基于色散元件的高光譜成像儀需要掃描掃帚(點掃描)或推掃式(線掃描)來生成高光譜數(shù)據(jù)立方體。基于光譜濾波器的高光譜成像儀需要波長掃描(使用光譜濾波器)來生成高光譜數(shù)據(jù)立方體?？煺崭吖庾V成像儀在探測器陣列的單個積分時間內(nèi)生成高光譜數(shù)據(jù)立方體。無需掃描。它包含專門的組件，可將場景的 3D 空間光譜信息分配到 2D 探測器陣列上。快照高光譜成像通常需要具有大量像素的二維探測器陣列。消除運動部件意味著可以避免運動偽影。

快照高光譜成像儀的設(shè)計和制造通常比掃描高光譜成像儀更復(fù)雜?？煺崭吖庾V成像儀利用最新技術(shù)，例如大尺寸探測器陣列、高速數(shù)據(jù)傳輸、先進的光學(xué)制造方法和精密光學(xué)器件。它通?？梢蕴峁┍韧葤呙鑳x器更高的光收集效率。然而，只有根據(jù)特定應(yīng)用(例如專業(yè)天文社區(qū))定制設(shè)計才能充分受益于這一優(yōu)勢?？煺占夹g(shù)在天文學(xué)界流行的主要原因之一是它在執(zhí)行高光譜成像時大大增加了望遠鏡的光收集能力。

有以下五種流行的快照光譜成像技術(shù)：?

①多孔濾光相機(MAFC)

②編碼孔徑快照光譜成像儀(CASSI)

③圖像映射光譜測定法 (IMS)

④快照高光譜成像傅里葉變換光譜儀 (SHIFT)

⑤OCPF

MAFC 由成像元件陣列(例如單片小透鏡陣列)組成，探測器陣列的每個元件上放置不同的濾光片以收集所需的光譜帶。就小透鏡陣列和光譜濾波器的位置而言，通常存在三種不同的實施版本。在實施方式1中，小透鏡陣列放置在物鏡的焦平面處，并且檢測器陣列位于由小透鏡陣列成像的光瞳平面處。每個小透鏡后面的圖像是經(jīng)過濾波器陣列濾波并由小透鏡上場景的平均光譜分布調(diào)制的圖像。這種實現(xiàn)的優(yōu)點是能夠使用多種物鏡，以便變焦、重新聚焦。在另外兩個實施版本中，小透鏡陣列位于準直透鏡之后，而濾光器陣列在光譜分量進入檢測器陣列之前位于小透鏡陣列之前或小透鏡陣列之后。

圖 1描述了 MAFC 快照高光譜成像儀的概念。在這種情況下，小透鏡陣列位于準直透鏡之后，濾光器陣列位于小透鏡陣列的后面。與探測器陣列具有相同尺寸的2-D LVF被放置在探測器陣列的前面，以將場景的輸入輻射光分離成與小透鏡陣列相對應(yīng)的不同光譜帶圖像。圖中，總共同時生成了場景的25個不同光譜帶圖像。這些波段圖像覆蓋 420 至 660 nm 的波長范圍，光譜帶寬為 10 nm。通過按波長順序組織這些波段圖像，形成高光譜數(shù)據(jù)立方體。

圖 1.快照高光譜成像儀概念的圖示

CASSI 是通過用更寬的視場光闌取代色散光譜儀的入口狹縫而形成的。二進制編碼掩模(例如，S矩陣圖案或行加倍Hadamard矩陣)被插入視場光闌內(nèi)部。掩模在狹縫內(nèi)的每一列處創(chuàng)建傳輸圖案，使得每一列的傳輸碼與每隔列的傳輸碼正交。編碼光通過視場光闌內(nèi)的編碼掩模傳輸，然后穿過準直透鏡、色散器、透鏡，最后到達標準光譜儀的檢測器陣列。由于編碼掩模的列是正交的，因此當它們被分散器涂抹在一起并在檢測器陣列上復(fù)用時，它們可以在后處理期間被解復(fù)用。

基于 IMS 的快照光譜成像儀使用放置在圖像平面上的微面鏡陣列。這些鏡面共享相同的傾斜角，以便圖像的多個切片被映射到每個單獨的光瞳平面。在探測器陣列上成像的結(jié)果圖案類似于穿過尖樁籬柵的場景。如果成像器系統(tǒng)中有p(例如，p =9)個單獨的光瞳，則生成p個子圖像。組裝所有p個子圖像，獲得高光譜數(shù)據(jù)立方體。IMS 方法允許每個光瞳在多個鏡面之間共享;系統(tǒng)設(shè)計變得更加緊湊，并允許更高的空間分辨率。

第一個基于IMS的快照光譜成像儀(當時稱為圖像切片光譜儀)已經(jīng)被報道。演示的原型可以同時采集 25 個光譜帶圖像，光譜范圍為 140 nm，熒光光譜的光譜帶寬為 5.6 nm。使用電荷耦合器件(CCD)陣列生成的高光譜數(shù)據(jù)立方體的大小為100像素×100像素×25個光譜帶。兩年后，數(shù)據(jù)立方體大小增加到350×350×46 ?；贗MS的快照光譜成像技術(shù)已應(yīng)用于遙感應(yīng)用，例如植被監(jiān)測、城市發(fā)展和閃電觀測等。德懷特等人。 報道了與 NASA 團隊合作的用于無人機 (UAV) 高光譜成像的緊湊型快照圖像映射光譜儀 (SNAP-IMS)。SNAP-IMS 儀器的 FOV 為 10.6°，瞬時 FOV (IFOV) 為 0.03°。它可以獲取尺寸為 350 × 400 × 55 ( x , y , λ)在單個相機幀內(nèi)。同時采集這 55 個光譜帶，覆蓋可見光譜區(qū) 470 至 670 nm 的波長范圍。該波長范圍僅受探測器陣列、帶通濾波器和色散光學(xué)器件的選擇的限制。高光譜數(shù)據(jù)立方體可以在 1/500–1/100 秒內(nèi)采集，消除與平臺運動相關(guān)的運動偽影。該儀器體積非常小，為28.8厘米×15.3厘米×16.3厘米，質(zhì)量為3.6公斤。它已與八旋翼無人機集成。由于沒有機械掃描組件，有效負載的功耗很小。該電源專用于 CCD 幀采集。較小的體積和質(zhì)量以及較低的功耗可以讓較小的無人機提供更長和更高的飛行。

SHIFT 在時域中執(zhí)行頻譜測量。它使用傅里葉域方法分離光譜，無需任何光譜濾波器。它基于小透鏡陣列后面的雙折射偏振干涉儀。干涉儀包含一對諾馬斯基棱鏡 NP1 和 NP2，每個棱鏡由兩個楔角為α的雙折射晶體棱鏡組成。NP1和NP2之間還有一個半波片。N × M小透鏡陣列通過生成偏振器、一對諾馬斯基棱鏡和分析偏振器對場景進行成像。因此，在探測器陣列上形成N × M個子圖像。小角度旋轉(zhuǎn)干涉儀相對于探測器陣列的δ使得每個子圖像能夠暴露于不同的OPD。因此，可以通過順序提取每一幅子圖像來組裝 3D 干涉圖立方體。沿著干涉圖立方體的 OPD 軸進行傅里葉變換，可以重建 3D 數(shù)據(jù)立方體。這種基于棱鏡的設(shè)計可以減小體積并提高抗振動魯棒性。

比利時 IMEC 報道了一種基于 OCFPF 的快照高光譜成像儀。關(guān)鍵概念是使用法布里-珀羅濾波器，該濾波器直接在 CMOS 探測器陣列頂部的晶圓級進行后處理。它簡單地由以下三部分組成。

形成場景圖像的前置光學(xué)器件(例如物鏡或望遠鏡)。

將場景復(fù)制到每個濾鏡塊上的光學(xué)子系統(tǒng)。

以平鋪配置組織的濾光片陣列，單片集成在 CMOS 探測器陣列的頂部，其中每個濾光片設(shè)計用于僅感測一個窄帶波長。

圖 2顯示了以平鋪配置單片集成在 CMOS 探測器陣列頂部的法布里-珀羅濾波器的布局。有 4 × 8 = 32 個瓦片，波長范圍為 557–920 nm。每個圖塊包含 256 × 256 個像素，用于窄(FWHM = ～10–15 nm)波長帶，如圖塊中所示。這些由場景圖塊中的濾波器選擇的同時采集的光譜帶可以輕松地重建為大小為 256 × 256 × 32 ( x , y , λ )的數(shù)據(jù)立方體。采集速度可達每秒340個數(shù)據(jù)立方體。

圖 2.Fabry-Pérot 濾波器以平鋪配置單片集成在 CMOS 探測器陣列頂部，用于快照高光譜成像。每個圖塊包含 256 × 256 個像素，用于窄 (10–15 nm) 波長帶，如圖塊中所示