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色散型成像光谱仪根据分光器件的不同有哪些类型?

发布时间:2024-03-08
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高光谱成像仪​按照分光方式的不同,可以分为色散型成像光谱仪和干涉型成像光普仪。其中,色散型成像光谱仪根据其分光器件的不同又可以分为平面光栅光谱仪、非平面光栅光谱仪和棱镜分光光谱仪。本文对高光谱成像仪的分类做了介绍。

高光谱成像仪按照分光方式的不同,可以分为色散型成像光谱仪和干涉型成像光普仪。其中,色散型成像光谱仪根据其分光器件的不同又可以分为平面光栅光谱仪、非平面光栅光谱仪和棱镜分光光谱仪。本文对高光谱成像仪的分类做了介绍。

高光谱成像仪

平面光栅光谱仪:

平面光栅光谱仪是一种十分常见的成像光普仪,其使用的平面光栅是光谱技术中常用的光学器件之一。光栅色散的基本原理如下式所示:

光栅色散的基本原理公式

其中θi为入射光线与法线之间的夹角,θd为出射光线与光柵去线的夹角,m为衍射级次,d为光栅常数,λ为入射电磁波的波长。在入射角和衍射角很小的情况下,光栅分光可近似认为呈现线性分布,有利于光谱仪光学系统的设计和探测器的选型,并且可以保证仪器的光谱分辨率稳定,使仪器的探则能力得到提高。然而,在平面光栅的早期应用中,由于受当时的工艺制造水平的限制,平面光栅仅能够满足于小视场或光机扫描型成像光谱仪的应用需求。此外,由于一般平面光栅的衍射光能量大部分集中于零级衍射主极大上,因此平面光柵光谱仪的信噪比和灵敏度与其它类型的光谱仪相比并不突出。

近年来,随着工业制造能力的不断升级,平面光柵不仅可以集成在视场较大的光谱相机当中,还可以通过倾斜狭缝平面与光栅平面的方式,制造出可以将主要衍射能量集中于非零级衍射主极大上的闪耀光栅器件,使得平面光栅光谱仪的灵敏度得到提高,并且不再局限于小视场或光机扫描型的成像方式。


非平面光栅光谱仪:

凸面光栅和凹面光栅都可将其称之为非平面光栅。凸面光栅通常呈现对称分布结构,光能量利用效率高,像质稳定性较强,机械结构简单,可以在一定程度上能够抵消恶劣环境对光谱仪状态的影响,因此常常在研发航天用途的高光谱载荷时使用。但生产凸面光栅所耗费的社会必要劳动时间较多,且仪器的光学装调和像质校正较难,元件的获取渠道稀缺。凹面光栅光谱仪的光路结构简单,体积较小。由于凹面光栅会带来较大的光谱弯曲,且温度适应范围一般,因此通常将四面光栅集成在非成像领域的小型光谱设备当中。但是由于非平面光栅在衍射时会使波长较长的电磁波叠加在波长较小的衍射主极大位置,因此,那些探测波长范围较大的光谱仪并不适合采用非平面光栅器件。此外,光栅分光的过程会损耗入射光的能量,不利于仪器信噪比的提升。


棱镜分光光谱仪:

为弥补光栅光谱仪的不足之处,利用棱镜对不同波长电磁波有不同折射率的物理规律实现光谱分离的棱镜光谱仪具有很高的光谱效率,且不会发生光谱混叠的现象。棱镜分光的光学原理式如下所示:

棱镜分光的光学原理式

其中α为棱镜顶角,δ为棱镜的偏向角,I1为平行入射光与棱镜法线方向的夹角,I1为棱镜对入射光第一次折射的折射角,I2和I2分别为棱镜对入射光第二次折射的入射角和折射角。当棱镜的顶角很小时,光楔就是棱镜分光最经典的具体应用之一。然而,棱镜光谱仪的分光是非线性的,会在探测器上引入较大的光谱弯曲,并不大适用于较大通光孔径的光谱光学系统。此外,从上式中我们也可以看出,棱镜对入射光有规律的色散是基于入射平行光与法线之间有固定夹角的前提下才得以实现的,因此,针对有一定视场角的棱镜光谱仪而言,其光学系统必须经过特殊设计才能获得较好的像质和较为稳定的光谱响应曲线。

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