滤光型成像光谱仪发表时间:2023-05-23 09:00 成像光谱仪是一种非常高效的定量探测仪器,它可以获得待观测目标或场景的连续单色光谱图像,并通过空间维 (x, y) 数据和光谱维 (λ) 数据共同组成三维观测数据立方体,从而为研究人员提供探测目标或场景中的每一个点的空间和光谱特征细节。这种兼具相机的高分辨成像能力和光谱仪的高光谱分辨能力使得成像光谱仪被广泛应用于测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等任务中,并在地理、空间、海洋、气候、大气、农业、植被、生态、医药、安防、制造与色度等多个领域中发挥巨大作用。 一般而言,成像光谱仪系统主要包括了前置成像系统、光谱色散成像系统和探测器系统,其中用于激发光谱观测的仪器在前置成像系统前可能还会放置激发光源。成像光谱仪的核心部分是光谱色散成像系统,该系统决定了成像光谱仪的主要性能参数,也是仪器在进行设计和研制时所需完成的最关键部分。 根据成像光谱仪中的光谱色散成像系统获取光谱信息能力的不同,可分为滤光型成像光谱仪、色散型成像光谱仪、干涉型成像光谱仪和快照型成像光谱仪,本篇介绍滤光型成像光谱仪。 ▍滤光型成像光谱仪的基本原理 滤光型成像光谱仪 (Filter/imaging spectrometer),使用面阵探测器,通过一组滤光片或可调谐波长器件进行分光,每次可以收集两个空间维度上的面阵对应的所有像素的单一光谱维数据,并通过滤光片切换或器件的波长调谐来完成全部数据立方体收集。 根据滤光器件的分类,可分为窄带滤光片型、可调谐窄带滤光器型、阵列式滤光器型。 ▍窄带滤光片型成像光谱仪 ![]() 窄带滤光片是一种能够对探测目标辐射光中的特征光谱进行有效提取、同时对带外杂光进行高抑制的光学器件, 将窄带滤光片置于相机中的探测器前即可实现相机对拟观测目标的特征光谱图像探测,从而形成最简单形式的成像光谱仪。如果观测目标或场景具备多个特征波长,则可以使用多个窄带滤光片组成的滤光片组,通过分时切换来实现多波长的单色光谱成像探测。这种成像光谱仪的核心光谱色散器件和系统形式相比其他成像光谱仪而言较小,因此整体结构上更容易实现集成化和小型化。目前,很多市面上使用的可在无人机上搭载的小型高光谱相机均属于此类成像光谱仪,其体积小、质量轻、成本低,在农业定量观测等领域中应用较为广泛。 一般的窄带滤光片带宽在几纳米到十几甚至几十纳米之间,但有时为了实现极窄带宽的特征光谱观测,就需要使用干涉型滤光片。这种滤光片的制作一般需要使用多层膜技术,通过在滤光片玻璃基底上交替镀一系列具有不同折射率的膜层材料,入射光将在薄膜各层界面处经过反复的反射和折射,从而最终在出射端获得极窄的光谱谱线 (原理见右图)。这种极窄线宽的干涉型滤光片相对价格比较昂贵,多用于天文观测和实验室定量测试的成像光谱仪器中。 ▍可调谐窄带滤光器型成像光谱仪 目前主流的可调谐窄带滤光器包括声光可调谐滤光器 (AOTF)、 液晶双折射可调谐滤光器(LCTF)、法布里-珀罗 (F-P) 滤光器等。下面对这几种滤光器做简要介绍。 ▍声光可调谐滤光器(AOTF) 这种滤光器主要利用声光衍射原理,器件的核心是晶体和其相连的压电换能器,通过将高频的射频电信号作用于换能器,使之转换为在晶体内的超声波振动,这种振动波可以在传播区域内周期性地调制晶体折射率,从而产生空间周期性的调制作用,这种调制与体相位光栅类似,可以对入射到晶体介质上的电磁波进行衍射,而且衍射光的波长与高频驱动电信号的频率一一对应,只要改变高频 RF 驱动信号的频率即可改变衍射光的波长,达到分光的目的,如下图所示。声光可调谐滤光器可动态地选择特定波长,并以微秒级的速度进行波长调整。 ▍液晶双折射可调谐滤光器(LCTF) 以液晶双折射可调谐滤光器中最典型的 Lyot-Ohman 滤光器为例进行说明 (原理如下图)。 这种滤光器由液晶延迟波片和线性偏振片按照一定的顺序组合而成。所有的延迟波片其快慢轴的指向均一致,且与其相邻的偏振片轴成 π/4 夹角;且一般而言每个延迟波片的厚度都是前一个的 2 倍。令 φ 为晶体中产生的相位差,则其传输函数可表示为: 式中:∆为延迟量;δn 为沿晶体轴线的折射率微量差值;d 为晶体厚度,λ 为波长。这样,一个完整的 Lyot-Ohman 滤光器的传输函数就可以表示为: 与声光可调谐滤光器工作原理类似,通过对液晶双折射滤光器中的晶体施加电场,可产生电控双折射现象,从而改变 o 光和 e 光的折射率差,进而通过电压精确调制二者的相位差来实现不同波长的输出。Lyot-Ohman 滤光器的一大缺点是偏振片对入射光辐射的吸收,与之类似的 Solc 滤光器通过只在双折射晶体延迟器的最前端和最后端放置两个偏振片的方法消除了这一弊病。 ![]() ▍法布里-珀罗 (F-P) 滤光器 在两个高反射率镜片件放置薄液晶片的方法可以支撑法布里-珀罗光学谐振腔,通过施加电场改变液晶的折射率同样可以实现如上两种可调谐滤光器的波长调谐能力,如右图所示。其传输函数可以表示为: 式中:A 为反射镜和腔体的吸光系数;r 为反射镜的反射率;n 为腔体介质的折射率;θ 为入射角;φ 为相位偏移角,一般可以忽略。可调谐窄带滤光器型成像光谱仪的光谱探测精度较高,故一般用于对大气中痕量气体特征光谱的高精度检测。 ▍阵列式滤光器型成像光谱仪 通过以上滤光器实现的成像光谱仪,其探测目标的特征光谱均为分时获取,一定程度上牺牲了时间分辨率,也为高速光谱应用带来了一定的阻碍。为了解决这一问题,科研工作者又发明了各种新型的阵列式滤光器。 通过在光电探测器光敏面上镀薄膜、F-P 标准具、平面光子晶体、光子带隙光纤、超构表面、波导环形谐振器等滤光器阵列如下图所示),可以实现很好的固定阵列式滤光片的研制,从而使得探测器接收到的图像在对应的像素与耦合的滤光器处呈现出所需的特征光谱信息。这些新型的分光技术促使成像光谱仪向小型甚至微型化快速发展。 另一种与上述阵列式滤光片类似的是线性渐变式滤光片(如下图所示)。一般利用多层膜技术实现,通过连续可变厚度所形成的带有一定倾角的多层膜,使得探测器上不同像素上接收的波长依赖于入射光在多层膜上入射的位置,进而实现不同像素上的不同波长选择;这种被探测器接收到的光谱是线性渐变的,其光谱分辨率最优可以达到 1 nm 左右。目前有很多星载的中小型高光谱相机都使用了这种渐变滤光片的形式,也最大程度地减小了相机的体积和质量,同时一定程度地提升了观测的时间分辨率。 |