高光譜相機的光學系統遠非簡單的成像鏡頭，它是一個精密設計的分光和探測系統。其核心任務是將入射的“混合光”在空間維（X,Y）和光譜維（λ）上進行分離與重組，最終形成`(x,y,λ)`三維數據立方體。掃描型與快照型技術路徑的根本差異，決定了其光學鏡片組成與核心分光元件的截然不同。

（圖源網絡，侵刪）

一、掃描型高光譜相機（以推掃式為例）光學系統解析

推掃式是目前工業檢測、遙感等領域最成熟和應用最廣泛的技術。其原理是“犧牲”時間維度（通過平臺運動進行掃描）來換取每個像元完整、高質量的光譜信息。

1.光學系統組成與光路

推掃式相機的光學系統是一個典型的前望遠鏡成像+后光譜分光的串行結構。

光路：`目標場景→前置成像物鏡→入射狹縫→準直鏡→色散元件→聚焦鏡→面陣探測器`

工作流程：相機與目標之間存在相對運動。在某一瞬時，前置物鏡將地面上一條窄線（對應空間Y維）成像在入射狹縫上。狹縫限制視場，成為新的線光源。光線經準直鏡變為平行光，照射到色散元件上，被按波長分開。分光后的光束由聚焦鏡會聚到探測器上，此時探測器Y軸記錄空間信息（狹縫上的不同點），X軸記錄光譜信息（不同波長）。平臺運動完成X方向的推掃，最終合成三維數據立方體。

（高速推掃工業高光譜相機原理圖-覆蓋波段900-1700nm）

2.核心光學鏡片元件及其應用指標 

a.前置成像物鏡組

功能：收集目標輻射，將地面一條線成像于狹縫處。

關鍵應用指標與參數：

視場角（FOV）與瞬時視場（IFOV）：決定了地面掃描帶的寬度和單個像元對應的地面尺寸。例如，FOV為30°，IFOV為1mrad。

焦距（f）與F數（F/）：焦距決定空間分辨率，F數（如F/2.0,F/2.8）直接影響系統的光通量和信噪比。遙感應用中常用長焦距、大孔徑物鏡。

畸變與色差：需嚴格校正，尤其對于后續需要進行幾何精校正的遙感應用。

工作波段范圍：必須覆蓋相機的整個光譜范圍（如400-1000nm），通常采用消色差或復消色差設計。

（凹凸彎月鏡）

b.光譜分光模塊（核心）

功能：將混合光在空間上按波長分離。

核心分光元件：

b.1.色散元件（棱鏡或衍射光柵）

棱鏡：利用材料折射率隨波長變化（色散）分光。優點是光通量高，無級次重疊問題，光譜響應平滑。

關鍵指標：材料（如熔融石英、氟化鈣）、色散率（單位波長間隔對應的空間分離度）、透射波段。

衍射光柵：利用多縫干涉和衍射原理分光。優點是光譜分辨率高、線性色散（光譜在探測器上均勻排列）。

關鍵指標：線對密度（如300lines/mm）、閃耀波長、衍射效率、工作級次。線對密度直接決定了系統的光譜分辨能力。

（分光棱鏡）

b.2.準直鏡與聚焦鏡

這對鏡片通常采用離軸拋物面鏡或專門設計的復消色差透鏡組。

關鍵指標：數值孔徑（NA）/F數（需與前置物鏡匹配，影響系統光通量）、像差校正（特別是像散和慧差，需在整個光譜范圍和像面上均良好校正）。

（平凸透鏡-聚焦鏡）

c.入射狹縫

功能：空間定位，決定系統的空間分辨率和光通量。

關鍵參數：狹縫寬度（單位：μm）。寬度越窄，空間和光譜分辨率越高，但進入的光能量越低，需要權衡。典型寬度在10-50μm之間。

3.應用特點總結

優點：技術成熟，光譜分辨率高（可達1nm以下），信噪比優異，適合對光譜精度要求高的定量化分析（如礦物識別、水質參數反演）。

缺點：需要穩定的相對運動平臺，不適合拍攝動態場景。

典型應用：機載/星載遙感、生產線上的連續產品檢測（如水果分選、藥品監測）。

（空間掃描相機-點掃描(圖A)通過捕獲每個像素/行像素圖B(線掃描/推掃式)）

二、快照型高光譜相機光學系統解析

快照型旨在單次曝光中捕獲整個視場的光譜信息，其光學設計更為復雜，核心思想是通過空間調制或像面分割，在單幀圖像中編碼出空間和光譜信息。

1.光學系統組成與光路（以基于圖像面分割的成像型光柵/棱鏡方案為例）

這是目前相對成熟的快照技術，其光學結構與推掃式有相似之處，但取消了狹縫和推掃運動。

光路：`目標場景→主成像物鏡→微透鏡陣列/像面分割器→微色散元件（每個子孔徑后）→面陣探測器`

工作流程：主物鏡將整個場景成像在探測器前方的微透鏡陣列（MLA）上。每個微透鏡對應探測器上的一個宏像元（由多個物理像素組成的子區域）。每個宏像元接收來自場景中某一特定物點的光。在該宏像元前，集成了一個微型色散元件（如微棱鏡或光柵），將該物點的光分散到其下屬的多個物理像素上，從而記錄下該點的光譜。

2.核心光學鏡片元件及其應用指標

a.主成像物鏡

功能與推掃式前置物鏡類似，但負責對整個二維視場成像。

關鍵指標：視場角（FOV）、相對照度均勻性（對整個像面要求極高）、分辨率（MTF）需與微透鏡陣列的采樣能力匹配。

b.像面分割與微色散模塊（核心）

功能：在像面處對每個空間點進行獨立分光。

核心元件：

b.1.微透鏡陣列（MLA）

關鍵指標：微透鏡焦距、口徑/節距（如100μm）。節距決定了空間采樣間隔，即最終重建圖像的空間分辨率。每個微透鏡下的像素數決定了光譜通道數。

（微透鏡陣列）

b.2.微色散元件陣列

集成在每個微透鏡之后，可以是刻蝕的微棱鏡或衍射光柵結構。

關鍵指標：色散角度/線性色散（決定光譜在探測器上的覆蓋范圍）、均勻性（所有微單元的色散特性需高度一致）。

（二向色分束鏡）

3.另一種主流快照方案：基于Sagnac干涉儀的時空混合調制型

核心光學元件：分束器（BeamSplitter）、反射鏡、剪切板。

工作原理：利用干涉原理。入射光被分束器分成兩路，產生光程差后再次匯合，在探測器上形成包含所有物點干涉信息的干涉圖。通過單次曝光獲取一幅干涉圖，再經過傅里葉變換為每個像元還原出光譜曲線。

關鍵指標：剪切量（決定最大光程差，進而決定光譜分辨率）、視場大小、光學穩定性和對稱性要求極高。

（905光反射鏡）

4.應用特點總結

優點：瞬時成像，無運動部件，非常適合動態過程監測（如燃燒分析、生物活體觀測、高速生產線上瑕疵的瞬間捕捉）。

缺點：空間分辨率與光譜分辨率相互制約（受限于探測器總像素數），數據需要通過復雜算法重建（計算快照型），光譜精度和信噪比通常低于推掃式。

典型應用：醫療內窺鏡、機器視覺（高速在線檢測）、軍事偵查、實驗室動態過程分析。

（圖C為波長掃描/圖D為快照，無需掃描）

高光譜相機技術路徑

├── 掃描型 (需要時間掃描)

│   ├── 推掃式(空間掃描：沿軌道方向逐線掃描)

│   ├── 擺掃式 (空間掃描：通過旋轉鏡逐像元掃描)

│   └── 濾光片掃描式 (光譜掃描：如AOTF（聲光可調諧濾光片）, LCTF逐波長掃描（液晶可調諧濾光片）)

└── 快照型 (瞬時獲取)

       ├── 像面分割型 (如微透鏡陣列+微色散元件)

       ├── 計算層析型 (如CTIS，使用編碼孔徑)

       └── 空間-光譜編碼型 (如基于Sagnac干涉儀)

總結對比

技術路線選擇的核心：

選擇掃描型（如推掃式），意味著你優先追求更高的光譜/空間性能和數據精度，可以接受一定的圖像獲取時間（依賴于掃描運動）。

選擇快照型，意味著你必須捕獲瞬時動態場景，為此可以接受在空間/光譜分辨率或信噪比上的一定妥協。

在工業檢測、遙感等主流應用領域，推掃式因其優異的性能（高光譜分辨率、高信噪比、成像幾何畸變小）而成為掃描型技術中最成熟、應用最廣泛的方案。

總而言之，高光譜相機的光學鏡片應用是其技術靈魂的體現。掃描型通過精心設計的串行色散光路追求極致的光譜fidelity，其光學指標直接關聯最終的定量化分析能力。而快照型則通過創新的并行編碼或干涉光路，用光學設計的復雜性換取時間分辨率，其光學元件的微納加工精度與系統裝調穩定性是性能的關鍵。選擇何種方案，根本取決于應用場景在時間動態性與數據精度之間的核心需求。