高光譜相機的分光方式有哪些？如何選擇？作為高光譜相機中至關重要的元件，分光元件決定了系統光譜分辨率的大小，常用的分光元件包括棱鏡、光柵、濾光片三種，因此其分光方式也就有棱鏡分光、光柵分光和濾光片分光三種方式。本文對這三種分光方式的工作原理進行了分析，并將三者各自的優缺點進行了對比，為大家選擇合適的分光元件提供相關的信息。

1.棱鏡分光方式

棱鏡式高光譜相機的分光原理如下圖所示，不同波長的單色光經過單棱鏡后，出射光的偏折角不同，從而得到目標的光譜。棱鏡作為分光元件的優點是成本低，結構簡單，能透過各個波段的光學能量（不同波長的透過率不同），可以獲得唯一的光譜譜線，能量利用率高。但是不同波長的光線經過棱鏡后，由于色散角大小不同，造成不同譜線的間距不同即色散非線性。棱鏡對光能的吸收，會造成不同波長譜線間的空間位置和信號不均衡，引入額外的像差。雖然棱鏡能透過所有能量，但長波紅外波段的玻璃材料很少且價格昂貴，因此棱鏡一般用于可見，近紅外波段光譜儀的分光元件。

經查找文獻資料可知，為了減小棱鏡色散的非線性，可以使用曲面棱鏡，膠合棱鏡組或者PGP元件作為分光元件。例如曲面棱鏡中的典型結構Féry棱鏡，在光學系統中不僅可以起到分光的作用還能提供光焦度校正像差，從而使系統中透鏡的數量下降，從而減小系統的體積。常用的棱鏡組為賴才爾福特棱鏡、雙阿米西棱鏡等，通過不同的材料及棱鏡頂角的配合不但能夠減小色散的非線性，而且還能合理校正所產生的譜線彎曲和色畸變。

2.光柵分光方式

光柵分光型高光譜相機利用衍射原理來分光，光柵包括透射式和反射式兩種類型。大量大小相同、間距相等的微小狹縫排列起來就組成了透射光柵，每個狹縫都會產生一個衍射條紋，透射出的光波還會互相干涉，從而形成衍射-干涉條紋。由于條紋的極大位置是由波長決定的，這樣就可以得到目標的光譜譜線。為了提高光柵分光系統的光學效率，簡化結構，消除譜線彎曲，又發展出了凹面光柵和凸面光柵。

普通光柵（平面光柵）作為分光元件有許多優點，其中最大的是通過光柵得到的光譜色散為線性，光柵可以對全波段進行色散，還能簡化系統結構。缺陷是所有的衍射光柵都存在高階光譜，不僅會使部分能量散失，還會干擾工作譜段，使衍射效率較低，并且光柵存在很難校正的譜線彎曲和色畸變。

凸面光柵作為分光元件的優點是在發散光束中使用時可以大幅度簡化系統的結構，減小系統的體積和質量，而且系統的空間和光譜分辨率能夠通過光柵常數和成像系統的焦距的變化而改變。在離軸反射式結構中使用凸面光柵的系統在視場角、能量透過率、成像質量等方面具有優勢。

3.濾光片分光方式

使用濾光片可以得到特定波段的光譜，因此通過濾光片可以直接得到所需要的光譜，但是一片濾光片只能得到一個波段的光譜，而光譜相機至少需要十幾個及以上的譜段，因此需要多片濾光片配合使用來獲得光譜。應用濾光片作為分光元件的光譜儀包括：多相機式、濾光片輪、線性漸變濾光片、濾光片陣列、楔形濾光片等。其中多相機式和濾光片輪式的光譜儀缺點過于明顯已經被淘汰了，如今使用的濾光片分光多采用線性漸變濾光片或濾光片陣列，相比前兩者系統體積、復雜程度及成本得到了大幅減小。下面著重介紹線性漸變濾光片和濾光片陣列這兩種分光元件。

線性漸變濾光片實際上是一塊鍍有漸變濾光膜的平薄玻璃片，被放置在緊靠 CCD像面的位置。探測器上各行的像元會接收到目標不同波段的信息，目標完整的光譜和空間維信息通過平臺的推掃才能得到。盡管使用線性漸變濾光片分光的光譜儀結構簡單，卻必須依靠平臺的推掃才能完成工作，對搭載平臺的穩定性要求過高，而且如今CCD 探測器的發展跟不上鍍膜工藝的需求，使得在探測器上存在很嚴重的光譜混疊現象，即不同的譜段信息在探測靶上部分重疊的現象。

濾光片陣列是由一系列中心波長不同的濾光片組成，同樣被放置在探測器靶面處。如下圖 所示每個窄帶濾光片只能透過一個波段的光束，面陣 CCD 的若干行像元對應一個光譜帶，整個像元面對應所需探測的全部光譜帶。圖中不同視場的光束通過各個濾光片，在 CCD 靶面上就能夠得到相應視場的不同光譜信息，每次拍照得到某一區域目標的空間維信息和不同視場對應的不同光譜信息。系統的各視場會隨著平臺的推掃移動到探測器中心，再次拍照就可以得到該物體其他波段的信息，從而獲得目標的全部光譜維信息。此分光方式原理簡單，系統體積小，質量輕便，但是成本較高。