高光谱相机：光栅、干涉与滤光片型

高光谱相机，也被称为高光谱成像光谱仪，是一种综合了光谱采集和目标成像的探测设备。通过利用成像光谱技术，它能够在连续光谱波段上对同一目标进行光谱成像，从而实现对目标的空间、辐射和光谱三重信息的综合分析，极大地提升了目标观测的信息维度。

高光谱相机根据分光原理的不同可以分为三类：色散型、干涉型和滤光片型。其中，色散型高光谱相机具有成本低廉、光谱分辨率高以及能够同时对所有波长进行成像等特点，但同一时刻只能获得一条线的影像。色散型高光谱相机通常利用色散元件（如光栅或棱镜）进行分光，然后通过成像系统将分光后的光线投射到探测器上。下图展示了光栅色散型高光谱相机的具体工作原理。

如果我们要对图中的树叶进行高光谱数据的测量，首先需要通过入射光在光栅面上的反射来分解入射光在不同波长处的能量分布，为了实现这一过程，我们需要使用反射光栅或透射光栅来对光线进行分光。

这种测量方法的优势在于可以一次性处理一条线上的所有点。对于每一个点，我们可以测量其不同波长处的能量。因此，大多数光栅型的高光谱相机都设计成线扫描相机，以便一次获取一条线上每一点的所有波长的光谱数据。由于每一点的不同波长处的光谱数据是同时获取的，我们可以对这些数据进行同时计算。这是光栅型高光谱相机非常重要的一个特性。

光栅型的高光谱相机特别适用于颜色测量、水果分类和品质评估、糖度检测以及塑料垃圾回收中塑料的分类等领域。这些应用都需要对每个点的多个波长数据进行同时运算，以得出所需的结果。

如果我们希望获得一张完整的高光谱数据图像，而不仅仅是一条线的高光谱数据，我们需要使线扫描高光谱相机与树叶之间产生相对移动，通过类似扫描仪的方式扫描过去，就可以获取整株树叶的高清光谱数据了。

目前，光栅色散型高光谱相机是所有手段中分光能力最强、光谱分辨率最高、性价比最高且应用最广泛的高光谱相机类型。2020年以前，一台国外生产的高光谱相机的价格约为40万~50万人民币。然而，现在杭州彩谱生产的高光谱相机在国内的售价已经低于10万元，因此具有非常高的性价比。目前已经在颜色测量、水果分类和品质测量等领域得到了广泛应用，尤其是在糖酸度检测和塑料垃圾回收方面。

干涉型高光谱相机主要是利用干涉图与光谱图之间的对应关系，通过使用干涉仪来测量谱线元的干涉强度，并对干涉图进行逆傅里叶变换，以获得目标的光谱图。具体原理如图所示：

高光谱相机的特点之一是价格昂贵，但其光谱分辨率较高，它能在一个时刻对整幅图像成像一个波长，但无法同时成像所有波长。

干涉型高光谱相机具有独特的特性，它能够在特定波长下同时获得整张图像的光谱数据。然而，要获取其他波长处的光谱数据，需要移动内部的棱镜，并在另一个时刻获得整张图像的其他波长处的数据。

这种特性非常重要，目前国外已经有人研发了基于相同原理的高光谱相机，并且价格并不昂贵。他们使用法布里波罗腔（FPI）作为分光器件。

这种原理的高光谱相机在实际应用中存在一些明显的劣势。

举例来说，如果我们想从一堆塑料中挑选出所需的塑料，最简单的方法是拍摄一张高光谱图像，然后比较图像中每个点的光谱谱线，以确定它们属于哪种塑料。

如果使用光栅型高光谱相机进行线扫描成像，由于图像中的每个点都能同时获取所有波长处的光谱数据，因此可以对每个点的整个光谱曲线进行分析。

如果使用干涉型高光谱相机，例如它只能在特定时刻获取整张图像在600纳米处的光谱数据，需要移动透镜（经过一段时间）后才能获取700纳米处的光谱图像。但是600纳米和700纳米并不是在同一时刻拍摄的，因此在透镜移动期间，照射光源的光强和光谱可能发生变化。因此在这种情况下，比较600纳米和700纳米处的数据受到照射光源的光强和光谱的影响，就失去了意义。

如果应用中不需要比较和运算不同波长处的数据，那么干涉型光谱相机仍然是一个非常好的选择。然而，大多数应用都需要对一个点的多个波长处的数据进行比较和运算，这极大地限制了其应用范围。

由于我在学习过程中专注于滤光片型高光谱相机，因此对此有很多要分享的观点。

滤光片型高光谱相机的原理是在普通相机前安装一个滤光片，就像我们戴墨镜一样。如果这个滤光片的带宽或允许通过的光谱范围足够窄，就可以对该波长范围内的光线进行光谱测量。

该类型相机的特点包括价格低廉和较低的光谱分辨率，它可以在每个时刻对整幅图像成像一个波长，而无法同时成像所有波长。

由于当前的滤光片技术，普通的窄带滤光片可以实现10到20纳米的光谱半波宽，实际允许通过的光的光谱范围为30-60纳米。因此，滤光片型高光谱相机的光谱分辨率很难达到非常高的水平。如图所示。

尽管目前通过计算成像方法可以实现较高的光谱分辨率，但会带来能量线性问题，稍后会详细讨论。

根据滤光片的不同应用方式给传感器戴上"墨镜"，滤光片型高光谱相机可可以进一步细分为：

旋转滤光片型

滤光片轮高光谱相机采用滤光片轮作为分光元件，通过转动滤光片轮实现不同波段的光谱成像。滤光片轮由一组具有不同波长透过率的窄带滤光片固定在轮式结构上，每次曝光使用一个滤光片。通过控制滤光片轮的旋转速度，使其与传感器采样频率同步，以确保每个滤光片对应的谱段都能在传感器上成像。

这种高光谱相机具有以下优点：

1.可以根据观测波段的不同，轻松更换相应谱段范围的滤光片轮。

2.光路结构简单，使得谱段更换变得灵活方便。

也存在一些缺点：

1.由于光谱通道之间的切换依赖于轮式结构的转动，旋转结构带来的振动对成像质量有明显的影响。

2.成像所需的曝光时间较长。

3.单次曝光只能获得指定光谱范围的图像，导致光谱响应曲线是离散的，无法获取连续谱段的图像，这存在实时性的问题。

滤光片轮上各个滤光片的共面情况和厚度均匀性会对成像质量产生模糊等负面影响。随着光谱成像技术的进步，探测波段数量不断增加，传统的滤光片轮已经无法满足宽谱段高分辨率观测的需求，因此越来越多地应用于多光谱探测领域。需要注意的是，目前所谓的多光谱相机基本上都是基于这一原理实现的。