一篇文章讲透高光谱相机的原理彩谱

高光谱相机又称为高光谱成像光谱仪，是集光谱采集和目标成像于一体的探测设备，利用成像光谱技术能够在连续光谱波段上对同一目标进行光谱成像， 完成对该目标空间、辐射和光谱三重信息的整合，极大地提升了目标观测的信息维度。

利益相关：杭州彩谱高光谱研发工程师 http://www.figspec.com

根据分光原理的不同，现有的高光谱相机主要分为三类：

色散型高光谱相机一般先利用色散元件(光栅或者棱镜）进行分光，再经由成像系统成像在探测器上。下图是光栅色散型高光谱相机的具体原理，

如果我们要对图中的这个树叶它每一点的高光谱数据进行测量，通过入射光在光栅面进行反射，把这一个点的入射光分解成在不同波长处的能量分布，再通过多个传感器象元对具体的不同波长处的能量进行测量。这个图看到的就需要有一个反射光栅或者透射光栅对光线进行分光。

这种方式的好处是可以一次性处理一条线上面的所有的点。然后对每一点不同波长处的能量可以进行一次测量。所以大多数光栅型的高光谱相机都设计成线扫描相机。一次获取一条线上每一点的所有波长的光谱数据。由于每一点的不同波长处的光谱数据是同时获取的，所以就可以对这一点的不同波长处的光谱数据进行同时计算。这是光栅型非常重要的一个特性。光栅型的高光谱相机就特别适合应用在颜色测量，水果的分类和品质、糖度检测，塑料垃圾回收中塑料的分类这些领域，因为这些应用都需要对每一个点的不同波长数据进行同时运算，才能计算出我们想要的结果。

但是如果我们想获得一张完整图像的高光谱数据，而不只是获得一条线的高光谱数据，我们就需要让这个线扫描高光谱相机和这个树叶之间产生相对移动，如下图所示，向扫描仪一样扫描过去。这样就可能获得一整张树叶儿图像的高光谱数据了。

干涉型高光谱相机主要是利用干涉图与光谱图之间的对应关系，借助干涉仪来测量谱线元的干涉强度，并对干涉图进行逆傅里叶变换得到目标的光谱图.具体原理如图所示

干涉型高光谱相机的特点是：

比如，我们如果想做一个应用，在一堆塑料里，把想要的塑料挑出来。最简单的做法是：

对这堆塑料拍一张高光谱图像。

比较图像中每一点光谱谱线，看他属于哪种塑料。

如果使用光栅型高光谱相机进行线扫描成像。由于图像里的每一点都是同时获得所有波长处的光谱数据的，这样就可以对每一点的整个光谱曲线进行分析了。

但是如果使用干涉型高光谱相机，比如它可以获得整张图像一个时刻在 600纳米处的光谱数据。需要移动透镜（需要经过一段时间）之后，才能得到700纳米处的光谱图像。但是由于 600纳米处和700纳米处并不是在同一时刻进行成像的。有可能在透镜移动的这段时间里，照射光源的光强和光谱发生变化。所以这种情况下比较 600 纳米和 700 纳米处的数据就受到了照射光源的光强和光谱的影响，就没有意义了。

如果应用中不需要对不同波长处的数据进行比较和运算，干涉型光谱相机仍然是一个非常好的选择。但是绝大多数应用都需要对一点的不同波长处的数据进行比较和运算。这样就极大的限制了它的应用。

由于我在读书的时候做的就是滤光片型的高光相机，所以这里边有很多想说的。

滤光片型高光谱相机的原理就是在普通的相机前面加滤光片，就像我们人眼戴墨镜一样。如果这个滤光片它的带宽或者说允许通过的光谱范围足够窄，那么就可以对允许通过的光进行光谱测量了。

首先要说的是：由于现在滤光片的技术，普通窄带滤光片可以实现10 到 20纳米的光谱半波宽，实际允许通过光的光谱范围是 30-60 纳米，所以滤光片型高光谱相机的光谱分辨率很难做得非常高。如图所示，

虽然现在通过计算成像的方法可以实现比较高的光谱分辨率，但是会带来能量线性的问题，稍后会详细说。

根据滤光片的不同，也就是说用什么方式给传感器戴墨镜？滤光片型高光谱相机又可以细分为：

滤光片轮高光谱相机的结构如图下所示，它是以滤光片轮为分光元件，通过转动滤光片轮获得不同波段的光谱图像，从而完成复合光到单色光的分光。滤光片轮通常是将一组具有不同波长透过率的窄带滤光片固定在轮式结构上，每曝光一次采用一个滤光片。控制滤光片轮的旋转速度，使其转动频率与传感器采样频率同步，从而保证每个滤光片对应的谱段都能在传感器上成像。

1994 年，美国成功发射了对月探测卫星 Clementine, 该卫星的有效载荷：UV/VIS 相机、NIR 相机和 HIRES 相机都用到了滤光轮，覆盖波段及滤光轮的相关参数如下表所示。

其上搭载的 MIRI 中波红外相机-光谱仪和 NIRSpec 近红外多目标光谱仪都用到了滤光轮。

NIRSpec 将滤光轮与光栅轮进行组合使用，其中滤光轮的主要作用是将光波分解为不同组分，再结合光栅轮进行更为精细的光谱分析。下图为 NIRSpec 所用滤光轮的示意图，该滤光轮覆盖光谱范围为 0.6~5 um,主要由四个边缘滤光片、 两个不同谱段的条带滤光片、一个用于捕获目标的透明滤光片以及一个用于在轨校准的反射镜组成。下图是NIRSpec 所用滤光轮的示意图和滤光轮辅助结构图。

MIRI（JWST 的主要载荷之一）。MIRI主要由成像仪和两个光谱仪 SPO、SMO 组成，负责在5~ 28 uum 的中红外波段内进行成像及中低分辨率的光谱分析。滤光轮在 MIRI 中主要起连通成像、光谱的作用。如图所示，该滤光轮主要分为18个通道，包括十个成像滤光片、四个日冕滤光片、一个中密度滤光片、一个双棱镜、一个透镜、一个与棱镜配重的明暗位置。下图是 MIRI 上的滤光轮示意图。

Euclid预计发射至第二个拉格朗日点，该卫星的主要任务是在五年之内完成对整个河外星系暗弱目标的探测，有效载荷主要为一个成像仪器和一个光谱仪器，其中光谱仪器采用由四个滤光片构成的滤光轮进行分光，主要负责近红外波段的探测，其中每个滤光片有8.5°的倾斜，防止在探测器上形成鬼像，下图为该光谱仪中滤光轮的早期设计模型用，现在是什么样子的就不知道了。

可调谐滤光片高光谱相机以可调谐滤光片为分光元件，根据调谐方式的不同主要分为液晶可调谐滤光片(Liquid Crystal Tunable Filter, LCTF) 高光谱相机和声光可调谐滤光片 (Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF) 高光谱相机。

液晶可调谐滤光片高光谱相机主要利用 LCTF 技术进行分光。

LCTF 是以液晶的电控双折射效应为原理进行研制的，它由多组平行排列的 Lyot 型滤光片级联而成，下图是原理

说得明白点：

下图是 1 级 Lyot 滤光片的结构。

当某一波长的光经过第一个偏振片后会变成线偏振光，线偏振光进入液晶层时会发生双折射现象， 产生寻常光(o 光）和非常光(e光)，它们的传播方向相同，但传播速度不同，因此经过液晶层后的出射光会产生相位差。

经过第二个偏振片后，两束光发生干涉就会出现波长选择了，就是说可以决定哪些光能通过哪些光不能通过。

温度一定时，LCTF 的透射率函数仅依赖于波长和电压，利用晶体的光电效应，通过对液晶层施加外部电压，可以实现对波长的选择透过性。

2014年，日本发射了微纳卫星 Rising-2， 主要用于观测高分辨率积雨云场景以及高层大气中的精灵现象，该卫星上搭载的高精度望远镜 HPT 可能是首个使用 LCTF 技术的星载载荷。HPT 的视场角为0.28°×0.21 °，光谱范围为 400~1050 nm,其中LCTF 仅用于近红外波段(650~1 050 nm) 的分光，下图为 Rising-2 上搭载的 HPI 的光路示意图。

AOTF 主要由声光介质(通常为各向异性晶体）换能器阵列(PZT)和声终端组成。声波属于机械波，在介质中传播时会引起介质的疏密变化，由此会导致介质折射率的疏密变化，形成以声波波长为光栅常数的透射光栅，当光线以特定的角度人射到声光介质上时就会发生行射现象，完成复色光到单色光的分光， ATOF 型高光谱相机就是根据该原理进行研制的。

2013年，我国发射的“嫦娥三号”月球着陆车上搭载的凝视型高光谱相机 VNIS 也采用了 AOTF 的分光原理，下图所示为 AOTF 设计示意图。VNIS 的光谱范围为 0.45~2.4 um，可见光波段的视场角为60x6°，近红外波段的视场角为 30×3°， VNIS 使用 40~180 MHz 的连续可调射频频率，在 450~950 nm 波段实现了低于8nm 的光谱分辨率，在 900~2400 nm 波段实现了低于 12 nm 的光谱分辨率，为月面巡视矿物组成提供了科学探测数据1，是我国该类技术的首次空间应用。

楔形滤光片型高光谱相机也被称为渐变滤光片型高光谱相机，可以实现在光谱区和空间区的连续取样，它的设计理念是将一个楔形多层薄膜介质作为滤光片，并将其安装在紧靠着二维阵列探测器的位置，使探测器的若干像元与渐变滤光片的某一光谱带相互对应，下图为楔形滤光片谐振层厚度调制示意图。

渐变滤光片型高光谱相机多以推扫成像为主，推扫的方向与波长渐变方向一致，通过扫描可以获得被测目标的完整数据，像面上对应的就是全部工作波段。渐变滤光片的中心波长也会随之改变。由于渐变滤光片不同中心波长所对应的膜层厚度变化较缓，会带来膜系结构复杂、层数较多等问题，但是近年来随着镀膜工艺水平的提高，渐变滤光片的光谱透过率可以达到 70%，光谱分辨率能达到1%。根据渐变滤光片各波段与探测器像元之间的对应关系，渐变滤光片高光谱相机又可以分为：

线性渐变滤光片 (Linear Variable Fiter, LVF) 是一种特殊的滤光片，其光谱特性会随位置线性变化， 能够将人射的复色光分解成与滤光片位置相关的光谱。线性渐变滤光片有带通、高通、低通等类型，成像光谱仪中常用的线性渐变滤光片一般是基于多光東干涉原理的 F-P 窄带通线性渐变滤光片。原理如下图：

F-P 窄带渐变滤光片通常由两个反射膜层与一个厚度渐变的腔层组成，各位置的中心波长沿渐变方向连续线性变化。就是下图这种东西。

::: 这段话说得不够清楚大家想想能不能看明白？

这是关键问题。

比光栅色散型光谱相机要差很多！！！！！

这非常关键哪！！！！！

这种情况是没有办法做高光谱数据的不同光谱之间的运算的。原因前边说过了。 :::

2020年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的刘春雨”团队利用线性渐变滤光片不受狭缝限制的特点，结合数字域 TDI技术，解决了星载轻小型高分辨率高光谱相机信噪比不足的问题，研制了一款工作波段为0.4~1 um、地面分辨率为10m,平均光谱分辨率为8.9 nm、系统总质量为 7kg 的轻小型星载高光谱成像光谱仪，其原理探测器的 PI~P3 行连续成像多次，将多次成像的电子数相加可以提高图像信噪比。同年，该团队又公布了使用多片渐变滤光片探测器拼接技术的高分辨率大幅宽高光谱相机，该相机在 500km 轨道处幅宽达到了 150 km, 而质量仅为9.2kgPl。下图是线性渐变滤光片与数字域 TDI的原理图。

滤光片阵列是一个由基元重复排列而成的周期结构，该基元内部可以划分为n个区域，通过设置每个区域的膜层厚度控制通过该区域的中心波长，将滤光片阵列与探测器像元进行一一对应，即可实现像素级的光谱探测。

::: 虽然是每一个像素对应一个光谱，但是实际上不同光谱对应的是传感器的不同像素，成像的时候也就对应了不同的物体的位置，就是说获得的高光谱图像中一个点上每个波长的数据实际上是物体上离得非常近的不同的点！！！！这是个关键问题，要注意！ :::

下图为滤光片阵列的分布方式示意图。数据采集完成后，将不同基元内部相同区域所对应的像元进行拼接处理即可得到该位置所对应的全谱段信息。

滤光片阵列高光谱相机在探测时要求滤光片阵列与探测器像元相匹配，匹配区域过小会导致系统的对准误差较大，对最终的光谱成像质量产生一定影响。

相较于传统推扫的高光谱相机，该相机获取光谱信息和图像信息的方式为凝视拍摄（就是一次可以获得整张高光谱图像，具体意思是可以一个时刻获得一个物体的整张图像，其中每一个点可以获得所有波长的数据），可进行视频高光谱成像，在进行暗弱目标探测、天文观测、机载探测及安防监视领域优势较为明显。

要求不高的话可以用，但是没啥用，这种情况是没有办法做高光谱数据的不同光谱之间的运算的。原因前边说过了。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的刘春雨和谢运强等人设计了一款16通道（4×4）像素级滤光片，半波宽约为25 nm 的短波红外快照高光谱相机门，所用滤光片和整机分别如图 所示。该光谱相机由摄影物镜、像素级滤光片、中继物镜和全色探测器组成，滤光片 16个通道的中心波长分别为1131、 1163、 1199、1238、1259、1301、1339、 1381、1413、1456、1495、1532、1 600、1636、1669 nm, 共有640×512 个滤光单元，每个滤光单元的尺寸为 15 um× 15 um。

量子点又称为“纳米晶”，它是一种无机材料，自身稳定性高，其半径小于大块的激子波尔半径。颜色是物质的本征状态，一般来说，宏观材料的颜色不会因材料本身形状和体积的改变而发生变化，而量子点作为一种尺寸极小的纳米材料，其颜色会因自身原子个数的增加或减少而变化，即改变量子点的形状和大小可以调谐其吸收的光谱范围，利用量子点对光谱的调谐特性能够实现分光的功能。将不同尺寸的量子点集成在同一基板上，可以看作一种特殊形式的滤波器。单个量子点对透过的光波极为敏感，合理地控制量子点的大小、形状以及排列方式，可以实现对光谱连续精确的探测;将不同种类的量子点集成一起， 则可以实现不同波段的同时探测，量子点光谱仪 (Colloidal Quantum Dot Spectrometers, CQDs) 就是以此为原理进行研制的，其工作原理如图所示。

小，便宜，特别便宜，为微型光谱仪的推广提供了新思路。

::: 但由于量子点对光波的调谐与滤波器类似，在光谱反演时存在严重的噪声问题，极大地推动了具有针对性的光谱重建算法的发展。

现状，通过机器学习和深度学习引入光谱重建算法，光谱分辨率可以很高。但是，对光谱分析里最为关键的“能量线性”，有非常大的问题，这就是为什么现在不能推广应用的最关键原因。

具体是啥意思呢？

在进行量子点光谱仪常用的光谱重建算法的时候，现状是会导致在进行类似“反卷积”运算时，能量计算精度不够好。也就是说，量子点光谱仪实际测量只能得到的是 600nm,650nm处的光谱能量，应用光谱重建算法后，可以得到 600nm,610nm,620nm,630nm,640nm,650nm 的光谱能量，但是通过光谱重建算法计算得到的 600nm,610nm,620nm,630nm,640nm,650nm 的光谱能量和真正的光谱能量之间的差别是比较大的，目前的差别在光谱分析和色差分析中是不能容忍的。

在近红外光谱分析里，由于信号很微弱，能量有 1%或 2%的偏差，会对光谱分析结果带来非常大的影响，导致建模准确程度非常差。

如果是可见光，如果能量有 1%或 2%的偏差，会导致色差 dEab 大于 1 的结果，这在色差评价里是不能接受的。

但是，对于要求较低的民用领域，比如手机拍照功能，这个量子点技术应用在手机多个摄像头之一的话，可以较好的实现真彩拍摄，还原真实色彩或者对色彩做优化。预计不久大家就可以看到这样的方案。

但是，如果用来做光谱分析，这个技术要走的路还挺长，我不大看好。现在在做的研究机构挺多，公司有上海与光，南京微纳，深圳（忘了） :::

2015 年，清华大学的鲍捷等人首次提出了量子点光谱仪的概念。他们利用量子点体积微小的特点，将 195 种量子点集中在同一张薄膜上，并将该薄膜与微型探测器阵列附合在一起，构成了微型量子点光谱仪。理论上量子点光谱仪可以覆盖0.2~5 um 的光谱范围，这种新型光谱仪在极大地减小仪器体积和质量的同时并不影响光谱仪本身的分辨率和使用效率。

2021年，李慧宇团队针对近红外谱段的量子点光谱仪进行了研究，他们选取了 PbS 和 PbSe 两种材料的量子点，通过控制交替合成、配体交换和阳离子交换等关键参数实现了这两种量子点的光谱调谐，该团队采用195个量子点进行集成，将其作为滤光元件， 选用金属氧化物半导体作为探测器，构成了近红外量子点光谱仪，图24 所示为该团队研制的近红外量子点光谱仪原理图，其光谱范围为0.9~1.7 um,平均光谱分辦率可达6 nm。

还有我的校友郝翔教授、杨宗银教授、刘旭老师都有顶级的研究成果，这里就不王婆卖瓜了。