高光譜成像儀作為一種精密的光學(xué)儀器，可以對樣品進(jìn)行無損檢測，并獲得樣品的光譜信息和圖像信息，對樣品進(jìn)行定性與定量的分析。其按照分光方式的不同，可以分為不同的類型，常見的有色散型、干涉型及濾光片型。本文對高光譜成像儀的分光方法及各自的優(yōu)缺點作了介紹。
高光譜成像儀按分光方式不同分類：
高光譜成像儀按分光方式不同可以分為不同的類型，通常有色散型、干涉型及濾光片型。具體如下：
1.色散型分光高光譜成像儀
色散型分光是發(fā)展成熟的早期分光技術(shù)，其核心分光元件普遍采用棱鏡或者光柵，系統(tǒng)入射輻射經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，利用光柵或棱鏡等色散元件將來自于目標(biāo)區(qū)域少量空間區(qū)域（如單次成像為一行目標(biāo)）內(nèi)的光按照波段進(jìn)行分離及采樣，高光譜數(shù)據(jù)中的空間信息（二維信息）及光譜信息（一維信息）以推掃形式獲取，最終實現(xiàn)完整的高光譜數(shù)據(jù)采集。
棱鏡分光的原理是通過非同波段的光在傳播過程經(jīng)過介質(zhì)的折射率不同，將波長分開，該系統(tǒng)中的狹縫起到視場光闌的作用，進(jìn)入該系統(tǒng)的光經(jīng)狹縫傳播至準(zhǔn)直物鏡的焦面上，然后通過色散棱鏡分成不同波譜的光，最終光譜信息匯聚到探測器的不同空間位置上。下圖（a）為棱鏡分光原理圖。
光柵分光是基于光的衍射、干涉特性將進(jìn)入系統(tǒng)的光束分離為不同波長，其分光原理與棱鏡分光基本相似，區(qū)別僅在分光器件的差異性。在下圖（a）使用三棱鏡，圖（b）中采用平面光柵，相比之下，后者是現(xiàn)階段成像系統(tǒng)中最為主流的分光技術(shù)。
針對色散型光譜儀，以上所提兩種不同元件的分光方式都有著一定的局限性，即系統(tǒng)的光譜分辨率和空間分辨率相互影響。對于該類型的光譜儀系統(tǒng)，其空間分辨率受限于系統(tǒng)前端的狹縫寬度。當(dāng)所使用的探測器確定后，其像元參數(shù)有與之對應(yīng)的狹縫寬度。對于已定的空間分辨率，光譜分辨率的要求與分光元件的工藝參數(shù)（如線色散范圍）要求成正比。另一方面，系統(tǒng)前端的狹縫結(jié)構(gòu)也在某種程度上也限制了其光通量。
2.干涉型分光高光譜成像儀
干涉型光譜成像與色散型在采集二維光譜信息時的共通點是以推掃形式獲得。區(qū)別于色散型光譜儀，干涉型光譜儀是利用傅里葉變換從采集的目標(biāo)干涉圖像中求得其光譜信息。干涉型光譜成像分為時間調(diào)制、空間調(diào)制及時空混合調(diào)制型。三種方式的共同點是獲得目標(biāo)對象的空間干涉信息都要使用到狹縫及動鏡結(jié)構(gòu)。
如下圖所示為邁克爾遜干涉光譜儀的示意圖。從成像系統(tǒng)輸出的光經(jīng)過狹縫和準(zhǔn)直系統(tǒng)后，經(jīng)過分束器分為反射和透射兩束光束，最后經(jīng)過動鏡和靜鏡成像到探測器上，利用反射光與透射光的光程差，從而將相應(yīng)的干涉圖呈在探測器上。通過調(diào)節(jié)動鏡可以改變光程差，成像光譜儀的光譜分辨率與光程差成正比，即其光譜精度較高。
如下圖是Sagnac型干涉儀示意圖。入射光線經(jīng)過前置系統(tǒng)后，在狹縫處發(fā)生匯聚，經(jīng)過準(zhǔn)直后的光線進(jìn)入分束器，則可以得到分光后的反射光和透射光，當(dāng)動鏡與靜鏡出現(xiàn)夾角時會產(chǎn)生光程差，進(jìn)而發(fā)生干涉現(xiàn)象。經(jīng)過柱面鏡成像可以同時得到目標(biāo)的干涉信息以及空間信息。
如下圖所示為時空混合調(diào)制型光譜儀示意圖。其干涉結(jié)果中的光程差與時間空間都有關(guān)聯(lián)，其優(yōu)點是沒有狹縫與運動部件，通過全視場推掃獲取完整干涉圖，即非實時獲取空間分量和光譜分量。
3.濾光片型高光譜成像儀
不同于前兩種光譜儀，濾光片型光譜儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分光原理較為簡單。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是利用相機與濾光片進(jìn)行配合，分光原理是利用濾光片透過波長的差異性獲取目標(biāo)對應(yīng)波段的光譜數(shù)據(jù)。通過單次獲取單行像元的光譜信息，結(jié)合推掃形式以獲取完整波段的數(shù)據(jù)。該類成像系統(tǒng)通常有濾光輪式、線性濾光片及可調(diào)諧濾光片。
線性濾光片型分光是將濾光片置于探測器前，如下圖所示，探測器的一維對應(yīng)空間維度，另一維對應(yīng)光譜維度，即探測器每次采集的二維數(shù)據(jù)是一行目標(biāo)空間的所有光譜信息，并且結(jié)合推掃形式以獲得二維的空間光譜數(shù)據(jù)。濾光片的光譜性能及工藝參數(shù)往往決定其系統(tǒng)的光譜性能。濾光片的分光原理主要是通過其光譜范圍隨諧振腔厚度的變化而變化，因此不同位置對應(yīng)不同光譜波長。
現(xiàn)階段主要有液晶可調(diào)諧濾光片和聲光可調(diào)諧濾光片。二者的原理相似，主要對進(jìn)入系統(tǒng)的光進(jìn)行特定的調(diào)制以獲取所需透過率。前者是采用電光方式實現(xiàn)相位調(diào)制，而后者則是利用高頻聲波影響不同波長的透過情況。
高光譜成像儀不同分光方式優(yōu)缺點對比：
1.色散型分光高光譜成像儀
（1）優(yōu)勢：光譜分辨率高；光能利用率高。
（2）劣勢：結(jié)構(gòu)復(fù)雜；定標(biāo)復(fù)雜。
2.干涉型分光高光譜成像儀
（1）優(yōu)勢：光譜分辨率高；信噪比高。
（2）劣勢：結(jié)構(gòu)復(fù)雜；所獲干涉圖需進(jìn)一步處理。
3.濾光片型高光譜成像儀
（1）優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡潔緊湊；定標(biāo)難度低。
（2）劣勢：信噪比低，光能利用率低。
通過對上述各種分光方式的研究發(fā)現(xiàn)，色散型和干涉型成像光譜分辨率比較高，光能利用率好，發(fā)展相對比較成熟，但其光學(xué)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不滿足微型化的應(yīng)用需求。線性濾光片的優(yōu)勢在于光路相對緊湊，所需光學(xué)元件的數(shù)量少，定標(biāo)難度低，與其他濾光片相比成本較低，有望實現(xiàn)微型化高光譜成像系統(tǒng)。
