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浅析高光谱相机的成像原理

点击次数:534更新时间:2023-05-22


高光谱相机成像原理:

高光谱相机的样式现在也是五花八门的,所以高光谱成像的原理也不是单一的,比如有光栅分光原理、声光可调谐滤波分光(AOTF)原理、AOTF系统组成、棱镜分光、芯片镀膜等。每个原理成像的方式也是不同的。

 

高光谱相机


1.光栅色分光原理

 

在经典物理学中,光波穿过狭缝、小孔或者圆盘之类的障碍物时,不同波长的光会发生不同程度的弯散传播,再通过光栅进行折射分光,形成一条条谱带。也就是说空间中的一维信息通过镜头和狭缝后,不同波长的光按照不同程度的弯散传播,这一维图像上的每个点,再通过光栅进行衍射分光,形成一个谱带,照射到探测器上,探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段,一条线就对应一个谱面,因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息,为了获得空间二维图像再通过机械推扫,完成整个平面的图像和光谱数据采集。

 

 

高光谱成像原理图1.png


2.声光可调谐滤波分光(AOTF)原理:

 

AOTF由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器在声光介质内激励出超声波。改变射频驱动信号的频率,可以改变AOTF衍射光的波长,从而实现电调谐波长的扫描。

 

 

高光谱成像原理图2.png


3.AOTF系统组成:

 

AOTF系统组成:成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector,入射光经过物镜会聚之后进入准平行镜(把所有的入射光变成平行光),准平行光进入偏振片通过同一方向的传播的光,平行光进入晶体之后,平行于光轴的光按照原来方向前行,非平行光进行衍射,分成两束相互垂直o光和e(入射光的波长不同经过晶体之后的o光与e光的角度也不同,因此在改变波长的过程中,图像会出现漂移);o光和e光及0级光分别会聚在不同的面上。

 

如图所示:

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为了保证入射光经过准平行镜之后能够变化成平行光,因此对前端的物镜视场角有一定的要求,根据晶体的xxx角,可算出物镜**的视场角,小于**视场角的情况,成像ok,如果大于视场角,则会造成重影(衍射光与0级光都进入了sensor);

 

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4.棱镜分光

 

入射光通过棱镜后被分成不同的方向,然后照射到不同方向的探测器上进行成像。棱镜分光后,在棱镜的出射面镀了不同波段的滤光膜,使得不同方向的探测器可以采集到不同光谱信息,实现同时采集空间及光谱信息。

 

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5.芯片镀膜

 

近年来,IMEC(欧洲微电子研究中心)采用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一种新的高光谱成像技术,在探测器的像元上分别镀不同波段的滤波膜实现高光谱成像,此技术大大降低的高光谱成像的成本。

 

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目前IMEC提供三种标准的光谱探测器:100波带的线扫描探测器,32波带的瓷砖式镀膜探测器,16波带以4x4为一个波段的马赛克式镀膜探测器

 

这种光谱技术的优点是可以同时获得光谱分辨率和空间分辨率,可以进行快速、高性能地获得光谱信息和空间信息,集成度高,成本低。但是缺点是光谱灵敏度较低,一般大于10nm,多用于无人机等大范围扫描的光谱应用领域。

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