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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[11]。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(原理见图2(a))。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。
图 2 滤光型成像光谱仪主要分光原理:(a) 干涉式滤光片;(b) 声光可调谐滤光器;(c) Lyot-Ohman液晶双折射可调谐滤光器;(d) 法布里-珀罗腔;(e) 阵列式滤光器; (f) 线性渐变式滤光片
Figure 2. Main principle of filter imaging spectrometers: (a) Interference filter;(b) Acousto-optic tunable filter;(c) Lyot-Ohman liquid crystal birefingent tunable filter;(d) Fabry-Perot etalon;(e) Array filter; (F) Linear variable filter
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目前主流的可调谐窄带滤光器包括声光可调谐滤光器(AOTF)[12]、液晶双折射可调谐滤光器(LCTF)[13]、法布里-珀罗(F-P)滤光器[14]等。下面对这几种滤光器做简要介绍。
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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,如图2(b)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。
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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(原理如图2(c)所示)。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[15]:
$$ T = {\cos ^2}\left( {\frac{\varphi }{2}} \right) = {\cos ^2}\left( {\frac{{\pi \Delta }}{\lambda }} \right) = {\cos ^2}\left( {\frac{{\pi {{d}}\delta n}}{\lambda }} \right) $$ (1) 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:
$$ T={T}_{1}\cdot{T}_{2}\cdot{T}_{3}\cdots{T}_{n}=\left(\frac{\mathrm{sin}\left({2}^{N}\varphi /2\right)}{{2}^{N}\mathrm{sin}\left(\varphi /2\right)}\right) $$ (2) 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。
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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,如图2(d)所示。其传输函数可以表示为[16]:
$$ T = \dfrac{{{{\left( {1 - \dfrac{A}{{1 - r}}} \right)}^2}}}{{1 + \dfrac{{4r}}{{{{\left( {1 - r} \right)}^2}}}{{\sin }^2}\left[ {\dfrac{{2\pi }}{\lambda }\left( {nd\cos \theta } \right) - \varphi } \right]}} $$ (3) 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。
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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[17-22] (如图2(e)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[23] (如图2(f)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。
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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。
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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[24]:
$$ \theta = {i_1} + {\arctan}\left( {n\sin \left( {\alpha - {\arctan}\left( {\frac{{\sin {i_1}}}{n}} \right)} \right)} \right) - \alpha $$ (4) 由公式(4)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。图3(a)给出了一般棱镜型成像光谱仪的结构形式。
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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:
$$ \sin i \mp \sin\theta = mg\lambda $$ (5) 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。
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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Czerny-Turner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[25-26],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成像光谱仪结构如图3(b)所示。
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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[27];二是Dyson成像光谱仪结构[28],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,其基本形式如图3(c)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[29]。
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成像光谱仪结构如图3(d)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[30-32]。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[33],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,如图3(e)所示。
图 3 色散型成像光谱仪:(a) 棱镜成像光谱仪;(b) Czerny-Turner成像光谱仪;(c) Offner成像光谱仪;(d) Dyson成像光谱仪;(e) Schwarzschield 成像光谱仪;(f) PGP成像光谱仪
Figure 3. Dispersive imaging spectrometers: (a) Prism imaging spectrometer; (b) Czerny-Turner imaging spectrometer; (c) Offner imaging spectrometer; (d) Dyson imaging spectrometer; (e) Schwarzschield imaging spectrometer; (f) PGP imaging spectrometer
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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[34],如图3(f)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[35],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。
Development and application of imaging spectrometer (Invited)
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摘要: 成像光谱仪是一种有效的定量探测工具,得益于其可通过高空间分辨率和高光谱分辨率同时获取探测目标的三维立方体数据的能力,使得成像光谱仪在测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等领域应用极为广泛。文中根据分光原理和分光元件的不同,将成像光谱仪分为四类:滤光型、色散型、干涉型和快照型,在分类的基础上对各种成像光谱仪的主要代表形式和应用进行了回顾和介绍,并对成像光谱仪未来可能存在的发展和应用方向进行了展望。Abstract: Imaging spectrometers, which collect data over three dimension-two spatial and one spectral so that a complete dataset is typically referred to as a datacube, is one of the most powerful and widely used characterization tools in accurate mapping of wide areas remote sensing, object identification and recognition, environment assessment and management, clinical diagnosis imaging and process monitoring and control. According to the different spectral principle and component, imaging spectrometers were divided into four classes as filtering imaging spectrometers, dispersive imaging spectrometers, interferometric imaging spectrometers and snapshot imaging spectrometers. A comprehensive review of main representative forms and applications of various imaging spectrometers on the basis of classification was provided, and the possible development and application of imaging spectrometers in the future were prospected.
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Key words:
- imaging spectrometer /
- filter /
- dispersion /
- interference /
- snapshot
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图 2 滤光型成像光谱仪主要分光原理:(a) 干涉式滤光片;(b) 声光可调谐滤光器;(c) Lyot-Ohman液晶双折射可调谐滤光器;(d) 法布里-珀罗腔;(e) 阵列式滤光器; (f) 线性渐变式滤光片
Figure 2. Main principle of filter imaging spectrometers: (a) Interference filter;(b) Acousto-optic tunable filter;(c) Lyot-Ohman liquid crystal birefingent tunable filter;(d) Fabry-Perot etalon;(e) Array filter; (F) Linear variable filter
图 3 色散型成像光谱仪:(a) 棱镜成像光谱仪;(b) Czerny-Turner成像光谱仪;(c) Offner成像光谱仪;(d) Dyson成像光谱仪;(e) Schwarzschield 成像光谱仪;(f) PGP成像光谱仪
Figure 3. Dispersive imaging spectrometers: (a) Prism imaging spectrometer; (b) Czerny-Turner imaging spectrometer; (c) Offner imaging spectrometer; (d) Dyson imaging spectrometer; (e) Schwarzschield imaging spectrometer; (f) PGP imaging spectrometer
图 5 快照型成像光谱仪:(a) 计算层析成像光谱仪;(b) 编码孔径快照成像光谱仪;(c) 滤光片堆栈式解析成像光谱仪;(d) 光纤重组成像光谱仪;(e) 微透镜阵列场积分成像光谱仪;(f) 映射式成像光谱仪
Figure 5. Snapshot imaging spectrometers: (a) Computed tomographic imaging spectrometer (CTIS); (b) Coded aperture snapshot imaging spectrometer (CASSI); (c) Filter stack spectral decomposition (FSSD) imaging spectrometer; (d) Fiber-reformatting imaging spectrometer (FRIS); (e) Integral field spectroscopy with lenslet arrays (IFS-L) imaging spectrometer; (f) Image mapping imaging spectrometer (MSI)
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