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高光谱成像技术

高光谱成像技术起源于地质矿物识别填图研究,逐渐扩展为植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气的研究中。对空间探测、军事安全、国土资源、科学研究等领域都具有非常重要的意义。

所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割,不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别,而是在光谱维度上也有N个通道,例如:我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此,通过高光谱设备获取到的是一个数据立方,不仅有图像的信息,并且在光谱维度上进行展开,结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据,还可以获得任一个谱段的影像信息。

目前高光谱成像技术发展迅速,常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。

原理

光栅分光原理:

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,再通过光栅进行衍射分光,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。

经过狭缝的光由于不同波长照射到不同的探测器像元上,光能量很低,因此需要选择高灵敏相机,同时需要加光源。例如系统如下:

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。

最常用的AOTF晶体材料为TeO2即非共线晶体,也就是说光波通过晶体之后以不同的出射角传播。如上图所示:在晶体前端有一个换能器,作用于不同的驱动频率,产生不同频率的振动即声波。不同的驱动频率对应于不同振动的声波,声波通过晶体TeO2之后,使晶体中晶格产生了布拉格衍射,晶格更像一种滤波器,使晶体只能通过一种波长的光。光进入晶体之后发生衍射,产生衍射光和零级光。

l 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光(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:

为了保证入射光经过准平行镜之后能够完全变化成平行光,因此对前端的物镜视场角有一定的要求,根据晶体的xxx角,可算出物镜最大的视场角,小于最大视场角的情况,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);

实现方法:

不同波长的光经过晶体之后衍射光与0级光的夹角也不同,因此为了能够保证更好的成像效果,在晶体的出光口加入遮挡片,即遮挡0级光,避免与衍射光一起进入sensor,造成重影。

对聚光准直系统的优化有两个方面:1提高光源的聚光效果,2减小聚光准直系统的外形尺寸。

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。

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。

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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