色散型高光谱成像仪的原理及类型

目前获取光谱信息的方法主要有三种，分别是色散型、干涉型和滤波型测量技术。其中，色散型高光谱成像仪使用了棱镜、光栅或二者组合为分光元件。本文对色散型高光谱成像仪的原理及类型做了介绍。

色散型光谱成仪的原理：

作为现有的光谱分光技术中最为成熟的手段，使用色散光谱成像技术制造的光谱仪可以同时满足较好的环境适应性和成像性能，因此在对地空间探测和资源监测等方面具备重要的实用意义。所谓色散元件，指的是通过衍射等手段把复合入射光转化为不同单色光的光学元件。根据其形式的不同，色散光谱成像光谱仪可分为棱镜色散成像光谱仪、光栅色散成像光谱仪和二者兼具的棱镜-光栅-棱镜色散成像光谱仪。其基本组成由狭缝、准直系统、色散分光器件、聚焦系统和探测器五个部分构成。

色散型高光谱成像仪的类型：

1.棱镜色散成像光谱仪

棱镜色散成像光谱仪是指通过棱镜进行分光的高光谱成像仪。利用棱镜对不同波长范围的光具有不同折射率的特性，当复合入射光透射棱镜后，不同波长的光将发生不同程度的折射偏转，最终达到分光的效果。一般情况下，折射率与光的波长呈负相关，入射光的波长越小，折射偏转程度越大。棱镜色散成像光谱仪，通过狭缝的入射复合光经过准直系统准直后透射到分光棱镜上，经过棱镜色散后再通过聚焦系统将色散后的光按其波长不同分散，并成像在焦平面探测器上。

传统棱镜色散技术具有利用效率高，响应范围宽，加工难度小等优点，加之不存在光谱级次重叠的问题而得到广泛使用。但在实际应用过程中，其色散线性度差的缺点逐渐显现出来，因此曲面棱镜应运而生。除了传统棱镜所具备的优势外，曲面棱镜由于其可变化的曲率半径、厚度和材料折射率导致其在准直和像差校正方面具有额外的优势。同时曲面棱镜还具有的色散线性度小的特点，因此借助该特点可以实现更紧凑的结构，从而大幅度简化系统整体的复杂性。

2.光栅色散成像光谱仪

除棱镜外，衍射光栅也常作为色散元件被广泛应用于光谱仪设备中。衍射光柵的核心是由一组微观周期性凹槽构成，利用衍射原理将入射复合光分散为多个不同波长的光束，并使其沿不同方向（衍射角）传播。其中，光束的方向（衍射角）是由入射光波长、入射角和光栅相邻衍射元件距离共同决定的。光栅成像光谱仪成像原理是当准直光束以同一个入射角透射进衍射光栅后，经过分光最终以不同的衍射角进入成像镜，根据波长的不同成像到探测器上。

根据光路的不同，衍射光栅主要分为反射式光栅和透射式光栅，而根据光栅样式的不同，常见的光栅色散成像光谱仪又分为以平面反射光栅为基础的Czerny-Turner型，以凹面反射光栅为基础的Dyson型，以凸面反射光栅为基础的Offner型和以透射体全息光栅为基础的PGP型。由于光栅本身的色散率较高，因此该类型的光谱仪普遍具有较高的光谱分辨率，且可以产生线性色散。但缺点是以凹面或凸面反射光栅为基础的光谱仪往往在宽谱段上效率偏低，并容易产生偏振。不仅如此，由于光栅需要靠近探测器的次级滤波器以抑制无效的衍射阶数，并且制造精密光柵本身也很复杂，因此光栅色散成像光谱仪在装调方面相较于棱镜成像光谱仪流程更加复杂且难度更大。