随着科技的发展，人类对信息获取的要求越来越高，人们期待能够记录物质发出或反射的全部光信息从而准确的获取目标物的信息。19世纪第一台黑白照相机就已经问世。这种成像设备只能获取目标物的空间二维信息。后来，出现了彩色相机，可以额外获取红绿蓝(RGB)三个通道的空间信息。此后又出现了彩色摄像机，可以连续的获取目标物的RGB图像，即可认为额外又获得了时间信息。近年来，出现了3D摄像机(3D电影)，该设备通过模仿人眼的双目结构，获得两个不同视角的RGB视频，即可认为又获得了光的角度信息。从上述发展历程可以看出，获取更多维度的光信息是成像设备发展史的目标之一 [1] [2] 。今天，我们的主角“光谱仪”则是额外获得“光谱”信息的新型成像设备，是光学成像系统发展史上的新星。

在了解光谱仪之前，首先我们需要知道 光谱是什么 ？

众所周知，光是一种电磁波，而电磁波包含着不同波长的形式。如我们耳熟能详的伽马射线、X光、紫外、红外、微波、雷达等等。其中，我们日常接触最多的是可见光了。可见光，顾名思义，在其范围内，人眼能够将不同波长的光感知为不同的颜色。比如波长在620-780nm的光人眼感知大致都为红色，波长在490-580nm的光大致都为绿色，而波长在450-490nm的光大致都为蓝色。光谱，就是光在不同波长处的强度分布曲线。

当光照射或者穿透某物质时，光的性质会被物质属性调制，其反射/透射光的光谱也会展现出五花八门的变化曲线，并据此可以用来分析该物质的化学/分子组成等。如图3所示，是各种光源的发射光谱曲线，由于其光源发光物质的物理/化学属性不同，其发射光谱也表现出相应的属性，具体表现为：随着横坐标波长的变化，不同波长对应的光强度也随之变换。因此，对于波长强度信息的获取与应用称之为光谱技术。而能够获得光谱信息的仪器，称之为光谱仪 [3] 。

经过数十年的发展，光谱仪的技术形式已经十分丰富，学者们对它的分类方式也是五花八门。例如：简单地按照光波范围可以分为，可见光型，红外型和紫外型光谱仪。按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜型，用感光片记录的摄谱型，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。按照获取光谱过程是否需要计算可以分为直接测量型与计算型；按照获得方式可分为：棱镜及光栅色散型，干涉型，直接滤光型，分光型，以及引入微光学元件的计算层析型和压缩感知型等 [4] 。在这儿离我们本次为大家介绍三种主流的光谱仪：色散型，滤光片型，和干涉型光谱仪。三者由浅入深，层层递进，相信可以让大家对光谱仪的原理有一个清晰的认识。

色散型光谱仪：

牛顿的棱镜色散实验(图4)，让人们认识到白光是由多种颜色的光组成之后，色散一直是人们分离不同谱段的光的重要形式。色散型光谱仪是通过分光元件（如 棱镜 、 光栅 ）将 复色光 分光 后，将 色散 开的 单色光 按 波长 大小而依次排列得到光谱。目前市面上的商业光谱仪大多为基于衍射光栅的光谱系统（Grating Spectrometer）。其分光元件衍射光栅，是一种能够将多色光衍射到不同角度的光学器件，其基本原理可由下面公式表示：

其中，n为衍射级次， 为衍射光波长，d为光栅常数， 为光线入射角， 为光线出射角。经过光栅分散的各色光，被探测器重新成像，按波长从小到大的顺序进行排列即可得到光谱。色散型光谱仪的分光元件中，光栅通常比棱镜更好。因为棱镜色散本身具有的限制：在特定波长范围存在一定的光吸收效应，进而导致色散效率受限。而光栅不存在这一问题，其色散效率更高，并可以提供依据波长大小的线性色散，更容易后期处理。

色散型光谱仪原理简单，但也存在着相应的缺点。如图6所示，由于色散型光谱系统中引入了狭缝，导致光通量低，而光通量大小直接影响了信息的信噪比。 可以通过增加狭缝的宽度来提高光通量，但是狭缝宽度的增加会导致光谱分辨率的下降。因此色散型光谱仪的信噪比与光谱分辨力相互制约，成为其面临的首要问题。同时，由于色散后需要对每个谱线分别测量，使得系统的测量时间加长，这制约了色散光谱仪在动态场景中的应用。

滤光片型光谱仪：

滤光型光谱仪通常利用干涉滤光片（常见的为法布里-珀罗型）直接滤出需要波段的光，而将不需要波段的光吸收或排出。其基本原理和我们日常所见的彩色相机相同。彩色相机可以认为是一种三通道的多光谱相机，该结构由 Bayer 在1976 年提出，如图7所示，是一种直接在像素前方加工红、 绿、蓝三色滤光片阵列的结构。将红绿蓝三原色信息进行组合之后，即可完成对色彩的记录。

随着Bayer滤波器阵列彩色相机的发展，产生单像素级尺寸的谱滤波片成为可能。如图8 (a)所示，通过增加滤光片的数量这一简单步骤，即可将彩色相机推广到光谱仪。这样的光谱仪的优点是非常紧凑，便于携带且鲁棒性性强。但其主要缺点在于，制造这种像素级的滤光片是十分困难的，每个滤光片的尺寸都要分毫不差，并且滤光片与探测器像素之间要绝对配准。这不仅使得此种光谱仪成本极高，而且一旦系统装备好，无二次调整可能性（不能够随便地改变光谱范围或者分辨力了）。

为了解决上述问题，学者们又提出了多孔径过滤式光谱仪(MAFC)。如图8(b-c)所示，将微透镜阵列与尺寸相对较大的滤光片相结合 [5] ，即可实现相应功能。此时的滤光片尺寸较大，容易加工，放置于透镜前后均可，配准也相对容易。该种光谱仪的缺点在于，随着光谱通道数的增加，势必要增加滤光片的数量，从而导致光通量下降。

干涉型光谱仪：

1880 年，迈克尔逊（Michelson）发明了迈克尔逊干涉仪，之后，瑞利意识到通过傅里叶变换，可以从干涉仪所产生的干涉图得到其光谱信息 [1] ，干涉光谱学便慢慢发展起来。1949 年，英国科学家 Peter Fellgett 第一次通过傅里叶积分变换的形式从实验测量的干涉图中获得光谱图。

干涉型光谱仪多为双光束干涉型，其中最出名的便是迈克尔逊干涉型光谱仪。图9为其示意图，该光谱仪包含一个分束器、一个定镜和一个动镜。来自目标场景的光线首先被分束器分成两路，其中一路由分束器反射至定镜，经由定镜反射后再次透过分束器到达探测器；另一路则透过分束器到达动镜，经由动镜反射后再次到达分束器，并最终由分束器反射到达探测器。通过移动动镜，使得两个光路之间存在光程差，光程差的存在使得两路光干涉后形成干涉条纹。对干涉条纹进行傅里叶变换可得到目标场景的光谱曲线。干涉型光谱仪克服了色散型光谱仪能量利用率低的缺点，具有测量范围宽、精度高、光谱分辨率高的优点，在红外和可见光波段应用广泛 [6] 。

光谱仪的应用领域：

光谱成像技术与人类的生活息息相关，在遥感、农业、食品、医疗等领域都发挥着重要的作用。

医学领域。 医学成像是引导医生有效的掌握及进一步分析疾病状况的重要手段，光谱仪的无侵入特性使得该项技术在临床应用上有着其他技术无法比拟的优势。光谱仪能够获取的不同临床病症的光谱特征，近年来，学者们利用光谱仪对疾病的临床诊断及监测做了大量研究 [7] 。包含了人眼疾病诊断，癌症的原位及离体监测，创伤分析，代谢及血液动力学分析，血液氧和程度分析，爱茨海默症潜在视网膜生物标志物探测等。

农业领域。 农业一直是人类生存和发展的关键，近年来，随着光谱成像设备及无人机等小型飞行器的飞速发展，由光谱仪技术参与的“精准农业”也获得了飞速发展。作物在不同时期不同状态下光谱特性不同，通过监测作物的光谱数据，可以有效的分析作物的生长状态，生理生化指标，病虫草害等，以便采取精准的施肥、喷药、除草等应对措施。另外，光谱仪还能够对各种农副产品，如苹果 [8] 、桃子、烟叶等的质量进行监督。

食品行业。 随着对食品的高效率低成本生产需求的日益增长，食品行业在安全生产的同时也面临着确保食品质量及安全的挑战。食品质量问题和食品安全问题是关乎民生的重要问题，传统监测食品物化及生物特性的手段往往具有破坏性，而光谱仪技术能够无侵入的实现对食品质量的评价及食品安全的检测。

遥感领域。 通过将光谱仪置于人造卫星或飞行器上，从而实现对地物目标的电磁辐射信息探测。地表各种物质都具有特定的电磁波反射、吸收、透射及辐射特性。例如各类岩矿、不同性质的土壤、不同种类的水体、不同类型的植被、城市建筑以及大气中的气体成分都对电磁波辐射具有不同的作用。因此，通过建立各类物质的光谱数据库，可以将各类地物进行精确的分类，从而实现测绘、地质勘探、大气、水体环境监测等方面的应用 [9] 。