成像光譜儀的案例
Zemax案例 | 基于自由曲面的高分辨率成像光譜儀設計
引言
成像光譜儀作為集“光譜分析”與“空間成像”于一體的先進光學設備，在環境監測、生物醫學、材料科學、空間遙感等領域具有重要應用。其通過對目標物質光譜與空間信息的聯合分析，能夠實現物質的“定性”“定量”和“定位”探測，為科學研究和實際應用提供高效、精確的信息。
傳統Czerny-Turner（C-T）型光譜儀因色散均勻、工藝成熟，長期占據主流市場，但球面反射鏡的固有缺陷使其難以校正全波段像差，性能提升受限。近日，華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室謝微團隊[1]提出基于自由曲面反射鏡的高分辨率成像光譜儀設計方法，通過“離軸拋物面分段拼接+Zernike多項式擬合”的創新路徑，通過Zemax仿真優化，成功實現全波段全視場像差校正，其光譜分辨率達0.015nm，優于市面同類型商用產品，為高分辨率成像光譜儀的設計提供了全新思路。
子鏡的構建到曲面融合
要實現自由曲面對C-T型光譜儀的性能升級，關鍵在于構建合理的初始結構——團隊以C-T光路為基礎，通過“子鏡參數計算”與“分段拼接擬合”兩大步驟，突破了傳統自由曲面設計的計算壁壘。
1.1 C-T光路結構
C-T型光路的核心組成的為“入射狹縫-準直鏡-光柵-聚焦鏡-探測器”，如圖1所示：光線經狹縫進入系統后，由準直鏡將發散光束轉化為平行光；光柵對平行光進行光譜分光，使不同波長光線以不同角度衍射；最終，聚焦鏡將衍射光匯聚至探測器對應位置，完成光譜信息記錄。
圖1 C-T型光路結構示意圖
該團隊在保留這一經典框架的同時，針對“像差校正”這一核心痛點，提出將“準直鏡與聚焦鏡”替換為自由曲面反射鏡——其中，聚焦鏡通過“分段拼接離軸拋物面”生成，準直鏡則通過Zernike多項式直接優化，從結構源頭解決全波段像差問題。
展開 SPECTRA INSIGHT 高光譜成像軟件
Spectral Insight 可以從任何成像光譜儀獲取和處理光譜數據。光譜數據可以從第三方來源導入進行分析。圖像大小/分辨率和光譜范圍/分辨率僅受分光計或文件格式的限制。Spectral Insight 使用并行處理，以視頻或旋轉的 3D 體實時顯示數以千計的光譜圖像。每個平面圖像或 3D 體被分配與波長或波長集相關聯的獨特的調色板。每個像素、區域、光譜圖像和 3D 體積都可以分析物質、光譜匹配、異常，并使用本地或第三方光譜數據庫進行搜索。
特性
· 用戶可選擇區域和分辨率的數據采集
· 可選擇的波長范圍和帶寬
· 可將數以萬計的光譜波段顯示為圖像/視頻
· 獨特的調色板紫外線，可見光和紅外波長
· 搜索本地或在線光譜數據庫進行簽名匹配
· 分析整個圖像，可選區域，或單個像素
· 顯示體積，3D 表面，2D 圖像，1D 橫截面顯示和單像素光譜數據
· 使用行業標準或其他光譜數據進行光譜標準化
· 導入第三方光譜數據
高級功能
· 與點掃描、推掃或全圖像快照光譜儀一起使用
· 用于快速物質檢測的 AI 功能
· 使用所有可用 cpu / gpu 進行并行處理
· 簡單而強大的 Ribbon 界面
· 多種文件格式(導入、導出)
· 根據需求添加新功能
· 可作為一個完整的應用程序或程序員的庫
展開 光譜成像技術如何重塑視覺邊界？
</p><p><strong>二、按光譜分辨率分類</strong></p><p><strong>（1）多光譜成像儀</strong></p><p>獲得的目標物的波段數在3~12之間，光譜分辨率一般在10nm-30nm，主要用于農作物分類等方面。</p><p><strong>（2）高光譜成像儀</strong></p><p>獲得的目標物的波段數在100~200之間，光譜分辨率在10nm左右，被廣泛用于礦物勘探、醫學腫瘤邊界檢測、工業質檢中。</p><p><strong>（3）超光譜成像儀</strong></p><p>獲得的目標物的波段數在1000~10000之間，光譜分辨率在1nm以下，通常用于大氣微粒探測等精細探測領域及實驗室級分子光譜分析中。 </p><p><strong>三、按技術原理分類</strong></p><p><strong>（1）色散型（根據色散原理）</strong></p><p>通過棱鏡或光柵分光，直接分離不同波長的光。<strong>該技術成本低廉，能夠同時對所有波長進行成像，技術比較成熟。但同一時刻只能獲得一條線的影像，光譜分辨率容易受到狹縫寬度的限制，很難做到5nm以下。</strong>通常應用于工業線掃描相機、醫學影像等。
展開 光譜儀 | RP 系列激光分析設計軟件
一般來說，光譜儀是一種用于研究光、物質或物體的波長相關特性的儀器；它的用途相當廣泛：
· 光譜儀是一種可以在空間上分離光的光譜成分的儀器，單獨分析光譜成分——例如使用照相底片或外部光電探測器。所使用的分光測色儀通常是衍射光柵或棱鏡。
· 光譜儀通常還包含一些用于分析光強的光電探測器。包含大型探測器陣列的光譜儀可用于記錄光源的光譜，而且無需在光柵方向掃描。當配備強度校準時，此類設備更具體地稱為光譜輻射計。
· 其他光學光譜儀用于分析物質或物體的光譜特性，例如與波長相關的透射率或反射率。它們更具體地稱為分光光度計，并在化學等領域得到應用。使用包含一些窄線寬 可調諧激光器的激光光譜儀可以獲得特別高的光譜分辨率和高靈敏度。然而，這些通常只能覆蓋相當有限的光譜區域。
還有光學和光子學領域之外的多種光譜儀，例如用于測量顆粒速度或顆粒尺寸分布的設備。然而，本文完全聚焦于對光進行光譜分析的光譜儀。當對物質或物體的分析感興趣時，請參閱有關分光光度計的文章。
使用光譜儀進行的測量通常會提供波長或頻率函數作為光的光功率譜密度(PSD) 。并非所有光譜儀都提供經過校準的 PSD；通常，強度讀數未經校準，而且對于波長來說可能與校準因子（響應度）有很大相關性。
還有光譜相位干涉測量方法，不僅可以測量功率譜密度，還可以測量光譜相位。
有些光譜儀也具有成像功能，稱為成像光譜儀。請參閱有關高光譜成像和多光譜成像的文章。
如果僅需要測量激光束的光譜線寬，而不需要測量詳細的光譜形狀，則可以使用其他方法，例如進行自外差線寬測量。通過這種方法，人們可以測量非常小的線寬，其遠低于典型光譜儀的分辨率。
光譜儀的類型
基于衍射光柵或棱鏡的光譜儀
大多數光譜儀都基于某種多色儀，即可以在空間上分離光的不同波長成分的裝置。
展開 
萊森光學：無人機高光譜遙感技術在自然資源調查中的應用進展
在無人機高光譜遙感系統中，除了無人機平臺以及搭載的高光譜成像儀之外，為了實現精確的地理配準，微型計算機和 GNSS/IMU 模塊也需要集成到無人機高光譜成像系統中。由于高光譜數據一般具有空間分辨率高、光譜分辨率高和光譜通道多等特征，對 GNSS/IMU 精度要求較高，同時需要配置可靠的三軸穩定平臺減少無人機振動對高光譜成像儀視軸穩定性的干擾。
2.2?研究現狀
?目前，國內無人機高光譜遙感系統在VNIR譜段的研究和產品研發已近相對成熟，許多國內的系統已經在不同領域實現了廣泛應用，但 SWIR、MWIR 以及 LWIR 譜段無人機高光譜遙感系統的研究相對國外仍有較大差距。即使在 VNIR 譜段，國內外相關系統在成像光譜儀的光譜分辨率、光譜波段數、重量等性能參數上雖無顯著區別，但國外的系統在集成化、輕量化、軟件自動化方面更加出色，為用戶提供了更便捷的操作體驗以及全流程的處理軟件，極大了提高了調查效率。此外，在儀器成像方式上，國內主流的商業無人機高光譜遙感系統多使用推掃式的系統，而國外已有快照成像方式的系統，在采集速度與圖像質量方面有較大提升。
展開 FRED應用：TMT MOBIE成像光譜儀的概念設計階段雜散光分析
緒論
寬視場光學光譜儀(MOBIE)是視覺受限的光學光譜儀，它是為第一代Thirty Meter
Telescope (TMT)儀器而設計的。目前MOBIE儀器處于概念設計階段。本文記錄了成像模塊配置中雜散光分析的進展。在項目的這一階段雜散光分析的目標是提供預期的雜散光背景的基線評估。為此，我們完成了四個量的雜散光計算：
? 關鍵物體的識別
? 預估雜散光背景
? 離軸抑制特性
? 鬼像的形成
分析基于一個完整的系統模型（盡管簡化過）的端到端光線追跡，包括帽型圓頂、望遠鏡光學器件、支撐結構、MOBIE儀器光學器件和外殼。
圖1.完整的TMT-MOBIE雜散光分析模型
TMT-MOBIE幾何模型
端到端系統模型如圖2所示（隱藏了圓頂壁）。MOBIE儀器的成像模塊配置如圖3所示。一對大氣色散校正（ADC）棱鏡剛好位于視場光闌孔徑的前面。視場光闌是一個彎曲的掩膜，與TMT焦面的曲率相匹配，且傳輸5.4±2.1弧分×±4.8弧分的矩形視場。視場光闌是儀器內部主要的雜散光控制機構。反射瞄準儀（MC-1）沿著視場光闌。二色分束鏡透射和反射光線到紅色和藍色鏡頭部件中。隨后折疊到折射式照相機裝置中。
圖2.圓頂內部 簡化的模型只包含可能被MOBIE儀器看到的元件
圖3.MOBIE儀器模型
表面屬性指定
反射鏡表面具有一層鋁涂層，平均反射率在90%。透鏡表面具有一個理想的抗反射涂層，在每個面上反射1%的入射通量。
展開 玉兔號月球車探測器：靈活高效進行月面巡視
玉兔號月球車攜帶了全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀、粒子激發X射線譜儀4臺科學探測儀器進行巡視探測。
在月面進行巡視探測的玉兔號月球車
玉兔號裝有2臺全景相機，距離約20厘米，可以獲得月球表面的彩色立體圖像，目的在于判斷出一些有色彩的光譜和拍攝著陸器上的國旗。它們裝在月球車桅桿上，可360°旋轉和90°俯仰拍攝周邊圖像，是一套自主視覺導航系統，可隨時了解前方有沒有障礙等，進而根據實際地形情況自行做出所需的“決策”。其成像方式為彩色成像與全色成像交替切換，成像距離大于3米。其科學目標是對著陸區與巡視區進行月表光學成像，調查巡視區月表地形地貌，研究巡視區撞擊坑和月球地質等。
全景相機
在世界上首次應用的測月雷達安裝在月球車底部，用于在巡視過程中直接探測30米內月壤結構和100米深的淺層月殼結構。它有2個探測通道，高頻通道探測30米深月壤結構，低頻通道探測100米深月殼的結構,這是前人從未做過的。它隨月球車一邊走一邊測，這相當于一邊走一邊把地下切開一刀看看里面，看看這個月球土壤有哪幾層，土壤里有沒有大石塊或是其他什么結構。因為玉兔號是區域性探測，所以測月雷達有助于了解區域性的典型月壤和地質構造以及次表層的結構。通過搭載的測月雷達，并集合其他載荷探測的成果，可以在國際上首次建立集形貌、成分、結構于一體的綜合性觀測剖面，建立起月球區域綜合演化動力學模型。
紅外成像光譜儀包括可見近紅外和短波紅外2個譜段，能獲取可見近紅外到短波紅外的高分辨率反射光譜及圖像，用于巡視區月表紅外光譜分析和成像探測任務，完成巡視區月表礦物組成和分布分析，巡視區能源和礦產資源的綜合研究。其中紅外譜段可以非常精細地觀測光譜，判斷不同的物質。在月球車行進過程中，這臺光譜儀能沿著行走方向成像，并探測月球表面物質的成分。
展開 嫦娥四號再次月夜休眠 玉兔二號已累計行駛120米
著陸器上配置的低頻射電頻譜儀、搭載的德國月表中子及輻射劑量探測儀，巡視器上配置的紅外成像光譜儀、搭載的瑞典中性原子探測儀等科學載荷重新開機，按計劃順利開展科學探測活動。巡視器全景相機對著陸器再次進行成像，獲得了著陸器彩色全景圖。
多光譜成像+AI系統技術是如何來監測植被的？
蜂巢航宇無人機基于多光譜成像+AI系統技術對植被（包括農作物、經濟作物、草場和森林等）的長勢和病蟲害監測有機動靈活、及時、快速、成本低廉、精確度高的優勢，可以為農林業的信息化和現代化作出貢獻。特別是提供及時準確的作物生長信息有益于合理使用肥料和農藥，直接為改善和保護環境提供幫助。
【案例應用】 QuantumDesign中國 | 高光譜成像HSI和X-rays在食品行業的應用
為了控制食品的質量，許多企業采用了機器視覺技術，但只有少數企業使用了高光譜相機。芬蘭SPECIM高光譜相機是一種無損、無接觸的檢測技術，它將近紅外（NIR）光譜與成像相結合，為各種食品的質量控制和分級提供了新的機會。通過使用芬蘭SPECIM FX17（NIR）工業高光譜相機，機器視覺系統可以比傳統的視覺方法---RGB和X射線傳感器，揭示出更多有關食品的品質信息。
SPECIM FX17高光譜相機將成像技術與光譜技術相結合，采集目標的二維圖像及一維光譜信息，獲取高光譜分辨率的連續、窄波段的圖像數據。SPECIM FX17高光譜相機采集到的圖像的每個像素都包含900-1700nm全譜段的光譜信息。
使用光譜信息可以實現：
?? 污染物的檢測，例如：塑料、木材和骨頭等；
?? 化學和營養特性的定量，包括pH、糖、脂肪、水和鹽含量。
單靠高光譜成像并不能解決所有問題，但它可作為一項有效的補充技術應用于視覺檢測方案，尤其是對X射線（X-Rays）技術的補充。高光譜成像無法穿透樣品，而X射線可以檢測隱藏在食品內部的污染物。
展開 淺析移動式光譜儀光譜儀的標準改進趨勢是什么?
使用移動式光譜儀時，對環境有一定要求。不要在潮濕的環境中工作。環境濕度在0-95%之間。不能在太高的溫度下操作。這樣做的原因是為了避免各種磁場干擾，以便儀器在分析時可以更準確地進行檢測。因此，每個人在工作時都要注意環境的適應性。在許多情況下，非標準儀器檢測仍然與環境有很大關系。那么，下面跟大家分享分享使用移動式光譜儀的心得。
對于儀器儀表行業，相應的技術標準和實際的技術水平已成為客戶的核心論點。技術密集型和高產出的產品類型也使自己的價值更好。這種設備具有自己的檢測速度和集成功能，也滿足我們的客戶對該移動式光譜儀設備操作的需求，并且隨著技術標準的提高，這種移動式光譜儀逐漸呈現出以下趨勢：
一、小型化的趨勢
近年來，精密部件內部傳感器的小型裝置實現了更加緊湊的設計。在廣受好評的光譜儀設計中使用這些組件可以實現集中化的結構設計，從而使該光譜儀設備更加簡單。結構設計效果簡單，并且其自身的傳感設備和緊湊的光纖探頭減小了該光譜儀的尺寸。這種小型化的趨勢使該光譜儀能夠穩定地應用于更多領域，甚至在室外環境下也能發揮該光譜儀設備的穩定測量效果。
二、功能變化呈現穩定趨勢
只有具有更好的功能設計，才必須具有可靠的傳輸能力和更穩定的信息提供能力，而中國經驗豐富的便攜式光譜儀設計人員會通過波長和衰減分布等各種技術參數進行調整，從而使該光譜儀的設計能夠有序地排列復合傳感器陣列被實現。相應的產品應用可以使該移動式光譜儀的測量效果更好地實現，并且可以有效地應用在一些狹小空間和復雜的環境中，并且該設備的穩定功能改善了該光譜儀的性能。
綜上所述，可以發現，便攜式光譜儀裝置在微處理模式下的應用效果更好，相應的智能化趨勢和功能設計也提高了移動式光譜儀的應用前景。因此，該光譜儀在不同環境中的應用提高了其應用效果。
展開 
分析手持式光譜儀與直讀光譜儀有什么樣的區別?
光譜儀有許多種類，包括我們常用的手持式光譜儀與直讀光譜儀，便攜式光譜儀等，那么，你知道手持式光譜儀與直讀光譜儀有什么區別嗎?
直讀光譜儀:
? 直讀光譜儀是定量分析，測量結果準確，重復性好，長期穩定。
手持式光譜儀:
手持式光譜儀是定性和半定量分析。用于標識材料等級。該測試很方便，但是不能測量精度要求很高的材料。
一、檢測試樣的大小不同
直讀光譜儀對樣品量有嚴格的要求。樣品必須至少具有不小于激發腔的平坦表面，并且厚度不得小于1.5mm(通常建議不小于3mm)，并且手持式光譜儀的尺寸和厚度應與樣品。沒有如此高的要求，可以測試普通樣品。
二、檢測環境不同
??直讀光譜儀只能在實驗室使用，環境溫度和濕度的波動不應太大，嚴重影響檢測效果;手持式光譜儀可以檢測室內或室外工作。
三、測試樣品的損壞程度不同
??直讀光譜儀是一種破壞性測試。在激發過程中，將在材料表面形成直徑約8毫米的小凹坑。直讀光譜儀不適用于貴重和裝飾性金屬。手持式光譜儀是非破壞性測試。測試本身不會影響樣品。有任何不良影響。在靈活性方面，手持式光譜儀還具有很高的利用率。用于測試樣品的直讀光譜儀的尺寸必須適合該表。測試前必須銷毀過多和較長的樣本。
四、數據的準確性不同
??碳和氮的兩個元素只能通過直讀光譜儀檢測。建議使用直讀光譜儀來準確地確定非金屬元素，例如磷和硫，以及對準確性有較高要求的地方(要求數據波動低于0.05%);通常建議使用手持式光譜儀進行品牌識別或其他定性和半定性定量精度要求。
展開 VirtualLab運用：切爾尼-特納光譜儀—光譜分辨率的分析
光學測量＞光譜儀
任務/系統描述
亮點
復雜光學系統的高性能分析
使用嚴格算法對光柵進行嚴格矢量分析
說明：光源
說明：孔徑
說明：拋物面反射鏡
說明：光柵
說明：探測器
結果：3D光線追跡
結果：波長的變化
由于波長的變化，入瞳的像可經過探測器孔徑進行掃描
結果：單色儀的分辨率
光譜分辨率的定義：
光譜分辨率：A=1244
文件&技術信息
Czerny-Turner單色儀&光譜儀的仿真
測量系統(MSY.0003 v1.1)
應用示例簡述
1.系統說明
? 光源
— 平面波(單色)用作參考光源
— 鈉燈(具有鈉的雙重特性)
? 組件
— 光闌(狹縫)，拋物面反射鏡，閃耀光柵
? 探測器
— 功率
— 視覺評估
? 建模/設計
— 光線追跡：初始系統概覽
— 幾何場追跡+(GFT+)：
? 窄帶單色儀系統的仿真
? 為分辨特定光譜曲線進行整個光譜的高分辨率分析
2.系統說明
3.系統參數
4.建模/設計結果
總結
模擬并分析了Czerny-Turner單色儀及并將其用于光譜研究中。
1. 仿真
以光線追跡對單色儀核校。
2. 研究
應用經典場追跡和幾何場追跡+引擎對系統的性能進行研究。系統分析中包括采用傅里葉模態法進行光柵效率的嚴格分析。
3. 應用
應用真實的Czerny-Turner單色儀分辨了鈉燈的雙波長特性
可以通過使用VirtualLab對復雜的光譜系統,比如Czerny-Turner進行詳盡的研究。
應用示例詳細內容
系統參數
1. 仿真任務：Czerny-Turner干涉儀
Czerny-Turner干涉儀是一種廣泛用于光和樣本的光譜研究。主要由兩個球面或拋物面反射鏡、兩個光闌以及一個作為分光元件的光柵組成。
2. 系統參數
元件在1m范圍內的距離與非常窄的入瞳孔徑進行結合以確保單色儀/光譜儀的高光譜分辨率。
3.
展開 中國月球車身懷絕技 攜十八般“武器”到處探測
在科學載荷方面，嫦娥四號月球車延續了“玉兔”當年探月國產“三大件”，即全景相機、紅外成像光譜儀和測月雷達。除此之外，嫦娥四號月球車還有一個“殺手锏”，那就是與瑞典合作的中性原子探測儀，這將是人類探月史上首次在月表開展這項探測活動。
特別值得一提的是，載重量方面，嫦娥四號月球車總重量約140公斤，是到目前為止全球最輕的月球車。
12月靜待飛天吉日
今年5月21日，“鵲橋”中繼衛星成功發射，目前正工作在距月球約6.5萬公里的地月拉格朗日L2點使命軌道。它正如其名，像一座橋梁，既能“看到”地球，也能“看到”月球背面，可以提供地月中繼測控和數傳服務。
按照計劃，嫦娥四號任務將于今年12月實施，屆時，它將首次實現人類探測器在月球背面軟著陸，并在“鵲橋”支持下，進行月面巡視勘察。
人類雖然多次登月，但沒有達到過月球的背面，甚至人類的探測器也不曾在那里降落過，只是繞月飛行的時候，對月球背面進行過遠距離掃描、拍攝和觀察，獲得的信息相對較少。這使得人們對嫦娥四號即將進行的月球背面軟著陸和月面巡視充滿了期待。
同時，這也給嫦娥四號任務的實施帶來了更高的難度，對其提出了更高的要求。正如吳偉仁所說的那樣，由于目前人類對于月球背面環境和月表情況了解較少，著陸器需要具備很高的自主導航和避障功能，來自主尋找地勢相對平坦的地區進行著陸。
對嫦娥四號的巡視器也就是月球車來說，也是一樣，在陌生的環境中，克服困難探索前進，并取得勘察成果，無疑是一個巨大的考驗。
嫦娥四號任務的實施將成為中國探月工程的新的起點，探月與航天工程中心副主任于國斌對該任務順利實施充滿信心的同時，進行了更遠的展望。
于國斌透露說，根據計劃，2019年將實施嫦娥五號任務，其核心任務是月面采樣返回，具體來說，就是在月球表面采集約兩公斤重的月面土壤等樣品，并將其帶回地球。
展開 