1960年第一台激光器问世时，恐怕无人预料到“受激辐射光放大”会彻底改变人类感知世界的方式。而今天，另一种光技术革命正在发生——当我们不再满足于捕捉物体的形态与色彩，转而追寻其分子层面的“指纹”时，高光谱成像技术便成为打开新维度的钥匙。
一、光谱成像的原理
对于一般的数字图像而言，我们记录的信息是一个二维矩阵，每个像素点（即一个矩阵的元素）对应了一个数字。例如8位图像，从0~255分别表示探测器动态范围内由最暗到最亮所能记录的景物的灰度。
如果我们给这个二维矩阵增加一个维度，在空间维度（X,Y）之外的第三个维度记录该像素点对应的光谱信息，这就像给每个像素点装配了微型光谱仪，形成包含数百个连续窄波段的三维数据立方体（空间维X/Y+光谱维Z）。
高光谱成像技术的核心之处在于将传统的成像技术与光谱技术融合在一起，在传统成像技术获得地物目标空间信息的同时，通过光谱仪色散元件将某一谱段的复色光色散开来，使其获得几十甚至几百个连续的窄波段的光谱维信息。
实现这一技术的关键在于分光方式，常用的一般有以下两类：色散型和干涉型。色散型很好理解，假设我们单次采样对应面阵探测器的一列数据，在与空间信息垂直的方向使用一个色散元件，最终多次采样即可得到高光谱图像。图像的空间分辨率和光谱分辨率均由光学系统本身决定。
利用干涉图和频率之间的对应关系，还有干涉型成像光谱仪。通过控制光程差使其发生干涉，在探测器像面处得到干涉图样，并通过傅里叶逆变换反演得到目标的空间和光谱信息 。
除了以上两种分光方式，在某些特定的结构中，还可以采用各类新型器件作为分光元件。例如，声光可调谐（ AOTF）滤光片主要由吸声器、双折射单轴晶体和压电换能器组成，利用入射光和超声波在双折射晶体中的相互作用进行工作。 加载于其上的压电换能器将电信号转换为同频率的超声波，超声波在晶体中传播时和入射光发生相互作用，满足布拉格衍射条件的入射光波发生布拉格衍射。衍射光的波长与声波频率相对应，通过改变声波频率，即可改变衍射光波长，从而实现AOTF的分光作用。因此，通过电信号的调谐即可快速、随机改变输出光的波长 。
液晶可调谐（ LCTF）滤光片由多个利奥( Lyot )滤波片级联构成， 利奥滤波片由两个偏振片和一个液晶层构成，其结构如图 2-10 所示。当对液晶层施加电压时，可改变液晶层对波长为λ0 的入射光的折射率，进而改变液晶层对波长为λ0的入射光的透过率，使其在中心波长为λ0 时达到最大透过率。因此通过调节电压大小可实现对任意中心波长的光谱选择，从而实现光谱分光 。
这一类分光方式也可以统称为滤波型或滤光片型，包含了一定的干涉或衍射原理，可以根据具体方案选用。
二、光谱扫描方式
由于探测器都是一维或者二维的，我们想要获取三维信息需要进行扫描。成像光谱仪在分光之前一般需要搭配一个前置望远系统，可以采取几种不同的扫描方式，以同时获取空间维度和光谱维度的信息，可以分为摆扫型，推扫型和凝视型三类。
摆扫式可以通过XY方向控制物方具体方位的光束入射，实现点对点的扫描。摆扫式需要包含运动元件，例如振镜或大型摆镜，可以采用线阵探测器采样。
推扫型通过控制相机运动实现空间二维扫描，采用面阵探测器，一般搭配高精度导轨使用，或可以搭载于卫星和各类飞行器平台。单次对探测器一列像素视野范围的精度成像，例如X方向，另一维度通过分光元件采集光谱维度信息。整体结构无运动部件，相对简单，但探测视场直接收到光学系统限制，难以实现较大的成像幅宽 。
此外还有一类凝视型高光谱相机，同样采用面阵探测器，光路中一般包含一个编码器，例如DMD或AOTF，系统多次采样后通过计算还原空间和光谱信息。
三、典型光路结构
成像光谱仪可以采用的结构形式较多，其中比较典型的是offner型。光束由狭缝入射，经过一组近似对称的反射系统，其中第二个反射镜为凸面光栅或平面光栅。主镜和三镜在空间分辨率要求不高的情形下可以为球面，通过对称结构消除像差。这里大家可以想一下，如果光路偏离对称，哪种初级单色像差会显著增大？
除了offner结构主要的成本在凸面光栅加工，除这种结构外，常用的还有Dyson结构，Czerny-Tuener结构等，如下图所示：
四、总结
在本文中，我们简单描述的高光谱成像的原理和典型设计方案。总的来说从光学设计的角度，成像光谱仪的设计和一般光学系统并无太大区别。高光谱成像技术集成了成像与光谱分析的优势，通过记录丰富的光谱信息，能实现对物质分子层面的精准识别。从色散型、干涉型到滤波型分光方式，从摆扫、推扫到凝视扫描模式，以及offner型等典型光路结构，这项技术展现出强大的发展潜力。