成像光谱仪走向商品化

　　最初由政府实验室研发的专用于研究领域的成像光谱仪正逐步走向商品市场, 目前全球已有几家制造商可向市场提供全套系统。

　　近 20 多年来, 美国罗彻斯特理工大学成像科学中心一直致力于高分辨率成像光谱技术的研究, 为环境监测、国防和安全以及医学成像等领域提供先进的应用技术。在各种不同的应用领域, 从实验室装置到天基系统, 成像光谱技术在硬件和算法研究方面不断取得进展。但尽管如此, 若想使这些系统得到广泛的应用还有许多亟待解决的具体问题, 如期望性能过高; 数据分析太复杂; 不够经济高效;市场欠发达, 诸如此类问题都是对成像光谱仪未来发展的严重挑战。但目前已有很多公司能够为商业机载应用和实验室应用提供完备的系统。

　　技术基础

　　成像光谱技术的定义: 用于探测和分析包括光谱区域内的数百个或数千个相邻窄光谱带且空间上相互重合的图像技术 ( 参见图 1) 。成像光谱仪谱带的高分辨率特性与多光谱成像仪不同, 多光谱成像仪一般只有很少几条离散且宽间隔的光谱通道。虽然“成像光谱技术”和“超光谱成像技术”一般可以通用, 但仍可根据其应用的特点合理地区分它们。成像光谱技术通常是指利用景物中特殊光谱吸收特性识别材料或材料浓度的技术; 而超光谱成像技术则是利用光谱的过采样和多维度冗余来区分材料种类之间的细微差别。当然, 在两种应用中　　可采用同类系统, 其差别纯属学术问题。

　　成像光谱仪有 2 个采集光谱图像的关键装置:(1) 用于分离光谱区各波长的元件; (2) 探测景物辐射所必需的焦平面探测器。

　　在空域和时域都能实现光谱分离。目前, 很多成像光谱仪采用的是色散技术, 即用棱镜或衍射光栅沿焦平面阵列的一维方向分散景物光谱, 而在与其正交的另一维方向上对景物空间采样, 移动反射镜 ( 扫描) 或平台移动 ( 推帚) , 然后形成二维图像。时域光谱分离术是在帧成像阵列前放置1 个移动滤波轮或一可调谐滤波器 ( 声光可调滤波器或液晶可调滤波器)。这些技术的优点是可以保证图像的空间完整性, 因为每幅光谱图像都是在一次扫描中收集的; 但由于现场收集时扫描反射镜是运动的,所以图像之间可能会产生空间配准误差。在时域 ( 傅里叶变换) 和空域 ( Sagnac 变换)均能实现干涉测量技术, 但同样存在误配准问题。

　　在过去 10 年间, 研究人员开发了一种被称之为色层析法的时域干涉测量技术。这种技术利用旋转光栅或棱镜将光谱景物投影到二维焦平面上, 能快速并完全超立体收集和监测可从时间上分辨的事件。硅电荷耦合器件 ( CCD) 的探测范围覆盖了从可见光到近红外的光谱区域 (400~1 000 nm) , 因此继续在该领域内占据统治地位, 但焦平面阵列技术的持续发展已为成像光谱仪的设计者们提供了更多的选择机会。碲镉汞 ( HgCdTe) 和锑化铟 ( InSb)阵列可用于超过 1 000 nm 较长波长的光谱区域。最近的研究进展证实, 单阵列的砷化镓铟 ( InGaAs)　　的探测范围能跨越 400~1 700 nm 的波长范围。