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高光譜成像技術(shù)的分光方式有哪些?

發(fā)布時(shí)間:2023-09-15 17:47:43  

高光譜圖像就是在光譜維度上進(jìn)行了細(xì)致的分割,通過高光譜設(shè)備獲取到的是一個(gè)數(shù)據(jù)立方,不僅有圖像的信息,還可以獲得任一個(gè)譜段的影像信息。那么,高光譜成像技術(shù)的分光方式有哪些呢?本文進(jìn)行了簡單總結(jié)。

?1 高光譜成像技術(shù)的分光方式——光柵分光原理

1.?光柵分光

經(jīng)典物理學(xué)中,光波穿過狹縫、小孔或者圓盤之類的障礙物時(shí),不同波長的光會(huì)發(fā)生不同程度的彎散傳播,再通過光棚進(jìn)行衍射分光,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(gè)點(diǎn),再通過光棚進(jìn)行衍射分光,形成一個(gè)譜帶,照射到探測(cè)器上,探測(cè)器上的每個(gè)像素位置和強(qiáng)度表征光譜和強(qiáng)度。一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)譜段,一條線就對(duì)應(yīng)一個(gè)譜面,因此探測(cè)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(jī)械推掃,完成整個(gè)平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。

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2.?聲光可調(diào)諧濾波分光

經(jīng)過狹縫的光由于不同波長照射到不同的探測(cè)器像元上,光能量很低,因此需要選擇高靈敏相機(jī),同時(shí)需要加光源。例如系統(tǒng)如下:

?2 高光譜成像技術(shù)的分光方式——聲光可調(diào)原理

AOTF由聲光介質(zhì)、換能器和聲終端三部分組成。射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過換能器在聲光介質(zhì)內(nèi)激勵(lì)出超聲波。改變射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率,可以改變AOTF衍射光的波長,從而實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧波長的掃描。

最常用的AOTF 晶體材料為TeO2即非共線晶體,也就是說光波通過晶體之后以不同的出射角傳播。如上圖所示:在晶體前端有一個(gè)換能器,作用于不同的驅(qū)動(dòng)頻率,產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)即聲波。不同的驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)于不同振動(dòng)的聲波,聲波通過晶體TeO2之后,使晶體中晶格產(chǎn)生了布拉格衍射,晶格更像一種濾波器,使晶體只能通過一種波長的光。光進(jìn)入晶體之后發(fā)生衍射,產(chǎn)生衍射光和零級(jí)光。

AOTF系統(tǒng)組成:

?3 高光譜成像技術(shù)的分光方式——ACFT

AOTF 系統(tǒng)組成:成像物鏡+準(zhǔn)直鏡+偏振片+晶體+偏振片+物鏡+detector,入射光經(jīng)過物鏡會(huì)聚之后進(jìn)入準(zhǔn)平行鏡(把所有的入射光變成平行光),準(zhǔn)平行光進(jìn)入偏振片通過同一方向的傳播的光,平行光進(jìn)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(jìn)行衍射,分成兩束相互垂直o光和e光(入射光的波長不同經(jīng)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(huì)出現(xiàn)漂移);0光和e光及0級(jí)光分別會(huì)聚在不同的面上。如圖所示:

?4 高光譜成像技術(shù)的分光方式——AOTF

為了保證入射光經(jīng)過準(zhǔn)平行鏡之后能夠完全變化成平行光,因此對(duì)前端的物鏡視場角有一定的要求,根據(jù)晶體的xxx角,可算出物鏡最大的視場角,小于最大視場角的情況,成像ok,如果大于視場角,則會(huì)造成重影(衍射光與0級(jí)光都進(jìn)入了 sensor);實(shí)現(xiàn)方法:

不同波長的光經(jīng)過晶體之后衍射光與0級(jí)光的夾角也不同,因此為了能夠保證更好的成像效果,在晶體的出光口加入遮擋片,即遮擋0級(jí)光,避免與衍射光一起進(jìn)入sensor,造成重影。對(duì)聚光準(zhǔn)直系統(tǒng)的優(yōu)化有兩個(gè)方面:1提高光源的聚光效果,2減小聚光準(zhǔn)直系統(tǒng)的外形尺寸。

?5 高光譜成像技術(shù)的分光方式——棱鏡分光

3.?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(cè)器上進(jìn)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(cè)器可以采集到不同光譜信息,實(shí)現(xiàn)同時(shí)采集空間及光譜信息。

?6 高光譜成像技術(shù)的分光方式——芯片鍍膜

4.?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(shù),在探測(cè)器的像元上分別鍍不同波段的濾波膜實(shí)現(xiàn)高光譜成像,此技術(shù)大大降低的高光譜成像的成本。

目前IMEC提供三種標(biāo)準(zhǔn)的光譜探測(cè)器:100波帶的線掃描探測(cè)器,32波帶的瓷磚式鍍膜探測(cè)器,16波帶以4x4為一個(gè)波段的馬賽克式鍍膜探測(cè)器。

這種光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)獲得光譜分辨率和空間分辨率,可以進(jìn)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(diǎn)是光譜靈敏度較低,一般大于10nm,多用于無人機(jī)等大范圍掃描的光譜應(yīng)用領(lǐng)域。

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