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高光谱成像仪工作方式有哪些?

发布时间:2023-06-21
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高光谱成像仪实现的波长通道的数量通常太大,无法在图像传感器中的每个波长通道中使用一种类型的光电探测器。

高光谱成像仪实现的波长通道的数量通常太大,无法在图像传感器中的每个波长通道中使用一种类型的光电探测器。 因此,通常使用其他技术:

高光谱成像仪工作有哪些


点扫描


一种可能性是将某种光谱仪与2D扫描成像设备(扫帚扫描仪)结合使用。 在任何特定时间,人们都会接收来自某个方向的光并记录光谱。 例如,可以在一维光电二极管阵列前面使用带有衍射光栅的简单光谱仪。

完整的高光谱图像需要扫描二维的所有图像方向,并且通常需要大量的采集时间。 此外,入射光的使用效率极低,很容易出现运动伪影。

尽管该方法允许人们使用非常传统的光谱仪,但由于上述限制和需要扫描光学器件(通常带有机械部件),它并不经常使用。


线扫描


线扫描是高光谱成像最常用的图像采集技术。 这意味着在任何时间点,人们都可以获取一条生产线的图像信息(推扫式扫帚扫描仪)。 线的选择通常是通过在图像平面中放置光学狭缝来完成的。 此外,使用衍射光栅或其他色散光学元件在空间上沿垂直于狭缝的方向分离不同的波长分量。 然后可以将光发送到二维图像传感器(焦平面阵列),其中一个方向对应于空间坐标,另一个方向对应于波长。 可以使用可更换光栅以不同的光谱分辨率覆盖不同的光谱区域。


图像的完成需要对上述狭缝、整个成像仪器或成像对象进行具有不同方向的多个此类记录。 例如,飞机或太空卫星上的仪器自然地向一个方向移动,该方向应垂直于图像线的方向。 同样,人们可以对正在移动的物体进行成像,例如沿着工厂的传送带。 在其他情况下,需要移动镜或其他类型的扫描光学器件来对观察方向进行一维扫描。

与点扫描相比,图像采集速度更快,运动伪影的倾向也更低。 所需的焦平面阵列类型相当简单;它只需要在整个感兴趣的波长范围内表现出足够高的响应度。 在设备校准中可以考虑响应度的波长依赖性。

尽管如此,输入光的使用效率不是很高,因为一次只能使用对应于一条线的光。


光谱扫描


基本上可以通过将可调谐光学带通滤光片集成到相机中来实现高光谱成像。 然后一次记录一个波长槽的图像,并将来自许多此类记录的数据组合到高光谱立方体中。 虽然所有图像方向的光都可以随时使用,但任何时候都只使用一个小的光谱槽,因此光的使用效率与线扫描一样低。 此外,实现高光谱分辨率的可调谐带通滤波器并不容易。

或者,可以使用波长可调照明,例如使用光学参量振荡器。 每个图像曝光都是针对一个波长进行的,并且许多不同波长的曝光提供了高光谱图像。

光谱扫描的一个核心优势是可以使用传统的成像仪器。 例如,可以为显微镜配备合适的滤光片来执行高光谱显微镜。

光谱扫描的另一个优点是能够以任意顺序记录不同波长通道的图像。 换句话说,不必每次都记录一个完整的高光谱立方体,而是可以根据特定的成像目的和情况选择波长。 例如,人们可以仅以有限的一组波长定期操作,并且仅在某些情况下(例如,当检测到某些有趣的物体时)才能获取不同波长的图像。


时空扫描


时空扫描是空间扫描和光谱扫描之间的一种混合,其中每个带有二维图像传感器的记录都代表高光谱立方体的对角线切片。 传感器上的一个空间坐标仅对应于空间坐标,而第二个坐标则进行波长编码。 需要一维扫描才能完成高光谱立方体。


快照成像


特别是对于天文学应用,有效利用入射光至关重要。 因此,非常希望通过使用某种快照成像来避免任何空间或光谱扫描。 为此目的已经开发了大量不同的技术方法,所有这些方法都导致相对复杂和昂贵的技术设置。


仅举一个例子,可以将场景成像到光纤束的输入端,该光纤束的制造使得输出光纤沿一条线排列。 (还有其他光学装置可以进行这种图像切片。 然后,可以将不同的波长分量分散在垂直于线的方向上,并将光发送到二维图像传感器,或者如果需要大量像素,则发送到多个传感器。 从这个意义上说,其工作原理与上述线扫描仪的操作原理非常相似。 但是,可以一次处理完整的图像。 对于高效的光收集,具有高数值孔径和高光纤芯面积比的光纤束至关重要。


虽然所解释的方法需要复杂的光学元件,但它非常自然地提供了高光谱立方体数据。 已经开发了其他方法,其中需要采用复杂的数据处理算法来获取此类数据。

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