2023-12-12-賽斯拜克推出了900-1700nm,空間分辨率1280的高光譜線掃描相機(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)在多個領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。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)成像于一體的探測設(shè)備。通過成像光譜技術(shù)，它能夠在連續(xù)光譜波段上對同一目標(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)觀測的信息維度。

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：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)是價格不貴，光譜分辨率高，所有波長同時成像，但一次只能成像一條線。因此，大多數(shù)光柵型高光譜相機(jī)設(shè)計成線掃描相機(jī)，一次獲取一條線上每一點(diǎn)的所有波長的光譜數(shù)據(jù)。這種類型的高光譜相機(jī)非常適合顏色測量、水果的分類和品質(zhì)檢測以及塑料回收中塑料的分類等應(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，

如果我們要對圖中的這個樹葉它每一點(diǎn)的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，通過入射光在光柵面進(jìn)行反射，把這一個點(diǎn)的入射光分解成在不同波長處的能量分布，再通過多個傳感器象元對具體的不同波長處的能量進(jìn)行測量。這個圖看到的就需要有一個反射光柵或者透射光柵對光線進(jìn)行分光。

這種方式的好處是可以一次性處理一條線上面的所有的點(diǎn)。然后對每一點(diǎn)不同波長處的能量可以進(jìn)行一次測量。所以大多數(shù)光柵型的高光譜相機(jī)都設(shè)計成線掃描相機(jī)。一次獲取一條線上每一點(diǎn)的所有波長的光譜數(shù)據(jù)。由于每一點(diǎn)的不同波長處的光譜數(shù)據(jù)是同時獲取的，所以就可以對這一點(diǎn)的不同波長處的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行同時計算。這是光柵型非常重要的一個特性。光柵型的高光譜相機(jī)就特別適合應(yīng)用在顏色測量，水果的分類和品質(zhì)、糖度檢測，塑料垃圾回收中塑料的分類這些領(lǐng)域，因?yàn)檫@些應(yīng)用都需要對每一個點(diǎn)的不同波長數(shù)據(jù)進(jìn)行同時運(yùn)算，才能計算出我們想要的結(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的高光譜數(shù)據(jù)，我們就需要讓這個線掃描高光譜相機(jī)和這個樹葉之間產(chǎn)生相對移動，如下圖所示，向掃描儀一樣掃描過去。這樣就可能獲得一整張樹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)，也就是說光譜分辨率最高，性價比最高，應(yīng)用也是最為廣泛的高光譜相機(jī)類型。2020年以前，一臺國外生產(chǎn)的高光譜相機(jī)的價格還要賣到40~50萬人民幣。而現(xiàn)在由杭州彩譜生產(chǎn)的高光譜相機(jī)在國內(nèi)的售價已經(jīng)低于10萬元。所以是性價比非常高的。目前已經(jīng)在顏色測量，水果分類和品質(zhì)測量，尤其是糖酸度檢測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應(yīng)關(guān)系來測量譜線元的干涉強(qiáng)度，并對干涉圖進(jìn)行逆傅里葉變換得到目標(biāo)的光譜圖。其特點(diǎn)是價格貴，光譜分辨率高，一個時刻可以對整幅圖像成像一個波長，但不能所有波長同時成像。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的數(shù)據(jù)不是在同一時刻獲取的，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：

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

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

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

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

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

對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，看他屬于哪種塑料。

如果使用光柵型高光譜相機(jī)進(jìn)行線掃描成像。由于圖像里的每一點(diǎn)都是同時獲得所有波長處的光譜數(shù)據(jù)的，這樣就可以對每一點(diǎn)的整個光譜曲線進(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時刻在 600納米處的光譜數(shù)據(jù)。需要移動透鏡（需要經(jīng)過一段時間）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刻進(jìn)行成像的。有可能在透鏡移動的這段時間里，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，就沒有意義了。

如果應(yīng)用中不需要對不同波長處的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和運(yùn)算，干涉型光譜相機(jī)仍然是一個非常好的選擇。但是絕大多數(shù)應(yīng)用都需要對一點(diǎn)的不同波長處的數(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)濾光片型是通過轉(zhuǎn)動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?？烧{(diào)諧濾光片型高光譜相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以通過電子信號快速無振動地選擇任意波長，但其光譜透過率低和溫度穩(wěn)定性差的問題限制了其應(yīng)用。

特點(diǎn)是：便宜，但是光譜分辨率不高，一個時刻可以對整幅圖像成像一個波長， 不能所有波長同時成像

首先要說的是：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)在通過計算成像的方法可以實(shí)現(xiàn)比較高的光譜分辨率，但是會帶來能量線性的問題，稍后會詳細(xì)說。

根據(jù)濾光片的不同，也就是說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，通過轉(zhuǎn)動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透過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濾光片?？刂茷V光片輪的旋轉(zhuǎn)速度，使其轉(zhuǎn)動頻率與傳感器采樣頻率同步，從而保證每個濾光片對應(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)觀測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)動來完成，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)帶來的振動對成像質(zhì)量影響較為明顯，成像所需曝光時間較長；

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

• 同時濾光片輪上各個濾光片的共面情況以及厚度均勻性也會帶來成像模糊等問題。

• 隨著光譜成像技術(shù)的發(fā)展，探測波段數(shù)目越來越多，濾光片輪已無法滿足寬譜段高分辨率的觀測，因此越來越多地被用于多光譜探測中。

:::?請注意：現(xiàn)在所說的多光譜相機(jī)，基本上都是這一類的?。?！?:::

例子

1994 年，美國成功發(fā)射了對月探測衛(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,主要由四個邊緣濾光片、 兩個不同譜段的條帶濾光片、一個用于捕獲目標(biāo)的透明濾光片以及一個用于在軌校準(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個通道，包括十個成像濾光片、四個日冕濾光片、一個中密度濾光片、一個雙棱鏡、一個透鏡、一個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)計發(fā)射至第二個拉格朗日點(diǎn)，該衛(wèi)星的主要任務(wù)是在五年之內(nèi)完成對整個河外星系暗弱目標(biāo)的探測，有效載荷主要為一個成像儀器和一個光譜儀器，其中光譜儀器采用由四個濾光片構(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，其中每個濾光片有8.5°的傾斜，防止在探測器上形成鬼像，下圖為該光譜儀中濾光輪的早期設(shè)計模型用，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,但是透過的光波長可以通過電子信號控制,能夠快速而且無振動地選擇可見或者近紅外光譜的任意波長。

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 型濾光片級聯(lián)而成，下圖是原理

說得明白點(diǎn)：

下圖是 1 級 Lyot 濾光片的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)某一波長的光經(jīng)過第一個偏振片后會變成線偏振光，線偏振光進(jìn)入液晶層時會發(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)過液晶層后的出射光會產(chǎn)生相位差。

經(jīng)過第二個偏振片后，兩束光發(fā)生干涉就會出現(xiàn)波長選擇了，就是說可以決定哪些光能通過哪些光不能通過。

溫度一定時，LCTF 的透射率函數(shù)僅依賴于波長和電壓，利用晶體的光電效應(yīng)，通過對液晶層施加外部電壓，可以實(shí)現(xiàn)對波長的選擇透過性。

優(yōu)點(diǎn)：

• 原理簡單、體積小、能耗低

• LCTF 型高光譜相機(jī)主要通過電壓調(diào)制透過的波長，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)，其無需輪式機(jī)構(gòu)，避免了微振動等的影響，在當(dāng)前輕小型衛(wèi)星有效載荷中占有獨(dú)特地位。

• 視場角小

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

缺點(diǎn)：

• 光譜透過率低，非常低。

• LCTF 作為核心分光元件，其本身存在光譜透過率低的問題，直接限制了 LCTF 成像光譜儀的光譜檢測能力；

• 溫度穩(wěn)定性差。

• 液晶的折射率受溫度影響較大，中心波長隨溫度變化漂移明顯，對光譜測量精度也會產(chǎn)生一定的影響。

• 一個時刻（采樣一次）只能獲得物體在特定波長處的整幅數(shù)據(jù)，想獲得其它的波長處的數(shù)據(jù)就需要調(diào)整（需要時間），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， 主要用于觀測高分辨率積雨云場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 可能是首個使用 LCTF 技術(shù)的星載載荷。HPT 的視場角為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)中傳播時會引起介質(zhì)的疏密變化，由此會導(dǎo)致介質(zhì)折射率的疏密變化，形成以聲波波長為光柵常數(shù)的透射光柵，當(dāng)光線以特定的角度人射到聲光介質(zhì)上時就會發(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，能夠適應(yīng)機(jī)載、彈載等多類搭載環(huán)境。

• 缺點(diǎn)

• AOTF 型高光譜相機(jī)的波長調(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 的波長范圍，但是往往會受到超聲換能器的帶寬影響，使其波長調(diào)控范圍被限制在一個倍程(1 倍到 2 倍波長)”，因此，在調(diào)控范圍的靈活性方面，LCTF 技術(shù)更具備競爭力。

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

例子

2013年，我國發(fā)射的“嫦娥三號”月球著陸車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)計示意圖。VNIS 的光譜范圍為 0.45~2.4 um，可見光波段的視場角為60x6°，近紅外波段的視場角為 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)探測數(shù)據(jù)1，是我國該類技術(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)計理念是將一個楔形多層薄膜介質(zhì)作為濾光片，并將其安裝在緊靠著二維陣列探測器的位置，使探測器的若干像元與漸變?yōu)V光片的某一光譜帶相互對應(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，推掃的方向與波長漸變方向一致，通過掃描可以獲得被測目標(biāo)的完整數(shù)據(jù)，像面上對應(yīng)的就是全部工作波段。漸變?yōu)V光片的中心波長也會隨之改變。由于漸變?yōu)V光片不同中心波長所對應(yīng)的膜層厚度變化較緩，會帶來膜系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、層數(shù)較多等問題，但是近年來隨著鍍膜工藝水平的提高，漸變?yōu)V光片的光譜透過率可以達(dá)到 70%，光譜分辨率能達(dá)到1%。根據(jù)漸變?yōu)V光片各波段與探測器像元之間的對應(yīng)關(guān)系，漸變?yōu)V光片高光譜相機(jī)又可以分為：

• 線性漸變型

• 濾光片陣列型

線性漸變型

線性漸變?yōu)V光片 (Linear Variable Fiter, LVF) 是一種特殊的濾光片，其光譜特性會隨位置線性變化， 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。線性漸變?yōu)V光片有帶通、高通、低通等類型，成像光譜儀中常用的線性漸變?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光片通常由兩個反射膜層與一個厚度漸變的腔層組成，各位置的中心波長沿漸變方向連續(xù)線性變化。就是下圖這種東西。

優(yōu)點(diǎn)：

• 光路緊湊、抗振動能力強(qiáng)

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

• 價格便宜?，F(xiàn)在用離子濺射方式可以大量便宜做。

• 國內(nèi)能搞，長春光機(jī)所搞的多。由于離子濺射鍍膜機(jī)現(xiàn)在便宜了，所以國內(nèi)的工廠也能搞了。隨便問，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

• 光譜透過率高，比光柵高

缺點(diǎn):

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

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

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

• 就是在一個時刻，可以同時獲得物體上一條線上所有點(diǎn)在一個波長處的光譜數(shù)據(jù)。

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

::: 這段話說得不夠清楚大家想想能不能看明白？

這是關(guān)鍵問題。

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。原因前邊說過了。 :::

例子：

2020年，中國科學(xué)院長春光學(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)量僅為9.2kgPl。下圖是線性漸變?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個區(qū)域，通過設(shè)置每個區(qū)域的膜層厚度控制通過該區(qū)域的中心波長，將濾光片陣列與探測器像元進(jìn)行一一對應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)像素級的光譜探測。

::: 雖然是每一個像素對應(yīng)一個光譜，但是實(shí)際上不同光譜對應(yīng)的是傳感器的不同像素，成像的時候也就對應(yīng)了不同的物體的位置，就是說獲得的高光譜圖像中一個點(diǎn)上每個波長的數(shù)據(jù)實(shí)際上是物體上離得非常近的不同的點(diǎn)?。。。∵@是個關(guān)鍵問題，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)域所對應(yīng)的像元進(jìn)行拼接處理即可得到該位置所對應(yīng)的全譜段信息。

優(yōu)點(diǎn)：

濾光片陣列高光譜相機(jī)在探測時要求濾光片陣列與探測器像元相匹配，匹配區(qū)域過小會導(dǎo)致系統(tǒng)的對準(zhǔn)誤差較大，對最終的光譜成像質(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時刻獲得一個物體的整張圖像，其中每一個點(diǎn)可以獲得所有波長的數(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、天文觀測、機(jī)載探測及安防監(jiān)視領(lǐng)域優(yōu)勢較為明顯。

缺點(diǎn)：

要求不高的話可以用，但是沒啥用，這種情況是沒有辦法做高光譜數(shù)據(jù)的不同光譜之間的運(yùn)算的。原因前邊說過了。

雖然是每一個像素對應(yīng)一個光譜，但是實(shí)際上不同光譜對應(yīng)的是傳感器的不同像素，成像的時候也就對應(yīng)了不同的物體的位置，就是說獲得的高光譜圖像中一個點(diǎn)上每個波長的數(shù)據(jù)實(shí)際上是物體上離得非常近的不同的點(diǎn)?。。?！這是個關(guān)鍵問題，要注意！再次提醒！這種情況是沒有辦法做高光譜數(shù)據(jù)的不同光譜之間的運(yùn)算的。原因前邊說過了。

例子：

中國科學(xué)院長春光學(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)計了一款16通道（4×4）像素級濾光片，半波寬約為25 nm 的短波紅外快照高光譜相機(jī)門，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、像素級濾光片、中繼物鏡和全色探測器組成，濾光片 16個通道的中心波長分別為1131、 1163、 1199、1238、1259、1301、1339、 1381、1413、1456、1495、1532、1 600、1636、1669 nm, 共有640×512 個濾光單元，每個濾光單元的尺寸為 15 um× 15 um。

量子點(diǎn)濾光片光譜儀

量子點(diǎn)又稱為“納米晶”，它是一種無機(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)，一般來說，宏觀材料的顏色不會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，其顏色會因自身原子個數(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。單個量子點(diǎn)對透過的光波極為敏感，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)對光譜連續(xù)精確的探測;將不同種類的量子點(diǎn)集成一起， 則可以實(shí)現(xiàn)不同波段的同時探測，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)對光波的調(diào)諧與濾波器類似，在光譜反演時存在嚴(yán)重的噪聲問題，極大地推動了具有針對性的光譜重建算法的發(fā)展。

現(xiàn)狀，通過機(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，對光譜分析里最為關(guān)鍵的“能量線性”，有非常大的問題，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候，現(xiàn)狀是會導(dǎo)致在進(jìn)行類似“反卷積”運(yùn)算時，能量計算精度不夠好。也就是說，量子點(diǎn)光譜儀實(shí)際測量只能得到的是 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，但是通過光譜重建算法計算得到的 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，由于信號很微弱，能量有 1%或 2%的偏差，會對光譜分析結(jié)果帶來非常大的影響，導(dǎo)致建模準(zhǔn)確程度非常差。

如果是可見光，如果能量有 1%或 2%的偏差，會導(dǎo)致色差 dEab 大于 1 的結(jié)果，這在色差評價里是不能接受的。

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

但是，如果用來做光譜分析，這個技術(shù)要走的路還挺長，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)，通過控制交替合成、配體交換和陽離子交換等關(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、劉旭老師都有頂級的研究成果，這里就不王婆賣瓜了。

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)類型。例如，顏色測量、水果分類和品質(zhì)檢測等需要同時計算一個點(diǎn)上不同波長數(shù)據(jù)的應(yīng)用適合使用色散型高光譜相機(jī)；而需要對整幅圖像進(jìn)行特定波長下的光譜測量的應(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。

本文標(biāo)題和鏈接：深入了解高光譜相機(jī)——類型與應(yīng)用：http://www.udagawajidousya.com/news/749.html?轉(zhuǎn)載時請注明出處為賽斯拜克品牌及本鏈接!