高光谱成像技术的原理——滤光型

高光谱成像数据包括2D空间信息和1D光谱信息根据。根据光谱分光方式的不同，光谱成像技术主要分为色散型、滤光型、干涉型等，成像原理也不一样。本文主要介绍了滤光型高光谱成像技术的原理。

传统的滤光型光谱成像技术是在宽波段成像光路中，增加带有窄带滤光片的切换机构，每次一个窄带滤光片切入光路，并得到该波段窄带空间图像，各个窄带滤光片先后切人光路，获得完整的光谱数据立方体，常用于多光谱成像。

可调谐滤光型光谱成像技术就是在这种方式的基础上发展而来，通过可自由调谐的滤光器件，实现每个瞬态得到一个窄带图像，常见的可调谐滤波方式有声光可调谐滤光型（Acousto-optic Tunable Filter，AOTF）、液晶可调谐滤光型（Liquid Crystal Tunable Fil-ter，LCTF）、电光可调谐滤光型、Fabry-Perot可调谐滤光型等。

1. 声光可调谐滤光型

AOTF有共线型和非共线型两类。在声光晶体介质中，共线型AOTF 人射光、衍射光、声波的传播方向相同「8]，而非共线性型AOTF人射光、衍射光、声波的传播方向不同”。尽管共线型AOTF具有人射角孔径大和分辨率高的优点，但是符合共线条件的声光晶体不多，并且共线型AOTF的结构比较复杂，因此限制了共线型声光可调谐滤波器的应用和发展。

声光可调滤光器是根据各向异性声光晶体介质中的反常布拉格（Bragg）衍射的原理研究制作而成的一种新型的分光元件，如图所示，主要由可调谐射频源、压电超声换能器、声光晶体、压电超声换能器和吸声体组成。可调谐射频源给压电超声换能器提供频率可调的高频电信号激励。压电超声换能器利用压电晶体的逆压电效应，接收高频驱动电信号，在交流电场的作用下，通过机械振动把电信号转换成同频率的超声波，并传入声光晶体中。

声光晶体是声光可调滤光器的核心，是光波和声波相互作用的场所，当满足布拉格衍射条件时，人射光会产生布拉格衍射，对于一定的超声波频率，只有一定的光波长才会发生衍射，改变超声波的频率就能改变衍射光的波长。声光晶体一般采用具有较高的声光品质因素和较低声衰减的双折射晶体，光谱成像中常用的声光晶体有Te0z。吸声体吸收通过晶体后的声波，防止反射回去的声波与入射时的声波和光波产生相互作用。

根据声光滤光器原理，非共线型AOTF 的调谐关系为

式中：λ1为衍射光波长；va为超声声速；△n为双折射引起的折射率差；fa为超声波频率；Θi，为入射光与晶体光轴的夹角。

通过式（2）可知：

①电信号的频率f。控制超声波频率f；

②一个超声波频率f对应一个衍射光波长入，当f发生变化时，入。必将随之相应地改变；

③改变电信号的频率f。可快速选择衍射光的波长A。；

④如果离散步进地调谐超声波频率f，则可获得一定波段范围内的光谱数据立方体。

与棱镜、光栅色散型光谱成像技术相比，声光调制型光谱成像技术特点是：

①体积小、重量轻、全固态无移动部件；

②电调谐易于快速实现波长任意切换或连续扫描，时间分辨率高，16000 波长点/s；

③利用反常布拉格衍射，衍射效率高，适用于作为光谱分析仪器AOFF实际应用：2003年，ESA 发射的火星探测器及2004年“勇气号”和“机遇号”均采用 Brimrose公司的微型AOTF近红外光谱成像仪。

2. 液晶可调谐滤光型

液晶可调谐滤光片 LCTF是利用液晶电控双折射效应制成的新型分光器件。LCTF 由多个Lyot波片单元级联构成，单组Lyot波片如图所示，由偏振片、液晶、石英构成相位延迟片。

当一束线偏振光通过液晶时，对于波长为入的光，其0光和e光的相位差为

（3）式中：d为液晶层厚度；Δn为液晶对波长；光的双折射率，它取决于波长λ、温度T和电压V

（4）式中：Δn（T，λ；）为温度T、波长λ；、电压V=0时液晶的双折射率；f（V）为液晶双折射率随电压变化的函数。偏振光经检偏后，将发生干涉，其透过率为

（5）由式（5）可知，调节电压使得液晶的双折射率发生变化，从而导致光谱透过率发生变化。在单组Lyot波片中，0光和e光产生的光程差为通过液晶和通过石英产生的光程差。在级联结构中，每组Lyot单元的光程差是前一组Lyot单元光程差的两倍。经过六级调制后，LCTF能够获得窄带滤光片的效果。

LCTF 滤光型光谱成像技术的特征是：施加不同的电压，调节双折射液晶造成的相位差，从而使不同波长的光发生干涉，实现对不同波长的连续可调性扫描；优点是：无移动部件、孔径大、视场角大，采用电控可实现连续可调谐。但LCTF 采用偏振片进行起偏、检偏，使得光能利用率低，探测器需采用低照度宽波段探测器，或像增强器，不利于目标探测识别，限制了实际应用。