快照型成像光谱仪

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，本篇介绍快照型成像光谱仪。

▍快照型成像光谱仪的基本原理

快照型成像光谱仪 (Snapshot imaging spectrometer)，使用面阵探测器，通过特殊元器件或探测形式对目标或场景进行编码，再通过后续系统色散后对探测器采集数据进行解码，一次观测即可收集整个三维数据立方体，探测速度最快；但是其光谱分辨率不高，且数据的解码速度较慢。

快照型成像光谱仪本质上是对以上各种成像光谱仪的一种进化改型，通过对分光器件或是孔径光阑的处理和改进使得成像光谱仪具备在一定范围内同时获得三维数据立方体的能力。目前主要的快照型成像光谱仪主要有以下几种。

▍计算层析成像光谱仪

这种类型的光谱仪是基于计算机生成的全息图色散元件 (CGH: computer-generated hologram) 设计而成。在传统光谱仪前端物镜成像处不再放置狭缝，而是放置可通过较大光通量的光阑，利用全息色散元件 (如：Kinoform 光栅等) 将混杂在一起的光谱信息和空间信息在探测器像面上的不同方向上进行投影，然后再利用 CT 重建算法获取观测目标的三维数据立方体 (如下图所示)。其优点是狭缝处为光阑，因此可以直接通过凝视来获得一个观测场景下的所有成像和光谱信息，而无需推扫或其他运动部件。计算层析成像光谱仪目前已经有了较为广泛的应用，在军事动态目标监测、生物医学临床图像结构获取、以及天文行星空间监测等领域都有建树。计算层析成像光谱仪的主要问题在于不容易获得较高的光谱分辨率，且在由低维投影数据计算高维原始图像过程中会产生一定的信息损失而影响重建图像的质量；另外，重建图像过程的实时性相对较差。

▍编码孔径计算成像光谱仪

这种成像光谱仪使用编码孔径板 (通常为随机生成的二维二进制数字编码板) 代替传统色散成像光谱仪中的狭缝，后端的色散成像系统对经过编码板编码后的图像进行接收和色散成像，并将观测场景的连续光谱图像投影在探测器上。研究人员通过图像稀疏矩阵解析等方法对探测器接收信息进行解码获得最终所需的观测图像重建，原理如下图所示。编码孔径成像光谱仪的核心器件为编码孔径器件，一般有移动式机械模板、液晶空间光调制器、数字微镜器件 (DMD)，其中 DMD 是目前应用较多的编码孔径器件，兼具数字电路灵活可控性与理想二值编码加载的优点。

编码孔径计算成像光谱仪是当今的成像光谱仪发展热门之一，其观测效率高，获取信息量大，具有很好的应用前景。但是这类光谱仪的工程化应用还需要更好的解决几个核心问题，包括：具备高精度和高环境适应性的二维孔径编码板的制造，具备高时间分辨率的实时解码算法的发展，光谱分辨率与解码算法之间的矛盾 (具有高色散率的色散元件的应用会快速提升解码算法的复杂度) 等。

▍滤光片堆栈成像光谱仪

滤光片堆栈成像光谱仪顾名思义就是使用一系列彼此存在一定夹角的窄带滤光片堆栈组代替单一的滤光片或滤光片轮，进而提高传统的多光谱相机时间分辨率，在同一观测时间内获取观测场景的多光谱成像信息，如下图所示。这种形式的成像光谱仪可以代替传统的多光谱相机应用在各类测绘场景中。但是这种滤光片堆栈式的成像光谱仪同时获取的光谱通道数无法达到很多，且多个滤光片安装而成的堆栈对于后端的成像镜组要求较高，当滤光片较多时成像镜组和探测器像面均要求很大。

▍光纤重组成像光谱仪

光纤重组成像光谱仪借助光纤束实现对前端物镜的成像信息接收和后端的整形图像输出。光纤束将前端接收的信息通过光纤合束实现一维的信息排列，该信息被后端色散成像系统接收并最终成像在像面上，原理如下图所示。此类成像光谱仪目前也开始得到一定的应用，其主要需解决的问题是减小光纤合束重组时信息和光通量的损失。

▍微透镜阵列场积分成像光谱仪

微透镜阵列场积分成像光谱仪使用微透镜阵列对前置物镜所成的中间像进行细分，再通过中间孔径后被后端色散成像光谱系统接收并最终成像在探测器像面上。此类成像光谱仪的主要成像能力取决于微透镜阵列的性能参数，如下图所示。微透镜阵列积分视场成像光谱仪最早在天文领域进行应用，可以通过一次曝光实现二维目标三维立方体数据采集，从而对天体进行观测，在国外的大部分大型望远镜上基本都配备有微透镜阵列积分视场成像光谱仪。

与微透镜阵列场积分成像光谱仪原理类似的另一种成像光谱仪的形式为细分成像切片镜场积分成像光谱仪，采用在一个反射镜上加工出不同楔角的长切片实现对图像的场重建。微透镜阵列场积分成像光谱仪的核心关键技术是微透镜阵列的制造，因此不能做的太大，且性能受限于微透镜阵列自身的性能；而细分成像切片镜的加工难度极大，目前仅有极少数国家具备同类元器件的加工技术，且价格十分昂贵。

▍映射式成像光谱仪

映射式成像光谱仪通过中间的映射镜将图像切分为不同的条状场景，并且综合利用了棱镜阵列和微透镜阵列将不同切分场景进行色散成像，从而在探测器上获得一系列子图像，再通过算法将各子图像进行融合重建即可获得最终的高光谱图像立方体数据。此类成像光谱仪在元器件制作和整体集成上都有一定的难度，且光谱分辨率也不易做到很高。

▍快照型成像光谱仪的共性问题

快照型成像光谱仪所存在的共性问题主要在于其所获取的数据量是所有成像光谱仪中最大的，因此其所需解码和图像重建的数据量也是最大的，解码过程和处理算法比较复杂，在进行图像数据重建时耗时长，因此实时性较差。另外，快照型成像光谱仪很难做到极高的光谱分辨率，这是由于高光谱图像重建的难度与光谱分辨率的高低与光谱通道数成正比，很难实现兼顾。因此快照式成像光谱仪目前还没有完全进入成熟时期，需要进一步的开发和研究。