高光譜主流技術類型分析
發(fā)布時間:2023-10-13
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目前高光譜成像技術發(fā)展迅速,主流常見的包括光柵分光、聲光可調諧濾波分光AOTF、液晶光學濾波LCTF、棱鏡分光、芯片鍍膜、法珀腔MEMS芯片等。
目前高光譜成像技術發(fā)展迅速,主流常見的包括光柵分光、聲光可調諧濾波分光AOTF、液晶光學濾波LCTF、棱鏡分光、芯片鍍膜、法珀腔MEMS芯片等。下面簡單介紹現(xiàn)基本原理和差異:
光柵分光
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度表征光譜和強度。一個點對應一個譜段,一條線就對應一個譜面,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械推掃,完成整個平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。
棱鏡分光
入射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。
由于系統(tǒng)是基于單個分立器件的,為了保證空間分辨率和光譜分辨率,必須引入物鏡、光闌、準直器、各類透鏡等光學器件,同時必須考慮各種器件之間的聚焦、準直問題,這就導致傳統(tǒng)的系統(tǒng)復雜度很高、體積較大、成本頗高、應用范圍受到極大限制。針對不同應用要求的修改,系統(tǒng)再設計復雜度非常高。目前市場上主要這類系統(tǒng)多為面向科研及大型檢測單位應用。
聲光可調諧濾波分光(AOTF)
AOTF由聲光介質、換能器和聲終端三部分組成。射頻驅動信號通過換能器在聲光介質內(nèi)激勵出超聲波。改變射頻驅動信號的頻率,可以改變AOTF衍射光的波長,從而實現(xiàn)電調諧波長的掃描。
AOTF系統(tǒng)組成:成像物鏡+準直鏡+偏振片+晶體+偏振片+物鏡+detector,為了保證入射光經(jīng)過準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。本技術的缺陷是無法做大尺寸,目前可看到的只是單點的光譜儀。
液晶光學濾波(LCTF)
LCTF濾光型光譜成像技術特征是:施加不同的電壓,調節(jié)雙折射液晶造成的相位差,從而使不同波長的光發(fā)生干涉,實現(xiàn)對不同波長的連續(xù)可調性掃描。基本結構如下:
LCTF的液晶對外界的環(huán)境溫度非常敏感,造成溫漂,使檢測結果不準,另外的缺陷就是成本高,無法降低,至今從研究成果和已推出市場的產(chǎn)品看,技術路線不是太樂觀。
芯片鍍膜
歐洲微電子研究中心IMEC在這方面投入了大量的研究,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,在探測器的像元上分別鍍不同波段的濾波膜實現(xiàn)高光譜成像。如圖所示
該方式在CMOS表面鍍膜,對應帶來的限制空間解析度較多低,要求每個鍍膜高度一致性,那么芯片生產(chǎn)工藝要求高,對批量生產(chǎn)有很大挑戰(zhàn)。也因為無法全光譜連續(xù)可調,在應用場景不靈活,會有一定的限制,一般可作定性。
法珀腔MEMS芯片
法布里-珀羅干涉儀簡稱FPI或法珀腔,是一種由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀。特性為當入射光的頻率滿足其共振條件時,其透射頻譜會出現(xiàn)很高的峰值,對應著很高的透射率。
基于法布里珀羅腔體原理設計,結合MEMS芯片微加工工藝及成熟的圖像傳感器技術實現(xiàn)的高光譜成像,能快速實現(xiàn)寬光譜輸入,特定光譜選通輸出,完成不同光譜圖像信息采集。此種方式與現(xiàn)有器件產(chǎn)業(yè)鏈及模組工藝很好地結合,同時擁有這種MEMS器件尺寸極小、性價比高的優(yōu)點,適合大批量生產(chǎn)。當然這種方式目前全世界只有個別的研究所和公司在研究,技術門檻高。
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