基于色散元件的高光譜成像儀需要掃描掃帚(點(diǎn)掃描)或推掃式(線掃描)來(lái)生成高光譜數(shù)據(jù)立方體?；诠庾V濾波器的高光譜成像儀需要波長(zhǎng)掃描(使用光譜濾波器)來(lái)生成高光譜數(shù)據(jù)立方體?？煺崭吖庾V成像儀在探測(cè)器陣列的單個(gè)積分時(shí)間內(nèi)生成高光譜數(shù)據(jù)立方體。無(wú)需掃描。它包含專門的組件，可將場(chǎng)景的 3D 空間光譜信息分配到 2D 探測(cè)器陣列上?？煺崭吖庾V成像通常需要具有大量像素的二維探測(cè)器陣列。消除運(yùn)動(dòng)部件意味著可以避免運(yùn)動(dòng)偽影。

快照高光譜成像儀的設(shè)計(jì)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(cè)器陣列、高速數(shù)據(jù)傳輸、先進(jìn)的光學(xué)制造方法和精密光學(xué)器件。它通常可以提供比同等掃描儀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(jì)才能充分受益于這一優(yōu)勢(shì)?？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(shí)大大增加了望遠(yuǎn)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(jī)(MAFC)

②編碼孔徑快照光譜成像儀(CASSI)

③圖像映射光譜測(cè)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(cè)器陣列的每個(gè)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(shí)施版本。在實(shí)施方式1中，小透鏡陣列放置在物鏡的焦平面處，并且檢測(cè)器陣列位于由小透鏡陣列成像的光瞳平面處。每個(gè)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(chǎng)景的平均光譜分布調(diào)制的圖像。這種實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是能夠使用多種物鏡，以便變焦、重新聚焦。在另外兩個(gè)實(shí)施版本中，小透鏡陣列位于準(zhǔn)直透鏡之后，而濾光器陣列在光譜分量進(jìn)入檢測(cè)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(zhǔn)直透鏡之后，濾光器陣列位于小透鏡陣列的后面。與探測(cè)器陣列具有相同尺寸的2-D LVF被放置在探測(cè)器陣列的前面，以將場(chǎng)景的輸入輻射光分離成與小透鏡陣列相對(duì)應(yīng)的不同光譜帶圖像。圖中，總共同時(shí)生成了場(chǎng)景的25個(gè)不同光譜帶圖像。這些波段圖像覆蓋 420 至 660 nm 的波長(zhǎng)范圍，光譜帶寬為 10 nm。通過按波長(zhǎng)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(chǎng)光闌取代色散光譜儀的入口狹縫而形成的。二進(jìn)制編碼掩模(例如，S矩陣圖案或行加倍Hadamard矩陣)被插入視場(chǎng)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(chǎng)光闌內(nèi)的編碼掩模傳輸，然后穿過準(zhǔn)直透鏡、色散器、透鏡，最后到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)光譜儀的檢測(cè)器陣列。由于編碼掩模的列是正交的，因此當(dāng)它們被分散器涂抹在一起并在檢測(cè)器陣列上復(fù)用時(shí)，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(gè)切片被映射到每個(gè)單獨(dú)的光瞳平面。在探測(cè)器陣列上成像的結(jié)果圖案類似于穿過尖樁籬柵的場(chǎng)景。如果成像器系統(tǒng)中有p(例如，p =9)個(gè)單獨(dú)的光瞳，則生成p個(gè)子圖像。組裝所有p個(gè)子圖像，獲得高光譜數(shù)據(jù)立方體。IMS 方法允許每個(gè)光瞳在多個(gè)鏡面之間共享;系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加緊湊，并允許更高的空間分辨率。

第一個(gè)基于IMS的快照光譜成像儀(當(dāng)時(shí)稱為圖像切片光譜儀)已經(jīng)被報(bào)道。演示的原型可以同時(shí)采集 25 個(gè)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(gè)光譜帶。兩年后，數(shù)據(jù)立方體大小增加到350×350×46 。基于IMS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(cè)、城市發(fā)展和閃電觀測(cè)等。德懷特等人。 報(bào)道了與 NASA 團(tuán)隊(duì)合作的用于無(wú)人機(jī) (UAV) 高光譜成像的緊湊型快照?qǐng)D像映射光譜儀 (SNAP-IMS)。SNAP-IMS 儀器的 FOV 為 10.6°，瞬時(shí) FOV (IFOV) 為 0.03°。它可以獲取尺寸為 350 × 400 × 55 ( x , y , λ)在單個(gè)相機(jī)幀內(nèi)。同時(shí)采集這 55 個(gè)光譜帶，覆蓋可見光譜區(qū) 470 至 670 nm 的波長(zhǎng)范圍。該波長(zhǎng)范圍僅受探測(cè)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(tái)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)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(wú)人機(jī)集成。由于沒有機(jī)械掃描組件，有效負(fù)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(wú)人機(jī)提供更長(zhǎng)和更高的飛行。

SHIFT 在時(shí)域中執(zhí)行頻譜測(cè)量。它使用傅里葉域方法分離光譜，無(wú)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(duì)諾馬斯基棱鏡 NP1 和 NP2，每個(gè)棱鏡由兩個(gè)楔角為α的雙折射晶體棱鏡組成。NP1和NP2之間還有一個(gè)半波片。N × M小透鏡陣列通過生成偏振器、一對(duì)諾馬斯基棱鏡和分析偏振器對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行成像。因此，在探測(cè)器陣列上形成N × M個(gè)子圖像。小角度旋轉(zhuǎn)干涉儀相對(duì)于探測(cè)器陣列的δ使得每個(gè)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(lái)組裝 3D 干涉圖立方體。沿著干涉圖立方體的 OPD 軸進(jìn)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(jì)可以減小體積并提高抗振動(dòng)魯棒性。

比利時(shí) IMEC 報(bào)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(cè)器陣列頂部的晶圓級(jí)進(jìn)行后處理。它簡(jiǎn)單地由以下三部分組成。

形成場(chǎng)景圖像的前置光學(xué)器件(例如物鏡或望遠(yuǎn)鏡)。

將場(chǎng)景復(fù)制到每個(gè)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(cè)器陣列的頂部，其中每個(gè)濾光片設(shè)計(jì)用于僅感測(cè)一個(gè)窄帶波長(zhǎng)。

圖 2顯示了以平鋪配置單片集成在 CMOS 探測(cè)器陣列頂部的法布里-珀羅濾波器的布局。有 4 × 8 = 32 個(gè)瓦片，波長(zhǎng)范圍為 557–920 nm。每個(gè)圖塊包含 256 × 256 個(gè)像素，用于窄(FWHM = ～10–15 nm)波長(zhǎng)帶，如圖塊中所示。這些由場(chǎng)景圖塊中的濾波器選擇的同時(shí)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(dá)每秒340個(gè)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(cè)器陣列頂部，用于快照高光譜成像。每個(gè)圖塊包含 256 × 256 個(gè)像素，用于窄 (10–15 nm) 波長(zhǎng)帶，如圖塊中所示