详解快照高光谱成像仪

基于色散元件的高光谱成像仪需要扫描扫帚(点扫描)或推扫式(线扫描)来生成高光谱数据立方体。基于光谱滤波器的高光谱成像仪需要波长扫描(使用光谱滤波器)来生成高光谱数据立方体。快照高光谱成像仪在探测器阵列的单个积分时间内生成高光谱数据立方体。无需扫描。它包含专门的组件，可将场景的 3D 空间光谱信息分配到 2D 探测器阵列上。快照高光谱成像通常需要具有大量像素的二维探测器阵列。消除运动部件意味着可以避免运动伪影。

快照高光谱成像仪的设计和制造通常比扫描高光谱成像仪更复杂。快照高光谱成像仪利用最新技术，例如大尺寸探测器阵列、高速数据传输、先进的光学制造方法和精密光学器件。它通常可以提供比同等扫描仪器更高的光收集效率。然而，只有根据特定应用(例如专业天文社区)定制设计才能充分受益于这一优势。快照技术在天文学界流行的主要原因之一是它在执行高光谱成像时大大增加了望远镜的光收集能力。

有以下五种流行的快照光谱成像技术： 

①多孔滤光相机(MAFC)

②编码孔径快照光谱成像仪(CASSI)

③图像映射光谱测定法 (IMS)

④快照高光谱成像傅里叶变换光谱仪 (SHIFT)

⑤OCPF

MAFC 由成像元件阵列(例如单片小透镜阵列)组成，探测器阵列的每个元件上放置不同的滤光片以收集所需的光谱带。就小透镜阵列和光谱滤波器的位置而言，通常存在三种不同的实施版本。在实施方式1中，小透镜阵列放置在物镜的焦平面处，并且检测器阵列位于由小透镜阵列成像的光瞳平面处。每个小透镜后面的图像是经过滤波器阵列滤波并由小透镜上场景的平均光谱分布调制的图像。这种实现的优点是能够使用多种物镜，以便变焦、重新聚焦。在另外两个实施版本中，小透镜阵列位于准直透镜之后，而滤光器阵列在光谱分量进入检测器阵列之前位于小透镜阵列之前或小透镜阵列之后。

图 1描述了 MAFC 快照高光谱成像仪的概念。在这种情况下，小透镜阵列位于准直透镜之后，滤光器阵列位于小透镜阵列的后面。与探测器阵列具有相同尺寸的2-D LVF被放置在探测器阵列的前面，以将场景的输入辐射光分离成与小透镜阵列相对应的不同光谱带图像。图中，总共同时生成了场景的25个不同光谱带图像。这些波段图像覆盖 420 至 660 nm 的波长范围，光谱带宽为 10 nm。通过按波长顺序组织这些波段图像，形成高光谱数据立方体。

图 1.快照高光谱成像仪概念的图示

CASSI 是通过用更宽的视场光阑取代色散光谱仪的入口狭缝而形成的。二进制编码掩模(例如，S矩阵图案或行加倍Hadamard矩阵)被插入视场光阑内部。掩模在狭缝内的每一列处创建传输图案，使得每一列的传输码与每隔列的传输码正交。编码光通过视场光阑内的编码掩模传输，然后穿过准直透镜、色散器、透镜，最后到达标准光谱仪的检测器阵列。由于编码掩模的列是正交的，因此当它们被分散器涂抹在一起并在检测器阵列上复用时，它们可以在后处理期间被解复用。

基于 IMS 的快照光谱成像仪使用放置在图像平面上的微面镜阵列。这些镜面共享相同的倾斜角，以便图像的多个切片被映射到每个单独的光瞳平面。在探测器阵列上成像的结果图案类似于穿过尖桩篱栅的场景。如果成像器系统中有p(例如，p =9)个单独的光瞳，则生成p个子图像。组装所有p个子图像，获得高光谱数据立方体。IMS 方法允许每个光瞳在多个镜面之间共享;系统设计变得更加紧凑，并允许更高的空间分辨率。

第一个基于IMS的快照光谱成像仪(当时称为图像切片光谱仪)已经被报道。演示的原型可以同时采集 25 个光谱带图像，光谱范围为 140 nm，荧光光谱的光谱带宽为 5.6 nm。使用电荷耦合器件(CCD)阵列生成的高光谱数据立方体的大小为100像素×100像素×25个光谱带。两年后，数据立方体大小增加到350×350×46 。基于IMS的快照光谱成像技术已应用于遥感应用，例如植被监测、城市发展和闪电观测等。德怀特等人。 报道了与 NASA 团队合作的用于无人机 (UAV) 高光谱成像的紧凑型快照图像映射光谱仪 (SNAP-IMS)。SNAP-IMS 仪器的 FOV 为 10.6°，瞬时 FOV (IFOV) 为 0.03°。它可以获取尺寸为 350 × 400 × 55 ( x , y , λ)在单个相机帧内。同时采集这 55 个光谱带，覆盖可见光谱区 470 至 670 nm 的波长范围。该波长范围仅受探测器阵列、带通滤波器和色散光学器件的选择的限制。高光谱数据立方体可以在 1/500–1/100 秒内采集，消除与平台运动相关的运动伪影。该仪器体积非常小，为28.8厘米×15.3厘米×16.3厘米，质量为3.6公斤。它已与八旋翼无人机集成。由于没有机械扫描组件，有效负载的功耗很小。该电源专用于 CCD 帧采集。较小的体积和质量以及较低的功耗可以让较小的无人机提供更长和更高的飞行。

SHIFT 在时域中执行频谱测量。它使用傅里叶域方法分离光谱，无需任何光谱滤波器。它基于小透镜阵列后面的双折射偏振干涉仪。干涉仪包含一对诺马斯基棱镜 NP1 和 NP2，每个棱镜由两个楔角为α的双折射晶体棱镜组成。NP1和NP2之间还有一个半波片。N × M小透镜阵列通过生成偏振器、一对诺马斯基棱镜和分析偏振器对场景进行成像。因此，在探测器阵列上形成N × M个子图像。小角度旋转干涉仪相对于探测器阵列的δ使得每个子图像能够暴露于不同的OPD。因此，可以通过顺序提取每一幅子图像来组装 3D 干涉图立方体。沿着干涉图立方体的 OPD 轴进行傅里叶变换，可以重建 3D 数据立方体。这种基于棱镜的设计可以减小体积并提高抗振动鲁棒性。

比利时 IMEC 报道了一种基于 OCFPF 的快照高光谱成像仪。关键概念是使用法布里-珀罗滤波器，该滤波器直接在 CMOS 探测器阵列顶部的晶圆级进行后处理。它简单地由以下三部分组成。

形成场景图像的前置光学器件(例如物镜或望远镜)。

将场景复制到每个滤镜块上的光学子系统。

以平铺配置组织的滤光片阵列，单片集成在 CMOS 探测器阵列的顶部，其中每个滤光片设计用于仅感测一个窄带波长。

图 2显示了以平铺配置单片集成在 CMOS 探测器阵列顶部的法布里-珀罗滤波器的布局。有 4 × 8 = 32 个瓦片，波长范围为 557–920 nm。每个图块包含 256 × 256 个像素，用于窄(FWHM = ∼10–15 nm)波长带，如图块中所示。这些由场景图块中的滤波器选择的同时采集的光谱带可以轻松地重建为大小为 256 × 256 × 32 ( x , y , λ )的数据立方体。采集速度可达每秒340个数据立方体。

图 2.Fabry-Pérot 滤波器以平铺配置单片集成在 CMOS 探测器阵列顶部，用于快照高光谱成像。每个图块包含 256 × 256 个像素，用于窄 (10–15 nm) 波长带，如图块中所示