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淺析高光譜相機的成像原理

閱讀:1020        發(fā)布時間:2023-5-22


高光譜相機成像原理:

高光譜相機的樣式現(xiàn)在也是五花八門的,所以高光譜成像的原理也不是單一的,比如有光柵分光原理、聲光可調諧濾波分光(AOTF)原理、AOTF系統(tǒng)組成、棱鏡分光、芯片鍍膜等。每個原理成像的方式也是不同的。

 

高光譜相機


1.光柵色分光原理

 

在經典物理學中,光波穿過狹縫、小孔或者圓盤之類的障礙物時,不同波長的光會發(fā)生不同程度的彎散傳播,再通過光柵進行折射分光,形成一條條譜帶。也就是說空間中的一維信息通過鏡頭和狹縫后,不同波長的光按照不同程度的彎散傳播,這一維圖像上的每個點,再通過光柵進行衍射分光,形成一個譜帶,照射到探測器上,探測器上的每個像素位置和強度表征光譜和強度。一個點對應一個譜段,一條線就對應一個譜面,因此探測器每次成像是空間一條線上的光譜信息,為了獲得空間二維圖像再通過機械推掃,完成整個平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。

 

 

高光譜成像原理圖1.png


2.聲光可調諧濾波分光(AOTF)原理:

 

AOTF由聲光介質、換能器和聲終端三部分組成。射頻驅動信號通過換能器在聲光介質內激勵出超聲波。改變射頻驅動信號的頻率,可以改變AOTF衍射光的波長,從而實現(xiàn)電調諧波長的掃描。

 

 

高光譜成像原理圖2.png


3.AOTF系統(tǒng)組成:

 

AOTF系統(tǒng)組成:成像物鏡+準直鏡+偏振片+晶體+偏振片+物鏡+detector,入射光經過物鏡會聚之后進入準平行鏡(把所有的入射光變成平行光),準平行光進入偏振片通過同一方向的傳播的光,平行光進入晶體之后,平行于光軸的光按照原來方向前行,非平行光進行衍射,分成兩束相互垂直o光和e(入射光的波長不同經過晶體之后的o光與e光的角度也不同,因此在改變波長的過程中,圖像會出現(xiàn)漂移);o光和e光及0級光分別會聚在不同的面上。

 

如圖所示:

3.png


 

為了保證入射光經過準平行鏡之后能夠變化成平行光,因此對前端的物鏡視場角有一定的要求,根據(jù)晶體的xxx角,可算出物鏡**的視場角,小于**視場角的情況,成像ok,如果大于視場角,則會造成重影(衍射光與0級光都進入了sensor);

 

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4.棱鏡分光

 

入射光通過棱鏡后被分成不同的方向,然后照射到不同方向的探測器上進行成像。棱鏡分光后,在棱鏡的出射面鍍了不同波段的濾光膜,使得不同方向的探測器可以采集到不同光譜信息,實現(xiàn)同時采集空間及光譜信息。

 

5.png


5.芯片鍍膜

 

近年來,IMEC(歐洲微電子研究中心)采用高靈敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一種新的高光譜成像技術,在探測器的像元上分別鍍不同波段的濾波膜實現(xiàn)高光譜成像,此技術大大降低的高光譜成像的成本。

 

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目前IMEC提供三種標準的光譜探測器:100波帶的線掃描探測器,32波帶的瓷磚式鍍膜探測器,16波帶以4x4為一個波段的馬賽克式鍍膜探測器

 

這種光譜技術的優(yōu)點是可以同時獲得光譜分辨率和空間分辨率,可以進行快速、高性能地獲得光譜信息和空間信息,集成度高,成本低。但是缺點是光譜靈敏度較低,一般大于10nm,多用于無人機等大范圍掃描的光譜應用領域。

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