光學(xué)選修課結(jié)課論文：高光譜成像系統(tǒng)

1、高光譜成像系統(tǒng)人眼是人類認(rèn)識外部世界的重要器官，它給我們帶了很多的方便。但是，它并非完美。有些它本身的局限，如它對外部世界的描述相當(dāng)于一個積分器，是一個整體的感知。不能夠?qū)Ω鞑ǘ喂獾姆植记闆r顯示?，F(xiàn)實生活中，我們恰恰需要對某件物品或者某個整體進(jìn)行光譜分析從而研究其各部分的理化性質(zhì)。那么，多光譜成像儀和高光譜成像儀便應(yīng)運而生。多光譜成像技術(shù)和高光譜成像技術(shù)是有較大區(qū)別的。高光譜和多光譜實質(zhì)上的差別就是：高光譜的波段較多，譜帶較窄。多光譜相對波段較少。這里就淺顯地介紹高光譜成像系統(tǒng)。高光譜成像技術(shù)是基于非常多窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù)，它將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合，探測目標(biāo)的二維幾何空間及一維光譜信息，

2、獲取高光譜分辨率的連續(xù)、窄波段的圖像數(shù)據(jù)。所謂高光譜圖像就是在光譜維度上進(jìn)行了細(xì)致的分割，不僅僅是傳統(tǒng)所謂的黑、白或者R、G、B的區(qū)別，而是在光譜維度上也有N個通道，例如：我們可以把400nm-1000nm分為300個通道。因此，通過高光譜設(shè)備獲取到的是一個數(shù)據(jù)立方，不僅有圖像的信息，并且在光譜維度上進(jìn)行展開，結(jié)果不僅可以獲得圖像上每個點的光譜數(shù)據(jù)，還可以獲得任一個譜段的影像信息。高光譜成像技術(shù)是基于非常多窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù)，它將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合，探測目標(biāo)的二維幾何空間及一維光譜信息，獲取高光譜分辨率的連續(xù)、窄波段的圖像數(shù)據(jù)。目前高光譜成像技術(shù)發(fā)展迅速，常見的包括光柵分光、聲光可調(diào)諧

3、濾波分光、棱鏡分光、芯片鍍膜等。下面將分條介紹。一、光柵分光原理。在經(jīng)典物理學(xué)中，光波穿過狹縫、小孔或者圓盤之類的障礙物時，不同波長的光會產(chǎn)生不同程度的彎散傳播，再通過光柵進(jìn)行衍射分光，形成一條條譜帶。也就是說：空間中的一維信息通過鏡頭和狹縫后，不同波長的光按照不同程度的彎散傳播，這一維圖像上的每個點，再通過光柵進(jìn)行衍射分光，形成一個譜帶，照射到探測器上，探測器上的每個像素位置和強(qiáng)度表征光譜和強(qiáng)度。一個點對應(yīng)一個譜段，一條線就對應(yīng)一個譜面，因此探測器每次成像是空間一條線上的光譜信息，為了獲得空間二維圖像再通過機(jī)械推掃，完成整個平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過狹縫的光由于不同波長照射到不同的探測器

4、像元上，光能量很低，因此需要選擇高靈敏相機(jī)，同時需要加光源。例如系統(tǒng)如下：圖（1）系統(tǒng)原理連接圖。二、聲光可調(diào)諧濾波分光（AOTF）原理。AOTF由聲光介質(zhì)、換能器和聲終端三部分組成。射頻驅(qū)動信號通過換能器在聲光介質(zhì)內(nèi)激勵出超聲波。改變射頻驅(qū)動信號的頻率，可以改變AOTF衍射光的波長，從而實現(xiàn)電調(diào)諧波長的掃描。最常用的AOTF晶體材料為TeO即非共線晶體，也就是說光波通過晶體之后2以不同的出射角傳播。如上圖所示：在晶體前端有一個換能器，作用于不同的驅(qū)動頻率，產(chǎn)生不同頻率的振動即聲波。不同的驅(qū)動頻率對應(yīng)于不同振動的聲波，聲波通過晶體TeO之后，使晶體中晶格產(chǎn)生了布拉格衍射，晶格更像一種2濾波器，

5、使晶體只能通過一種波長的光。光進(jìn)入晶體之后發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射光和零級光。圖（2）AOTF系統(tǒng)組成。AOTF系統(tǒng)組成：成像物鏡+準(zhǔn)直鏡+偏振片+晶體+偏振片+物鏡+detector，入射光經(jīng)過物鏡會聚之后進(jìn)入準(zhǔn)平行鏡（把所有的入射光變成平行光），準(zhǔn)平行光進(jìn)入偏振片通過同一方向的傳播的光，平行光進(jìn)入晶體之后，平行于光軸的光按照原來方向前行，非平行光進(jìn)行衍射，分成兩束相互垂直o光和e（入射光的波長不同經(jīng)過晶體之后的o光與e光的角度也不同，因此在改變波長的過程中，圖像會出現(xiàn)漂移）；。光和e光及0級光分別會聚在不同的上。如圖所示：SpectralResolutionandDiffractionEffic

6、iencyAOTFSet-UpDetectorLaser-Mi4AOTF圖（3）光譜分辨率和衍射效率AOTF設(shè)置示意圖。為了保證入射光經(jīng)過準(zhǔn)平行鏡之后能夠完全變化成平行光，因此對前端的物鏡視場角有一定的要求，算出物鏡最大的視場角，小于最大視場角的情況，成像較好，如果大于視場角，則會造成重影（衍射光與0級光都進(jìn)入了sensor）；由于不同波長的光經(jīng)過晶體之后衍射光與0級光的夾角也不同，因此為了能夠保證更好的成像效果，在晶體的出光口加一個遮擋片，即遮擋0級光，避免與衍射光一起進(jìn)入sensor，造成重影。對聚光準(zhǔn)直系統(tǒng)的優(yōu)化有兩個方面：提高光源的聚光效果和減小聚光準(zhǔn)直系統(tǒng)的外形尺寸。三、棱鏡分光入射

7、光通過棱鏡后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探測器上進(jìn)行成像。棱鏡分光后，在棱鏡的出射面鍍了不同波段的濾光膜，使得不同方向的探測器可以采集到不同光譜信息，實現(xiàn)同時采集空間及光譜信息。圖（4）棱鏡分光系統(tǒng)示意圖四、芯片鍍膜近年來，IMEC(歐洲微電子研究中心)采用高靈敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一種新的高光譜成像技術(shù)，在探測器的像元上分別鍍上不同波段的濾波膜實現(xiàn)高光譜成像，此技術(shù)大大降低了高光譜成像的成本。目前IMEC提供三種標(biāo)準(zhǔn)的光譜探測器：100波帶的線掃描探測器，32波帶的瓷磚式鍍膜探測器，16波帶以4x4為一個波段的馬賽克式鍍膜探測器這種光譜技術(shù)的優(yōu)點是可以同時獲得光譜分辨率

8、和空間分辨率，可以進(jìn)行快速、高性能地獲得光譜信息和空間信息，集成度高，成本低。但是缺點是光譜靈敏度較低，一般大于10nm，多用于無人機(jī)等大范圍掃描的光譜應(yīng)用領(lǐng)域。光柵推掃成像系統(tǒng)系統(tǒng)原理接連圖系域連接實物圖匕一醫(yī)網(wǎng)納圖(5)光柵推掃成像系統(tǒng)示意圖。五、高光譜成像系統(tǒng)系統(tǒng)主要由面陣相機(jī)、分光設(shè)備、光源、傳輸機(jī)構(gòu)及計算機(jī)軟硬件等五部分構(gòu)成。光源是高光譜成像系統(tǒng)的一個重要部分，它為整個成像系統(tǒng)提供照明；分光設(shè)備是高光譜成像系統(tǒng)的核心元件之一，分光設(shè)備通過光學(xué)元件把寬波長的混合光分散為不同頻率的單波長光，并把分散光投射到面陣相機(jī)上；相機(jī)是高光譜成像系統(tǒng)的另一個核心元件，光源產(chǎn)生的光與被檢測對象作用后成

9、為物理或化學(xué)信息的載體，然后通過分光元件投射到面陣相機(jī)；計算機(jī)軟件和硬件用來控制高光譜成像系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，針對特定的應(yīng)用進(jìn)行圖像和光譜數(shù)據(jù)的處理與分析，同時還可以為高光譜圖像提供存儲空間。計算機(jī)-+進(jìn)行光譜分析1-CCD面陣相機(jī)區(qū)域相機(jī)我根據(jù)自己的理解，簡要畫出下面的原理圖。推掃裝置一光譜儀.-透射光柵分光原件等物體光源六、高光譜成像技術(shù)應(yīng)用食品安全高光譜成像技術(shù)融合了傳統(tǒng)的成像和光譜技術(shù)的優(yōu)點,可以同時獲取被檢測物體的空間信息和光譜信息,因此該技術(shù)既可以像檢測物體的外部品質(zhì),又可以像光譜技術(shù)一樣檢測物體的內(nèi)部品質(zhì)和品質(zhì)安全。目前,已經(jīng)有大量的基于高光譜成像技術(shù)檢測水果和蔬菜品質(zhì)與安全的研究性論

10、文發(fā)表。醫(yī)學(xué)診斷高光譜成像是一個新興的,非破壞性的,先進(jìn)的光學(xué)技術(shù),它具有光譜和成像的雙重功能,這種雙重功能使得高光譜成像能夠同時提供實驗對象的化學(xué)和物理特征,并具有良好的空間分辨率。高光譜成像作為一種特殊光學(xué)診斷技術(shù),具有成像系統(tǒng)多樣化、研究對象廣泛化、臨床診斷實用化和分析方法功能化等特征，具有原位實時活體診斷疾病（特別是腫瘤）的潛力,臨床應(yīng)用前景廣闊,值得深入研究。航天領(lǐng)域根據(jù)目前公開的信息可以認(rèn)為航天高光譜成像儀將進(jìn)入新一輪發(fā)展。在儀器性能方面民用高光譜成像儀主要通過擴(kuò)大幅寬提高靈敏度等措施來滿足地球科學(xué)等應(yīng)用需求；軍用高光譜成像儀將在空間分辨率譜段覆蓋和信息實時處理能力方面進(jìn)一步發(fā)展。

11、根據(jù)現(xiàn)有能力和水平國內(nèi)發(fā)展空間分辨率30m左右幅寬大于60km的航天高光譜成像系統(tǒng)的條件已經(jīng)基本具備，這樣的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)能夠滿足礦產(chǎn)調(diào)查環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)林估產(chǎn)等需求并具有一定的先進(jìn)性。七、自己的看法高光譜技術(shù)，在未來還會有很大的應(yīng)用前景。包括農(nóng)業(yè)、軍事、地理等方面。另外隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高光譜技術(shù)，還會有比較大的技術(shù)突破，應(yīng)用的范圍會更加廣泛。并且它的工作會更趨向于智能化，更精確，更好地為人類服務(wù)。在高光譜遙感方面，其應(yīng)用的優(yōu)勢更加凸顯。森林情況監(jiān)測（森林防火等）、地質(zhì)探測（地形變化等）、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測。這樣，我們的生活會更加方便，同時對于科學(xué)技術(shù)發(fā)展會有很大的推動。撤欖樹林的高光譜探測成像圖（6）橄欖樹林的高光譜探測成像圖（7）地質(zhì)勘探高光譜探測成像最后，簡單的談一些，我對于視覺與光電成像這門研討課的看法。初次接觸這樣的研討課，我也說不出有什么不足的地方。其實總的來說