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于磊，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所 成像光谱仪是一种非常高效的定量探测仪器，兼具相机的高分辨成像能力和光谱仪的高光谱分辨能力，可获得待观测目标或场景的连续单色光谱图像，并通过空间维(x, y)数据和光谱维(λ)数据共同组成三维观测数据立方体，为研究人员提供探测目标或场景中的每一个点的空间和光谱特征细节，可广泛应用于测绘遥感、目标识别等任务中，并在地理、制造与色度等多个领域中发挥着巨大作用。 一般而言，成像光谱仪系统主要包括了前置成像系统、光谱色散成像系统和探测器系统。其中，光谱色散成像系统决定了其主要性能参数，也是仪器在进行设计和研制时所需完成的最关键部分。因此，本文将根据成像光谱仪中的光谱色散成像系统获取光谱信息能力的不同，按照滤光型成像光谱仪、色散型成像光谱仪、干涉型成像光谱仪和快照型成像光谱仪的分类进行介绍。窄带滤光片是一种能够对探测目标辐射光中的特征光谱进行有效提取、同时对带外杂光进行高抑制的光学器件，将窄带滤光片置于相机中的探测器前即可实现相机对拟观测目标的特征光谱图像探测，从而形成最简单形式的成像光谱仪。这种成像光谱仪的核心光谱色散器件和系统形式相比其他成像光谱仪而言较小，因此整体结构上更容易实现集成化和小型化。 目前，很多市面上使用的可在无人机上搭载的小型高光谱相机均属于此类成像光谱仪，其体积小、质量轻、成本低，在农业定量观测等领域中应用较为广泛。可调谐窄带滤光器型成像光谱仪的光谱探测精度较高，故一般用于对大气中痕量气体特征光谱的高精度检测。目前主流的可调谐窄带滤光器包括声光可调谐滤光器(AOTF)、液晶双折射可调谐滤光器(LCTF)、法布里-珀罗(F-P)滤光器等。 声光可调谐滤光器主要利用声光衍射原理，器件的核心是晶体和其相连的压电换能器，通过将高频的射频电信号作用于换能器，使之转换为在晶体内的超声波振动，这种振动波可以在传播区域内周期性地调制晶体折射率，从而产生空间周期性的调制作用。其可动态地选择特定波长，并以微秒级的速度进行波长调整。 与声光可调谐滤光器工作原理类似，通过对液晶双折射滤光器中的晶体施加电场，可产生电控双折射现象，从而改变o光和e光的折射率差，进而通过电压精确调制二者的相位差来实现不同波长的输出。 在两个高反射率镜片件放置薄液晶片的方法可以支撑法布里-珀罗光学谐振腔，通过施加电场改变液晶的折射率同样可以实现如上两种可调谐滤光器的波长调谐能力。 通过以上滤光器实现的成像光谱仪，其探测目标的特征光谱均为分时获取，一定程度上牺牲了时间分辨率，也为高速光谱应用带来了一定的阻碍。为了解决这一问题，科研工作者又发明了各种新型的阵列式滤光器。 通过在光电探测器光敏面上镀薄膜、F-P标准具、平面光子晶体、光子带隙光纤、超构表面、波导环形谐振器等滤光器阵列，可以实现很好的固定阵列式滤光片的研制，从而使得探测器接收到的图像在对应的像素与耦合的滤光器处呈现出所需的特征光谱信息。这些新型的分光技术促使成像光谱仪向小型甚至微型化快速发展。 色散型成像光谱仪是目前所有成像光谱仪器中形式最为成熟的，因其高性能和高环境适应性成为了应用最为广泛的成像光谱仪类型，是航空、航天、地面、工业、实验室研究等应用领域中的高精度定量探测的主要手段，发挥着举足轻重的作用。 色散器件就是将入射的复合白光衍射为不同的单色光的核心光学元件，这种元件主要包括棱镜、光栅及其组合的分光器件。 棱镜型成像光谱仪是各类色散型成像光谱仪中实施起来相对最容易的，结构也较为简单。其优点是可以在宽光谱下进行工作，工作带宽可以达到几百纳米甚至几微米；缺点是色散率低，导致仪器的光谱分辨率难以做到很高，且光谱分辨率在整个工作波段上并不均一分布，而是随着工作波长的增大而增大。 光栅型成像光谱仪可以达到很高的光谱分辨率，但是由于光栅存在多级衍射效应，光栅型成像光谱仪的工作光谱不能过宽(级次滤光片可以一定程度上解决这一问题)，另外精密光栅的制作极为复杂，光谱仪的装调也比棱镜型成像光谱仪的装调更为复杂。干涉型成像光谱仪 (一般指傅里叶变换光谱仪)的基本原理是利用了具备光程差的波长干涉效应。 该类光谱仪在获取数据立方体的过程中类似滤光型成像光谱仪，但是其光谱分辨率一般远高于滤光型成像光谱仪，且其获取探测目标全部光谱信息的速度要比色散型成像光谱仪快许多倍，因此具有很好的应用优势，在星载、机载和地面的实际工程应用中逐渐得到广泛应用。 同时，该类光谱仪的系统精度和灵敏度也较高，因此对应用环境的要求较高，在具体的工程化实施中相比其他各类成像光谱仪难度最大。研究人员在传统迈克尔逊干涉成像光谱仪的基础上，研发了一些具备相似原理但又有所改进的成像光谱仪形式，例如将上述的迈克尔逊干涉成像光谱仪内部的反射镜更改为内反射二面体，从而避免内部运动部件的使用，且对外界的干扰灵敏度更低等。 而快照型成像光谱仪本质上是对以上各种成像光谱仪的一种进化改型，通过对分光器件或是孔径光阑的处理和改进使得成像光谱仪具备在一定范围内同时获得三维数据立方体的能力。主要有计算层析成像光谱仪、编码孔径计算成像光谱仪、滤光片堆栈成像光谱仪、光纤重组成像光谱仪、微透镜阵列场积分成像光谱仪、映射式成像光谱仪等。每一种成像光谱仪形式的发展都伴随着设计技术和制造技术的突破，并会针对其具体应用场景而进行进一步的改进和优化。无论是已有的成熟成像光谱仪形式，还是正在发展的新型成像光谱仪形式，都必然会随着科学技术的提升而诞生出新的活力。因此，在宏观意义上讲，各种形式并没有明显的优劣之分，只能说在特定的应用领域中，某一类型的成像光谱仪其工作方式和性能更为突出。 当然，尽管不同类型的成像光谱仪在性能上有所侧重，但是所有的成像光谱仪在通用指标上的未来发展方向都是向着高光谱分辨率、高空间分辨率、高光通量和高时间分辨率发展的。 成像光谱仪发展的另一个重要方向是微小型化的应用，即将分光能力和器件最大程度地集成化和小型化。目前基于MEMS的可调谐滤光型成像光谱仪、傅里叶变换干涉型成像光谱仪和光栅式的色散型成像光谱仪已经基本实现了商业化，部分仪器甚至已经实现了消费级应用。随着相关技术的发展，各类微小型成像光谱仪的性能还可以得到进一步提升。 而在未来，随着快照型计算式成像光谱技术的进一步发展，有望将已达到极小体积 (百微米级别) 的核心器件和设备缩小到10 μm级别。
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