便携式光谱成像系统的主要技术原理

　　便携式光谱成像系统是融合光学成像、光谱探测与数据处理的新型检测设备，核心使命是在小型化架构下，同时获取目标的空间形态与光谱特征，实现“形态可视化+成分定量化”双重目标。其技术原理围绕“光信号调控-光谱拆分-信息重构”三大核心环节展开，通过简化传统光谱仪的复杂结构、优化光机电协同机制，达成便携性与检测精度的平衡，广泛应用于食品检测、环境监测、生物医药等现场场景。

　　光信号获取与初步调控是系统工作的基础。与传统实验室光谱仪依赖固定光源和复杂光路不同，便携式系统采用小型化光源模块与轻量化光学组件。光源模块通常配备LED或小型激光光源，可覆盖可见光、近红外或紫外波段，根据检测需求切换波长范围，如食品检测常用近红外波段，有机物识别则适配紫外波段。光学组件核心为物镜与准直镜，物镜负责捕捉目标反射或透射光，聚焦形成光学图像；准直镜将发散光校准为平行光，为后续光谱拆分提供稳定光信号，部分高档系统会集成液晶透镜，通过电压调控实现成像与光谱探测功能合一，大幅缩减设备体积。

　　光谱拆分是核心环节，即通过特定光学器件将复合光按波长分解为单色光，主流技术路径分为传统分光与计算分光两类。传统分光技术基于物理色散原理，常用光栅或棱镜作为分光元件：光栅通过衍射作用使不同波长光产生角度偏移，棱镜则利用光的折射系数差异实现色散，拆分后的单色光被探测器阵列接收，转化为对应波长的光强信号。该路径技术成熟、稳定性强，多用于对精度要求较高的场景，但需优化光路设计以控制体积。

　　计算分光技术是便携式光谱成像系统的核心创新方向，通过编码调控与算法重构替代部分物理分光组件，显著提升小型化水平。其核心逻辑是利用编码孔径、衍射光学元件等对光信号进行振幅或相位编码，使不同波长光以特定模式投射到探测器上，再通过深度学习、凸优化等算法反向重构光谱信息。例如，氮化镓基级联光电二极管架构通过电压调控载流子传输行为，实现波长依赖的光谱响应，结合神经网络算法可高精度重构未知光谱，光谱分辨率可达0.62纳米，且器件尺寸可缩小至亚微米级。

　　信号探测与数据重构是实现结果输出的关键步骤。探测器是光信号转化为电信号的核心部件，便携式系统多采用CMOS、InGaAs或HgCdTe阵列探测器，根据工作波段选型，如红外波段适配HgCdTe探测器，紫外波段则选用氮化镓基探测器，其响应速度可达纳秒级，满足实时检测需求。探测器输出的电信号经放大、模数转换后，形成包含空间坐标与光强信息的原始数据，再通过算法处理生成“光谱数据立方体”——即每个像素点对应一条完整光谱曲线，既保留目标的空间形态，又可通过光谱特征反演成分含量。

　　此外，便携式光谱成像系统校准与优化技术是保障精度的重要支撑。便携式设备需通过参考板校准消除光照波动影响，将目标光强与标准参考值比对，归一化处理后获得准确反射率数据。同时，通过小波卷积网络等算法优化空谱分辨率，解决光谱与空间分辨率相互制约的难题，确保在小型化前提下，兼顾检测精度与成像质量，最终实现“现场快速检测、数据精准输出”的核心需求。