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光谱仪综述


光谱仪综述
一、光谱的概念
光谱(spectrum) 是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,被色 散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案,全称为光学频谱。光 谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分,在这个波长范围 内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜 色,譬如褐色和粉红色。 光波是由原子运动过程中的

电子产生的。各种物质的原子内部电子的运动 情况不同,所以它们发射的光波也不同。研究不同物质的发光和吸收光的情况, 有重要的理论和实际意义,已成为一门专门的学科——光谱学。1666 年,牛顿 把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱,他发现白 光是由各种颜色的光组成的。这可算是最早对光谱的研究。其后一直到 1802 年, 渥拉斯顿观察到了光谱线,其后在 1814 年夫琅和费也独立地发现它。牛顿之所 以没有能观察到光谱线,是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。在 1814~1815 年之间,夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线,并以字母来命 名,其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。 实用光谱学是由基尔霍夫与本生在 19 世纪 60 年代发展起来的,他们证明 光谱学可以用作定性化学分析的新方法,并利用这种方法发现了几种当时还未 知的元素,并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。从 19 世纪中叶起,氢 原子光谱一直是光谱学研究的重要课题之一。在试图说明氢原子光谱的过程中, 所得到的各项成就对量子力学法则的建立起了很大促进作用。这些法则不仅能 够应用于氢原子,也能应用于其他原子、分子和凝聚态物质。 氢原子光谱中最强的一条谱线是 1853 年由瑞典物理学家埃斯特朗探测出来 的。此后的 20 年,在星体的光谱中观测到了更多的氢原子谱线。1885 年,从 事天文测量的瑞士科学家巴耳末找到一个经验公式来说明已知的氢原子谱线的 位置,此后便把这一组线称为巴耳末系。继巴耳末的成就之后,1889 年,瑞典 光谱学家里德伯发现了许多元素的线状光谱系,其中最为明显的为碱金属原子 的光谱系,它们也都能满足一个简单的公式。尽管氢原子光谱线的波长的表示 式十分简单,不过当时对其起因却茫然不知。一直到 1913 年,玻尔才对它作出

了明确的解释。但玻尔理论并不能解释所观测到的原子光谱的各种特征,即使 对于氢原子光谱的进一步的解释也遇到了困难。 能够满意地解释光谱线的成因的是 20 世纪发展起来的量子力学。电子不仅 具有轨道角动量,而且还具有自旋角动量。这两种角动量的结合便成功地解释 了光谱线的分裂现象。电子自旋的概念首先是在 1925 年由乌伦贝克和古兹密特 作为假设而引入的,以便解释碱金属原子光谱的测量结果。在狄拉克的相对论 性量子力学中,电子自旋(包括质子自旋与中子自旋)的概念有了牢固的理论基 础,它成了基本方程的自然结果而不是作为一种特别的假设了。 1896 年,塞曼把光源放在磁场中来观察磁场对光三重线,发现这些谱线都 是偏振的。这种现象称为塞曼效应。次年,洛伦兹对于这个效应作了满意的解 释。塞曼效应不仅在理论上具有重要意义,而且在应用中也是重要的。在复杂 光谱的分类中,塞曼效应是一种很有用的方法,它有效地帮助了人们对于复杂 光谱的理解。为了更加方便地检测光谱信息,光谱仪应由而生。 二、光谱仪的分类 为了检测光谱信息,光谱仪应由而生,它能将复杂光分离成光谱。光谱仪 的种类很多,分类方法也很多,根据光谱仪所采用的分解光谱的原理,可以将 其分成两大类:经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪是建立在空间色散(分 光)原理上的仪器;新型光谱仪是建立在调制原理上的仪器,故又称为调制光 谱仪。 经典光谱仪依据其色散原理可将仪器分为:棱镜光谱仪、衍射光栅光谱 仪、干涉光谱仪。根据接收和记录光谱的方法不同,光谱仪可分为:看谱仪、 摄谱仪、光电光谱仪(光电直读光谱仪、光电单色仪、分光光度计)。根据光 谱仪器所能正常工作的光谱范围,光谱仪可分为:真空紫外(远紫外)光谱仪、 紫外光谱仪、可见光光谱仪、近红外光谱仪、红外光谱仪、远红外光谱仪。 根 据仪器的功能及结构特点,光谱仪可分为下列类型: 1、单色仪(平面光栅单 色仪、 凹面光栅单色仪、棱镜单色仪、双单色仪 )2、发射光谱仪(火焰光度 计、看谱仪摄谱仪、光电光谱仪、谱线测量光谱仪)3、吸收光谱仪(真空紫外 分光光度计、可见分光光度计、紫外可见分光光度计、双波长分光光度计、红 外分光光度计、原子吸收分光光度计)4、荧光光谱仪(原子荧光光度计、荧光 光度计、荧光分光光度计、荧光检测计)5、调制光谱仪(傅里叶变换光谱仪、 阿达玛变换光谱仪、栅栏调制光谱仪) 6、其他光谱仪(激光拉曼光谱仪、快

速扫描光谱仪、相关光谱仪、光声光谱仪、成像光谱仪、多光谱扫描仪、色度 仪、测色色差计、白度计)。 三、经典光谱仪的基本原理[1] 经典光谱仪是建立在空间色散原理上的仪器。一台典型的光谱仪主要由一 个光学平台和一个检测系统组成。包括以下几个主要部分: 1. 入射狭缝: 在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。 2. 准直元件: 使狭缝发出的光线变为平行光。该准直元件可以是一独立的透镜、 反射镜、或直接集成在色散元件上,如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅。 3. 色散元件: 通常采用光栅,使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。 4. 聚焦元件: 聚焦色散后的光束,使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像,其 中每一像点对应于一特定波长。 5. 探测器阵列:放置于焦平面,用于测量各波长像点的光强度。该探测器阵列 可以是 CCD 阵列或其它种类的光探测器阵列。 棱镜色散、光栅色散和干涉色散是三种经典光谱仪的色散方式。原理图如 下所示:

棱镜色散的原理主要是不同波长的光具有不同的相对折射率,造成了复色 光在折射过程中折射角的不同,从而产生了色散效应。出射的色散光经由成像 镜会聚于探测器,得到不同波长的色散光。

光栅色散的原理主要是对于一定波长差δλ的两条谱线,经光栅后分开的角 间隔δβ和在光谱仪谱面上的距离δL,定义Dβ = δλ, DL = m dcosβ mf DL = dcosβ Dβ = 其结果表明,光栅的色散本领与光栅常数 d 成反比,与级次 m 成正比,DL 还与焦距 f 成反比。但色散本领与光栅中刻线总数 N 无关。通常分光仪器的分 辨本领定义为R = λ/δλ。δλ为可分辨的最小波长差,对于每个光栅,其可分辨 的最小波长差δλ可由其角色散和最小分辨角来决定。从光栅衍射的光强公式 I = I0
sin α 2 sinN ? 2 ( ) ,可得谱线极大与极小之间的半角宽度为Δβ α sin ? δβ λ dcos β m λ δβ δL δλ

。设光谱仪的聚焦透

镜为f,则δL = fδβ,因此DL = fDβ 。从光谱方程可得光栅的角色散和线色散

=

λ λ

Ndcos β

。Δβ

即可认为是最小分辨角 δβ 。因此, δλ = D = Ndcos β
β

= mN 。即 R = δλ = mN 。

此式表明,光栅的分辨本领正比于参与衍射的总刻线数 N 和光谱的级次 m,与光 栅常数 d 无关。实际的光路安排中,总是要尽量增加光栅的照亮面积,使 N 足够 大,得到极高的分辨本领。

干涉光谱仪的主要原理是傅立叶变换。傅里叶变换光谱仪利用光谱像元干 涉图与光谱图之间的傅里叶变换关系,通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶 变换来获得物体的光谱信息。获取光谱像元干涉图的方法与技术,是傅里叶变 换光谱学研究的核心问题之一 , 决定了由其所形成的傅里叶变换光谱仪的使用 范围和能力。目前,遥感成像傅里叶变换光谱学中,用于获取物面光谱像元干 涉图的方法主要有三种: 迈克尔逊干涉法、三角共路干涉法和双折射干涉法。迈

克尔逊干涉法是建立在具有一个不动镜和一个动镜的迈克尔逊干涉仪基础上, 它可实现相当高精度的光谱测量,但对扰动比较敏感,对机械扫描精度要求也 高,因此仪器结构庞大、成本高。法国太空空间与战略系统分部和美国罗伦斯 利物摩尔实验室分别于 1991 年和 1995 年研制出了迈克尔逊干涉型时间调制空 间成像傅里叶变换光谱仪样机。三角共路干涉法通过空间调制产生物面采样线 的像和组成像元的干涉图。 1995 年美国茶隼公司和佛罗里达技术研究所共同研 制了一台机载可见波段三角共路型成像傅里叶变换光谱仪。双折射干涉法利用 双折射偏振干涉方法来获取干涉图。美国 NASA 利用该方法开发研制了数字阵 列扫描干涉仪 DASI。迈克尔逊型傅里叶变换成像光谱仪属于时间调制型, 只适 用于空间和光谱随时间变化较慢的目标光谱图像测量, 三角共路型和双折射型属 于空间调制型,结构紧凑,对外界扰动和震动有良好的稳定性,既可用于空间 又可用于时间光谱分辨,适合对地遥感观测,是国外正大力发展的两种傅里叶 变换成像光谱仪 。 除去上述成像光谱仪的介绍,还有采用可调谐、光楔滤光片的成像光谱仪。 可调谐滤光片的种类较多: 声光可调谐滤光片(AOTF)、电光可调谐滤光片、双 折射滤光片、液晶可调谐滤光片、法布里-波罗(Fabry-Perot)可调谐滤光片等,应 用在成像光谱仪上的主要有声光可调谐滤光片(AOTF)和液晶可调谐滤光片。声 光可调谐滤光片(AOTF)利用声光衍射原理,采用具有良好的光学性能、较高的 声光品质因数和较低声、光衰减的光学材料所制作的器件。AOTF 在国内外发 展都很快, 左图为非共线 TeO2 声光可调谐滤光片的结构[8],根据声光滤光器的 原理,非共线声光滤光器的调谐关系为λ0 = νa Δn(sin2 2θi + sin4 θi )1/2 /fa 。式中 λ0 —衍射光波长,νa —超声声速,θi —入射光与晶体光轴的夹角,fa —超声驱动 频率, Δn—互作用介质的双折射。调谐关系反映了声光可调谐滤光片驱动频率 与衍射波长的一一对应关系,通过电子调节声波的频率就可完成一定光谱范围 内的光谱扫描。为了扩展可调谐波光片的光谱范围,提高光谱分辨率,液晶可调 谐滤光片可采用多级串联的工作方式。右图为 Meadowlark Optics 公司为 NASA/JPL 制造的三级液晶可调谐滤光片,光谱范围覆盖 0.4—2.5μm,光谱分辨 率为 10nm,滤光片口径约 40mm。由于使用了偏振片,液晶可调谐滤光透过率 的理论最大值为 50 %,现在最高可达 40 %。

光楔成像光谱仪是另外的一种成像光谱仪,它包括一个安装在靠近面阵探 测器的楔形多层膜介质干涉滤光片,探测器的每一行探测像元接收与滤光片透 过滤长对应的光谱带的能量。所以用单个光楔光谱仪能够覆盖较宽的光谱范围。 当面阵探测器的各行与各光谱带对应时,探测器的各列每次在不同的空间位置 上采样,所以该探测器阵列有一个空间光谱轮廓。这种几何关系可以在推扫遥 感器设计或摆扫遥感器设计中使用,不论在哪一种扫描方法中,每一个地面像 元的光谱都是由不同时刻不同探测器像元的输出信号组合得到的。

层析成像光谱仪:层析成像光谱仪将成像光谱图像数据立方体视为三维物 体, 利用特殊的成像光谱仪记录图像立方体的断层投影,根据图像立方体与其断 层投影间的关系 ,利用计算技术对所得的断层投影进行数字解析,重构出物体的 空间光谱图 。断层光谱层析法通过绕光轴旋转全视场色散成像光谱仪,产生图 像立方体的断层投影,棱镜光谱层析法基于全视场棱镜色散型成像光谱仪 , 通 过顺序更换棱镜,产生图像立方体的断层投影序列,光栅光谱层析法借助透射 光栅的色散和衍射效应,产生图像立方体的断层投影序列。 Descour 利用计算 全息图构成的层析成像光谱仪与采用正弦相位光栅的层析成像光谱仪相比具有 更均匀的衍射效率。显著的优点是它的全视场性,不仅使光能得到充分的利用, 而且能以高光谱分辨率提供物面的图像立方体。断层光谱层析法和棱镜光谱层 析法需旋转系统或更换棱镜,获取图像立方体的工作时间长,具有发展为凝视 考察地面静态或缓变目标的高空间和光谱分辨率仪器的能力;光栅光谱层析法

结构固定,可同时获取物体的影像和光谱信息,因此可用于遥感获取光谱和空 间强度迅变物体的光谱图,但由于探测器格式及色散元件的衍射特性限制 , 工 作光谱范围较窄,谱段数较少,需进一步进行研究。

采用二元光学元件的成像光谱仪:二元光学元件( 即衍射光学元件)具有多 种应用。美国光量子中心罗姆实验室的 Denise Lgons 提出一种利用二元光学元 件的成像光谱仪。二元光学元件既是成像元件又是色散元件,利用单色面阵 CCD 探测器沿光轴方向对所需波段的成像范围进行扫描,每一位置对应相应波 长的成像区。由 CCD 接受的辐射是准确聚焦所成的像与其它波长在不同离焦位 置所成像的重叠。利用计算层析技术对图像进行消卷积处理就可获得物面的图 像立方体。二元光学元件同普通透镜一样会聚入射光线 ,但它不是根据折射,而 是衍射原理。由于衍射产生色差的有效焦距与波长成反比:f λ =
f 0 λ0 λ

。式中f0

是设计波长λ0 的焦距。因此,与棱镜或光栅元件沿垂直于光轴方向色散的特性 不同,二元光学元件沿轴线色散,采用二元光学元件的成像光谱仪其光谱分辨 率由探测器的尺寸决定。

该成像光谱仪结构紧凑,衍射效率高,目前采用新型、低成本 R0 激光直接写 入技术制作的连续浮雕结构的二元光学元件的效率已经达到 99 %。太平洋高技 术公司(Pacific Advanced Technology)已经研制了多台该类成像光谱仪,可在 1

秒内获取高达 400 多个光普通道的超光谱图像 ,光谱范围覆盖了 NIR 、SWIR 、 MWIR 和 TIR 波段。 三维成像光谱仪:三维成像光谱仪就是在一个积分时间内同时获取二维影 像和一维光谱信息数据立方体的仪器 ,它是在光栅(棱镜)色散型成像光谱仪的基 础上改进而来的。传统的色散型成像光谱仪中,光谱仪系统的入射狭缝位于望 远系统的焦面上,而三维成像光谱仪在望远系统的焦面上放置的是一个像分割 器(Image Slicer) ,这也是三维成像光谱仪的核心,它的作用就是将二维图像分 割转换为长带状图像,像分割器由两套平面反射镜组成 ,第一套反射镜将望远系 统所成的二维图像分割成多个条带 , 并将各条带按不同方向发射成为一个阶梯 形长条带,二组发射镜接收每个单独条带的出射光 ,并将它们排成一个连续的 长带,以至于每个条带的光瞳看起来是相互一致的,从几何光学的角度来看, 重新组合的长带与一长狭缝几乎没有任何区别。利用这个像分割器作为棱镜或 光栅色散型光谱仪的入射狭缝就可以组成一台三维成像光谱仪, 同时获取目标的 二维影像加一维光谱信息 ,但这也是在损失仪器刈幅宽度的条件下得到的。

结语,成像光谱仪已成为二十一世纪遥感技术发展的重点,分光技术选择 的成功与否关系着成像光谱仪研制的成败。从目前的技术发展看,棱镜或光栅 色散型光谱仪由于技术成熟度高仍占据着主导地位,傅里叶变换光谱仪光通量大、 光谱分辨率高,在弱辐射探测方面优势明显,而采用可调谐滤光片或渐变滤光 片的成像光谱仪结构简单具有较大的发展前途,在探测迅变物体方面,三维成 像光谱仪将是最佳选择,光栅层析成像光谱仪出现较晚 ,还处于原理实验阶段, 短时间内难于实现实用化。 四、结构实例及发展史 长春光机所提出用于空间遥感的大视场高分辨力的全反射式星载成像光谱 仪光学系统[2]。该系统由指向镜、11.42°远心离轴三反消像散(TMA)前置望远 系统和4个 Offner 凸面光栅光谱成像系统组成,通过恰当选择4个光谱成像系

统的变倍比来实现2种探测器的匹配。运用光学设计软件 CODE V 对成像光谱 仪调制系统进行了光线追迹和优化并对设计结果进行了分析。

应对分析仪器小型化、轻量化的趋势,又产生了微型光谱仪[3]。光谱仪的 微小型化趋势可以追溯到 20 世纪 90 年代初期,从那时起光谱仪器才逐渐摆脱 了实验室的局限。

关于光谱仪的发展可以由下表表述得: Name IFS-M IFS-F IFS-L MSBS CTIS MAFC TEI SRDA IRIS CASSI IMS SHIFT MSI Date 1938 1958 1960 1978 1991 1994 2000 2001 2003 2007 2009 2010 2010 Class F F F A A P A+F F A X F P F 1 1 1 1 1/3 1 1/Nw 1 1/2 1/2 1 1/4 1/4 η M(pixel used) Nx(Ny+2s)(Nw+2s) NxNy(Nw+s)(2s+1) NxNy(Nw+s)(2s+1) (Nx+2s)(Ny+2s)Nw ~N (Nx+2s)(Ny+2s)Nw (Nx+2s)(Ny+2s)Nw NxNyNw (Nx+2s)(Ny+2s)Nw Ny(Nx+Nw-1) Nx(Ny+2s)(Nw+2s) (Nx+2s)(Ny+2s)Nw NxNy(2Nw+1)

积分场光谱仪(integral field spectrometer)在 1938 年基于组合式反射镜的 设计下面世;1958 年基于相干光纤光束的光谱仪(IFS-F)也成功面世;1960 年,基于透镜阵列的光谱仪(IFS-L)也成功面世。

IFS-M

IFS-F

IFS-L

光谱分束器(Multispectral Beamsplitting(MSBS),1978)

a)单片分光型 Monolithic beamsplitter blocks

b)光谱滤光片(分光膜)序列 Sequence of spectral filters/beamsplitters

c)体全息光学元件分束器 Volume hologram optical element splitter

d) 光谱过滤器堆 Stack of titled spectral filters (or filter stack spectral decomposition)

计算层析成像光谱仪(Computed Tomography Imaging Spectrometry (CTIS),1991),具体上文已经具体解释过。

多孔滤波相机(Multiaperture Filtered Camera(MAFC),1994)

a. Shogenji design

b. IMEC design

Levoy/Horstmeyer design

可调分级光栅成像(Tunable Echelle Imager(TEI),2000)

TEI 光谱分析探测器阵列(Spectrally Resolving Detector Arrays(SRDA),2001)

SRDA

图像折叠成像光谱仪 Image-Replicating Imaging Spectrometer

IRIS

编码孔径快照光谱成像仪(Coded Aperture Snapshot Spectral Imager(CASSI),2007)

图像映射光谱仪(Image Mapping Spectrometry(IMS),2009)

快照式傅立叶成像光谱仪(Snapshot Hyperspectral Imaging Fourier Transform Spectrometer(SHIFT),2010)

多光谱萨格纳克光谱仪( Multispectral Sagnac Interferometer(MSI),2010)

参考文献
[1]郑玉权,禹秉熙. 成像光谱仪分光技术概览[J]. 遥感学报,2002,01:75-80. [2]薛庆生,黄煜,林冠宇. 大视场高分辨力星载成像光谱仪光学系统设计[J]. 光学学 报,2011,08:248-253. [3]鞠挥,吴一辉. 微型光谱仪的发展[J]. 微纳电子技术,2003,01:30-37. [4] Nathan Hagen, Michael W. Kudenov Review of snapshot spectral imaging technologies[J].Optical Engineering.090901-(1-23). September 2013/Vol. 52(9)


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