高光譜相機的分光方式有哪些？如何選擇？作為高光譜相機中至關重要的元件，分光元件決定了系統(tǒng)光譜分辨率的大小，常用的分光元件包括棱鏡、光柵、濾光片三種，因此其分光方式也就有棱鏡分光、光柵分光和濾光片分光三種方式。本文對這三種分光方式的工作原理進行了分析，并將三者各自的優(yōu)缺點進行了對比，為大家選擇合適的分光元件提供相關的信息。

1.棱鏡分光方式

棱鏡式高光譜相機的分光原理如下圖所示，不同波長的單色光經(jīng)過單棱鏡后，出射光的偏折角不同，從而得到目標的光譜。棱鏡作為分光元件的優(yōu)點是成本低，結(jié)構(gòu)簡單，能透過各個波段的光學能量（不同波長的透過率不同），可以獲得唯一的光譜譜線，能量利用率高。但是不同波長的光線經(jīng)過棱鏡后，由于色散角大小不同，造成不同譜線的間距不同即色散非線性。棱鏡對光能的吸收，會造成不同波長譜線間的空間位置和信號不均衡，引入額外的像差。雖然棱鏡能透過所有能量，但長波紅外波段的玻璃材料很少且價格昂貴，因此棱鏡一般用于可見，近紅外波段光譜儀的分光元件。

經(jīng)查找文獻資料可知，為了減小棱鏡色散的非線性，可以使用曲面棱鏡，膠合棱鏡組或者PGP元件作為分光元件。例如曲面棱鏡中的典型結(jié)構(gòu)Féry棱鏡，在光學系統(tǒng)中不僅可以起到分光的作用還能提供光焦度校正像差，從而使系統(tǒng)中透鏡的數(shù)量下降，從而減小系統(tǒng)的體積。常用的棱鏡組為賴才爾福特棱鏡、雙阿米西棱鏡等，通過不同的材料及棱鏡頂角的配合不但能夠減小色散的非線性，而且還能合理校正所產(chǎn)生的譜線彎曲和色畸變。

2.光柵分光方式

光柵分光型高光譜相機利用衍射原理來分光，光柵包括透射式和反射式兩種類型。大量大小相同、間距相等的微小狹縫排列起來就組成了透射光柵，每個狹縫都會產(chǎn)生一個衍射條紋，透射出的光波還會互相干涉，從而形成衍射-干涉條紋。由于條紋的極大位置是由波長決定的，這樣就可以得到目標的光譜譜線。為了提高光柵分光系統(tǒng)的光學效率，簡化結(jié)構(gòu)，消除譜線彎曲，又發(fā)展出了凹面光柵和凸面光柵。

普通光柵（平面光柵）作為分光元件有許多優(yōu)點，其中最大的是通過光柵得到的光譜色散為線性，光柵可以對全波段進行色散，還能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。缺陷是所有的衍射光柵都存在高階光譜，不僅會使部分能量散失，還會干擾工作譜段，使衍射效率較低，并且光柵存在很難校正的譜線彎曲和色畸變。

凸面光柵作為分光元件的優(yōu)點是在發(fā)散光束中使用時可以大幅度簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，而且系統(tǒng)的空間和光譜分辨率能夠通過光柵常數(shù)和成像系統(tǒng)的焦距的變化而改變。在離軸反射式結(jié)構(gòu)中使用凸面光柵的系統(tǒng)在視場角、能量透過率、成像質(zhì)量等方面具有優(yōu)勢。

3.濾光片分光方式

使用濾光片可以得到特定波段的光譜，因此通過濾光片可以直接得到所需要的光譜，但是一片濾光片只能得到一個波段的光譜，而光譜相機至少需要十幾個及以上的譜段，因此需要多片濾光片配合使用來獲得光譜。應用濾光片作為分光元件的光譜儀包括：多相機式、濾光片輪、線性漸變?yōu)V光片、濾光片陣列、楔形濾光片等。其中多相機式和濾光片輪式的光譜儀缺點過于明顯已經(jīng)被淘汰了，如今使用的濾光片分光多采用線性漸變?yōu)V光片或濾光片陣列，相比前兩者系統(tǒng)體積、復雜程度及成本得到了大幅減小。下面著重介紹線性漸變?yōu)V光片和濾光片陣列這兩種分光元件。

線性漸變?yōu)V光片實際上是一塊鍍有漸變?yōu)V光膜的平薄玻璃片，被放置在緊靠 CCD像面的位置。探測器上各行的像元會接收到目標不同波段的信息，目標完整的光譜和空間維信息通過平臺的推掃才能得到。盡管使用線性漸變?yōu)V光片分光的光譜儀結(jié)構(gòu)簡單，卻必須依靠平臺的推掃才能完成工作，對搭載平臺的穩(wěn)定性要求過高，而且如今CCD 探測器的發(fā)展跟不上鍍膜工藝的需求，使得在探測器上存在很嚴重的光譜混疊現(xiàn)象，即不同的譜段信息在探測靶上部分重疊的現(xiàn)象。

濾光片陣列是由一系列中心波長不同的濾光片組成，同樣被放置在探測器靶面處。如下圖 所示每個窄帶濾光片只能透過一個波段的光束，面陣 CCD 的若干行像元對應一個光譜帶，整個像元面對應所需探測的全部光譜帶。圖中不同視場的光束通過各個濾光片，在 CCD 靶面上就能夠得到相應視場的不同光譜信息，每次拍照得到某一區(qū)域目標的空間維信息和不同視場對應的不同光譜信息。系統(tǒng)的各視場會隨著平臺的推掃移動到探測器中心，再次拍照就可以得到該物體其他波段的信息，從而獲得目標的全部光譜維信息。此分光方式原理簡單，系統(tǒng)體積小，質(zhì)量輕便，但是成本較高。