光学选修课结课论文：高光谱成像系统

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1、光学选修课结课论文：高光谱成像系统 高光谱成像系统 人眼是人类认识外部世界的重要器官，它给我们带了很多的方便。但是，它并非完美。有些它本身的局限，如它对外部世界的描述相当于一个积分器，是一个整体的感知。不能够对各波段光的分布情况显示。现实生活中，我们恰恰需要对某件物品或者某个整体进行光谱分析从而研究其各部分的理化性质。那么，多光谱成像仪和高光谱成像仪便应运而生。 多光谱成像技术和高光谱成像技术是有较大区别的。高光谱和多光谱实质上的差别就是：高光谱的波段较多，谱带较窄。多光谱相对波段较少。这里就浅显地介绍高光谱成像系统。 高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结

2、合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此，通过高光谱设备获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。 目前高光谱成像

3、技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。下面将分条介绍。 一、光栅分光原理。 在经典物理学中，光波穿过狭缝、小孔或者圆盘之类的障碍物时，不同波长的光会产生不同程度的弯散传播，再通过光栅进行衍射分光，形成一条条谱带。也就是说：空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据

4、采集。 经过狭缝的光由于不同波长照射到不同的探测器像元上，光能量很低，因此需要选择高灵敏相机，同时需要加光源。例如系统如下： 图（1）系统原理连接图。 二、声光可调谐滤波分光（AOTF）原理。 AOTF由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器在声光介质内激励出超声波。改变射频驱动信号的频率，可以改变AOTF衍射光的波长，从而实现电调谐波长的扫描。 最常用的AOTF晶体材料为TeO 即非共线晶体，也就是说光波通过晶体之后 2 以不同的出射角传播。如上图所示：在晶体前端有一个换能器，作用于不同的驱动频率，产生不同频率的振动即声波。不同的驱动频率对应于不同振动的声波，声波通过晶体

5、TeO 之后，使晶体中晶格产生了布拉格衍射，晶格更像一种 2 滤波器，使晶体只能通过一种波长的光。光进入晶体之后发生衍射，产生衍射光和零级光。 图（2）AOTF系统组成。 AOTF系统组成：成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector，入射光经过物镜会聚之后进入准平行镜（把所有的入射光变成平行光），准平行光进入偏振片通过同一方向的传播的光，平行光进入晶体之后，平行于光轴的光按照原来方向前行，非平行光进行衍射，分成两束相互垂直o光和e（入 射光的波长不同经过晶体之后的o光与e光的角度也不同，因此在改变波长的过程中，图像会出现漂移）；o光和e光及0级光分别会聚在不同的上。 如图所

6、示： 图（3）光谱分辨率和衍射效率 AOTF 设置示意图。 为了保证入射光经过准平行镜之后能够完全变化成平行光，因此对前端的物镜视场角有一定的要求，算出物镜最大的视场角，小于最大视场角的情况，成像较好，如果大于视场角，则会造成重影（衍射光与0级光都进入了sensor）；由于不同波长的光经过晶体之后衍射光与0级光的夹角也不同，因此为了能够保证更好的成像效果，在晶体的出光口加一个遮挡片，即遮挡0级光，避免与衍射光一起进入sensor，造成重影。 对聚光准直系统的优化有两个方面：提高光源的聚光效果和减小聚光准直系统的外形尺寸。 三、棱镜分光 入射光通过棱镜后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探测

7、器上进行成像。棱镜分光后，在棱镜的出射面镀了不同波段的滤光膜，使得不同方向的探测器可以采集到不同光谱信息，实现同时采集空间及光谱信息。 图（4）棱镜分光系统示意图 四、芯片镀膜 近年来，IMEC（欧洲微电子研究中心）采用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片 研制了一种新的高光谱成像技术，在探测器的像元上分别镀上不同波段的滤波膜实现高光谱成像，此技术大大降低了高光谱成像的成本。 目前IMEC提供三种标准的光谱探测器：100波带的线扫描探测器，32波带的瓷砖式镀膜探测器，16波带以4x4为一个波段的马赛克式镀膜探测器这种光谱技术的优点是可以同时获得光谱分辨率和空间分辨率，可以进行 快速、高性能地获得光

8、谱信息和空间信息，集成度高，成本低。但是缺点是光谱灵敏度较低，一般大于10nm，多用于无人机等大范围扫描的光谱应用领域。 图（5）光栅推扫成像系统示意图。 五、高光谱成像系统 系统主要由面阵相机、分光设备、光源、传输机构及计算机软硬件等五部分构成。光源是高光谱成像系统的一个重要部分，它为整个成像系统提供照明；分光设备是高光谱成像系统的核心元件之一，分光设备通过光学元件把宽波长的混合光分散为不同频率的单波长光，并把分散光投射到面阵相机上；相机是高光谱成像系统的另一个核心元件，光源产生的光与被检测对象作用后成为物理或化学信息的载体，然后通过分光元件投射到面阵相机；计算机软件和硬件用来控制高光谱成像

9、系统采集数据，针对特定的应用进行图像和光谱数据的处理与分析，同时还可以为高光谱图像提供存储空间。 图（5）高光谱成像系统示意图 我根据自己的理解，简要画出下面的原理图。 六、高光谱成像技术应用 食品安全 高光谱成像技术融合了传统的成像和光谱技术的优点,可以同时获取被检测物体的空间信息和光谱信息,因此该技术既可以像检测物体的外部品质,又可以物体 光源 光谱仪 透射光栅分光原件等 面阵相机 区域相机 CCD 计算机 进行光谱分析 推扫装置 像光谱技术一样检测物体的内部品质和品质安全。目前,已经有大量的基于高光谱成像技术检测水果和蔬菜品质与安全的研究性论文发表。 医学诊断 高光谱成像是一个新兴的,非

10、破坏性的,先进的光学技术,它具有光谱和成像的双重功能,这种双重功能使得高光谱成像能够同时提供实验对象的化学和物理特征,并具有良好的空间分辨率。高光谱成像作为一种特殊光学诊断技术,具有成像系统多样化、研究对象广泛化、临床诊断实用化和分析方法功能化等特征，具有原位实时活体诊断疾病(特别是肿瘤)的潜力,临床应用前景广阔,值得深入研究。 航天领域 根据目前公开的信息可以认为航天高光谱成像仪将进入新一轮发展。在仪器性能方面民用高光谱成像仪主要通过扩大幅宽提高灵敏度等措施来满足地球科学等应用需求；军用高光谱成像仪将在空间分辨率谱段覆盖和信息实时处理能力方面进一步发展。根据现有能力和水平国内发展空间分辨率3

11、0m左右幅宽大于60km的航天高光谱成像系统的条件已经基本具备，这样的技术指标已经能够满足矿产调查环境监测和农林估产等需求并具有一定的先进性。 七、自己的看法 高光谱技术，在未来还会有很大的应用前景。包括农业、军事、地理等方面。另外随着科学技术的不断进步，高光谱技术，还会有比较大的技术突破，应用的范围会更加广泛。并且它的工作会更趋向于智能化，更精确，更好地为人类服务。在高光谱遥感方面，其应用的优势更加凸显。森林情况监测（森林防火等）、地质探测（地形变化等）、环境质量监测。这样，我们的生活会更加方便，同时对于科学技术发展会有很大的推动。 图（6）橄榄树林的高光谱探测成像 图（7）地质勘探高光谱探测成像 最后，简单的谈一些，我对于视觉与光电成像这门研讨课的看法。初次接触这样的研讨课，我也说不出有什么不足的地方。其实总的来说，我对于这门课讲授的内容还是很满意的。首先，通过对这门课的学习，至少来说，我对于今后要学习的专业有了大致的了解。算是一个入门之前的启蒙吧。其次是，通过这门课，我也算是开阔了视野，增长了见识。老师中间带领我们去参观了中国科学院南京天光所、紫金天文台以及我们电光院的实验室。对一些前沿的光电仪器和系统有了一些了解，对科研前辈的工作精神感到很敬佩，有很大的收获。