高光譜相機(jī)光學(xué)鏡片應(yīng)用解析

高光譜相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)非簡單的成像鏡頭，它是一個(gè)精密設(shè)計(jì)的分光和探測(cè)系統(tǒng)。其核心任務(wù)是將入射的“混合光”在空間維（X,Y）和光譜維（λ）上進(jìn)行分離與重組，最終形成`(x,y,λ)`三維數(shù)據(jù)立方體。掃描型與快照型技術(shù)路徑的根本差異，決定了其光學(xué)鏡片組成與核心分光元件的截然不同。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

一、掃描型高光譜相機(jī)（以推掃式為例）光學(xué)系統(tǒng)解析

推掃式是目前工業(yè)檢測(cè)、遙感等領(lǐng)域最成熟和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。其原理是“犧牲”時(shí)間維度（通過平臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行掃描）來換取每個(gè)像元完整、高質(zhì)量的光譜信息。

1.光學(xué)系統(tǒng)組成與光路

推掃式相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)典型的前望遠(yuǎn)鏡成像+后光譜分光的串行結(jié)構(gòu)。

光路：`目標(biāo)場(chǎng)景→前置成像物鏡→入射狹縫→準(zhǔn)直鏡→色散元件→聚焦鏡→面陣探測(cè)器`

工作流程：相機(jī)與目標(biāo)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在某一瞬時(shí)，前置物鏡將地面上一條窄線（對(duì)應(yīng)空間Y維）成像在入射狹縫上。狹縫限制視場(chǎng)，成為新的線光源。光線經(jīng)準(zhǔn)直鏡變?yōu)槠叫泄猓丈涞缴⒃?，被按波長分開。分光后的光束由聚焦鏡會(huì)聚到探測(cè)器上，此時(shí)探測(cè)器Y軸記錄空間信息（狹縫上的不同點(diǎn)），X軸記錄光譜信息（不同波長）。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)完成X方向的推掃，最終合成三維數(shù)據(jù)立方體。

（高速推掃工業(yè)高光譜相機(jī)原理圖-覆蓋波段900-1700nm）

2.核心光學(xué)鏡片元件及其應(yīng)用指標(biāo) 

a.前置成像物鏡組

功能：收集目標(biāo)輻射，將地面一條線成像于狹縫處。

關(guān)鍵應(yīng)用指標(biāo)與參數(shù)：

視場(chǎng)角（FOV）與瞬時(shí)視場(chǎng)（IFOV）：決定了地面掃描帶的寬度和單個(gè)像元對(duì)應(yīng)的地面尺寸。例如，F(xiàn)OV為30°，IFOV為1mrad。

焦距（f）與F數(shù)（F/）：焦距決定空間分辨率，F(xiàn)數(shù)（如F/2.0,F/2.8）直接影響系統(tǒng)的光通量和信噪比。遙感應(yīng)用中常用長焦距、大孔徑物鏡。

畸變與色差：需嚴(yán)格校正，尤其對(duì)于后續(xù)需要進(jìn)行幾何精校正的遙感應(yīng)用。

工作波段范圍：必須覆蓋相機(jī)的整個(gè)光譜范圍（如400-1000nm），通常采用消色差或復(fù)消色差設(shè)計(jì)。

（凹凸彎月鏡）

b.光譜分光模塊（核心）

功能：將混合光在空間上按波長分離。

核心分光元件：

b.1.色散元件（棱鏡或衍射光柵）

棱鏡：利用材料折射率隨波長變化（色散）分光。優(yōu)點(diǎn)是光通量高，無級(jí)次重疊問題，光譜響應(yīng)平滑。

關(guān)鍵指標(biāo)：材料（如熔融石英、氟化鈣）、色散率（單位波長間隔對(duì)應(yīng)的空間分離度）、透射波段。

衍射光柵：利用多縫干涉和衍射原理分光。優(yōu)點(diǎn)是光譜分辨率高、線性色散（光譜在探測(cè)器上均勻排列）。

關(guān)鍵指標(biāo)：線對(duì)密度（如300lines/mm）、閃耀波長、衍射效率、工作級(jí)次。線對(duì)密度直接決定了系統(tǒng)的光譜分辨能力。

（分光棱鏡）

b.2.準(zhǔn)直鏡與聚焦鏡

這對(duì)鏡片通常采用離軸拋物面鏡或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的復(fù)消色差透鏡組。

關(guān)鍵指標(biāo)：數(shù)值孔徑（NA）/F數(shù)（需與前置物鏡匹配，影響系統(tǒng)光通量）、像差校正（特別是像散和慧差，需在整個(gè)光譜范圍和像面上均良好校正）。

（平凸透鏡-聚焦鏡）

c.入射狹縫

功能：空間定位，決定系統(tǒng)的空間分辨率和光通量。

關(guān)鍵參數(shù)：狹縫寬度（單位：μm）。寬度越窄，空間和光譜分辨率越高，但進(jìn)入的光能量越低，需要權(quán)衡。典型寬度在10-50μm之間。

3.應(yīng)用特點(diǎn)總結(jié)

優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，光譜分辨率高（可達(dá)1nm以下），信噪比優(yōu)異，適合對(duì)光譜精度要求高的定量化分析（如礦物識(shí)別、水質(zhì)參數(shù)反演）。

缺點(diǎn)：需要穩(wěn)定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，不適合拍攝動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。

典型應(yīng)用：機(jī)載/星載遙感、生產(chǎn)線上的連續(xù)產(chǎn)品檢測(cè)（如水果分選、藥品監(jiān)測(cè)）。

（空間掃描相機(jī)-點(diǎn)掃描(圖A)通過捕獲每個(gè)像素/行像素圖B(線掃描/推掃式)）

二、快照型高光譜相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)解析

快照型旨在單次曝光中捕獲整個(gè)視場(chǎng)的光譜信息，其光學(xué)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，核心思想是通過空間調(diào)制或像面分割，在單幀圖像中編碼出空間和光譜信息。

1.光學(xué)系統(tǒng)組成與光路（以基于圖像面分割的成像型光柵/棱鏡方案為例）

這是目前相對(duì)成熟的快照技術(shù)，其光學(xué)結(jié)構(gòu)與推掃式有相似之處，但取消了狹縫和推掃運(yùn)動(dòng)。

光路：`目標(biāo)場(chǎng)景→主成像物鏡→微透鏡陣列/像面分割器→微色散元件（每個(gè)子孔徑后）→面陣探測(cè)器`

工作流程：主物鏡將整個(gè)場(chǎng)景成像在探測(cè)器前方的微透鏡陣列（MLA）上。每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)探測(cè)器上的一個(gè)宏像元（由多個(gè)物理像素組成的子區(qū)域）。每個(gè)宏像元接收來自場(chǎng)景中某一特定物點(diǎn)的光。在該宏像元前，集成了一個(gè)微型色散元件（如微棱鏡或光柵），將該物點(diǎn)的光分散到其下屬的多個(gè)物理像素上，從而記錄下該點(diǎn)的光譜。

2.核心光學(xué)鏡片元件及其應(yīng)用指標(biāo)

a.主成像物鏡

功能與推掃式前置物鏡類似，但負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)二維視場(chǎng)成像。

關(guān)鍵指標(biāo)：視場(chǎng)角（FOV）、相對(duì)照度均勻性（對(duì)整個(gè)像面要求極高）、分辨率（MTF）需與微透鏡陣列的采樣能力匹配。

b.像面分割與微色散模塊（核心）

功能：在像面處對(duì)每個(gè)空間點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立分光。

核心元件：

b.1.微透鏡陣列（MLA）

關(guān)鍵指標(biāo)：微透鏡焦距、口徑/節(jié)距（如100μm）。節(jié)距決定了空間采樣間隔，即最終重建圖像的空間分辨率。每個(gè)微透鏡下的像素?cái)?shù)決定了光譜通道數(shù)。

（微透鏡陣列）

b.2.微色散元件陣列

集成在每個(gè)微透鏡之后，可以是刻蝕的微棱鏡或衍射光柵結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵指標(biāo)：色散角度/線性色散（決定光譜在探測(cè)器上的覆蓋范圍）、均勻性（所有微單元的色散特性需高度一致）。

（二向色分束鏡）

3.另一種主流快照方案：基于Sagnac干涉儀的時(shí)空混合調(diào)制型

核心光學(xué)元件：分束器（BeamSplitter）、反射鏡、剪切板。

工作原理：利用干涉原理。入射光被分束器分成兩路，產(chǎn)生光程差后再次匯合，在探測(cè)器上形成包含所有物點(diǎn)干涉信息的干涉圖。通過單次曝光獲取一幅干涉圖，再經(jīng)過傅里葉變換為每個(gè)像元還原出光譜曲線。

關(guān)鍵指標(biāo)：剪切量（決定最大光程差，進(jìn)而決定光譜分辨率）、視場(chǎng)大小、光學(xué)穩(wěn)定性和對(duì)稱性要求極高。

（905光反射鏡）

4.應(yīng)用特點(diǎn)總結(jié)

優(yōu)點(diǎn)：瞬時(shí)成像，無運(yùn)動(dòng)部件，非常適合動(dòng)態(tài)過程監(jiān)測(cè)（如燃燒分析、生物活體觀測(cè)、高速生產(chǎn)線上瑕疵的瞬間捕捉）。

缺點(diǎn)：空間分辨率與光譜分辨率相互制約（受限于探測(cè)器總像素?cái)?shù)），數(shù)據(jù)需要通過復(fù)雜算法重建（計(jì)算快照型），光譜精度和信噪比通常低于推掃式。

典型應(yīng)用：醫(yī)療內(nèi)窺鏡、機(jī)器視覺（高速在線檢測(cè)）、軍事偵查、實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)過程分析。

（圖C為波長掃描/圖D為快照，無需掃描）

高光譜相機(jī)技術(shù)路徑

├── 掃描型 (需要時(shí)間掃描)

│   ├── 推掃式(空間掃描：沿軌道方向逐線掃描)

│   ├── 擺掃式 (空間掃描：通過旋轉(zhuǎn)鏡逐像元掃描)

│   └── 濾光片掃描式 (光譜掃描：如AOTF（聲光可調(diào)諧濾光片）, LCTF逐波長掃描（液晶可調(diào)諧濾光片）)

└── 快照型 (瞬時(shí)獲取)

       ├── 像面分割型 (如微透鏡陣列+微色散元件)

       ├── 計(jì)算層析型 (如CTIS，使用編碼孔徑)

       └── 空間-光譜編碼型 (如基于Sagnac干涉儀)

總結(jié)對(duì)比

技術(shù)路線選擇的核心：

選擇掃描型（如推掃式），意味著你優(yōu)先追求更高的光譜/空間性能和數(shù)據(jù)精度，可以接受一定的圖像獲取時(shí)間（依賴于掃描運(yùn)動(dòng)）。

選擇快照型，意味著你必須捕獲瞬時(shí)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，為此可以接受在空間/光譜分辨率或信噪比上的一定妥協(xié)。

在工業(yè)檢測(cè)、遙感等主流應(yīng)用領(lǐng)域，推掃式因其優(yōu)異的性能（高光譜分辨率、高信噪比、成像幾何畸變?。┒蔀閽呙栊图夹g(shù)中最成熟、應(yīng)用最廣泛的方案。

總而言之，高光譜相機(jī)的光學(xué)鏡片應(yīng)用是其技術(shù)靈魂的體現(xiàn)。掃描型通過精心設(shè)計(jì)的串行色散光路追求極致的光譜fidelity，其光學(xué)指標(biāo)直接關(guān)聯(lián)最終的定量化分析能力。而快照型則通過創(chuàng)新的并行編碼或干涉光路，用光學(xué)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性換取時(shí)間分辨率，其光學(xué)元件的微納加工精度與系統(tǒng)裝調(diào)穩(wěn)定性是性能的關(guān)鍵。選擇何種方案，根本取決于應(yīng)用場(chǎng)景在時(shí)間動(dòng)態(tài)性與數(shù)據(jù)精度之間的核心需求。