光谱成像技术的分类

光谱成像技术起源于上世纪八十年代，其前身是多光谱遥感成像技术。由于光谱成像具有良好的信息获取能力，光谱成像技术得到了飞速的发展，目前已经发展出多种光谱成像技术，成像光谱仪产品不断更新换代。光谱成像技术的分类标准多种多样，比如按照光谱分辨率、扫描方式、调制方式、重构理论等分类标准。

A 色散型光谱成像技术

a)色散棱镜分光技术

色散棱镜典型应用

色散棱镜是光谱成像中最常用、最简单的分光元件，上图是色散棱镜在光谱成像仪中的典型应用。如图所示，入射狭缝位于准直系统的前焦面上，入射光经准直系统后，经棱镜由成像系统将狭缝按波长成像在焦平面探测器上。

b)衍射光栅分光技术

衍射光栅的典型用法

衍射光栅的应用方法和色散棱镜一样。如上图所示，入射狭缝位于准直系统前焦面上，入射光经准直系统后，经光栅将狭缝按波长成像在焦平面探测器上。

发散光束中的光栅分光技术

衍射光栅的另外一种用法是将其置于发散光束中，如上图所示，从狭缝入射的光不需要准直系统直接入射到光栅上，经光栅衍射后可得到目标狭缝的光谱虚像，成像系统将狭缝按波长成像在面阵探测器的不同位置，这种成像技术已经被应用到OrbView-4卫星的战术遥感器的概念设计中。目前国际上比较成熟的机载和航空航天打在的色散型光谱仪都是基于衍射光栅的，比如美国喷气推进实验室的AVIRIS、加拿大的CASI、芬兰的AISA，以及光谱辐射计MODIS等仪器和设备。

c)二元分光元件分光技术

二元元件色散示意图

二元光学元件既是色散元件也是成像元件，利用单色面阵探测器沿光轴方向对所选波段成像范围进行扫描，每一位置对应相应波长的成像区，如上图所示。二元光学元件同普通透镜一样会聚入射光线，但是它依据的是衍射原理，由衍射产生的色差的有效焦距与波长成反比。与棱镜或光栅元件沿垂直于光轴方向色散的特性不同，二元光学元件沿轴线色散，采用二元光学元件的成像光谱仪其光谱分辨率由探测器的尺寸决定。该结构成像光谱仪结构紧凑，衍射效率高。

d)声光可调谐滤光片分光技术

声光可调谐滤光片(AOTF)是一种新型的色散元件，由声光介质、换能器阵列和声终端三部分组成。根据声光衍射原理，当复色光以特定的角度入射到声光介质后，由于声光相互作用，满足动量匹配条件的入射光被超声波衍射成两束正交的单色光，分别位于零级光两侧。改变射频信号的频率，衍射光的波长也相应改变。连续快速的改变射频信号的频率就能实现在衍射光波长范围内快速的光谱扫描。

B 干涉型成像光谱仪

由于色散型成像光谱仪的光谱分辨率与入射狭缝的宽度成反比，要获得更高的光谱分辨率，就要不断减小狭缝的宽度，以至于系统的光通量减少，导致探测灵敏度很低。随着成像光谱仪的技术指标要求的提高，尤其是空间分辨率、光谱分辨率、对弱信号的探测能力等方面，色散型成像光谱仪渐渐不能满足要求。干涉成像光谱仪在原理上具有高光谱分辨率与高能量利用率等优点，能够满足不断提高的应用需求。干涉成像光谱仪的主要分光技术有迈克尔逊干涉法、三角共光路干涉法、双折射干涉法等。近年来又发展出了利用液晶可调谐滤光片获得偏振光，进而发生干涉的技术。除了以上的双光束干涉技术，还有基于多光束干涉的分光技术。

C 滤光片型成像光谱仪

滤光片型成像光谱仪是在光路中加入滤光片作为分光元件，通过更换滤光片来获得不同的光谱通道。滤光片型光谱成像以电调谐的方式改变中心波长，波长调整一次，相机曝光一次，系统记录下该波段的二维图像信息，然后在设定下一个透过波长。依次循环，直到完成所有波长的图像采集任务，获得最终的光谱数据立方体。

审核编辑：汤梓红