2023-12-12-賽斯拜克推出了900-1700nm,空間分辨率1280的高光譜線(xiàn)掃描相機(jī)（速度可以達(dá)到300fps@640*512），空間分辨率1280*1280的成像光譜相機(jī)，是現(xiàn)在世界上最高分辨率的。

隨著科技的飛速發(fā)展，高光譜相機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。那么，什么是高光譜相機(jī)呢？

高光譜相機(jī)，又稱(chēng)為高光譜成像光譜儀，是一種集光譜采集和目標(biāo)成像于一體的探測(cè)設(shè)備。通過(guò)成像光譜技術(shù)，它能夠在連續(xù)光譜波段上對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行光譜成像，整合該目標(biāo)的空間、輻射和光譜三重信息，大大提高了目標(biāo)觀(guān)測(cè)的信息維度。

根據(jù)分光原理的不同，現(xiàn)有的高光譜相機(jī)主要分為三類(lèi)：色散型、干涉型和濾光片型。

色散型高光譜相機(jī)：

? ? ? ? 光柵色散型是其中的一種，特點(diǎn)是價(jià)格不貴，光譜分辨率高，所有波長(zhǎng)同時(shí)成像，但一次只能成像一條線(xiàn)。因此，大多數(shù)光柵型高光譜相機(jī)設(shè)計(jì)成線(xiàn)掃描相機(jī)，一次獲取一條線(xiàn)上每一點(diǎn)的所有波長(zhǎng)的光譜數(shù)據(jù)。這種類(lèi)型的高光譜相機(jī)非常適合顏色測(cè)量、水果的分類(lèi)和品質(zhì)檢測(cè)以及塑料回收中塑料的分類(lèi)等應(yīng)用。

色散型高光譜相機(jī)一般先利用色散元件(光柵或者棱鏡）進(jìn)行分光，再經(jīng)由成像系統(tǒng)成像在探測(cè)器上。下圖是光柵色散型高光譜相機(jī)的具體原理，

如果我們要對(duì)圖中的這個(gè)樹(shù)葉它每一點(diǎn)的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)入射光在光柵面進(jìn)行反射，把這一個(gè)點(diǎn)的入射光分解成在不同波長(zhǎng)處的能量分布，再通過(guò)多個(gè)傳感器象元對(duì)具體的不同波長(zhǎng)處的能量進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)圖看到的就需要有一個(gè)反射光柵或者透射光柵對(duì)光線(xiàn)進(jìn)行分光。

這種方式的好處是可以一次性處理一條線(xiàn)上面的所有的點(diǎn)。然后對(duì)每一點(diǎn)不同波長(zhǎng)處的能量可以進(jìn)行一次測(cè)量。所以大多數(shù)光柵型的高光譜相機(jī)都設(shè)計(jì)成線(xiàn)掃描相機(jī)。一次獲取一條線(xiàn)上每一點(diǎn)的所有波長(zhǎng)的光譜數(shù)據(jù)。由于每一點(diǎn)的不同波長(zhǎng)處的光譜數(shù)據(jù)是同時(shí)獲取的，所以就可以對(duì)這一點(diǎn)的不同波長(zhǎng)處的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)計(jì)算。這是光柵型非常重要的一個(gè)特性。光柵型的高光譜相機(jī)就特別適合應(yīng)用在顏色測(cè)量，水果的分類(lèi)和品質(zhì)、糖度檢測(cè)，塑料垃圾回收中塑料的分類(lèi)這些領(lǐng)域，因?yàn)檫@些應(yīng)用都需要對(duì)每一個(gè)點(diǎn)的不同波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)運(yùn)算，才能計(jì)算出我們想要的結(jié)果。

但是如果我們想獲得一張完整圖像的高光譜數(shù)據(jù)，而不只是獲得一條線(xiàn)的高光譜數(shù)據(jù)，我們就需要讓這個(gè)線(xiàn)掃描高光譜相機(jī)和這個(gè)樹(shù)葉之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，如下圖所示，向掃描儀一樣掃描過(guò)去。這樣就可能獲得一整張樹(shù)葉兒圖像的高光譜數(shù)據(jù)了。

現(xiàn)在光柵色散型高光譜相機(jī)是所有手段中分光能力最強(qiáng)，也就是說(shuō)光譜分辨率最高，性?xún)r(jià)比最高，應(yīng)用也是最為廣泛的高光譜相機(jī)類(lèi)型。2020年以前，一臺(tái)國(guó)外生產(chǎn)的高光譜相機(jī)的價(jià)格還要賣(mài)到40~50萬(wàn)人民幣。而現(xiàn)在由杭州彩譜生產(chǎn)的高光譜相機(jī)在國(guó)內(nèi)的售價(jià)已經(jīng)低于10萬(wàn)元。所以是性?xún)r(jià)比非常高的。目前已經(jīng)在顏色測(cè)量，水果分類(lèi)和品質(zhì)測(cè)量，尤其是糖酸度檢測(cè)和塑料垃圾回收中得到了非常廣泛的應(yīng)用。

干涉型高光譜相機(jī)：

? ? ? ? 利用干涉圖與光譜圖之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)測(cè)量譜線(xiàn)元的干涉強(qiáng)度，并對(duì)干涉圖進(jìn)行逆傅里葉變換得到目標(biāo)的光譜圖。其特點(diǎn)是價(jià)格貴，光譜分辨率高，一個(gè)時(shí)刻可以對(duì)整幅圖像成像一個(gè)波長(zhǎng)，但不能所有波長(zhǎng)同時(shí)成像。干涉型高光譜相機(jī)在應(yīng)用中受到一定的限制，因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的數(shù)據(jù)不是在同一時(shí)刻獲取的，可能受到光源光強(qiáng)和光譜變化的影響。

干涉型高光譜相機(jī)的特點(diǎn)是：

• 它是可以在同一時(shí)刻得到一整張圖像在一個(gè)特定波長(zhǎng)下面的光譜數(shù)據(jù)。
  

• 但是如果你想得到其他波長(zhǎng)處的光譜數(shù)據(jù)，就必須移動(dòng)里邊的棱鏡之后，在另外一個(gè)時(shí)刻得到整張圖像不是其他波長(zhǎng)處的這個(gè)波長(zhǎng)處的數(shù)據(jù)了。
  

• 這是非常重要的一個(gè)特性，現(xiàn)在國(guó)外也有這樣原理的高光譜相機(jī)(國(guó)內(nèi)還沒(méi)有人做)，價(jià)格做得也不貴。他們的做法是用一個(gè)法布里波羅腔（FPI）作為分光器件。
  

但是這種原理的高光譜相機(jī)，它在應(yīng)用起來(lái)是有非常明確的劣勢(shì)的。

比如，我們?nèi)绻胱鲆粋€(gè)應(yīng)用，在一堆塑料里，把想要的塑料挑出來(lái)。最簡(jiǎn)單的做法是：

對(duì)這堆塑料拍一張高光譜圖像。

比較圖像中每一點(diǎn)光譜譜線(xiàn)，看他屬于哪種塑料。

如果使用光柵型高光譜相機(jī)進(jìn)行線(xiàn)掃描成像。由于圖像里的每一點(diǎn)都是同時(shí)獲得所有波長(zhǎng)處的光譜數(shù)據(jù)的，這樣就可以對(duì)每一點(diǎn)的整個(gè)光譜曲線(xiàn)進(jìn)行分析了。

但是如果使用干涉型高光譜相機(jī)，比如它可以獲得整張圖像一個(gè)時(shí)刻在 600納米處的光譜數(shù)據(jù)。需要移動(dòng)透鏡（需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間）之后，才能得到700納米處的光譜圖像。但是由于 600納米處和700納米處并不是在同一時(shí)刻進(jìn)行成像的。有可能在透鏡移動(dòng)的這段時(shí)間里，照射光源的光強(qiáng)和光譜發(fā)生變化。所以這種情況下比較 600 納米和 700 納米處的數(shù)據(jù)就受到了照射光源的光強(qiáng)和光譜的影響，就沒(méi)有意義了。

如果應(yīng)用中不需要對(duì)不同波長(zhǎng)處的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和運(yùn)算，干涉型光譜相機(jī)仍然是一個(gè)非常好的選擇。但是絕大多數(shù)應(yīng)用都需要對(duì)一點(diǎn)的不同波長(zhǎng)處的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和運(yùn)算。這樣就極大的限制了它的應(yīng)用。

濾光片型高光譜相機(jī)：

? ? ? ? 原理是在普通相機(jī)前加濾光片，類(lèi)似于人眼戴墨鏡。濾光片型高光譜相機(jī)的光譜分辨率受到濾光片技術(shù)的限制，一般難以實(shí)現(xiàn)很高的光譜分辨率。根據(jù)不同的濾光片技術(shù)，濾光片型高光譜相機(jī)又可以分為旋轉(zhuǎn)濾光片型、楔形濾光片型、可調(diào)諧濾光片型和量子點(diǎn)濾光片型等。其中，旋轉(zhuǎn)濾光片型是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)濾光片輪獲得不同波段的光譜圖像；可調(diào)諧濾光片型則利用液晶可調(diào)諧濾光片(LCTF)或聲光可調(diào)諧濾光片(AOTF)進(jìn)行分光。可調(diào)諧濾光片型高光譜相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)電子信號(hào)快速無(wú)振動(dòng)地選擇任意波長(zhǎng)，但其光譜透過(guò)率低和溫度穩(wěn)定性差的問(wèn)題限制了其應(yīng)用。

特點(diǎn)是：便宜，但是光譜分辨率不高，一個(gè)時(shí)刻可以對(duì)整幅圖像成像一個(gè)波長(zhǎng)， 不能所有波長(zhǎng)同時(shí)成像

首先要說(shuō)的是：由于現(xiàn)在濾光片的技術(shù)，普通窄帶濾光片可以實(shí)現(xiàn)10 到 20納米的光譜半波寬，實(shí)際允許通過(guò)光的光譜范圍是 30-60 納米，所以濾光片型高光譜相機(jī)的光譜分辨率很難做得非常高。如圖所示，

雖然現(xiàn)在通過(guò)計(jì)算成像的方法可以實(shí)現(xiàn)比較高的光譜分辨率，但是會(huì)帶來(lái)能量線(xiàn)性的問(wèn)題，稍后會(huì)詳細(xì)說(shuō)。

根據(jù)濾光片的不同，也就是說(shuō)用什么方式給傳感器戴墨鏡？濾光片型高光譜相機(jī)又可以細(xì)分為：

• 旋轉(zhuǎn)濾光片型
  

• 楔形濾光片型
  

• 可調(diào)諧濾光片型
  

• 量子點(diǎn)濾光片型
  

旋轉(zhuǎn)濾光片型高光譜相機(jī)

濾光片輪高光譜相機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖下所示，它是以濾光片輪為分光元件，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)濾光片輪獲得不同波段的光譜圖像，從而完成復(fù)合光到單色光的分光。濾光片輪通常是將一組具有不同波長(zhǎng)透過(guò)率的窄帶濾光片固定在輪式結(jié)構(gòu)上，每曝光一次采用一個(gè)濾光片?？刂茷V光片輪的旋轉(zhuǎn)速度，使其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與傳感器采樣頻率同步，從而保證每個(gè)濾光片對(duì)應(yīng)的譜段都能在傳感器上成像。

優(yōu)點(diǎn)：

• 濾光片輪高光譜相機(jī)的關(guān)鍵器件是濾光片輪，可以根據(jù)觀(guān)測(cè)波段的不同替換相應(yīng)譜段范圍的濾光片輪。

• 光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，譜段更換靈活。

缺點(diǎn)

• 但是由于光譜通道之間的切換需要依靠輪式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量影響較為明顯，成像所需曝光時(shí)間較長(zhǎng)；

• 且單次曝光只能獲得指定光譜范圍的圖像，光譜響應(yīng)曲線(xiàn)是離散的，無(wú)法獲取連續(xù)譜段的圖像，存在實(shí)時(shí)性的問(wèn)題;

• 同時(shí)濾光片輪上各個(gè)濾光片的共面情況以及厚度均勻性也會(huì)帶來(lái)成像模糊等問(wèn)題。

• 隨著光譜成像技術(shù)的發(fā)展，探測(cè)波段數(shù)目越來(lái)越多，濾光片輪已無(wú)法滿(mǎn)足寬譜段高分辨率的觀(guān)測(cè)，因此越來(lái)越多地被用于多光譜探測(cè)中。

:::?請(qǐng)注意：現(xiàn)在所說(shuō)的多光譜相機(jī)，基本上都是這一類(lèi)的?。?！?:::

例子

1994 年，美國(guó)成功發(fā)射了對(duì)月探測(cè)衛(wèi)星 Clementine, 該衛(wèi)星的有效載荷：UV/VIS 相機(jī)、NIR 相機(jī)和 HIRES 相機(jī)都用到了濾光輪，覆蓋波段及濾光輪的相關(guān)參數(shù)如下表所示。

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡 JWST（美國(guó)航空航天局研制）

其上搭載的 MIRI 中波紅外相機(jī)-光譜儀和 NIRSpec 近紅外多目標(biāo)光譜儀都用到了濾光輪。

啥是載荷？
指航天器上裝載的為直接實(shí)現(xiàn)航天器在軌運(yùn)行要完成的特定任務(wù)的儀器、設(shè)備、人員、試驗(yàn)生物及試件等。

NIRSpec 將濾光輪與光柵輪進(jìn)行組合使用，其中濾光輪的主要作用是將光波分解為不同組分，再結(jié)合光柵輪進(jìn)行更為精細(xì)的光譜分析。下圖為 NIRSpec 所用濾光輪的示意圖，該濾光輪覆蓋光譜范圍為 0.6~5 um,主要由四個(gè)邊緣濾光片、 兩個(gè)不同譜段的條帶濾光片、一個(gè)用于捕獲目標(biāo)的透明濾光片以及一個(gè)用于在軌校準(zhǔn)的反射鏡組成。下圖是NIRSpec 所用濾光輪的示意圖和濾光輪輔助結(jié)構(gòu)圖。

MIRI（JWST 的主要載荷之一）。MIRI主要由成像儀和兩個(gè)光譜儀 SPO、SMO 組成，負(fù)責(zé)在5~ 28 uum 的中紅外波段內(nèi)進(jìn)行成像及中低分辨率的光譜分析。濾光輪在 MIRI 中主要起連通成像、光譜的作用。如圖所示，該濾光輪主要分為18個(gè)通道，包括十個(gè)成像濾光片、四個(gè)日冕濾光片、一個(gè)中密度濾光片、一個(gè)雙棱鏡、一個(gè)透鏡、一個(gè)與棱鏡配重的明暗位置。下圖是 MIRI 上的濾光輪示意圖。

Euclid 歐洲航天局目前在研的衛(wèi)星之一

Euclid預(yù)計(jì)發(fā)射至第二個(gè)拉格朗日點(diǎn)，該衛(wèi)星的主要任務(wù)是在五年之內(nèi)完成對(duì)整個(gè)河外星系暗弱目標(biāo)的探測(cè)，有效載荷主要為一個(gè)成像儀器和一個(gè)光譜儀器，其中光譜儀器采用由四個(gè)濾光片構(gòu)成的濾光輪進(jìn)行分光，主要負(fù)責(zé)近紅外波段的探測(cè)，其中每個(gè)濾光片有8.5°的傾斜，防止在探測(cè)器上形成鬼像，下圖為該光譜儀中濾光輪的早期設(shè)計(jì)模型用，現(xiàn)在是什么樣子的就不知道了。

可調(diào)諧濾光片型高光譜相機(jī)

可調(diào)諧濾光片高光譜相機(jī)以可調(diào)諧濾光片為分光元件，根據(jù)調(diào)諧方式的不同主要分為液晶可調(diào)諧濾光片(Liquid Crystal Tunable Filter, LCTF) 高光譜相機(jī)和聲光可調(diào)諧濾光片 (Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF) 高光譜相機(jī)。

液晶可調(diào)諧濾光片型高光譜相機(jī)

特點(diǎn)：貴，嬌氣，不劃算

液晶可調(diào)諧濾光片高光譜相機(jī)主要利用 LCTF 技術(shù)進(jìn)行分光。

啥是 LCTF?
中文是：液晶可調(diào)濾波器。
就像干涉濾光片一樣,但是透過(guò)的光波長(zhǎng)可以通過(guò)電子信號(hào)控制,能夠快速而且無(wú)振動(dòng)地選擇可見(jiàn)或者近紅外光譜的任意波長(zhǎng)。

LCTF 是以液晶的電控雙折射效應(yīng)為原理進(jìn)行研制的，它由多組平行排列的 Lyot 型濾光片級(jí)聯(lián)而成，下圖是原理

說(shuō)得明白點(diǎn)：

下圖是 1 級(jí) Lyot 濾光片的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)某一波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)第一個(gè)偏振片后會(huì)變成線(xiàn)偏振光，線(xiàn)偏振光進(jìn)入液晶層時(shí)會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象， 產(chǎn)生尋常光(o 光）和非常光(e光)，它們的傳播方向相同，但傳播速度不同，因此經(jīng)過(guò)液晶層后的出射光會(huì)產(chǎn)生相位差。

經(jīng)過(guò)第二個(gè)偏振片后，兩束光發(fā)生干涉就會(huì)出現(xiàn)波長(zhǎng)選擇了，就是說(shuō)可以決定哪些光能通過(guò)哪些光不能通過(guò)。

溫度一定時(shí)，LCTF 的透射率函數(shù)僅依賴(lài)于波長(zhǎng)和電壓，利用晶體的光電效應(yīng)，通過(guò)對(duì)液晶層施加外部電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的選擇透過(guò)性。

優(yōu)點(diǎn)：

• 原理簡(jiǎn)單、體積小、能耗低

• LCTF 型高光譜相機(jī)主要通過(guò)電壓調(diào)制透過(guò)的波長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)任意寬波段范圍內(nèi)的快速調(diào)制，相比于濾光輪型高光譜相機(jī)，其無(wú)需輪式機(jī)構(gòu)，避免了微振動(dòng)等的影響，在當(dāng)前輕小型衛(wèi)星有效載荷中占有獨(dú)特地位。

• 視場(chǎng)角小

• LCTF 型高光譜相機(jī)的視場(chǎng)角一般較小，適合對(duì)指定采樣目標(biāo)進(jìn)行小視場(chǎng)范圍的光譜成像。

缺點(diǎn)：

• 光譜透過(guò)率低，非常低。

• LCTF 作為核心分光元件，其本身存在光譜透過(guò)率低的問(wèn)題，直接限制了 LCTF 成像光譜儀的光譜檢測(cè)能力；

• 溫度穩(wěn)定性差。

• 液晶的折射率受溫度影響較大，中心波長(zhǎng)隨溫度變化漂移明顯，對(duì)光譜測(cè)量精度也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

• 一個(gè)時(shí)刻（采樣一次）只能獲得物體在特定波長(zhǎng)處的整幅數(shù)據(jù)，想獲得其它的波長(zhǎng)處的數(shù)據(jù)就需要調(diào)整（需要時(shí)間），受到照明光源的光強(qiáng)和光譜的影響，所以不能進(jìn)行不同波長(zhǎng)處的光譜運(yùn)算。不好用。

例子

2014年，日本發(fā)射了微納衛(wèi)星 Rising-2， 主要用于觀(guān)測(cè)高分辨率積雨云場(chǎng)景以及高層大氣中的精靈現(xiàn)象，該衛(wèi)星上搭載的高精度望遠(yuǎn)鏡 HPT 可能是首個(gè)使用 LCTF 技術(shù)的星載載荷。HPT 的視場(chǎng)角為0.28°×0.21 °，光譜范圍為 400~1050 nm,其中LCTF 僅用于近紅外波段(650~1 050 nm) 的分光，下圖為 Rising-2 上搭載的 HPI 的光路示意圖。

聲光可調(diào)諧濾光片型高光譜相機(jī)（ATOF）

貴，普通人退下吧 軍工、衛(wèi)星上用

原理

AOTF 主要由聲光介質(zhì)(通常為各向異性晶體）換能器陣列(PZT)和聲終端組成。聲波屬于機(jī)械波，在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)引起介質(zhì)的疏密變化，由此會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)折射率的疏密變化，形成以聲波波長(zhǎng)為光柵常數(shù)的透射光柵，當(dāng)光線(xiàn)以特定的角度人射到聲光介質(zhì)上時(shí)就會(huì)發(fā)生行射現(xiàn)象，完成復(fù)色光到單色光的分光， ATOF 型高光譜相機(jī)就是根據(jù)該原理進(jìn)行研制的。

優(yōu)點(diǎn)：

• 小型化

• 與LCTF 型高光譜相機(jī)相比，ATOF 型高光譜相機(jī)同樣具備小型化的優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)機(jī)載、彈載等多類(lèi)搭載環(huán)境。

• 缺點(diǎn)

• AOTF 型高光譜相機(jī)的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍取決于聲光品體的通光譜段，盡管常用的氧化碲(TeO,) 晶體能夠覆蓋 0.2~4.5 um 的波長(zhǎng)范圍，但是往往會(huì)受到超聲換能器的帶寬影響，使其波長(zhǎng)調(diào)控范圍被限制在一個(gè)倍程(1 倍到 2 倍波長(zhǎng))”，因此，在調(diào)控范圍的靈活性方面，LCTF 技術(shù)更具備競(jìng)爭(zhēng)力。

• 一個(gè)時(shí)刻（采樣一次）只能獲得物體在特定波長(zhǎng)處的整幅數(shù)據(jù)，想獲得其它的波長(zhǎng)處的數(shù)據(jù)就需要調(diào)整（需要時(shí)間），受到照明光源的光強(qiáng)和光譜的影響，所以不能進(jìn)行不同波長(zhǎng)處的光譜運(yùn)算。不好用。

例子

2013年，我國(guó)發(fā)射的“嫦娥三號(hào)”月球著陸車(chē)上搭載的凝視型高光譜相機(jī) VNIS 也采用了 AOTF 的分光原理，下圖所示為 AOTF 設(shè)計(jì)示意圖。VNIS 的光譜范圍為 0.45~2.4 um，可見(jiàn)光波段的視場(chǎng)角為60x6°，近紅外波段的視場(chǎng)角為 30×3°， VNIS 使用 40~180 MHz 的連續(xù)可調(diào)射頻頻率，在 450~950 nm 波段實(shí)現(xiàn)了低于8nm 的光譜分辨率，在 900~2400 nm 波段實(shí)現(xiàn)了低于 12 nm 的光譜分辨率，為月面巡視礦物組成提供了科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)1，是我國(guó)該類(lèi)技術(shù)的首次空間應(yīng)用。

楔形濾光片型高光譜相機(jī)

楔形濾光片型高光譜相機(jī)也被稱(chēng)為漸變?yōu)V光片型高光譜相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)在光譜區(qū)和空間區(qū)的連續(xù)取樣，它的設(shè)計(jì)理念是將一個(gè)楔形多層薄膜介質(zhì)作為濾光片，并將其安裝在緊靠著二維陣列探測(cè)器的位置，使探測(cè)器的若干像元與漸變?yōu)V光片的某一光譜帶相互對(duì)應(yīng)，下圖為楔形濾光片諧振層厚度調(diào)制示意圖。

漸變?yōu)V光片型高光譜相機(jī)多以推掃成像為主，推掃的方向與波長(zhǎng)漸變方向一致，通過(guò)掃描可以獲得被測(cè)目標(biāo)的完整數(shù)據(jù)，像面上對(duì)應(yīng)的就是全部工作波段。漸變?yōu)V光片的中心波長(zhǎng)也會(huì)隨之改變。由于漸變?yōu)V光片不同中心波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的膜層厚度變化較緩，會(huì)帶來(lái)膜系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、層數(shù)較多等問(wèn)題，但是近年來(lái)隨著鍍膜工藝水平的提高，漸變?yōu)V光片的光譜透過(guò)率可以達(dá)到 70%，光譜分辨率能達(dá)到1%。根據(jù)漸變?yōu)V光片各波段與探測(cè)器像元之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，漸變?yōu)V光片高光譜相機(jī)又可以分為：

• 線(xiàn)性漸變型

• 濾光片陣列型

線(xiàn)性漸變型

線(xiàn)性漸變?yōu)V光片 (Linear Variable Fiter, LVF) 是一種特殊的濾光片，其光譜特性會(huì)隨位置線(xiàn)性變化， 能夠?qū)⑷松涞膹?fù)色光分解成與濾光片位置相關(guān)的光譜。線(xiàn)性漸變?yōu)V光片有帶通、高通、低通等類(lèi)型，成像光譜儀中常用的線(xiàn)性漸變?yōu)V光片一般是基于多光東干涉原理的 F-P 窄帶通線(xiàn)性漸變?yōu)V光片。原理如下圖：

F-P 窄帶漸變?yōu)V光片通常由兩個(gè)反射膜層與一個(gè)厚度漸變的腔層組成，各位置的中心波長(zhǎng)沿漸變方向連續(xù)線(xiàn)性變化。就是下圖這種東西。

優(yōu)點(diǎn)：

• 光路緊湊、抗振動(dòng)能力強(qiáng)

• 線(xiàn)性漸變?yōu)V光片與面陣探測(cè)器共同組成線(xiàn)性漸變?yōu)V光片型高光譜相機(jī)，該類(lèi)高光譜相機(jī)與光柵型高光譜相機(jī)相比具有優(yōu)勢(shì)。

• 價(jià)格便宜?，F(xiàn)在用離子濺射方式可以大量便宜做。

• 國(guó)內(nèi)能搞，長(zhǎng)春光機(jī)所搞的多。由于離子濺射鍍膜機(jī)現(xiàn)在便宜了，所以國(guó)內(nèi)的工廠(chǎng)也能搞了。隨便問(wèn)，很多都能搞。

• 光譜分辨率(半波寬)也挺高能做到 11nm（下圖），但是還是不如光柵色散型高

• 光譜透過(guò)率高，比光柵高

缺點(diǎn):

• 關(guān)鍵問(wèn)題：對(duì)于這種干涉型濾光片原理的相機(jī)，如果想實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的光譜透過(guò)率，必須保證光線(xiàn)是法向（就是垂直方向）入射到濾光片表面的，如果光線(xiàn)入射時(shí)有一點(diǎn)角度，會(huì)導(dǎo)致非常大的光譜誤差。

• 另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：由于這種濾光片不同的光譜透過(guò)后在傳感器上成像實(shí)際上對(duì)應(yīng)的是物體的不同位置，想獲得一個(gè)圖像的完整的高光譜分布，實(shí)際上也要和線(xiàn)掃描一樣進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)。

• 并且物體上的同一個(gè)點(diǎn)，想獲得不同波長(zhǎng)處的光譜數(shù)據(jù)，也要移動(dòng)之后才能獲得不同光譜數(shù)據(jù)。

• 就是在一個(gè)時(shí)刻，可以同時(shí)獲得物體上一條線(xiàn)上所有點(diǎn)在一個(gè)波長(zhǎng)處的光譜數(shù)據(jù)。

• 通過(guò)物體和相機(jī)的相對(duì)移動(dòng)，才能獲得物體上所有點(diǎn)在所有波長(zhǎng)處的光譜數(shù)據(jù)。
  

::: 這段話(huà)說(shuō)得不夠清楚大家想想能不能看明白？

這是關(guān)鍵問(wèn)題。

比光柵色散型光譜相機(jī)要差很多！?。。。?/span>

這非常關(guān)鍵哪?。。。?！

這種情況是沒(méi)有辦法做高光譜數(shù)據(jù)的不同光譜之間的運(yùn)算的。原因前邊說(shuō)過(guò)了。 :::

例子：

2020年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的劉春雨”團(tuán)隊(duì)利用線(xiàn)性漸變?yōu)V光片不受狹縫限制的特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字域 TDI技術(shù)，解決了星載輕小型高分辨率高光譜相機(jī)信噪比不足的問(wèn)題，研制了一款工作波段為0.4~1 um、地面分辨率為10m,平均光譜分辨率為8.9 nm、系統(tǒng)總質(zhì)量為 7kg 的輕小型星載高光譜成像光譜儀，其原理探測(cè)器的 PI~P3 行連續(xù)成像多次，將多次成像的電子數(shù)相加可以提高圖像信噪比。同年，該團(tuán)隊(duì)又公布了使用多片漸變?yōu)V光片探測(cè)器拼接技術(shù)的高分辨率大幅寬高光譜相機(jī)，該相機(jī)在 500km 軌道處幅寬達(dá)到了 150 km, 而質(zhì)量?jī)H為9.2kgPl。下圖是線(xiàn)性漸變?yōu)V光片與數(shù)字域 TDI的原理圖。

濾光片陣列型高光譜相機(jī)

濾光片陣列是一個(gè)由基元重復(fù)排列而成的周期結(jié)構(gòu)，該基元內(nèi)部可以劃分為n個(gè)區(qū)域，通過(guò)設(shè)置每個(gè)區(qū)域的膜層厚度控制通過(guò)該區(qū)域的中心波長(zhǎng)，將濾光片陣列與探測(cè)器像元進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)像素級(jí)的光譜探測(cè)。

::: 雖然是每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)光譜，但是實(shí)際上不同光譜對(duì)應(yīng)的是傳感器的不同像素，成像的時(shí)候也就對(duì)應(yīng)了不同的物體的位置，就是說(shuō)獲得的高光譜圖像中一個(gè)點(diǎn)上每個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)際上是物體上離得非常近的不同的點(diǎn)！?。?！這是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，要注意！ :::

下圖為濾光片陣列的分布方式示意圖。數(shù)據(jù)采集完成后，將不同基元內(nèi)部相同區(qū)域所對(duì)應(yīng)的像元進(jìn)行拼接處理即可得到該位置所對(duì)應(yīng)的全譜段信息。

優(yōu)點(diǎn)：

濾光片陣列高光譜相機(jī)在探測(cè)時(shí)要求濾光片陣列與探測(cè)器像元相匹配，匹配區(qū)域過(guò)小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)誤差較大，對(duì)最終的光譜成像質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。

相較于傳統(tǒng)推掃的高光譜相機(jī)，該相機(jī)獲取光譜信息和圖像信息的方式為凝視拍攝（就是一次可以獲得整張高光譜圖像，具體意思是可以一個(gè)時(shí)刻獲得一個(gè)物體的整張圖像，其中每一個(gè)點(diǎn)可以獲得所有波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)），可進(jìn)行視頻高光譜成像，在進(jìn)行暗弱目標(biāo)探測(cè)、天文觀(guān)測(cè)、機(jī)載探測(cè)及安防監(jiān)視領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)較為明顯。

缺點(diǎn)：

要求不高的話(huà)可以用，但是沒(méi)啥用，這種情況是沒(méi)有辦法做高光譜數(shù)據(jù)的不同光譜之間的運(yùn)算的。原因前邊說(shuō)過(guò)了。

雖然是每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)光譜，但是實(shí)際上不同光譜對(duì)應(yīng)的是傳感器的不同像素，成像的時(shí)候也就對(duì)應(yīng)了不同的物體的位置，就是說(shuō)獲得的高光譜圖像中一個(gè)點(diǎn)上每個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)際上是物體上離得非常近的不同的點(diǎn)！?。。∵@是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，要注意！再次提醒！這種情況是沒(méi)有辦法做高光譜數(shù)據(jù)的不同光譜之間的運(yùn)算的。原因前邊說(shuō)過(guò)了。

例子：

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的劉春雨和謝運(yùn)強(qiáng)等人設(shè)計(jì)了一款16通道（4×4）像素級(jí)濾光片，半波寬約為25 nm 的短波紅外快照高光譜相機(jī)門(mén)，所用濾光片和整機(jī)分別如圖 所示。該光譜相機(jī)由攝影物鏡、像素級(jí)濾光片、中繼物鏡和全色探測(cè)器組成，濾光片 16個(gè)通道的中心波長(zhǎng)分別為1131、 1163、 1199、1238、1259、1301、1339、 1381、1413、1456、1495、1532、1 600、1636、1669 nm, 共有640×512 個(gè)濾光單元，每個(gè)濾光單元的尺寸為 15 um× 15 um。

量子點(diǎn)濾光片光譜儀

量子點(diǎn)又稱(chēng)為“納米晶”，它是一種無(wú)機(jī)材料，自身穩(wěn)定性高，其半徑小于大塊的激子波爾半徑。顏色是物質(zhì)的本征狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，宏觀(guān)材料的顏色不會(huì)因材料本身形狀和體積的改變而發(fā)生變化，而量子點(diǎn)作為一種尺寸極小的納米材料，其顏色會(huì)因自身原子個(gè)數(shù)的增加或減少而變化，即改變量子點(diǎn)的形狀和大小可以調(diào)諧其吸收的光譜范圍，利用量子點(diǎn)對(duì)光譜的調(diào)諧特性能夠?qū)崿F(xiàn)分光的功能。將不同尺寸的量子點(diǎn)集成在同一基板上，可以看作一種特殊形式的濾波器。單個(gè)量子點(diǎn)對(duì)透過(guò)的光波極為敏感，合理地控制量子點(diǎn)的大小、形狀以及排列方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜連續(xù)精確的探測(cè);將不同種類(lèi)的量子點(diǎn)集成一起， 則可以實(shí)現(xiàn)不同波段的同時(shí)探測(cè)，量子點(diǎn)光譜儀 (Colloidal Quantum Dot Spectrometers, CQDs) 就是以此為原理進(jìn)行研制的，其工作原理如圖所示。

優(yōu)點(diǎn)：

小，便宜，特別便宜，為微型光譜儀的推廣提供了新思路。

缺點(diǎn)：

::: 但由于量子點(diǎn)對(duì)光波的調(diào)諧與濾波器類(lèi)似，在光譜反演時(shí)存在嚴(yán)重的噪聲問(wèn)題，極大地推動(dòng)了具有針對(duì)性的光譜重建算法的發(fā)展。

現(xiàn)狀，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)引入光譜重建算法，光譜分辨率可以很高。但是，對(duì)光譜分析里最為關(guān)鍵的“能量線(xiàn)性”，有非常大的問(wèn)題，這就是為什么現(xiàn)在不能推廣應(yīng)用的最關(guān)鍵原因。

具體是啥意思呢？

在進(jìn)行量子點(diǎn)光譜儀常用的光譜重建算法的時(shí)候，現(xiàn)狀是會(huì)導(dǎo)致在進(jìn)行類(lèi)似“反卷積”運(yùn)算時(shí)，能量計(jì)算精度不夠好。也就是說(shuō)，量子點(diǎn)光譜儀實(shí)際測(cè)量只能得到的是 600nm,650nm處的光譜能量，應(yīng)用光譜重建算法后，可以得到 600nm,610nm,620nm,630nm,640nm,650nm 的光譜能量，但是通過(guò)光譜重建算法計(jì)算得到的 600nm,610nm,620nm,630nm,640nm,650nm 的光譜能量和真正的光譜能量之間的差別是比較大的，目前的差別在光譜分析和色差分析中是不能容忍的。

在近紅外光譜分析里，由于信號(hào)很微弱，能量有 1%或 2%的偏差，會(huì)對(duì)光譜分析結(jié)果帶來(lái)非常大的影響，導(dǎo)致建模準(zhǔn)確程度非常差。

如果是可見(jiàn)光，如果能量有 1%或 2%的偏差，會(huì)導(dǎo)致色差 dEab 大于 1 的結(jié)果，這在色差評(píng)價(jià)里是不能接受的。

但是，對(duì)于要求較低的民用領(lǐng)域，比如手機(jī)拍照功能，這個(gè)量子點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用在手機(jī)多個(gè)攝像頭之一的話(huà)，可以較好的實(shí)現(xiàn)真彩拍攝，還原真實(shí)色彩或者對(duì)色彩做優(yōu)化。預(yù)計(jì)不久大家就可以看到這樣的方案。

但是，如果用來(lái)做光譜分析，這個(gè)技術(shù)要走的路還挺長(zhǎng)，我不大看好?，F(xiàn)在在做的研究機(jī)構(gòu)挺多，公司有上海與光，南京微納，深圳（忘了） :::

例子：

2015 年，清華大學(xué)的鮑捷等人首次提出了量子點(diǎn)光譜儀的概念。他們利用量子點(diǎn)體積微小的特點(diǎn)，將 195 種量子點(diǎn)集中在同一張薄膜上，并將該薄膜與微型探測(cè)器陣列附合在一起，構(gòu)成了微型量子點(diǎn)光譜儀。理論上量子點(diǎn)光譜儀可以覆蓋0.2~5 um 的光譜范圍，這種新型光譜儀在極大地減小儀器體積和質(zhì)量的同時(shí)并不影響光譜儀本身的分辨率和使用效率。

2021年，李慧宇團(tuán)隊(duì)針對(duì)近紅外譜段的量子點(diǎn)光譜儀進(jìn)行了研究，他們選取了 PbS 和 PbSe 兩種材料的量子點(diǎn)，通過(guò)控制交替合成、配體交換和陽(yáng)離子交換等關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)了這兩種量子點(diǎn)的光譜調(diào)諧，該團(tuán)隊(duì)采用195個(gè)量子點(diǎn)進(jìn)行集成，將其作為濾光元件， 選用金屬氧化物半導(dǎo)體作為探測(cè)器，構(gòu)成了近紅外量子點(diǎn)光譜儀，圖24 所示為該團(tuán)隊(duì)研制的近紅外量子點(diǎn)光譜儀原理圖，其光譜范圍為0.9~1.7 um,平均光譜分辦率可達(dá)6 nm。

還有我的校友郝翔教授、楊宗銀教授、劉旭老師都有頂級(jí)的研究成果，這里就不王婆賣(mài)瓜了。

總結(jié)：

• 如果光譜分辨率有一定要求，光柵色散型是最優(yōu)選擇。

• 如果光譜分辨率要求低，就選傳統(tǒng)濾光片的高光譜相機(jī)吧。但是不能進(jìn)行多波長(zhǎng)的運(yùn)算。

• 希望量子點(diǎn)的技術(shù)能完善。

在應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的高光譜相機(jī)類(lèi)型。例如，顏色測(cè)量、水果分類(lèi)和品質(zhì)檢測(cè)等需要同時(shí)計(jì)算一個(gè)點(diǎn)上不同波長(zhǎng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用適合使用色散型高光譜相機(jī)；而需要對(duì)整幅圖像進(jìn)行特定波長(zhǎng)下的光譜測(cè)量的應(yīng)用則可以選擇干涉型或?yàn)V光片型高光譜相機(jī)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，高光譜相機(jī)的性能和應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)大。

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