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高光谱主流技术类型分析

发布时间:2023-10-13
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目前高光谱成像技术发展迅速,主流常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光AOTF、液晶光学滤波LCTF、棱镜分光、芯片镀膜、法珀腔MEMS芯片等。

目前高光谱成像技术发展迅速,主流常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光AOTF、液晶光学滤波LCTF、棱镜分光、芯片镀膜、法珀腔MEMS芯片等。下面简单介绍现基本原理和差异:


光栅分光


空间中的一维信息通过镜头和狭缝后,不同波长的光按照不同程度的弯散传播,这一维图像上的每个点,再通过光栅进行衍射分光,形成一个谱带,照射到探测器上,探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段,一条线就对应一个谱面,因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息,为了获得空间二维图像再通过机械推扫,完成整个平面的图像和光谱数据采集。


棱镜分光


入射光通过棱镜后被分成不同的方向,然后照射到不同方向的探测器上进行成像。棱镜分光后,在棱镜的出射面镀了不同波段的滤光膜,使得不同方向的探测器可以采集到不同光谱信息,实现同时采集空间及光谱信息。

由于系统是基于单个分立器件的,为了保证空间分辨率和光谱分辨率,必须引入物镜、光阑、准直器、各类透镜等光学器件,同时必须考虑各种器件之间的聚焦、准直问题,这就导致传统的系统复杂度很高、体积较大、成本颇高、应用范围受到极大限制。针对不同应用要求的修改,系统再设计复杂度非常高。目前市场上主要这类系统多为面向科研及大型检测单位应用。


声光可调谐滤波分光(AOTF)


AOTF由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器在声光介质内激励出超声波。改变射频驱动信号的频率,可以改变AOTF衍射光的波长,从而实现电调谐波长的扫描。

AOTF系统组成:成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector,为了保证入射光经过准平行镜之后能够完全变化成平行光,因此对前端的物镜视场角有一定的要求。本技术的缺陷是无法做大尺寸,目前可看到的只是单点的光谱仪。


液晶光学滤波(LCTF)


LCTF滤光型光谱成像技术特征是:施加不同的电压,调节双折射液晶造成的相位差,从而使不同波长的光发生干涉,实现对不同波长的连续可调性扫描。基本结构如下:

LCTF的液晶对外界的环境温度非常敏感,造成温漂,使检测结果不准,另外的缺陷就是成本高,无法降低,至今从研究成果和已推出市场的产品看,技术路线不是太乐观。


芯片镀膜


欧洲微电子研究中心IMEC在这方面投入了大量的研究,采用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一种新的高光谱成像技术,在探测器的像元上分别镀不同波段的滤波膜实现高光谱成像。如图所示

该方式在CMOS表面镀膜,对应带来的限制空间解析度较多低,要求每个镀膜高度一致性,那么芯片生产工艺要求高,对批量生产有很大挑战。也因为无法全光谱连续可调,在应用场景不灵活,会有一定的限制,一般可作定性。


法珀腔MEMS芯片


法布里-珀罗干涉仪简称FPI或法珀腔,是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪。特性为当入射光的频率满足其共振条件时,其透射频谱会出现很高的峰值,对应着很高的透射率。

基于法布里珀罗腔体原理设计,结合MEMS芯片微加工工艺及成熟的图像传感器技术实现的高光谱成像,能快速实现宽光谱输入,特定光谱选通输出,完成不同光谱图像信息采集。此种方式与现有器件产业链及模组工艺很好地结合,同时拥有这种MEMS器件尺寸极小、性价比高的优点,适合大批量生产。当然这种方式目前全世界只有个别的研究所和公司在研究,技术门槛高。

本文标签: 高光谱主流技术

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