè)器上。

② 光栅色散型

光栅色散型光譜儀的原理是：光栅對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的衍射角而使光色散，如圖2所示。與棱鏡色散型相比，光栅色散型具有衍射角與光譜波長(zhǎng)近似呈正比關系、譜線排列均勻、光譜分辨率較高等技術優勢。

2. 濾光型

傳統的濾光型光譜成像技術是在寬波段成像光路中，增加帶有窄帶濾光片的切換機構，每次一個窄帶濾光片切入光路，並(bìng)得到該波段窄帶空間圖像，各個窄帶濾光片先後切入光路，獲得完整的光譜數據立方體，常用於(yú)多光譜成像。

① 聲光可調諧濾光型

AOTF有共線型和非共線型（圖3）兩類。在聲光晶體介質中
，共線型AOTF入射光、衍射光、聲波的傳播方向相同[]，而非共線性型AOTF入射光、衍射光、聲波的傳播方向不同。與棱鏡、光栅色散型光譜成像技術相比，聲光調制型光譜成像技術特點是：a. 體積小、重量輕、全固态無移動部件；b. 電調諧易於(yú)快速實現波長(zhǎng)任意切換或連續掃描，時間分辨率高，16000波長(zhǎng)點/s；c. 利用反常布拉格衍射，衍射效率高，适用於(yú)作爲光譜分析儀器。

AOFF實際應用：2003年，ESA發射的火星探測(cè)器及2004年“勇氣号”和“機遇号”均採(cǎi)用Brimrose公司的微型AOTF近紅外光譜成像儀。

② 液晶可調諧濾光型

液晶可調諧濾光片LCTF是利用液晶電控雙折射效應制成的新型分光器件。LCTF由多個Lyot波片單元級聯構成，單組Lyot波片如圖4所示，由偏振片、液晶、石英構成相位延遲片。但LCTF採用偏振片進行起偏、檢偏，使得光能利用率低，探測器需採用低照度寬波段探測器，或像增強器，不利於(yú)目标探測識别，限制瞭(le)實際應用。

3. 幹涉型

傅裏葉變(biàn)換幹涉型光譜成像技術是一種間接光譜成像技術，通過具有光程差的相幹光束形成穩定幹涉條紋，利用幹涉條紋光波能量與複色光光譜存在的傅裏葉變(biàn)換關系，實現窄帶(dài)光譜的反演解算。根據調制方式的不同可分爲三類：

① 時間調(diào)制型（基於(yú)邁克爾遜幹涉儀原理）

時間調制型幹涉原理如圖5所示，它以Michelson幹涉儀爲分光元件，人射光束經分束鏡分成兩束：反射光束、透射光束；反射光束經靜鏡反射、分束鏡透鏡到達(dá)聚焦鏡；透射光束經動靜反射、分束鏡反射到達(dá)聚焦鏡；兩束光束徑聚焦透鏡幹涉，成像在探測(cè)器上呈幹涉條紋。

② 空間調(diào)制型（基於(yú)Sagnac幹涉儀原理）

空間調制型FFT光譜成像儀原理如圖14所示，它以分體式sagnac幹涉儀爲分光元件，分束鏡45°放置，反射鏡M1、反射鏡M2首先相對於(yú)分束鏡BS布置。當反射鏡M1與反射鏡M2對稱(chēng)時，透射光束與反射光束沒有光程差，不會引起幹涉；當兩個反射鏡不對稱(chēng)時，如圖14中反射鏡M2平行偏移c，可實現橫向剪切量爲d，透射光束與反射光束形成光程差，滿足幹涉條件。

③ 時空混合調制型

如圖7所示，時空混合調(diào)制型FFT光譜成像儀形式上與空間調(diào)制型FFT光譜成像儀類似，但光路上沒有入射狹縫，也沒有柱面鏡；空間調(diào)制型進入橫向剪切分束鏡的光線是透過1D狹縫的光束，而時空混合調(diào)制型進人分束鏡的是2D場(chǎng)景的平行光。