光谱研习社｜光谱成像分光原理介绍

这计算重建型光谱成像代表了一种革命性思路——不再试图物理分离波长，而是用编码与算法“算”出光谱。其典型架构包含三个环节：编码、采集、重建。

在光路中引入编码元件（如编码孔径掩膜版或空间光调制器），将不同波段的空间-光谱信息以预设的、高度混叠的方式压缩到单次曝光的二维探测器上，得到一张“编码图”。这张图看起来杂乱无章，实则包含了完整的三维信息。随后，利用压缩感知或深度学习等重建算法，从这张“密码图”中解算出完整的光谱数据立方体。

1.核心优势

单次曝光即完成采集：理论上只需一帧即可获得完整的三维数据，是对动态场景、瞬态过程（如爆炸、燃烧、活体细胞运动）进行光谱观测的理想手段。

硬件简洁：无需复杂的扫描机构或多波段切换器件，系统体积可大幅缩小，为便携式、手持式光谱成像设备开辟了空间。

灵活度高：编码模式可软件调控，同一硬件通过更换算法可适配不同的光谱分辨率或空间分辨率需求。

2.物理代价

代价从硬件转移到了计算端。重建保真度高度依赖算法模型，模型与物理过程的偏差会引入光谱伪影或空间模糊；系统使用前需精密标定以获取解码参数，标定误差直接传导至重建结果；且高光谱数据量巨大，从单帧编码图中反推三维数据是典型的欠定问题，实时重建对算力和功耗构成严峻考验。

3.适用场景

瞬态现象观测（如高速碰撞、燃烧诊断）、生物活体成像（如术中实时光谱导航）、以及硬件体积受限的紧凑型光谱成像系统。在快照式高光谱与部分多光谱系统中均有应用。

▲图4 计算光谱成像系统的主要组成及工作原理。

傅里叶变换型光谱成像走了一条与众不同的路径——不直接分离波长，而是测量干涉。其核心是迈克尔逊干涉仪结构：入射光经分束器分为两路，分别射向固定反射镜和可移动反射镜，两束反射光重新汇合后产生干涉。移动反射镜改变光程差，探测器记录下不同光程差下干涉光强的变化，得到一条“干涉图”曲线。对该曲线进行傅里叶变换，即可解算出光谱信息。

1.核心优势

光通量 ：整个过程中没有狭缝或滤光片遮挡，理论上所有入射光子都被利用，信噪比远超色散型系统。这一优势在探测微弱信号时尤为关键。

波数精度高 ：以激光干涉条纹作为内部波长标尺，波数精度完整且稳定，适合精密光谱学测量。

光谱分辨率可调：通过改变反射镜移动距离即可调节分辨率，无需更换光学元件。

2.物理代价

代价同样来自机械扫描。反射镜的移动需要时间，无法对快速变化的场景进行瞬时冻结。此外，原始数据是干涉图，必须经傅里叶变换才能转换为可读光谱，增加了处理流程的复杂度；且反射镜的运动精度对隔振和温控有严苛要求。

3.适用场景

天文观测（探测遥远星体的微弱红外信号）、大气成分垂直探测、高精度红外光谱分析等信号微弱、信噪比要求***的科学研究场景。