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色散型成像光谱仪

发表时间:2023-05-25 09:00作者:海丰汇小丰

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快照型成像光谱仪,本篇介绍色散型成像光谱仪

▍色散型成像光谱仪的基本原理

色散型成像光谱仪是目前所有成像光谱仪器中形式最为成熟的,也因为其高性能和高环境适应性成为了应用最为广泛的成像光谱仪类型。色散型成像光谱仪现已成为航空、航天、地面、工业、实验室研究等应用领域中的高精度定量探测的主要手段,发挥着举足轻重的作用。顾名思义,色散器件就是将入射的复合白光衍射为不同的单色光的核心光学元件,这种元件主要包括棱镜、光栅及其组合的分光器件。色散型成像光谱仪的基本组成包括狭缝、准直镜、色散分光器件、聚焦镜和探测器。

根据色散器件的分类,可分为棱镜型光栅型PGP型成像光谱仪。

▍棱镜型成像光谱仪

棱镜型成像光谱仪使用棱镜作为核心分光器件,其分光原理是组成棱镜的透射材料对不同波长具有不同的折射率,在棱镜的楔角 α 确定的情况下,一束光的出射偏向角 θ 与入射角 i1 的关系可以表示为:

由上述公式可知,当入射角 i1 不变时,偏向角 θ 即为折射率 n 的函数,因此偏向角 θ 也会随着波长的变化而变化,从而在通过棱镜折射后在空间上被分离色散开来。折射率一般随着波长的减小而增大,因此波长越短偏向角越大。棱镜型成像光谱仪是各类色散型成像光谱仪中实施起来相对最容易的,结构也较为简单,其优点是可以在宽光谱下进行工作,工作带宽可以达到几百纳米甚至几微米;缺点是色散率低,导致仪器的光谱分辨率难以做到很高,且光谱分辨率在整个工作波段上并不均一分布,而是随着工作波长的增大而增大。下图给出了一般棱镜型成像光谱仪的结构形式。

▍光栅型成像光谱仪

较为常见的光栅型成像光谱仪有使用平面反射式光栅的 Czerny-Turner 成像光谱仪,使用凸面和凹面光栅的同心类成像光谱仪 (主要为 Offner 和 Dyson 成像光谱仪),以及使用棱镜和透射光栅共同组成核心分光器件的 PG 或 PGP 型成像光谱仪。

光栅基本方程表述为:

式中:i 为入射角;θ 为衍射角;m 为光栅衍射级次;g 为光栅刻线密度;λ 为对应波长。光栅的色散率很高,因此光栅型成像光谱仪可以达到很高的光谱分辨率,但是由于光栅存在多级衍射效应,光栅型成像光谱仪的工作光谱不能过宽 (级次滤光片可以一定程度上解决这一问题),另外精密光栅的制作极为复杂,光谱仪的装调也比棱镜型成像光谱仪的装调更为复杂。

Czerny-Turner 成像光谱仪

Czerny-Turner 光谱仪结构使用平面反射式光栅,其光谱分辨率可以做到很高。传统的 CzernyTurner 光谱仪结构存在着一定的彗差和较大的像散,一般只在中心波长处具备良好的光学性能,因此常用于各类单色仪中,通过光栅转动实现不同的单色光输出。通过研究发现,对 Czerny-Turner 的准直镜和聚焦镜的形式进行改变,使用超环面镜或柱面镜来代替原来的球面镜形式,即可使其子午面和弧矢面上的曲率半径产生变化,同时延长光栅到聚焦镜的距离,就可以在较宽的工作波段上实现各像差 (尤其是像散) 的校正条件统一,从而对像差进行良好的抑制。这种改进型的 Czerny-Turner 成像光谱仪结构如下图所示。

同心类成像光谱仪

同心类成像光谱仪顾名思义其内部的所有光学元件的曲率半径中心位于同一点上,这种放置方法充分利用了 Rowland 圆的基本原理,使得系统可以非常充分地对各类像差进行抑制和消除,并可通过较高的数值孔径实现较大的光通量。同心类成像光谱仪主要有两种基本形式:一是 Offner 成像光谱仪结构;二是 Dyson 成像光谱仪结构,前者在 1975 年被首次提出,并被美国 JPL 实验室率先在工程上实现,成为目前航空航天中应用的各类先进高光谱成像仪的主要核心形式。

Offner 成像光谱仪主要由球面准直镜 、凸面光栅和球面聚焦镜组成 ,其基本形式如下图所示。在此基础之上又有很多种变形:包括在光路中增加弯月透镜、使用 Littrow-Offner 结构形式等不同的方法以进一步提高系统的数值孔径和压缩系统体积。

Dyson 成像光谱仪的产生时间要早于 Offner 成像光谱仪,其主要组成为半球透镜和凹面光栅,由于其满足 Rowland 圆的条件十分苛刻,导致狭缝和像面距离光学元件距离过近,因此在工程实施上具有极大的困难,故而较少得到应用,传统 Dyson 成像光谱仪结构如下图所示。为了进一步发挥 Dyson 成像光谱仪的良好性能和应用,后来的很多研究人员都对Dyson 成像光谱结构进行了一定程度的改进:目前最新的研究完成了 Dyson 系统的准同心条件分析,从而实现了改进型 Dyson 成像光谱仪的应用。得益于 Dyson 结构的高通量、高成像质量的优点,Dyson成像光谱仪被应用于海洋水色成像、星载地物高光谱成像等领域。

此外,还有一种 Schwarzschield 成像光谱仪结构,它利用了 Schwarzschield 光学系统 (也称逆卡塞格林系统) 作为准直镜和聚焦镜,并在中间使用平面光栅作为分光器件,其整体结构消除像差的原理与同心光谱仪类似,如下图所示。

PGP型成像光谱仪

PGP 型成像光谱仪是另一种相对比较常见的分光型成像光谱仪,如下图所示,这种光谱仪的准直镜和聚焦镜均由透镜组构成;其核心器件是由贴合在一起的棱镜-透射光栅-棱镜 (Prism-Grating-Prism)组成,这种组合色散元件的优点是很好地消除了一般透射光栅所带来的光谱谱线弯曲的问题,并且由于两端的棱镜使得光栅衍射分光产生的光路偏折得到了校正,使其光轴基本保持在同一条直线上,因此这种成像光谱仪在体积和形状上都较为规则,适于在各类小型观测平台上搭载,并且其数值孔径可以做的很高,适用于可见光-近红外等波段。


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副标题

干涉型成像光谱仪 (一般指傅里叶变换光谱仪)的基本原理是利用了具备光程差的波长干涉效应。干涉仪的原理是束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来,这两束光从而能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现,从而能够形成不同的干涉图样。
2023-05-27
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