高光谱成像系统主要由面阵相机、分光设备、光源、传输机构及计算机软硬件这五部分构成。光源为整个成像系统提供照明；分光设备通过光学元件把宽波长的混合光分散成为不同频率的单波长光，并把分散光投射到面阵相机上；光源产生的光与被检测对象作用后成为物理或化学信息的载体，然后通过分光设备投射到面阵相机；计算机软硬件控制高光谱成像系统采集数据，针对特定的应用进行图像和光谱数据的处理与分析，同时还可以为高光谱图像提供存储空间。
周阳、杨宏海、刘勇、林森通过分析国外先进的高光谱成像载荷发展现状，并结合国内高分五号高光谱成像技术的发展状况，指出高光谱成像技术在光谱分辨率、空间分辨率、成像质量等方面具有独特的优势，因此被广泛应用于资源勘探和环境监测等方面。[1]除此之外，高光谱成像技术还被广泛应用于航天航空，空间大气等方面。为满足这些领域宽谱段、小型化、精确化，空间分辨率、时间分辨率以及光谱分辨率等方面的探测需求，多模式高光谱成像系统已成为迫切的需求，冯蕾等人通过计算以及光学设计软件设计研究，设计一种高分辨率的光学系统，仅仅通过使用一台光谱仪就同时覆盖可见光和近红外两个波段。[2-4]马骏,肖喜中等人指出在可见近红外波段内，通过合理选择电荷耦合器件探测器，可以显著提高高光谱成像系统的信噪比以及焦面稳定性。[5-6]除此之外，Zhongzhu Liang还指出可以通过傅里叶变换红外光谱仪衍射和拓展光源获得高分辨率、高可靠性、高信噪比以及宽光谱。[7]
对于高光谱成像系统，光源起着非常重要的作用，吴建峰等人指出如果光源工作不好，那将会导致图像信息采集的不准确并对图像本身的质量造成影响。[8-11]光源系统的好坏决定着整个高光谱成像系统好坏，好的光源设计能改善整个系统的分辨率，大量的实验证明了光源的照射角度是照明方式中最重要的因素，因此，为光源设计合理的照射角度就显得十分重要，除此之外，光源的光谱、亮度同样重要，若是光源亮度不足，则会影响图像的效果，使测量精度降低。[12-13]但是由于光源光照的特点，要实现在目标照明面上均匀照明的要求，要对光源光照进行二次设计。[14-15]
为了保证系统中照明场内亮度的均匀性，自由曲面透镜凭借其设计自由度高、能方便灵活地控制光束分布、实现复杂照明等优点而被广泛应用。[16-18]梁文跃等人基于贝塞尔曲线控制点多参数提出了一种优化自由曲面透镜的方法，通过将仿真光分布与目标光分布的偏离量累加并进行修正，实现反馈优化。[19]刘明伟等人提出了一种基于照度分布分割与反馈的方法来设计一种结构十分紧凑的光学自由曲面透镜。[20]李登高等人基于偏微分方程法，提出将初始仿真结果中目标上的照度分布作为反馈以实现重构目标面来优化曲面设计。[21]石智伟等人提出了一种基于等差数列的新型反馈修正方法，该方法按照等差数列的分布形式更改光源网格的划分从而改变网格对应的光通量，以实现光源照度的均匀分布。[22]Sun Liwei提出了通过使用“边缘射线理论”来设计一种可以将任何模式的光辐射重新分布到目标表面上的自由微透镜。[23]
除了使用透镜，另一种是光源照度均匀的方式是通过反射器。考虑到透镜有两个透光面以及一定的厚度，因此其中任意一个曲面在设计加工过程中若是出现偏差，将会对光线的分布产生影响。而反射器理论上只需要一个反射面即可，对于能量的消耗也少，因此陈继龙基于非成像光学、反馈优化和自由曲面等相关理论对不同照明下的反射器进行了研究。[24-25]
[1]周阳,杨宏海,刘勇,林森.高光谱成像技术的应用与发展[J].宇航计测技术,2017,37(04):25-29 34.
[2]冯蕾,魏立冬,杨雷,相里斌,何晓英,景娟娟,周锦松.双通道曲面棱镜高光谱成像系统设计[J/OL].光学学报:1-10[2019-03-02]
[3]李瑞昌,邹刚毅,王臣臣,樊学武.可见光与红外一体化光学系统设计[J].光学学报,2016,36(05):217-224.
[4]薛庆生.空间大气遥感高光谱成像仪光学系统设计[J].光学学报,2014,34(08):256-261.
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