高光譜相機(jī)方式分光方式有哪幾種？

棱鏡分光：這是一種傳統(tǒng)的分光方法，使用棱鏡將光束分解成不同波長的光譜分量。棱鏡分光方式具有較高的光譜分辨率，但受到棱鏡材料的限制，光譜范圍有限。

濾光片分光：通過放置不同波長響應(yīng)的濾光片，將光束分解成不同波長的光譜分量。濾光片分光方式可以在較寬的光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的光譜分辨率，但受到濾光片材料的限制。

衍射光柵分光：利用光柵的衍射原理，將光束分解成不同波長的光譜分量。衍射光柵分光方式具有很高的光譜分辨率，可以覆蓋很寬的光譜范圍，但制造成本較高。

聲光調(diào)制器分光：利用聲光調(diào)制器對(duì)光束進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)光譜分解。聲光調(diào)制器分光方式具有較高的光譜分辨率，但受到聲光調(diào)制器材料的限制。

線性變焦分光：通過線性變焦光學(xué)系統(tǒng)，將光束在空間上分解成不同波長的光譜分量。線性變焦分光方式可以在較寬的光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的光譜分辨率，但制造成本較高。

這些分光方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的分光方式是關(guān)鍵。

下面介紹高光譜相機(jī)分光原理：

棱鏡分光原理

棱鏡式高光譜相機(jī)的分光原理如下圖所示，不同波長的單色光經(jīng)過單棱鏡后，出射光的偏折角不同，從而得到目標(biāo)的光譜。棱鏡作為分光元件的優(yōu)點(diǎn)是成本低，結(jié)構(gòu)簡單，能透過各個(gè)波段的光學(xué)能量（不同波長的透過率不同），可以獲得唯一的光譜譜線，能量利用率高。但是不同波長的光線經(jīng)過棱鏡后，由于色散角大小不同，造成不同譜線的間距不同即色散非線性。棱鏡對(duì)光能的吸收，會(huì)造成不同波長譜線間的空間位置和信號(hào)不均衡，引入額外的像差。雖然棱鏡能透過所有能量，但長波紅外波段的玻璃材料很少且價(jià)格昂貴，因此棱鏡一般用于可見，近紅外波段光譜儀的分光元件。

經(jīng)查找文獻(xiàn)資料可知，為了減小棱鏡色散的非線性，可以使用曲面棱鏡，膠合棱鏡組或者PGP元件作為分光元件。例如曲面棱鏡中的典型結(jié)構(gòu)Féry棱鏡，在光學(xué)系統(tǒng)中不僅可以起到分光的作用還能提供光焦度校正像差，從而使系統(tǒng)中透鏡的數(shù)量下降，從而減小系統(tǒng)的體積。常用的棱鏡組為賴才爾福特棱鏡、雙阿米西棱鏡等，通過不同的材料及棱鏡頂角的配合不但能夠減小色散的非線性，而且還能合理校正所產(chǎn)生的譜線彎曲和色畸變。

濾光片分光原理

使用濾光片可以得到特定波段的光譜，因此通過濾光片可以直接得到所需要的光譜，但是一片濾光片只能得到一個(gè)波段的光譜，而光譜相機(jī)至少需要十幾個(gè)及以上的譜段，因此需要多片濾光片配合使用來獲得光譜。應(yīng)用濾光片作為分光元件的光譜儀包括：多相機(jī)式、濾光片輪、線性漸變?yōu)V光片、濾光片陣列、楔形濾光片等。其中多相機(jī)式和濾光片輪式的光譜儀缺點(diǎn)過于明顯已經(jīng)被淘汰了，如今使用的濾光片分光多采用線性漸變?yōu)V光片或?yàn)V光片陣列，相比前兩者系統(tǒng)體積、復(fù)雜程度及成本得到了大幅減小。下面著重介紹線性漸變?yōu)V光片和濾光片陣列這兩種分光元件。

線性漸變?yōu)V光片實(shí)際上是一塊鍍有漸變?yōu)V光膜的平薄玻璃片，被放置在緊靠 CCD像面的位置。探測器上各行的像元會(huì)接收到目標(biāo)不同波段的信息，目標(biāo)完整的光譜和空間維信息通過平臺(tái)的推掃才能得到。盡管使用線性漸變?yōu)V光片分光的光譜儀結(jié)構(gòu)簡單，卻必須依靠平臺(tái)的推掃才能完成工作，對(duì)搭載平臺(tái)的穩(wěn)定性要求過高，而且如今CCD 探測器的發(fā)展跟不上鍍膜工藝的需求，使得在探測器上存在很嚴(yán)重的光譜混疊現(xiàn)象，即不同的譜段信息在探測靶上部分重疊的現(xiàn)象。

濾光片陣列是由一系列中心波長不同的濾光片組成，同樣被放置在探測器靶面處。如下圖 所示每個(gè)窄帶濾光片只能透過一個(gè)波段的光束，面陣 CCD 的若干行像元對(duì)應(yīng)一個(gè)光譜帶，整個(gè)像元面對(duì)應(yīng)所需探測的全部光譜帶。圖中不同視場的光束通過各個(gè)濾光片，在 CCD 靶面上就能夠得到相應(yīng)視場的不同光譜信息，每次拍照得到某一區(qū)域目標(biāo)的空間維信息和不同視場對(duì)應(yīng)的不同光譜信息。系統(tǒng)的各視場會(huì)隨著平臺(tái)的推掃移動(dòng)到探測器中心，再次拍照就可以得到該物體其他波段的信息，從而獲得目標(biāo)的全部光譜維信息。此分光方式原理簡單，系統(tǒng)體積小，質(zhì)量輕便，但是成本較高。

光柵分光方式原理

光柵分光型高光譜相機(jī)利用衍射原理來分光，光柵包括透射式和反射式兩種類型。大量大小相同、間距相等的微小狹縫排列起來就組成了透射光柵，每個(gè)狹縫都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)衍射條紋，透射出的光波還會(huì)互相干涉，從而形成衍射-干涉條紋。由于條紋的極大位置是由波長決定的，這樣就可以得到目標(biāo)的光譜譜線。為了提高光柵分光系統(tǒng)的光學(xué)效率，簡化結(jié)構(gòu)，消除譜線彎曲，又發(fā)展出了凹面光柵和凸面光柵。

普通光柵（平面光柵）作為分光元件有許多優(yōu)點(diǎn)，其中最大的是通過光柵得到的光譜色散為線性，光柵可以對(duì)全波段進(jìn)行色散，還能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。缺陷是所有的衍射光柵都存在高階光譜，不僅會(huì)使部分能量散失，還會(huì)干擾工作譜段，使衍射效率較低，并且光柵存在很難校正的譜線彎曲和色畸變。

凸面光柵作為分光元件的優(yōu)點(diǎn)是在發(fā)散光束中使用時(shí)可以大幅度簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，而且系統(tǒng)的空間和光譜分辨率能夠通過光柵常數(shù)和成像系統(tǒng)的焦距的變化而改變。在離軸反射式結(jié)構(gòu)中使用凸面光柵的系統(tǒng)在視場角、能量透過率、成像質(zhì)量等方面具有優(yōu)勢(shì)。

聲光調(diào)制器分光原理

聲光調(diào)制器（Acousto-Optic Modulator，AOM）是一種通過聲波對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制的器件。它利用了聲光效應(yīng)，即由于光波與聲波之間的相互作用，光的一些特性可以通過聲波的幅度、頻率和相位來調(diào)制。

分光原理是聲光調(diào)制器中的一種調(diào)制方式，用于將入射的光波分成不同的頻率成分或光束。聲光調(diào)制器中常用的分光原理有Bragg散射和拉曼散射兩種。

1. Bragg散射：光波在聲波的作用下，會(huì)發(fā)生一種叫做Bragg散射的現(xiàn)象。當(dāng)聲波頻率適當(dāng)時(shí)，入射光波在聲波的作用下會(huì)發(fā)生反射和折射，反射光波的頻率與入射光波的頻率相等，但傳播方向發(fā)生改變。通過調(diào)節(jié)聲波的頻率和幅度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光波的頻譜成分進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)光的分光。

2. 拉曼散射：聲光調(diào)制器中的拉曼散射分光原理利用了拉曼效應(yīng)。光波在聲波的作用下，在晶格振動(dòng)的影響下發(fā)生光子-聲子相互作用，引起光的頻率發(fā)生改變。在拉曼散射中，光波的部分能量會(huì)被頻率改變后的散射光吸收，從而實(shí)現(xiàn)光的分光。

無論是Bragg散射還是拉曼散射，聲光調(diào)制器可以通過調(diào)節(jié)入射聲波的頻率、幅度和相位，來實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光波頻譜的調(diào)制和分光。這種調(diào)制方式在光通信、光譜分析和光學(xué)成像等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

線性變焦分光原理

線性變焦分光原理是一種通過改變光學(xué)系統(tǒng)的焦距來實(shí)現(xiàn)光譜分辨率調(diào)整的方法。在常見的示波儀、光譜儀等光學(xué)儀器中經(jīng)常使用線性變焦分光原理來調(diào)整光譜分辨率。

線性變焦分光原理利用可移動(dòng)的光學(xué)元件（如球面透鏡、球面反射鏡等）來實(shí)現(xiàn)焦距的變化。當(dāng)透鏡或反射鏡靠近光源時(shí)，所產(chǎn)生的凸透鏡效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光線被聚焦到一個(gè)較小的區(qū)域，從而產(chǎn)生較高的光譜分辨率；相反，當(dāng)透鏡或反射鏡遠(yuǎn)離光源時(shí)，所產(chǎn)生的凹透鏡效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光線被發(fā)散，從而產(chǎn)生較低的光譜分辨率。

具體來說，透鏡或反射鏡的移動(dòng)可以改變光束通過光譜儀的入射角度。當(dāng)透鏡或反射鏡接近光源時(shí)，入射角度較大，光線在光柵或棱鏡上的衍射效應(yīng)更加顯著，產(chǎn)生較高的光譜分辨率；當(dāng)透鏡或反射鏡遠(yuǎn)離光源時(shí)，入射角度較小，光線的衍射效應(yīng)變得較弱，產(chǎn)生較低的光譜分辨率。

通過調(diào)整透鏡或反射鏡的位置，可以在光譜儀中實(shí)現(xiàn)光譜分辨率的連續(xù)調(diào)整，從而適應(yīng)不同應(yīng)用需求。線性變焦分光原理不僅能夠?qū)崿F(xiàn)光譜分辨率的調(diào)整，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光譜范圍的調(diào)整，提高光譜儀的靈活性和適用性。