简析光谱成像数据的获取方式

光谱成像数据是3D光谱数据立方体，包括2D空间信息和1D光谱信息。很多用户对光谱成像数据的获取方式比较好奇，本文进行了简单分析汇总。

通常来说，3D光谱数据通常有两种方式：第一种是一次获得一个窄带波段内的2D空间信息，如滤光片轮切换方式，声光、液晶等可调谐滤光成像方式；第二种是一次获得1D空间信息加1D光谱信息，如带狭缝的光谱成像方式，常见的有棱镜光栅色散型光谱成像方式、空间调制型光谱成像方式。根据光谱分光方式的不同，光谱成像技术主要分为色散型、滤光型、干涉型等，这也是光谱成像数据的主要获取方式。

1. 色散型

棱镜和光栅色散型光谱成像技术出现较早，较为成熟，是目前光谱成像采用最多的技术。棱镜色散型光谱成像仪以棱镜为色散元件，而光栅色散型以光栅为色散元件。

① 棱镜色散型

在棱镜色散型光谱成像仪中，不同波长的光线受到棱镜不同程度的折射而被色散。典型的棱镜色散型光谱成像方式如图1所示，成像物镜将场景的复色光成像到狭缝平面上，透过狭缝的入射光经准直物镜准直后，经过棱镜或光栅的色散由聚焦镜聚焦到焦平面探测器上，最终狭缝按波长成像在焦平面探测器上。

② 光栅色散型

光栅色散型光谱仪的原理是：光栅对不同波长的光有不同的衍射角而使光色散，如图2所示。与棱镜色散型相比，光栅色散型具有衍射角与光谱波长近似呈正比关系、谱线排列均匀、光谱分辨率较高等技术优势。

2. 滤光型

传统的滤光型光谱成像技术是在宽波段成像光路中，增加带有窄带滤光片的切换机构，每次一个窄带滤光片切入光路，并得到该波段窄带空间图像，各个窄带滤光片先后切入光路，获得完整的光谱数据立方体，常用于多光谱成像。

① 声光可调谐滤光型

AOTF有共线型和非共线型（图3）两类。在声光晶体介质中，共线型AOTF入射光、衍射光、声波的传播方向相同[]，而非共线性型AOTF入射光、衍射光、声波的传播方向不同。与棱镜、光栅色散型光谱成像技术相比，声光调制型光谱成像技术特点是：a. 体积小、重量轻、全固态无移动部件；b. 电调谐易于快速实现波长任意切换或连续扫描，时间分辨率高，16000波长点/s；c. 利用反常布拉格衍射，衍射效率高，适用于作为光谱分析仪器。

AOFF实际应用：2003年，ESA发射的火星探测器及2004年“勇气号”和“机遇号”均采用Brimrose公司的微型AOTF近红外光谱成像仪。

② 液晶可调谐滤光型

液晶可调谐滤光片LCTF是利用液晶电控双折射效应制成的新型分光器件。LCTF由多个Lyot波片单元级联构成，单组Lyot波片如图4所示，由偏振片、液晶、石英构成相位延迟片。但LCTF采用偏振片进行起偏、检偏，使得光能利用率低，探测器需采用低照度宽波段探测器，或像增强器，不利于目标探测识别，限制了实际应用。

3. 干涉型

傅里叶变换干涉型光谱成像技术是一种间接光谱成像技术，通过具有光程差的相干光束形成稳定干涉条纹，利用干涉条纹光波能量与复色光光谱存在的傅里叶变换关系，实现窄带光谱的反演解算。根据调制方式的不同可分为三类：

① 时间调制型（基于迈克尔逊干涉仪原理）

时间调制型干涉原理如图5所示，它以Michelson干涉仪为分光元件，人射光束经分束镜分成两束：反射光束、透射光束；反射光束经静镜反射、分束镜透镜到达聚焦镜；透射光束经动静反射、分束镜反射到达聚焦镜；两束光束径聚焦透镜干涉，成像在探测器上呈干涉条纹。

② 空间调制型（基于Sagnac干涉仪原理）

空间调制型FFT光谱成像仪原理如图14所示，它以分体式sagnac干涉仪为分光元件，分束镜45°放置，反射镜M1、反射镜M2首先相对于分束镜BS布置。当反射镜M1与反射镜M2对称时，透射光束与反射光束没有光程差，不会引起干涉；当两个反射镜不对称时，如图14中反射镜M2平行偏移c，可实现横向剪切量为d，透射光束与反射光束形成光程差，满足干涉条件。

③ 时空混合调制型

如图7所示，时空混合调制型FFT光谱成像仪形式上与空间调制型FFT光谱成像仪类似，但光路上没有入射狭缝，也没有柱面镜；空间调制型进入横向剪切分束镜的光线是透过1D狭缝的光束，而时空混合调制型进人分束镜的是2D场景的平行光。