高光谱相机光学镜片应用解析

高光谱相机的光学系统远非简单的成像镜头，它是一个精密设计的分光和探测系统。其核心任务是将入射的“混合光”在空间维（X,Y）和光谱维（λ）上进行分离与重组，最终形成`(x,y,λ)`三维数据立方体。扫描型与快照型技术路径的根本差异，决定了其光学镜片组成与核心分光元件的截然不同。

（图源网络，侵删）

一、扫描型高光谱相机（以推扫式为例）光学系统解析

推扫式是目前工业检测、遥感等领域最成熟和应用最广泛的技术。其原理是“牺牲”时间维度（通过平台运动进行扫描）来换取每个像元完整、高质量的光谱信息。

1.光学系统组成与光路

推扫式相机的光学系统是一个典型的前望远镜成像+后光谱分光的串行结构。

光路：`目标场景→前置成像物镜→入射狭缝→准直镜→色散元件→聚焦镜→面阵探测器`

工作流程：相机与目标之间存在相对运动。在某一瞬时，前置物镜将地面上一条窄线（对应空间Y维）成像在入射狭缝上。狭缝限制视场，成为新的线光源。光线经准直镜变为平行光，照射到色散元件上，被按波长分开。分光后的光束由聚焦镜会聚到探测器上，此时探测器Y轴记录空间信息（狭缝上的不同点），X轴记录光谱信息（不同波长）。平台运动完成X方向的推扫，最终合成三维数据立方体。

（高速推扫工业高光谱相机原理图-覆盖波段900-1700nm）

2.核心光学镜片元件及其应用指标 

a.前置成像物镜组

功能：收集目标辐射，将地面一条线成像于狭缝处。

关键应用指标与参数：

视场角（FOV）与瞬时视场（IFOV）：决定了地面扫描带的宽度和单个像元对应的地面尺寸。例如，FOV为30°，IFOV为1mrad。

焦距（f）与F数（F/）：焦距决定空间分辨率，F数（如F/2.0,F/2.8）直接影响系统的光通量和信噪比。遥感应用中常用长焦距、大孔径物镜。

畸变与色差：需严格校正，尤其对于后续需要进行几何精校正的遥感应用。

工作波段范围：必须覆盖相机的整个光谱范围（如400-1000nm），通常采用消色差或复消色差设计。

（凹凸弯月镜）

b.光谱分光模块（核心）

功能：将混合光在空间上按波长分离。

核心分光元件：

b.1.色散元件（棱镜或衍射光栅）

棱镜：利用材料折射率随波长变化（色散）分光。优点是光通量高，无级次重叠问题，光谱响应平滑。

关键指标：材料（如熔融石英、氟化钙）、色散率（单位波长间隔对应的空间分离度）、透射波段。

衍射光栅：利用多缝干涉和衍射原理分光。优点是光谱分辨率高、线性色散（光谱在探测器上均匀排列）。

关键指标：线对密度（如300lines/mm）、闪耀波长、衍射效率、工作级次。线对密度直接决定了系统的光谱分辨能力。

（分光棱镜）

b.2.准直镜与聚焦镜

这对镜片通常采用离轴抛物面镜或专门设计的复消色差透镜组。

关键指标：数值孔径（NA）/F数（需与前置物镜匹配，影响系统光通量）、像差校正（特别是像散和慧差，需在整个光谱范围和像面上均良好校正）。

（平凸透镜-聚焦镜）

c.入射狭缝

功能：空间定位，决定系统的空间分辨率和光通量。

关键参数：狭缝宽度（单位：μm）。宽度越窄，空间和光谱分辨率越高，但进入的光能量越低，需要权衡。典型宽度在10-50μm之间。

3.应用特点总结

优点：技术成熟，光谱分辨率高（可达1nm以下），信噪比优异，适合对光谱精度要求高的定量化分析（如矿物识别、水质参数反演）。

缺点：需要稳定的相对运动平台，不适合拍摄动态场景。

典型应用：机载/星载遥感、生产线上的连续产品检测（如水果分选、药品监测）。

（空间扫描相机-点扫描(图A)通过捕获每个像素/行像素图B(线扫描/推扫式)）

二、快照型高光谱相机光学系统解析

快照型旨在单次曝光中捕获整个视场的光谱信息，其光学设计更为复杂，核心思想是通过空间调制或像面分割，在单帧图像中编码出空间和光谱信息。

1.光学系统组成与光路（以基于图像面分割的成像型光栅/棱镜方案为例）

这是目前相对成熟的快照技术，其光学结构与推扫式有相似之处，但取消了狭缝和推扫运动。

光路：`目标场景→主成像物镜→微透镜阵列/像面分割器→微色散元件（每个子孔径后）→面阵探测器`

工作流程：主物镜将整个场景成像在探测器前方的微透镜阵列（MLA）上。每个微透镜对应探测器上的一个宏像元（由多个物理像素组成的子区域）。每个宏像元接收来自场景中某一特定物点的光。在该宏像元前，集成了一个微型色散元件（如微棱镜或光栅），将该物点的光分散到其下属的多个物理像素上，从而记录下该点的光谱。

2.核心光学镜片元件及其应用指标

a.主成像物镜

功能与推扫式前置物镜类似，但负责对整个二维视场成像。

关键指标：视场角（FOV）、相对照度均匀性（对整个像面要求极高）、分辨率（MTF）需与微透镜阵列的采样能力匹配。

b.像面分割与微色散模块（核心）

功能：在像面处对每个空间点进行独立分光。

核心元件：

b.1.微透镜阵列（MLA）

关键指标：微透镜焦距、口径/节距（如100μm）。节距决定了空间采样间隔，即最终重建图像的空间分辨率。每个微透镜下的像素数决定了光谱通道数。

（微透镜阵列）

b.2.微色散元件阵列

集成在每个微透镜之后，可以是刻蚀的微棱镜或衍射光栅结构。

关键指标：色散角度/线性色散（决定光谱在探测器上的覆盖范围）、均匀性（所有微单元的色散特性需高度一致）。

（二向色分束镜）

3.另一种主流快照方案：基于Sagnac干涉仪的时空混合调制型

核心光学元件：分束器（BeamSplitter）、反射镜、剪切板。

工作原理：利用干涉原理。入射光被分束器分成两路，产生光程差后再次汇合，在探测器上形成包含所有物点干涉信息的干涉图。通过单次曝光获取一幅干涉图，再经过傅里叶变换为每个像元还原出光谱曲线。

关键指标：剪切量（决定最大光程差，进而决定光谱分辨率）、视场大小、光学稳定性和对称性要求极高。

（905光反射镜）

4.应用特点总结

优点：瞬时成像，无运动部件，非常适合动态过程监测（如燃烧分析、生物活体观测、高速生产线上瑕疵的瞬间捕捉）。

缺点：空间分辨率与光谱分辨率相互制约（受限于探测器总像素数），数据需要通过复杂算法重建（计算快照型），光谱精度和信噪比通常低于推扫式。

典型应用：医疗内窥镜、机器视觉（高速在线检测）、军事侦查、实验室动态过程分析。

（图C为波长扫描/图D为快照，无需扫描）

高光谱相机技术路径

├── 扫描型 (需要时间扫描)

│   ├── 推扫式(空间扫描：沿轨道方向逐线扫描)

│   ├── 摆扫式 (空间扫描：通过旋转镜逐像元扫描)

│   └── 滤光片扫描式 (光谱扫描：如AOTF（声光可调谐滤光片）, LCTF逐波长扫描（液晶可调谐滤光片）)

└── 快照型 (瞬时获取)

       ├── 像面分割型 (如微透镜阵列+微色散元件)

       ├── 计算层析型 (如CTIS，使用编码孔径)

       └── 空间-光谱编码型 (如基于Sagnac干涉仪)

总结对比

技术路线选择的核心：

选择扫描型（如推扫式），意味着你优先追求更高的光谱/空间性能和数据精度，可以接受一定的图像获取时间（依赖于扫描运动）。

选择快照型，意味着你必须捕获瞬时动态场景，为此可以接受在空间/光谱分辨率或信噪比上的一定妥协。

在工业检测、遥感等主流应用领域，推扫式因其优异的性能（高光谱分辨率、高信噪比、成像几何畸变小）而成为扫描型技术中最成熟、应用最广泛的方案。

总而言之，高光谱相机的光学镜片应用是其技术灵魂的体现。扫描型通过精心设计的串行色散光路追求极致的光谱fidelity，其光学指标直接关联最终的定量化分析能力。而快照型则通过创新的并行编码或干涉光路，用光学设计的复杂性换取时间分辨率，其光学元件的微纳加工精度与系统装调稳定性是性能的关键。选择何种方案，根本取决于应用场景在时间动态性与数据精度之间的核心需求。