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高光谱成像仪有哪些分光方式?

发布时间:2023-05-26
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​作为高光谱成像仪中至关重要的元件,分光元件决定了系统光谱分辨率的大小,常用的分光元件包括棱镜、光栅、滤光片三种,因此其分光方式也就有棱镜分光、光栅分光和滤光片分光三种方式。本文对高光谱成像仪的分光方式做了具体的介绍,感兴趣的朋友可以了解一下!

作为高光谱成像仪中至关重要的元件,分光元件决定了系统光谱分辨率的大小,常用的分光元件包括棱镜、光栅、滤光片三种,因此其分光方式也就有棱镜分光、光栅分光和滤光片分光三种方式。本文对高光谱成像仪的分光方式做了具体的介绍,感兴趣的朋友可以了解一下!

三恩时高光谱成像仪

棱镜分光方式

棱镜式高光谱相机的分光原理如下图所示,不同波长的单色光经过单棱镜后,出射光的偏折角不同,从而得到目标的光谱。棱镜作为分光元件的优点是成本低,结构简单,能透过各个波段的光学能量(不同波长的透过率不同),可以获得唯一的光谱谱线,能量利用率高。但是不同波长的光线经过棱镜后,由于色散角大小不同,造成不同谱线的间距不同即色散非线性。棱镜对光能的吸收,会造成不同波长谱线间的空间位置和信号不均衡,引入额外的像差。虽然棱镜能透过所有能量,但长波红外波段的玻璃材料很少且价格昂贵,因此棱镜一般用于可见,近红外波段光谱仪的分光元件。

经查找文献资料可知,为了减小棱镜色散的非线性,可以使用曲面棱镜,胶合棱镜组或者PGP元件作为分光元件。例如曲面棱镜中的典型结构Féry棱镜,在光学系统中不仅可以起到分光的作用还能提供光焦度校正像差,从而使系统中透镜的数量下降,从而减小系统的体积。常用的棱镜组为赖才尔福特棱镜、双阿米西棱镜等,通过不同的材料及棱镜顶角的配合不但能够减小色散的非线性,而且还能合理校正所产生的谱线弯曲和色畸变。

棱镜分光方式原理图


光栅分光方式

光栅分光型高光谱相机利用衍射原理来分光,光栅包括透射式和反射式两种类型。大量大小相同、间距相等的微小狭缝排列起来就组成了透射光栅,每个狭缝都会产生一个衍射条纹,透射出的光波还会互相干涉,从而形成衍射-干涉条纹。由于条纹的极大位置是由波长决定的,这样就可以得到目标的光谱谱线。为了提高光栅分光系统的光学效率,简化结构,消除谱线弯曲,又发展出了凹面光栅和凸面光栅。

普通光栅(平面光栅)作为分光元件有许多优点,其中最大的是通过光栅得到的光谱色散为线性,光栅可以对全波段进行色散,还能简化系统结构。缺陷是所有的衍射光栅都存在高阶光谱,不仅会使部分能量散失,还会干扰工作谱段,使衍射效率较低,并且光栅存在很难校正的谱线弯曲和色畸变。

凸面光栅作为分光元件的优点是在发散光束中使用时可以大幅度简化系统的结构,减小系统的体积和质量,而且系统的空间和光谱分辨率能够通过光栅常数和成像系统的焦距的变化而改变。在离轴反射式结构中使用凸面光栅的系统在视场角、能量透过率、成像质量等方面具有优势。

滤光片分光方式

使用滤光片可以得到特定波段的光谱,因此通过滤光片可以直接得到所需要的光谱,但是一片滤光片只能得到一个波段的光谱,而光谱相机至少需要十几个及以上的谱段,因此需要多片滤光片配合使用来获得光谱。应用滤光片作为分光元件的光谱仪包括:多相机式、滤光片轮、线性渐变滤光片、滤光片阵列、楔形滤光片等。其中多相机式和滤光片轮式的光谱仪缺点过于明显已经被淘汰了,如今使用的滤光片分光多采用线性渐变滤光片或滤光片阵列,相比前两者系统体积、复杂程度及成本得到了大幅减小。下面着重介绍线性渐变滤光片和滤光片阵列这两种分光元件。

线性渐变滤光片实际上是一块镀有渐变滤光膜的平薄玻璃片,被放置在紧靠 CCD像面的位置。探测器上各行的像元会接收到目标不同波段的信息,目标完整的光谱和空间维信息通过平台的推扫才能得到。尽管使用线性渐变滤光片分光的光谱仪结构简单,却必须依靠平台的推扫才能完成工作,对搭载平台的稳定性要求过高,而且如今CCD 探测器的发展跟不上镀膜工艺的需求,使得在探测器上存在很严重的光谱混叠现象,即不同的谱段信息在探测靶上部分重叠的现象。

滤光片阵列是由一系列中心波长不同的滤光片组成,同样被放置在探测器靶面处。如下图 所示每个窄带滤光片只能透过一个波段的光束,面阵 CCD 的若干行像元对应一个光谱带,整个像元面对应所需探测的全部光谱带。图中不同视场的光束通过各个滤光片,在 CCD 靶面上就能够得到相应视场的不同光谱信息,每次拍照得到某一区域目标的空间维信息和不同视场对应的不同光谱信息。系统的各视场会随着平台的推扫移动到探测器中心,再次拍照就可以得到该物体其他波段的信息,从而获得目标的全部光谱维信息。此分光方式原理简单,系统体积小,质量轻便,但是成本较高。

滤光片分光方式原理图

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