高光谱成像仪的扫描技术和分光技术介绍

高光谱成像光谱仪一般包括物镜、狭缝、准直透镜、分光模块、会聚镜和探测器，狭缝决定光谱仪的视场，通过准直镜到达分光模块，不同波长的光被分光模块分离，经过会聚镜聚集到探测器上。本文对高光谱成像仪的扫描技术和分光技术做了介绍。

高光谱成像仪的扫描技术：

对于高光谱成像光谱仪来说，根据不同的工作模式，可以将其扫描技术分为点扫式高光谱成像、推扫式高光谱成像和凝视型高光谱成像。

点扫描式高光谱显微成像是对逐个像素点扫描成像，通过机械模块收集每个点的能量，经过色散模块进行分光，产生不同波长的辐射能量，再由线阵探测器接收。点扫式光谱成像可以获得较大的视场范围，数据稳定，但成像时间长。

推扫式高光谱显微成像中的探测器是面阵探测器，探测器接收的图像是二维数据，包括光谱信息和空间信息。像成像在狭缝处，狭缝透过一个成像行，该成像行的光经过分光元件后，光谱维展开并聚焦在探测器上，通过对二维运动平台的移动来记录空间维，线扫成面，完成图像的采集。推扫式高光谱成像结构简单，不需要复杂的扫描模块，体积小，重量轻。

凝视型高光谱成像的探测器也是面阵探测器，结构紧凑，在凝视型高光谱成像系统中，分光元件有可调谐滤波片分光和干涉型分光，需要通过一定时间的扫描获得完整的图像。系统中没有运动部件，但是对平台的稳定性要求较高，另外，因为进行波段的扫描，所以光谱信息不可以同时获取。

高光谱成像仪的分光技术：

根据以色散分光进行光谱测量区分，高光谱成像光谱仪的分光方法包括棱镜分光、光栅分光、棱镜-光栅-棱镜（PGP）分光。

1.棱镜分光

光的色散是指当光在介质中传播时，折射率随着光的波长的变化而发生变化的现象。棱镜分光的原理便是利用了这一特性，在同一种介质中，不同波长的光有不同的折射率，因此，不同波长的单色光从一个角度进入棱镜时，会发生不同角度的偏移，即经过棱镜后，会看到各种不同颜色的光。棱镜分光原理如下图所示，光首先通过狭缝，经过准直镜准直为平行光，平行光经过棱镜分解成各种颜色，通过会聚镜按波长的顺序汇聚到探测器的不同位置。棱镜分光的光谱分辨率较高、光学效率高、系统不复杂，但是它的光谱范围窄、系统的紧凑性不高、光谱的色散是非线性的。

2.光栅分光

光栅是在一块玻璃或者金属片上刻有大量平行等宽、等距的刻痕或狭缝，狭缝数量很多，作为光谱仪上的分光元件是其最重要的应用。

光栅的分光是根据衍射效应，因为光栅具有很强的色散特点，光经过大量等间隔的狭缝，在每个狭缝处会产生衍射，经过衍射后各缝间又发生干涉的现象，原理图如下图所示。光栅分光的分辨率远远优于棱镜，其光谱分辨率高、光谱范围宽，也可以同时获取到光谱通道，但是它的光学效率不高。

3.棱镜-光栅-棱镜（PGP）分光

棱镜-光栅-棱镜分光结合了棱镜和光栅的优点，PGP的原理如下图所示，它是在两块棱镜之间放置光栅，该光栅多数为体相位全息光栅，具有高光谱分辨率高、光学效率较高的特点，但是其包含一个较难制作的体全息透射光栅模块，增加了制作棱镜-光栅-棱镜分光模块的成本。